光梳自適應外腔增強光譜檢測系統和方法
【專利摘要】本發明涉及光電探測技術領域，具體講的是通過外腔增強提高自適應光梳光譜測量精度的新技術。本發明提出一種基于外腔增強的光梳探測系統和方法，有效利用了自適應光梳系統中的連續光，先將連續光的光頻鎖定在光梳重復頻率的整倍數上，然后將外腔鎖定在連續光的光頻，實現模式匹配，最后再將外腔鎖定在光梳的重復頻率，實現延時匹配，通過逐級鎖定的方式，最終將帶有氣室的外腔鎖定在一個光頻等于光梳重復頻率整倍數的鎖頻連續光上，提高自適應光梳光譜探測方法的精度。
【專利說明】
光梳自適應外腔増強光譜檢測系統和方法
技術領域
[0001]本發明涉及光電探測技術范疇，屬于激光光譜技術領域。該方法采用外腔增強的方式，將帶有氣室的外腔鎖定在一個光頻等于光梳重復頻率整倍數的鎖頻連續光上，提高自適應光梳光譜探測的精度。
【背景技術】
[0002]自適應光梳光譜技術作為近年來科研領域的前沿課題，在提高光梳探測精度的同時，降低了光梳控制難度，通過引入兩個連續激光器，與兩臺自由運轉的脈沖激光器拍頻，提取出表征光梳飄移的補償信號，再通過高速數據采樣和軟件補償的方式，獲得突破多普勒衍射極限的光譜探測精度。
[0003]現階段，自適應光梳光譜技術實質上是將傳統光梳技術中功率放大、超連續譜展寬、自參考拍頻測量等光學過程用連續光與脈沖光拍頻，電路濾波、混頻等電學過程代替，其技術目標仍然是改善光梳梳齒在測量過程中的穩定性，即用補償的方式提高光梳光源的頻率穩定度。由于超短脈沖在功率放大、超連續譜展寬、自參考拍頻過程中，受到各種非線性效應和探測過程中的外界環境的影響等，難以避免的會引入相位噪聲，影響載波包絡相位信號的準確性，導致光梳的控制精度受到限制。而在自適應光梳光譜技術中，光學過程僅僅是脈沖光與連續光的拍頻，得到拍頻信號后，其余濾波、混頻處理過程都通過電路實現，處理的信號也只是拍頻信號的頻率信息，整個過程引入的相位噪聲很小，因此能得到更準確的表征光梳抖動信息的補償信號，實現更精密的光譜測量。
[0004]但是在光梳光源與待測氣體的相互作用方面，自適應光梳光譜技術并沒有顯著優勢。為增強光梳光源與待測氣體的相互作用，提高探測靈敏度，一種方法是增加待測氣體與光梳光源的作用長度，通常采用更長的氣室，或者折疊光路等結構，但是這種方法會增加光源的損耗。而且，氣室過長、加入折疊光路也會增加光梳探測系統的復雜度。另一種方法是通過外腔增強技術，采用電子反饋回路精密控制外腔的腔長，使得入射的脈沖間隔固定的探測光能在外腔中諧振，提高腔內脈沖光的強度，進而提高氣體探測的靈敏度。但是，將外腔的腔長與脈沖激光的重復頻率精確鎖定，需要同時滿足模式匹配和延時匹配，兩個匹配條件缺一不可，因此在技術實現方面難度高。
[0005]綜上所述，自適應光梳光譜技術通過兩臺連續激光器與兩臺脈沖激光器拍頻，弓丨入電路對拍頻信號處理，將脈沖激光器載波包絡相位和重復頻率抖動的信息通過電路提取處理，等效于提高光梳的梳齒精度。但是，自適應光梳光譜技術在光源與氣體相互作用方面，并無顯著優勢。目前外腔增強技術能顯著提高光源與氣體的相互作用，直接將外腔增強技術運用到自適應光梳光譜檢測中，需同時滿足模式匹配和延時匹配的條件，操作難度大。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對自適應光梳光譜技術的不足之處，提出一種基于外腔增強的光梳探測系統和方法，通過將帶有氣室的外腔鎖定在一個光頻等于光梳重復頻率整倍數的鎖頻連續光上，提高自適應雙光梳光譜探測的精度。
[0007]為達到上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0008]—種雙光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，包括一個光梳、一個鎖頻連續光、一個未鎖頻連續光、一個脈沖激光，四個光學拍頻模塊，混頻濾波電路，外腔增強氣室，外腔鎖定電路，拍頻探測模塊，信號處理模塊和傅里葉變換模塊，其特征在于將外腔增強方法應用于雙光梳自適應光譜檢測，增強外腔的諧振頻率鎖定在鎖頻連續光的輸出頻率上，鎖頻連續光的輸出頻率鎖定在光梳重復頻率的整數倍。
[0009]所述的光梳、鎖頻連續光、未鎖頻連續光、脈沖激光滿足以下限定條件:光梳和脈沖激光的光譜具有相互重疊的部分，鎖頻連續光和未鎖頻連續光的波長不相同，但都處在光梳和脈沖激光的重疊光譜區內；所述的光梳載波包絡相位偏移頻率為零，所述的鎖頻連續光的光頻精確鎖定在光梳重復頻率的整倍數。
[0010]所述的外腔增強氣室包括氣室，鏡片組成的外腔，以及調節氣室內光程長度的壓電陶瓷，壓電陶瓷粘貼于構成外腔的一個鏡片上。氣室和外腔的相對位置關系為以下關系的一種:一、鏡片組成的外腔處于氣室內部;二、氣室處于鏡片組成的外腔內部。
[0011]所述的光梳、鎖頻連續光和外腔增強氣室的相對位置關系為以下關系的一種:一、光梳和鎖頻連續光以共線且相同方向傳播的方式，從同一塊構成外腔的鏡片上，耦合到外腔增強氣室;二、光梳和鎖頻連續光以共線且相反方向傳播的方式，分別從不同的構成外腔的鏡片上，耦合到外腔增強氣室。
[0012]光梳與鎖頻連續光進行光學拍頻、光梳與未鎖頻連續光進行光學拍頻、脈沖激光與鎖頻連續光進行拍頻、脈沖激光與未鎖頻連續光進行拍頻，上述四個過程得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出兩個補償信號，兩個補償信號再輸入到信號處理模塊。光梳經過外腔增強氣室后，與脈沖激光一起輸入到拍頻探測模塊，經拍頻探測模塊處理后，輸入到信號處理模塊，再經過處理后，輸入到傅里葉變換模塊，最終得到光譜信息。
[0013]—種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，包括一個光梳發生器、一個鎖頻連續光發生器、一個未鎖頻連續光發生器、一個脈沖激光器，四個光學拍頻模塊，一個混頻濾波電路，一個外腔增強氣室，一個外腔鎖定電路，一個拍頻探測模塊，一個信號處理模塊和一個傅里葉變換模塊，其中:
[0014]光梳發生器與鎖頻連續光發生器的輸出光與外腔增強氣室光耦合，透過外腔增強氣室的光梳與脈沖激光同時入射到拍頻探測模塊，得到第一拍頻信號，第一拍頻信號輸入到信號處理模塊；
[0015]光梳發生器與鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第一光學拍頻模塊進行光學拍頻;光梳發生器與未鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第二光學拍頻模塊進行光學拍頻、脈沖激光器與鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第三光學拍頻模塊進行光學拍頻、脈沖激光器與未鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第四光學拍頻模塊進行光學拍頻;上述四個光學拍頻模塊得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出第一和第二補償信號，該兩個補償信號也輸入到信號處理模塊；
[0016]上述第一拍頻信號和兩個補償信號經過信號處理模塊處理后，處理結果輸入到傅里葉變換模塊，得到光譜信息。
[0017]所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，優選的:
[0018]外腔鎖定電路，該外腔鎖定電路與外腔增強氣室連接，用于通過探測外腔增強氣室的輸出信號，將外腔增強氣室的腔長進行鎖定。
[0019]所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，優選的:
[0020]光梳和脈沖激光的光譜具有相互重疊的部分，鎖頻連續光和未鎖頻連續光的波長不相同，但都處在光梳和脈沖激光的重疊光譜區內。
[0021 ]所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，優選的:外腔增強氣室包括平面鏡和壓電陶瓷，壓電陶瓷粘貼在平面鏡上，通過調節壓電陶瓷上的電壓，控制外腔的腔長。
[0022]所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，優選的:
[0023]所述的光梳發生器、鎖頻連續光發生器和外腔增強氣室的相對位置關系為以下關系的一種:一、光梳發生器和鎖頻連續光發生器以共線且相同方向傳播的方式，從同一塊構成外腔的鏡片上，耦合到外腔增強氣室;二、光梳發生器和鎖頻連續光發生器以共線且相反方向傳播的方式，分別從不同的構成外腔的鏡片上，耦合到外腔增強氣室。
[0024]—種光梳自適應外腔增強光譜檢測方法，其特征在于該方法利用如上所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統對氣室內的待測氣體進行檢測，包括如下步驟:
[0025]I)首先，將鎖頻連續光作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合外腔鎖定電路控制，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在連續光的光波長λ上，然后，將光梳作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在光梳重復頻率f的整倍數上；
[0026]2)透過外腔增強氣室的光梳與脈沖激光同時入射到拍頻探測模塊，得到拍頻信號，拍頻信號輸入到信號處理模塊；同時，光梳與鎖頻連續光進行光學拍頻、光梳與未鎖頻連續光進行光學拍頻、脈沖激光與鎖頻連續光進行拍頻、脈沖激光與未鎖頻連續光進行拍頻，上述四個過程得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出兩個補償信號，兩個補償信號也輸入到信號處理模塊；
[0027]3)信號處理模塊上述三個信號經過處理后，將處理結果輸入到傅里葉變換模塊，最終得到待測氣體的光譜信息。
[0028]本發明的優點在于:
[0029]1.本發明采用外腔增強氣室，增加光梳與待測氣體相互作用時的強度，提高待測氣體的探測靈敏度；
[0030]2.本發明先將外腔增強氣室鎖定在鎖頻連續光上，實現兩者的模式匹配，再將光梳注入到外腔增強氣室中，實現延時匹配，這種逐級鎖定外腔的方式操作簡便，降低了外腔增強技術的實現難度；
[0031]3.本發明巧妙利用自適應光梳技術中的連續光，將其一方面與外腔增強氣室鎖定，一方面與光梳的整數倍梳齒鎖定，在不增加自適應雙光梳系統光源復雜度的條件下，實現外腔增強氣室的逐級鎖定；
[0032]4.本發明采用外腔增強氣室，氣體的探測靈敏度大幅提高，因此可以降低入射光梳光源的功率要求；
[0033]5.本發明結合自適應光梳技術與外腔增強技術的優勢，能實現突破多普勒線寬的光譜探測精度和微量氣體檢測的靈敏度。
【附圖說明】
[0034]附圖1本發明一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統原理圖；
[0035]附圖2本發明實施例一:1550nm波段光梳自適應平平腔增強光譜探測結構示意圖；
[0036]附圖3本發明實施例二:1060nm波段光梳自適應折疊腔增強光譜探測結構示意圖；
[0037]附圖4本發明實施例三:800nm波段光梳自適應蝶形腔增強結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038]以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明:
[0039]如圖1所示，本發明公開了一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，包括一個光梳發生器、一個鎖頻連續光發生器、一個未鎖頻連續光發生器、一個脈沖激光器，四個光學拍頻模塊，混頻濾波電路，外腔增強氣室，外腔鎖定電路，拍頻探測模塊，信號處理模塊和傅里葉變換模塊。所述混頻濾波電路包括電學倍頻器和電學混頻器。
[0040]光梳和脈沖激光的光譜具有相互重疊的部分，鎖頻連續光和未鎖頻連續光的波長不相同，但都處在光梳和脈沖激光的重疊光譜區內。光梳的重復頻率和載波包絡相位均已精密鎖定，是頻率梳齒絕對位置穩定的光譜測量光源，并且，光梳的載波包絡相位偏移頻率為零，因而其每一根頻率梳齒的頻率值均等于重復頻率的整數倍。
[0041 ]鎖頻連續光鎖定在光梳的頻率梳齒上，因此鎖頻連續光的頻率值也等于光梳重復頻率的整數倍。首先，將鎖頻連續光作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，當鎖頻連續光的光頻等于外腔增強氣室的共振頻率時，鎖頻連續光滿足外腔共振條件，在外腔增強氣室多次共振后，再從外腔增強氣室輸出；當鎖頻連續光的光頻不等于外腔增強氣室的共振頻率時，鎖頻連續光不滿足外腔共振條件，在外腔增強氣室中無法共振，直接從外腔增強氣室輸出。因此，通過探測器測量鎖頻連續光經過外腔增強氣室的光強大小，判斷鎖頻連續光頻率與外腔增強氣室共振頻率的偏差。首先，驅動壓電陶瓷PZT移動，測量鎖頻連續光經過外腔氣室的光強;然后，當探測到光強減小時，說明鎖頻連續光頻率逐漸逼近共振頻率，此時，繼續移動壓電陶瓷PZT，如果探測到光強增加，說明鎖頻連續光頻率逐漸遠離共振頻率，此時，按相反變化趨勢移動壓電陶瓷PZT;最后，經過多次驅動壓電陶瓷PZT，鎖頻連續光的頻率將動態跟隨在外腔增強氣室的共振頻率上，實現外腔增強氣室的腔長L鎖定在連續光的光波長λ上，即滿足L=mA，m為正整數，此時外腔與入射連續光滿足模式匹配條件。然后，將光梳作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，探測外腔增強氣室的輸出信號，當光梳的光頻等于外腔增強氣室的共振頻率時，光梳所有頻率成分均滿足外腔共振條件，在外腔增強氣室多次共振后，再從外腔增強氣室輸出；當光梳的光頻不等于外腔增強氣室的共振頻率時，光梳不滿足外腔共振條件，在外腔增強氣室中無法共振，直接從外腔增強氣室輸出。因此，通過探測器測量光梳經過外腔增強氣室的光強大小，判斷光梳的光頻與外腔增強氣室共振頻率的偏差。首先，驅動壓電陶瓷PZT移動，測量光梳經過外腔氣室的光強;然后，當探測到光強減小時，說明光梳的光頻逐漸逼近共振頻率，此時，繼續移動壓電陶瓷PZT，如果探測到光強增加，說明光梳的光頻逐漸遠離共振頻率，此時，按相反變化趨勢移動壓電陶瓷PZT;最后，經過多次驅動壓電陶瓷PZT，光梳將動態跟隨在外腔增強氣室的共振頻率上，實現外腔增強氣室的腔長L鎖定在光梳重復頻率f的整倍數上，即滿足L=(qC)/(2nf)，其中，c是光速，η是氣室內氣體的折射率，q是正整數，此時外腔與入射脈沖光滿足模式匹配、延時匹配條件。通過上述過程，逐級將外腔的諧振頻率與光梳的重復頻率精密鎖定，具體來說外腔增強氣室的腔長L鎖定在連續光的光波長λ上屬于粗調整，而將增強氣室的腔長L與光梳的重復頻率鎖定屬于細調整，采用這種調整方式的原因是在于受元器件本身及操作復雜度的限制，難以一步到位進行鎖定，因此采用這種逐級鎖定的方式，從而能夠較快且精確地進行鎖定。
[0042]鎖定后，光梳在外腔增強氣室內強度增強，與待測氣體的相互作用過程增強，透過外腔增強氣室的光信號攜帶的待測氣體光譜信息更準確。透過外腔增強氣室的光梳與脈沖激光同時入射到拍頻探測模塊，得到拍頻信號SS，拍頻信號SS輸入到信號處理模塊。同時，光梳與鎖頻連續光進行光學拍頻、光梳與未鎖頻連續光進行光學拍頻、脈沖激光與鎖頻連續光進行拍頻、脈沖激光與未鎖頻連續光進行拍頻，然后，鎖頻連續光與光梳、脈沖激光經過光學拍頻產生的兩個拍頻信號經過濾波、放大后耦合到電學混頻器，得到混頻信號fa;未鎖頻連續光與光梳、脈沖激光經過光學拍頻產生的兩個拍頻信號經過濾波、放大后耦合到電學混頻器，得到混頻信號fb。上述兩個混頻信號均代表脈沖激光的頻率成分相對于光梳頻率成分的飄移，通過電學倍頻器、混頻器對fa和fb作處理，得到表征脈沖激光載波包絡相位相對于光梳飄移的第一補償信號ASl = (N+l )*fa-N*fb，以及脈沖激光重復頻率相對于光梳飄移的第二補償信號AS2=M*(fa-fb)，其中，N，M為正整數。將第一補償信號ASl與光梳和脈沖激光的拍頻信號SS混頻，消除光梳與脈沖激光相對載波包絡相位飄移的影響，再以第二補償信號AS2作為采樣時鐘，輸入到信號處理模塊，經過傅里葉變換模塊，最終得到光譜?目息O
[0043]實施例一(圖2):1550nm波段雙光梳自適應平平腔增強光譜探測，實施細節:
[0044]系統包括一個摻鉺光梳、一個1550nm鎖頻連續光、一個1560nm波段未鎖頻連續光、一個摻鉺脈沖激光，四個由耦合器、探測器構成的光學拍頻模塊，混頻濾波電路，平平腔外腔增強氣室，外腔鎖定電路，拍頻探測模塊，信號處理模塊和傅里葉變換模塊。
[0045]平平腔外腔增強氣室包括平面鏡M1、M2，壓電陶瓷(PZT)，氣室，壓電陶瓷粘在平面鏡M2上，由Ml和M2構成的平平腔處在氣室內部，通過調節壓電陶瓷上的電壓，控制外腔的腔長。
[0046]摻鉺光梳的重復頻率和載波包絡相位均已精密鎖定，光梳的載波包絡相位偏移頻率為零，因而其每一根頻率梳齒的頻率值均等于重復頻率的整數倍。1550nm鎖頻連續光鎖定在光梳的頻率梳齒上，因此鎖頻連續光的頻率值也等于光梳重復頻率的整數倍。首先，將1550nm鎖頻連續光作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，調節壓電陶瓷的伸縮量，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在連續光的光頻λ上，即滿足L=mA，m為正整數，此時外腔與入射連續光滿足模式匹配條件。然后，將摻鉺光梳作為輸入光，以共線、相同方向傳播的方式，耦合到外腔增強氣室中，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，調節壓電陶瓷的伸縮量，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在摻鉺光梳重復頻率f的整倍數上，即滿足L= (qc)/(2nf)，其中，c是光速，η是氣室內氣體的折射率，q是正整數，此時外腔與入射脈沖光滿足模式匹配、延時匹配條件。通過上述過程，逐級將外腔的諧振頻率與摻鉺光梳的重復頻率精密鎖定。
[0047]鎖定后，摻鉺光梳在外腔增強氣室內強度增強，與待測氣體的相互作用過程增強，透過外腔增強氣室的光信號攜帶的待測氣體光譜信息更準確。透過外腔增強氣室的摻鉺光梳與摻鉺脈沖激光同時入射到拍頻探測模塊，得到拍頻信號，拍頻信號輸入到信號處理模塊。同時，摻鉺光梳與1550nm鎖頻連續光進行光學拍頻、摻鉺光梳與1560nm未鎖頻連續光進行光學拍頻、摻鉺脈沖激光與1550nm鎖頻連續光進行拍頻、摻鉺脈沖激光與1560nm未鎖頻連續光進行拍頻，上述四個過程得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出兩個補償信號，兩個補償信號也輸入到信號處理模塊。上述三個信號經過處理后，輸入到傅里葉變換模塊，最終得到光譜信息。
[0048]實施例二(圖3):1060nm波段雙光梳自適應折疊腔增強光譜探測，實施細節:
[0049]系統包括一個摻鐿光梳、一個1060nm鎖頻連續光、一個1064nm未鎖頻連續光、一個摻鐿脈沖激光，四個由耦合器、探測器構成的光學拍頻模塊，混頻濾波電路，折疊腔外腔增強氣室，外腔鎖定電路，拍頻探測模塊，信號處理模塊和傅里葉變換模塊。
[0050]折疊腔外腔增強氣室包括平面鏡M1-M6，壓電陶瓷(PZT)，氣室，壓電陶瓷粘在平面鏡M4上，由M1-M6構成的折疊腔處在氣室內部，通過調節壓電陶瓷上的電壓，控制外腔的腔長。
[0051 ]摻鐿光梳的重復頻率和載波包絡相位均已精密鎖定，光梳的載波包絡相位偏移頻率為零，因而其每一根頻率梳齒的頻率值均等于重復頻率的整數倍。1060nm鎖頻連續光鎖定在光梳的頻率梳齒上，因此鎖頻連續光的頻率值也等于光梳重復頻率的整數倍。首先，將1060nm鎖頻連續光作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，1060nm鎖頻連續光依次經過平面鏡12，13廁15，16黑，入射到探測器，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，調節壓電陶瓷的伸縮量，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在連續光的光頻λ上，即滿足L=mA，m為正整數，此時外腔與入射連續光滿足模式匹配條件。然后，將摻鐿光梳作為輸入光，以共線、相反方向傳播的方式，耦合到外腔增強氣室中，摻鐿光梳依次經過平面鏡Ml，M2，M3，M4，M5，M6，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，調節壓電陶瓷的伸縮量，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在摻鐿光梳重復頻率f的整倍數上，即滿足L=(qC)/(2nf)，其中，c是光速，η是氣室內氣體的折射率，q是正整數，此時外腔與入射脈沖光滿足模式匹配、延時匹配條件。通過上述過程，逐級將外腔的諧振頻率與摻鐿光梳的重復頻率精密鎖定。
[0052]鎖定后，摻鐿光梳在外腔增強氣室內強度增強，與待測氣體的相互作用過程增強，透過外腔增強氣室的光信號攜帶的待測氣體光譜信息更準確。透過外腔增強氣室的摻鐿光梳與摻鐿脈沖激光同時入射到拍頻探測模塊，得到拍頻信號，拍頻信號輸入到信號處理模塊。同時，摻鐿光梳與1060nm鎖頻連續光進行光學拍頻、摻鐿光梳與1064nm未鎖頻連續光進行光學拍頻、摻鐿脈沖激光與1060nm鎖頻連續光進行拍頻、摻鐿脈沖激光與1064nm未鎖頻連續光進行拍頻，上述四個過程得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出兩個補償信號，兩個補償信號也輸入到信號處理模塊。上述三個信號經過處理后，輸入到傅里葉變換模塊，最終得到光譜信息。
[0053]實施例三(圖4):800nm波段雙光梳自適應蝶形腔增強光譜探測，實施細節:
[0054]系統包括一個鈦寶石光梳、一個780nm鎖頻連續光、一個760nm未鎖頻連續光、一個鈦寶石飛秒激光器，四個由耦合器、探測器構成的光學拍頻模塊，混頻濾波電路，蝶形腔外腔增強氣室，外腔鎖定電路，拍頻探測模塊，信號處理模塊和傅里葉變換模塊。
[0055]蝶形腔外腔增強氣室包括平面鏡M1，M2，曲面鏡M3，M4，壓電陶瓷(PZT)，氣室，壓電陶瓷粘在平面鏡M2上，氣室處在曲面鏡M3和M4之間，通過調節壓電陶瓷上的電壓，控制外腔的腔長。
[0056]鈦寶石光梳的重復頻率和載波包絡相位均已精密鎖定，光梳的載波包絡相位偏移頻率為零，因而其每一根頻率梳齒的頻率值均等于重復頻率的整數倍。780nm鎖頻連續光鎖定在光梳的頻率梳齒上，因此鎖頻連續光的頻率值也等于光梳重復頻率的整數倍。首先，將780nm鎖頻連續光作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，780nm鎖頻連續光依次經過平面鏡M1，M2，M3，M4，入射到探測器，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，調節壓電陶瓷的伸縮量，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在連續光的光頻λ上，即滿足L = mA，m為正整數，此時外腔與入射連續光滿足模式匹配條件。然后，將鈦寶石光梳作為輸入光，以共線、相同方向傳播的方式，耦合到外腔增強氣室中，鈦寶石光梳依次經過平面鏡Ml，M2，M3，M4，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，調節壓電陶瓷的伸縮量，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在鈦寶石光梳重復頻率f的整倍數上，即滿足L=(qC)/(2nf)，其中，c是光速，η是氣室內氣體的折射率，q是正整數，此時外腔與入射脈沖光滿足模式匹配、延時匹配條件。通過上述過程，逐級將外腔的諧振頻率與鈦寶石光梳的重復頻率精密鎖定。
[0057]鎖定后，鈦寶石光梳在外腔增強氣室內強度增強，與待測氣體的相互作用過程增強，透過外腔增強氣室的光信號攜帶的待測氣體光譜信息更準確。透過外腔增強氣室的鈦寶石光梳與鈦寶石飛秒激光同時入射到拍頻探測模塊，得到拍頻信號，拍頻信號輸入到信號處理模塊。同時，鈦寶石光梳與780nm鎖頻連續光進行光學拍頻、鈦寶石光梳與760nm未鎖頻連續光進行光學拍頻、鈦寶石飛秒激光與780nm鎖頻連續光進行拍頻、鈦寶石飛秒激光與760nm未鎖頻連續光進行拍頻，上述四個過程得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出兩個補償信號，兩個補償信號也輸入到信號處理模塊。上述三個信號經過處理后，輸入到傅里葉變換模塊，最終得到光譜信息。
[0058]上述系統采用外腔增強氣室，增加光梳與待測氣體相互作用時的強度，能提高待測氣體的探測靈敏度，探測更微弱的光譜信息；上述系統先將外腔增強氣室鎖定在鎖頻連續光上，實現兩者的模式匹配，再將光梳注入到外腔增強氣室中，實現延時匹配，這種逐級鎖定外腔的方式操作簡便，降低了外腔增強技術的實現難度，有利用光梳光譜的儀器化集成;上述系統采用外腔增強氣室，氣體的探測靈敏度大幅提高，因此可以降低入射光梳光源的功率要求;上述系統結合自適應光梳技術與外腔增強技術的優勢，能實現突破多普勒線寬的光譜探測精度和微量氣體檢測的靈敏度。
【主權項】
1.一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，包括一個光梳發生器、一個鎖頻連續光發生器、一個未鎖頻連續光發生器、一個脈沖激光器，四個光學拍頻模塊，一個混頻濾波電路，一個外腔增強氣室，一個外腔鎖定電路，一個拍頻探測模塊，一個信號處理模塊和一個傅里葉變換模塊，其特征在于: 光梳發生器與鎖頻連續光發生器的輸出光與外腔增強氣室光耦合，透過外腔增強氣室的光梳與脈沖激光同時入射到拍頻探測模塊，得到第一拍頻信號，第一拍頻信號輸入到信號處理模塊； 光梳發生器與鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第一光學拍頻模塊進行光學拍頻;光梳發生器與未鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第二光學拍頻模塊進行光學拍頻、脈沖激光器與鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第三光學拍頻模塊進行光學拍頻、脈沖激光器與未鎖頻連續光發生器的光輸出輸入到第四光學拍頻模塊進行光學拍頻;上述四個光學拍頻模塊得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出第一和第二補償信號，該兩個補償信號也輸入到信號處理模塊； 上述第一拍頻信號和兩個補償信號經過信號處理模塊處理后，處理結果輸入到傅里葉變換模塊，得到光譜信息。2.根據權利要求1所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，其特征在于還包括: 外腔鎖定電路，該外腔鎖定電路與外腔增強氣室連接，用于通過探測外腔增強氣室的輸出信號，將外腔增強氣室的腔長進行鎖定。3.根據權利要求1所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，其特征在于: 光梳和脈沖激光的光譜具有相互重疊的部分，鎖頻連續光和未鎖頻連續光的波長不相同，但都處在光梳和脈沖激光的重疊光譜區內。4.根據權利要求1所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，其特征在于:外腔增強氣室包括平面鏡和壓電陶瓷，壓電陶瓷粘貼在平面鏡上，通過調節壓電陶瓷上的電壓，控制外腔的腔長。5.根據權利要求1所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統，其特征在于: 所述的光梳發生器、鎖頻連續光發生器和外腔增強氣室的相對位置關系為以下關系的一種:一、光梳發生器和鎖頻連續光發生器以共線且相同方向傳播的方式，從同一塊構成外腔的鏡片上，耦合到外腔增強氣室;二、光梳發生器和鎖頻連續光發生器以共線且相反方向傳播的方式，分別從不同的構成外腔的鏡片上，耦合到外腔增強氣室。6.一種光梳自適應外腔增強光譜檢測方法，其特征在于該方法利用權利要求1-5之一所述的一種光梳自適應外腔增強光譜檢測系統對氣室內的待測氣體進行檢測，包括如下步驟: 1)首先，將鎖頻連續光作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合外腔鎖定電路控制，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在連續光的光波長λ上，然后，將光梳作為輸入光，耦合到外腔增強氣室中，通過探測外腔增強氣室的輸出信號，結合電路控制，將外腔增強氣室的腔長L鎖定在光梳重復頻率f的整倍數上； 2)透過外腔增強氣室的光梳與脈沖激光同時入射到拍頻探測模塊，得到拍頻信號，拍頻信號輸入到信號處理模塊;同時，光梳與鎖頻連續光進行光學拍頻、光梳與未鎖頻連續光進行光學拍頻、脈沖激光與鎖頻連續光進行拍頻、脈沖激光與未鎖頻連續光進行拍頻，上述四個過程得到的四個拍頻信號輸入到混頻濾波電路，經混頻濾波電路處理后，輸出兩個補償信號，兩個補償信號也輸入到信號處理模塊； 3)信號處理模塊上述三個信號經過處理后，將處理結果輸入到傅里葉變換模塊，最終得到待測氣體的光譜信息。
【文檔編號】G01N21/39GK105842193SQ201610207659
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】楊康文, 沈旭玲, 郝強, 曾和平
【申請人】上海理工大學