光譜儀的光譜測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光譜測量技術領域，特別是涉及一種光譜儀的光譜測量方法。
【背景技術】
[0002] 傳統衰蕩吸收光譜儀（Cavity Ringdown Spectroscopy，CRDS)，以下簡稱 CRDS 光 譜儀和腔增強吸收光譜儀（Cavity Enhanced Spectroscopy，CEAS)以下簡稱CEAS光譜儀 的關鍵部件為由高反射率鏡片組成的光學諧振腔，組成所述CRDS光譜儀和CEAS光譜儀的 諧振腔的長度一般都在Im以內，典型的長30 cm至70 cm。因此，要在如此短的吸收池內 提尚探測靈敏度往往從提尚鏡片的反射率入手。
[0003] 相應的，現有技術中，客觀存在的事實是：提尚鏡片的反射率會受到諸多限制；例 如：首先，在紫外和紅外波段鍍膜困難，限制了該技術在紫外和紅外波段的應用；其次，在 一個較寬的光學頻段很難同時獲得高的反射率，限制了該技術的多組分同時探測的能力； 最后，由于鏡片上的膜層會受環境中水分等的影響，鏡片反射率隨著使用會下降，導致探測 靈敏度下降，甚至導致測量結果不準確。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述問題，本發明提供一種光譜儀的光譜測量方法，在所述光譜儀中采 用了一種基于棱鏡的光學諧振腔。所述光學諧振腔由至少兩個棱鏡所組成，所述光信號起 偏為P偏振態的偏振光信號，以偏離布儒斯特角度^設入射進光學諧振腔；所述偏離布儒斯 特角Jii的取值范圍為0. 01度到10度之間。基于棱鏡的光學諧振腔可有效克服高反射率鏡 片需要鍍膜問題所帶來的一系列技術缺陷。此外，本發明的提供一種光譜儀的光譜測量方 法及系統還能夠實現光程在線標定、去除光學諧振腔的光學噪聲、并通過所述光學諧振腔 的姿態調整功能和腔長掃描等功能，滿足對樣品進行長時間連續準確實時監測的要求。
[0005] 相應的，本發明的一種光譜儀的光譜測量方法，所述方法包括以下步驟：接收由光 源發出的光信號； 采用光學耦合裝置接收由光源發出的光信號； 采集光學諧振腔輸出的所述光信號，并以采集到的數據為基礎數據，制作樣品的吸收 光譜線； 依據上述獲取的所述吸收光譜線，通過數據處理得到所述樣品的吸收譜圖和樣品濃度 信息。
[0006] 作為本發明的進一步改進，所述光學諧振腔由一組棱鏡組成，所述光信號起偏為P 偏振態的偏振光信號，以偏離布儒斯特角度#入射進光學諧振腔。
[0007] 所述偏離布儒斯特角的取值范圍為0. 01度到10度之間。
[0008] 作為本發明的進一步改進，所述光譜儀為設置有所述光學諧振腔的CRDS光譜儀， 所述光信號為激光； 所述"采集透過光學諧振腔的所述光信號，并以采集到的數據為基礎數據，制作樣品的 吸收光譜線"具體包括： 離散的改變激光輸出波長； 當所述光學諧振腔輸出的光強達到系統預設閾值時，切斷光路，阻止所述光信號向所 述光學諧振腔內入射； 對所述光學諧振腔內的光信號進行振蕩，以使所述光信號的強度迅速衰減； 采集衰減后的所述激光信號； 將衰減后的所述激光信號經模數轉換后依指數關系擬合出衰蕩時間t和τ。； 通過衰蕩時間t和τ。計算出所述樣品對波長的吸收率α ;
?是所述樣品的吸收率，τ。是所述光學諧振腔為空時衰蕩時間，τ是存在樣品時的 衰蕩時間，c是光速，^是所述棱鏡之間的距離，η是所述棱鏡的折射率，δ Θ是入射光偏 離布儒斯特角的大小。
[0009] 作為本發明的進一步改進，所述光譜儀為設置有所述光學諧振腔的寬帶CRDS光 譜儀，所述光信號為寬帶可調諧激光光源； 所述"采集透過光學諧振腔的所述光信號，并以采集到的數據為基礎數據，制作樣品的 吸收光譜線"具體包括： 離散的改變激光輸出波長； 當所述光學諧振腔輸出的光強達到系統預設閾值時，切斷光路，阻止所述光信號向所 述光學諧振腔內入射； 對所述光學諧振腔內的光信號進行振蕩，以使所述光信號的強度迅速衰減； 采集衰減后的所述激光信號； 將衰減后的所述激光信號經模數轉換后依指數關系擬合出衰蕩時間t和τ。； 通過衰蕩時間t和τ。計算出所述樣品對波長的吸收率α ;
#:是所述樣品的吸收率，τ。是所述光學諧振腔為空時衰蕩時間，τ是存在樣品時的 衰蕩時間，c是光速，^是所述棱鏡之間的距離，η是所述棱鏡的折射率，δ Θ是入射光偏 離布儒斯特角的大小。
[0010] 作為本發明的進一步改進，所述光譜儀為設置有所述光學諧振腔的CEAS光譜儀， 所述光信號為激光； 所述"采集透過光學諧振腔的所述光信號，并以采集到的數據為基礎數據，制作樣品的 吸收光譜線"具體包括： 離散的改變激光輸出波長； 當空腔時，所述光學諧振腔輸出的光強達到系統預設閾值時，切斷光路，阻止所述光信 號向所述光學諧振腔內入射； 將衰減后的所述激光信號經模數轉換后依指數關系擬合出衰蕩時間τ。； U采集存在所述樣品時，所述光學諧振腔持續輸出的光強信號I ; 利用光學諧振腔的等效反射率R、衰蕩時間t。或者空腔時的等效池長L rff，計算出所述 樣品對波長的吸收率α ;
作為本發明的進一步改進，所述光譜儀為設置有所述光學諧振腔的寬帶CEAS光譜儀， 所述光信號為寬帶光源； 所述"采集透過光學諧振腔的所述光信號，并以采集到的數據為基礎數據，制作樣品的 吸收光譜線"具體包括： 獲取波長為λ i的光的光強；當空腔時，所述光學諧振腔輸出的波長為λ i的光的光強 達到系統預設閾值時，切斷光路，阻止所述光信號向所述光學諧振腔內入射； 將衰減后的所述激光信號經模數轉換后依指數關系擬合出衰蕩時間τ。； 采集光學諧振腔為空時的寬帶光源信號U 采集存在樣品時，所述光學諧振腔持續輸出的光強信號I ; 利用光學諧振腔的等效反射率R、衰蕩時間t。或者空腔時的等效池長L rff，計算出所述 樣品對波長的吸收率α ;
λ i是光譜上的任一波長點，imo是光頻率為處所述樣品的吸收率，τ。是所述光學 諧振腔為空時衰蕩時間，c是光速，d是所述棱鏡之間的距離，η是所述棱鏡的折射率， δ Θ是入射光偏離布儒斯特角的大小； 所述寬帶CEAS光譜儀用于采集寬帶光信號的光譜信息，所述寬帶CEAS光譜儀包括：分 光光譜儀、濾光片光譜儀、阿達瑪變換光譜儀、傅里葉變換光譜儀、非色散光譜儀中的一種。
[0011] 作為本發明的進一步改進，所述方法還還包括以下步驟： 向所述光學諧振腔發送高頻信號，快速改變所述光學諧振腔的腔長，以去除所述光學 諧振腔的光學噪聲。
[0012] 作為本發明的進一步改進，所述方法還包括以下步驟： 監測所述光學諧振腔為空時的衰蕩時間，并將其和所述光學諧振腔的理論衰蕩時間對 比，判斷所述實際測量得到所述光學諧振腔的衰蕩時間是否小于所述光學諧振腔的理論衰 蕩時間或預先設置的實際設置的衰蕩時間與理論衰蕩時間的百分比， 若是，判斷所述光學諧振腔失調，同時，捕獲失調信號，調整所述光學諧振腔； 若否，繼續下一步驟。
[0013] 作為本發明的進一步改進，所述"若是，判斷所述光學諧振腔失調，同時，捕獲失調 信號，調整所述光學諧振腔"具體包括： 通過至少一塊所述棱鏡上的至少一塊PZT改變所述光學諧振腔的在X方向、y方向、Z 方向中至少其中一個方向的參數，以及改變角度參數，進而調整所述光學諧振腔的姿態； 判斷調整后實際測量的所述光學諧振腔的衰蕩時間是否小于所述光學諧振腔的理論 衰蕩時間或預先設置的實際設置的衰蕩時間與理論衰蕩時間的百分比； 若是，發出故障告警，待解決故障后，再繼續下一步驟； 若否，判斷系統正常運行。
[0014] 作為本發明的進一步改進，所述樣品為氣體或液體； 所述光學諧振腔中還包括：光聲池或液體器皿中的至少一種； 所用光源包括激光光源、寬帶光源中的至少一種。
[0015] 與現有技術相比，本發明的光譜儀的光譜測量方法在高精測靈敏度的基礎上，還 具有更寬的光譜探測能力，能夠實現光程的在線標定、去除所述光學諧振腔的光學噪聲、同 時具有腔鏡姿態調整功能或腔長掃描功能，可以實現多組分的高靈敏度同時探測功能，滿 足對樣品進行長時間連續準確實時監測的目的，進一步的，當所述光譜儀為CEAS光譜儀 時，無需對所述光學諧振腔的腔長進行掃描，簡化了裝置，極大拓寬了 CEAS光譜儀的技術 應用。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明實施方式提供的光譜儀的光譜測量方法流程圖； 圖2是圖1中步驟S3的第一、二實施方式的流程示意圖； 圖3是圖1中步驟S3的第三實施方式的流程示意圖； 圖4是圖1中步驟S3的第四實施方式的流程示意圖； 圖5是本發明實施方式提供的光譜儀的光譜測量系統的模塊示意圖； 圖6是本發明實施方式中所述光學諧振腔的結構示意圖； 圖7是本發明實施方式中所述光學諧振腔的調整姿態的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 以下將結合附圖所示的實施方式對本發明進行詳細描述。但實施方式并不限制本 發明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包 含在本發明的保護范圍內。
[0018] 如圖1所示，圖1是本發明實施方式提供的光譜儀的光譜測量方法流程圖； 相應的，在本發明的第一實施方式中，所述光譜儀的光譜測量方法是通過基于激光光 源的CRDS光譜儀實現的，所述方法包括以下步驟： S1、接收由光源發出的光信號； 本實施方式中，采用光學耦合裝置接收由光源發出的光信號。
[0019] 所述光源根據探測技術和使用要求的不同可以有不同的形式，包括但不限于激光 光源、寬帶光源，以及它們的任意組合等。在本發明的第一實施方式中，選定所述光源為激 光光源。
[0020] S2、將所述光信號耦合入射到光學諧