一種基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置和方法與流程

本發明涉及環境監測、大氣物理及遙感探測等領域，具體涉及一種基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置和方法。

背景技術：

穩定同位素分析是溫室氣體排放源匯在排放通量的貢獻估算中重要的分析依據。相對傳統的質譜技術和傅立葉變換紅外光譜技術，激光光譜技術具有高選擇性、高靈敏度、體積小、響應快、可實現在線分析等優點。因氣體同位素分子的較強吸收譜線普遍存在于中紅外波段，隨著半導體激光材料的發展，近年來QCL激光器越來越廣泛地應用于氣體監測方面。然而外界溫度的變化影響半導體激光器中心波長的譜線漂移，是目前激光光譜檢測技術中普遍遇到難以克服的器件難題，特別是對于大功率、寬調諧范圍的量子級聯激光器QCL(Quantum Cascade Laser)，外界溫度變化對波長漂移的影響更為明顯，為了克服這一困擾，通過信號處理軟件反饋控制激光驅動器的電路系統，實現QCL激光器的在線鎖頻，顯著提高了同位素測量系統的穩定性和靈敏度。

技術實現要素：

本發明目的是實現一種基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置和方法，以解決現有的穩定同位素豐度監測裝置和方法因外界溫度影響引起的靈敏度低、穩定性差等問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：一種基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置，包括激光控制器、QCL激光器、MCT探測器、多功能信號發生器、鎖相放大器、光學無源諧振腔、離軸拋物鏡、金膜平面鏡、真空泵、壓力傳感器、溫度傳感器、高速A/D采集卡和信號處理系統。其中，通過激光控制器驅動QCL激光器，設置所需工作電流和溫度，QCL出射光束經金膜平面鏡調節進入光學無源諧振腔，在腔內形成諧振光路，其透射光經離軸拋物鏡匯聚到MCT探測器，信號光電轉換后進入鎖相放大器對信號進行解調放大，由高速A/D采集卡模數轉化后進入信號處理系統，信號處理系統根據根據壓力傳感器和溫度傳感器及中心波長峰值位置的偏移，通過串口對多功能信號發生器發送命令，改變掃描信號的直流量微調QCL激光器的驅動電流調節波長，實現在線鎖頻。

所述的基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置，光源采用中心波長為4.3um室溫QCL激光器，用于測量大氣中¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O、¹⁶O¹²C¹⁸O分子的碳和氧同位素豐度。

所述的基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置，光學無源諧振腔基長為25.6cm，兩端鏡頭為雙面高度拋光單面鍍4±0.5um高反膜的平凹球面鏡，直徑2.54cm，曲率半徑1m，腔體體積0.15L，側面裝有壓力、溫度傳感器，靠近兩端頭處裝有進出氣閥用于控制氣體進出和諧振腔內壓力，腔內壓力控制在100mbar。

所述的基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置，所述的多功能信號發生器具有小于100Hz低頻掃描信號、大于10KHz高頻調制信號和±1V的直流輸出，三種信號混合疊加后進入激光控制器，掃描和調制QCL激光器的輸出波長，同時根據信號處理系統的反饋信號改變直流輸出，從而鎖定QCL激光器輸出的中心波長。

所述的基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻裝置和方法，信號處理系統具有同位素信號反演、QCL激光器波長偏移監控、壓力和溫度監測、背景扣除、同位素豐度在線定標、壓力和波長反饋控制命令的串口通信等功能。

本發明另外提供一種基于室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻方法，用于室溫QCL激光器的在線鎖頻，應用于痕量氣體和大氣同位素探測系統，通過激光控制器驅動QCL激光器，設置所需工作電流和溫度，QCL出射光束經金膜平面鏡調節進入光學無源諧振腔，在腔內形成諧振光路，其透射光經離軸拋物鏡匯聚到MCT探測器，信號光電轉換后進入鎖相放大器對信號進行解調放大，由高速A/D采集卡模數轉化后進入信號處理系統，信號處理系統根據根據壓力傳感器和溫度傳感器及中心波長峰值位置的偏移，通過串口對多功能信號發生器發送命令，改變掃描信號的直流量微調QCL激光器的驅動電流調節波長，實現在線鎖頻。

本發明有如下優點：

本裝置和方法可以有效實現室溫QCL激光器的同位素探測在線鎖頻，無需增加復雜裝置，解決了外界溫度變化對QCL激光測量系統的穩定性、精確度和靈敏度影響，極大地提高了儀器檢測的有效性，為環境監測提供更精確的數據分析。

附圖說明

圖1為本發明整體裝置結構示意圖。

圖2為本發明QCL鎖頻控制流程圖。

圖3為的大氣中CO₂同位素分子吸收光譜模擬圖。

具體實施方式

下面結合法附圖以及具體實施方式進一步說明本發明。

本發明的整體裝置結構示意圖如圖1所示。激光控制器設置溫度和電流調節QCL激光器的工作波長，同時多功能信號發生器將產生的小于100Hz低頻掃描信號、大于10KHz高頻調制信號和±1V的直流輸出，三種信號混合疊加后進入激光控制器，掃描和調制QCL激光器的輸出波長；QCL準直光束由金膜平面鏡調節入射角度進入光學無源諧振腔內，在腔內形成穩定的駐波分布；多次透射光束經過離軸拋物鏡聚焦到MCT探測器，光學積分能量經光電轉換進入到鎖相放大器，結合多功能信號發生器產生的高頻調制參考信號，將探測器獲得的光譜信號解調為二次諧波形式，有效降低1/f噪聲，提高探測靈敏度；二次諧波信號由信號采集系統完成模數轉換進入信號處理系統，采樣周期由多功能信號發生器產生的方波時鐘控制；信號處理系統將采集到的二次諧波信號做去噪、背景扣除、濃度擬合和卡爾曼濾波等處理，反演出各同位素分子的濃度，同時對比標準值，計算碳和氧同位素豐度。

由于外界溫度變化引起QCL激光器的波長漂移，在連續監測過程中，CO₂同位素分子吸收譜線(如附圖3所示)間隔僅為0.14cm^-1，波長漂移引起同位素分子吸收二次諧波信號峰值的位移，導致位于兩端的¹⁶O¹²C¹⁶O和¹⁶O¹³C¹⁶O同位素分子譜線的不完整，對濃度反演和同位素豐度計算帶來嚴重誤差。本發明結合QCL激光器電流-波長的相應關系和信號的采樣頻率，編寫多功能信號放生器的串口控制命令(流程圖如附圖2所示)，動態調節多功能信號發生器的輸出直流量，從而改變激光控制器的設置電流，補償外界溫漂對QCL激光波長的影響和因波長漂移帶來的背景畸變，極大地提高了測量穩定性和靈敏度。