以此過零點為PID反饋控制的目標點，即可將激光器的波長鎖定在目標譜線中心，對目標分子的濃度進行連續監測。這一基于波長調制衍生出來的新的波長鎖定技術，要比傳統的法拉第光譜技術實現波長鎖定的方法更簡單可靠，也更節省系統功率消耗(因為傳統的波長鎖定是基于“黎曼調制”方法，此方法需要一個額外的，消耗功率的磁線圈去調制參考氣體，繼而調制通過參考氣體池的線偏光的偏振)。
[0029]通過本發明的新的雙調制法拉第技術，可以實現比傳統法拉第技術更高的靈敏度，更好的系統長時間穩定性，以及更簡單的系統構造。下面說明利用本發明的裝置探測順磁分子一氧化氮(化學式:NO)的實施例。實驗裝置如圖2所示。一只輸出波長為1906.HcnT1的分布反饋量子級聯激光器(DFB-QCL)用于探測NO分子在5.2微米處的R(8.5)e能級。兩個氟化鎂線偏振器，一只用于起偏，一只用于檢偏。法拉第氣體池單通光程為15cm。繞在法拉第池外的磁線圈能夠產生強度約為100G，交變頻率約為3.26kHz的磁場。用于測試法拉第信號的標準氣體，是濃度為2ppm的NO混合氣體。5cm長的參考氣體池中充入濃度約為1%，吸收強度約為10%的NO混合氣體。兩個氣體池內的壓強均設定為30ΤΟ1Γ。系統的光電探測裝置是兩個半導體制冷的碲鎘汞中紅外探測器。一個用于探測法拉第信號，另一個用于接收參考路的信號。激光的波長調制是利用施加于激光器電流源的頻率為50kHz的正弦信號實現的。值得注意的是，該系統信號與參考臂光電探測器的調幅信號解調，多諧波鎖相濾波，PID反饋控制，均由一個雙通道高性能數字鎖相環(ZurichInstrument HF2LI)完成。
[0030]為了將新的雙調制法拉第技術與傳統的法拉第技術做對比，在同一個實驗條件下測試并對比新老兩種技術。傳統法拉第技術的信號頻率處于磁場調制頻率3.26kHz，所獲得的信號譜如圖4所示。雙調制法拉第技術的解調信號頻率處于100kHz±3.26kHz，解調得到的信號譜如圖5所示。對比兩個信號譜，可以得到如下兩個結論:1.觀察信號譜兩翼可以發現，傳統的法拉第技術有很大的非零偏置，而雙調制法拉第技術得到的信號不再有非零的偏置信號，而偏置信號的有效去除，可以大大提升系統的長時間穩定性。2.相比傳統技術，雙調制法拉第技術的系統總噪聲變小，所測信號譜的信噪比由79(Hz)1/2提高到207.1 (Hz)1/2，說明系統的傳感靈敏度提升了大約3倍。
[0031]另外，參考臂信號可以利用波長調制的三次諧波鎖定，波長鎖定效果好，系統得到極大簡化。如圖6所示，當波長實現鎖定后，系統處于連續監測一氧化氮濃度的狀態，通過改變測試樣氣的濃度，可得到階梯狀對應不同濃度的信號響應。傳感器的功能成功得到驗證。
[0032]總之，新的雙調制法拉第技術可以實現比傳統法拉第技術更高的靈敏度，更好的系統長時間穩定性，更簡單的系統構造。
[0033]使用雙調制法拉第技術的傳感系統，還可以實現對多種順磁分子(如Ν0，Ν02，以及他們的同位素)的同時連續監測。而系統中只需要一個共享光路，和至多兩個光電探測器(如果需要實現波長鎖定連續監測的話，否則只需一個光電探測器)。不同氣體產生的法拉第信號，由施加在不同激光器上的調制頻率和鎖相解調的頻率來區分。如圖7所示，三只激光器分別輸出不同的波長(但均需在同一光電探測器響應波長范圍之內)，對應不同目標分子的特征譜頻率。三束激光可以合束為一束光，通過一個共享光路，并聚焦在一個光電探測器上。而這三路法拉第調制信號的獨立解調，可以由施加在三只激光器上的波長調制頻率來區分。如激光器I的波長調制頻率為，激光器2為f2，激光器3為f3。解調時，對由光電探測器輸出的信號分別施加不同的混頻信號(或中心頻率不同的窄帶濾波器)即可。同樣地，不同激光器的波長鎖定反饋信號也可由三路獨立的，對應不同頻率的鎖相解調器來完成區分。與目前市場上常見的一個探測系統只能針對一種氣體分子的探測方式相比，這一方法極大地降低了系統的成本，實現了非常經濟的傳感器結構。
[0034]圖8示出了根據本發明的實施例的方法的流程圖。如圖8所示，首先在步驟SI中，將第一頻率的交變磁場施加于氣體池中的待測氣體。在步驟S2中，對激光束進行波長調制以產生具有第二頻率的波長調制的激光束，其中第二頻率高于第一頻率。在步驟S3中，將波長調制的第一激光束轉換成偏振光，將該偏振光入射到氣體池，并且將從氣體池輸出的激光束轉換成強度調制的激光束。在步驟S4中，通過光電轉換將該強度調制的激光束轉換為電信號。在步驟S5中，解調該電信號，以獲得待測氣體的光譜信息。
[0035]生產氮氧化物(NOx)傳感器的廠商，對環境保護，空氣污染，工業排放，汽車尾氣排放監控感興趣的企事業單位，均可能對此發明有潛在興趣。
【主權項】
1.一種探測順磁分子氣體的方法，包括: 將第一頻率的交變磁場施加于氣體池中的待測氣體； 對第一激光束進行波長調制以產生具有第二頻率的波長調制的第一激光束，其中第二頻率高于第一頻率； 將波長調制的第一激光束轉換成偏振光，將該偏振光入射到氣體池，并且將從氣體池輸出的激光束轉換成強度調制的激光束； 通過光電轉換將該強度調制的激光束轉換為電信號；以及 解調該電信號，以獲得待測氣體的光譜信息。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述解調步驟包括利用第二頻率的各次諧波頻率作為參考頻率進行下變頻轉換，以及利用第一頻率的各次諧波頻率作為參考頻率進行鎖相放大。
3.如權利要求1所述的方法，還包括: 利用所述波長調制的激光束對所述第一激光束進行波長校準或鎖定。
4.如權利要求1所述的方法，還包括: 對多個第二激光束的每一個進行波長調制以產生多個波長調制的第二激光束，所述多個波長調制的第二激光束具有各自不同的第三頻率，所述各自不同的第三頻率高于第一頻率并且不同于所述第二頻率。
5.如權利要求4所述的方法，還包括: 合并所述波長調制的第一激光束和所述多個波長調制的第二激光束，然后將合并后的激光束轉換成線偏振光并且入射到氣體池；以及 解調所述多個波長調制的第二激光束通過氣體池以及檢偏器之后通過光電轉換輸出的電信號。
6.一種探測順磁分子氣體的系統，包括: 氣體池，其內部充有利用第一頻率的交變磁場調制的待測氣體； 第一激光器，其產生具有第二頻率的波長調制的第一激光束，其中第二頻率高于第一頻率； 起偏器，其將波長調制的第一激光束轉換成線偏振光，并將該偏振光入射到氣體池； 檢偏器，其將從氣體池輸出的偏振調制的激光束轉換成強度調制的激光束； 光電探測器，其通過光電轉換將該強度調制的激光束轉換為電信號； 第一信號解調器，其解調電信號以獲得第一待測氣體的光譜信息。
7.如權利要求6所述的系統，其中所述第一信號解調器利用第二頻率的各次諧波頻率作為參考頻率進行下變頻轉換，以及利用第一頻率的各次諧波頻率作為參考頻率進行鎖相放大。
8.如權利要求6所述的系統，還包括: 頻率鎖定器，其利用所述波長調制的激光束對所述第一激光束進行波長校準或鎖定。
9.如權利要求6所述的系統，還包括: 多個第二激光束，所述多個第二激光束的每一個被波長調制以產生多個波長調制的第二激光束，所述多個波長調制的第二激光束具有各自不同的第三頻率，所述各自不同的第三頻率高于第一頻率并且不同于所述第二頻率。
10.如權利要求9所述的系統，還包括: 光束合并器，其合并所述波長調制的第一激光束和所述多個波長調制的第二激光束，然后將合并后的激光束輸出到起偏器；以及 多個第二信號解調器，其解調所述多個波長調制的第二激光束通過氣體池之后通過光電轉換輸出的電信號。
【專利摘要】本發明公開了一種探測順磁分子氣體的系統和方法。所述系統包括：氣體池，其內部充有利用第一頻率的交變磁場調制的待測氣體；第一激光器，其產生具有第二頻率的波長調制的第一激光束，其中第二頻率高于第一頻率；起偏器，其將波長調制的第一激光束轉換成線偏振光，并將該偏振光入射到氣體池；檢偏器，其將從氣體池輸出的偏振調制的激光束轉換成強度調制的激光束；光電探測器，其通過光電轉換將該強度調制的激光束轉換為電信號；第一信號解調器，其解調電信號以獲得第一待測氣體的光譜信息。
【IPC分類】G01N21-27
【公開號】CN104596946
【申請號】CN201410160827
【發明人】王胤
【申請人】王胤
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年4月17日