差分吸收光谱（共3篇）
差分吸收光谱 篇1
0 引言
差分吸收光谱 (DOAS) 是利用气体分子在紫外到可见光范围内具有特征差分吸收结构的特征来鉴别气体种类, 并根据吸收光谱强度反演待测气体浓度的方法。这种方法的原理和结构简单、响应速度快、监测精度高, 可实现非接触和在线连续监测。近年来随着我国经济的高速发展, 气体污染已经成为一个愈来愈严重的问题。现今我国各种化工厂、冶金厂、火电厂、锅炉厂和炼焦厂等构成了大气污染的主要来源。对固定污染源烟气排放进行控制治理和实施在线连续监测变得十分必要和迫切。差分吸收光谱 (DOAS) 技术因其光学结构简单, 便于实时机动、快速准确地测量气体浓度。
笔者设计了一种采用基于紫外差分气体光谱法 (DOAS) 的气态污染物连续监测系统, 这种方法能有效避免传统的对气体单独取样监测的弊端。它使用光学测量的方法实现了对气态污染物的连续、准确测试[1]。由于采用了光学方法, 该系统有效避免了烟尘、水汽、高腐蚀性等恶劣条件的影响, 能方便应用于气态污染物连续监测的环境, 能够在线测量主要大气污染气体SO2和NO的浓度[2]。
1 差分吸收光谱法原理
紫外差分吸收光谱法 (DOAS) 是利用气体分子的窄带吸收特性来确定气体成分, 并通过判断吸收后光强来推演气体浓度的一种方法。由于紫外差分吸收光谱法采用了更为先进的单色光系统和光检测系统, 因此它在灵敏度、精确度、精密度及应用范围上都大大的优于比色法。
理想情况下通过被测气体之后的理想光强变化可以表示为:
式中:I0 (λ) —光源发射的原始光强;I (λ) —气体吸收后的光强;P (λ) —气体在波长λ处的吸收截面[4]。
由朗伯-比尔 (Lambert-bert) 吸收定律可以得到如下公式:
式中:I0 (λ) —光源发射的原始光强, I (λ) —气体吸收后的光强, Ci—第i种气体的浓度, L—光程长度, σi (λ) —第i种气体在波长λ处的吸收截面[4]。
在实际的污染气体监测系统中通常背景干扰气体以及水汽、烟尘和透镜折射率、CCD响应、暗电流等因素会影响到气体浓度的测量, 此外瑞利散射和Mie散射也会造成粒子辐射消光。光由于偏离了光路而不能被接收到。本研究利用Lambert2Beer定律的加和性对Lambert2Beer定律做如下修改:
式中:σi (λ, T, P) —依赖于温度和压强的第i种吸收气体在波长λ处的吸收截面;Ci—第i种气体在光程L处的浓度;εR (λ, l) 和εM (λ, l) —在光程L处的Raileigh和Mie散射。
DOAS算法具体处理数据的过程主要分为:相除[I0 (λ) /I (λ) ]→高通滤波[滤除慢变化P (λ) ]→对数[In (I0 (λ) /I (λ) ) ]→数据反演→校正。
2 系统硬件设计
该系统设计采用以ARM为主控板核心、DSP为光谱采集模块核心、Linux为软件平台、MINIGUI为界面开发环境、采用DOAS算法分析计算气体浓度的系统方案。系统主要由:光谱数据采集模块、主控模块两部分组成。光谱采集模块控制光谱数据的采集过程, 主控模块负责气体浓度计算和显示。总系统布置方案如图1所示。
2.1 系统光谱采集过程
该系统光谱采集部分由氙灯点光源、气腔、光谱数据采集板构成。DSP为光谱数据采集板核心, 控制着光谱数据采集过程。采集到的光谱数据会通过内部通信统一送入主控模块中。
光谱采集过程如图2所示。
首先各相关器件开始初始化, 这包括CCD传感器、A/D转换器、DSP等。完成一次完整的光谱采集过程流程为:在DSP时序的控制下, 一次光谱采集开始。氙灯开始打灯发射脉冲光, 通过滤光片得到适合该系统的紫外光, 然后经过望远镜的气腔装置得到吸收光谱并将其通过光纤传到CCD传感器上。CCD传感器采集对应的光谱与光强数据输出信号为模拟电压, 通过A/D转换器的作用转换为数字信号并通过SPI接口发送给DSP保存。DSP将得到的数据发送给主控模块以用于计算浓度并显示。
2.2 光谱采集相关器件与接口设计
该系统光源采用高压短弧氙灯。高压短弧氙灯有极高的亮度, 非常接近点光源。它的辐射光谱中紫外部分很强, 除了450 nm~500 nm区间的几组辐射外, 200 nm~450 nm区间基本是平滑的光谱。而该系统中SO2和NO2等的吸收谱线集都集中在200 nm~400 nm之间, 所以非常适合作为本系统的点光源。高压短弧氙灯的使用寿命比较短, 所以使用软件控制其发射脉冲光, 以增加短弧氙灯在系统中的使用时间。被测气体SO2在280 nm~320 nm;NO只在200 nm~230 nm段有显著光谱吸收。本研究选择UTVAF-50S-33U作为该系统所用紫外滤光片。CCD用于采集光谱数据, 该系统选用线性CCD, 它会通过测算光谱强弱来计算气体浓度[5], 最后确定采用SONY公司的ILX554B作为本系统CCD传感器。系统的A/D转换器须有高精度和较高的转换速度。本研究选用Burr-Brown公司生产的A/D转换芯片ADS8320。DSP是光谱数据采集的核心, 该系统选用TI公司生产的TMS320F240作为光谱采集模块的核心。光谱数据采集接口电路如图3所示。
为保证数据采集的高速性和实时性, TMS320F240与ADS8320之间采用SPI (Serial Peripheral Interface) 接口[6]。DSP对CCD的片选和时序控制;对ADS8320的工作时序控制;对氙灯的打灯控制则使用普通I/O口来实现。
3 气体算法分析
3.1 气体采集算法
数据采集模块的采集过程是在主控模块的控制之下的。数据采集模块的程序流程图如图4所示。该程序首先完成对TMS320F240和ADS8320的初始化配置。其中TMS320F240的初始化主要是清中断、设置I/O口和SPI工作口等。初始化ADS8320是通过TMS320F240的SPI总线接口对它进行相应的初始化设置。完成以上工作以后程序就进入循环部分。首先等待接收主控模块的DSP片选信号, 如果有则接收主控板CCD的相关初始化参数 (主要是设定光积分时间和偏置电压) , 并通过DSP相关寄存器对ILX554B进行初始化。然后再启动整个采集过程, 包括控制氙灯与ADS8320的模数转换等。最后通过SPI接口采集到原始光谱信号。本研究将这些光谱数据发送到主控模块, 这样一次刚好采集一帧的数据。实现连续的采集即将该过程无限循环即可。
3.2 气体浓度计算算法
气体浓度算法是该系统的核心算法。为了得到准确, 且误差较小的数据, 需要对结果进行校正。首先本研究取原始光谱数据、量程和零点数据以计算得到原始气体浓度。对得到的原始气体浓度首先要判断其是否有效, 如果不在本量程计算参数内, 需要更换量程参数重新计算。得到的原始气体浓度需要进行非线性校正、温压校正、乘以标定系数做校正、与历史浓度比较做校正等校正方法。
算法程序流程图如图5所示。
(1) 计算气体原始浓度。将暗电流光谱数据保存在一个数组中, 求得平均值I。然后取对数log (I) 。然后获取当前量程的值、零点值等参数用于计算原始浓度:
式中:N—像素值。
通过此公式SO2和NO在230 nm波段和300 nm波段的原始浓度都可以获取。
(2) 计算气体当前浓度。当前浓度计算需要获取各种气体的原始浓度Xn, 非线性校正系数, 温度和压力, 标定系数。然后对原始浓度进行非线性校正、温压校正。取得的值再与标定系数进行运算以得到当前浓度。温压校正公式即为:
式中:p—当前的压力值, 单位为k Pa;t—当前的温度值。通过校准即得到当前各气体的浓度。
(3) 计算零点。实验仪器不可能完全密封无光环境, CCD等感光元件在无光环境下也有电荷产生, 这些都是系统不可避免误差。通过零点计算在无氙灯放光情况下采集到的气体浓度值作为零点浓度。这样可以在计算实际浓度时进行有效校准。
计算公式如下:
4 实验结果与分析
在本研究中, 对系统需要进行测试以确定系统工作性能。该系统进行了气体浓度校正测试、气体浓度计算稳定性测试、高温环境测试、高浓度气体测试等。测量误差为测量浓度减实际浓度后与实际浓度的比[7]。一般误差小于4%即认为是有效的, 这说明误差主要是由背景光、噪声等不可避免因素导致的。
4.1 气体浓度校正测试
本研究选定SO2为测试样气, 将气腔温度控制在30℃, 在一个大气压的条件下, 使用4种不同浓度的SO2气体对系统进行校正测试, 结果如表1所示。
4.2 气体浓度计算稳定性测试
气腔中多次充入2 500 ppm SO2样气, 气腔温度控制在30℃, 在一个大气压下, 每次均在1 min后采集数据。
气体浓度测试数据记录如表2所示。
4.3 高温环境测试
SO2浓度为2 010 ppm, 在一个大气压下, 分别控制气腔温度在60℃、200℃、280℃时测量SO2浓度, 测试结果如表3所示。
由以上数据可以看出, 当气腔温度过高时系统计算误差加大, 精度降低。这是由于随着温度增高, SO2与其他杂项气体 (O2、NO、N2等) 的吸收截面变化所致的。在温度浮动较大的情况下, 必须考虑吸收剂面和温度的关系, 温度的升高使得SO2在280 nm~320 nm波段的差分吸收峰值减小, 而差分吸收峰谷增大, 从而使得紫外差分吸收光谱呈整体减小的趋势, 但这种减小主要是数值量, 不会产生差分吸收频率的变化。但温度对不同波长处的差分吸收界面的影响是不同的, 所以不能用简单的线性系数来修正, 需要重新标定温度参数。
4.4 高浓度样气误差测试
本研究以SO2作为测试样气, 对SO2在5 000 ppm、6 000 ppm、9 000 ppm处浓度进行计算。
测试所得浓度记录如表4所示。
通过测试可以发现当SO2浓度大于8 000 ppm时, 浓度计算误差急剧增大误差会高达30%以上。究其原因是因为在高浓度情况下差分吸收度的信噪比会急剧增大。DOAS方法的基础—比尔定律已经不再适应了。当SO2浓度很大时, 本研究需要将标定时SO2零均值化后的信号 (SM) 与实测的差分吸收度零均质化后的信号 (SR) 组成的二维数组进行主成分分析法 (PCA) 处理, 重新构建与浓度的关系式如下:
式中:R—相关度, ;σp—PCA处理后的标准差, σp=σm×n0/n1;σc—被测气体差分吸收度的综合统计量;SR—被测气体差分吸收度的标准差;ai (i=1, 2, 3, 4) —待标定的多项式系数。
5 结束语
通过以上测试结果可知, 该系统的测试稳定性较好。在测量400 ppm~3 000 ppm的浓度气体时误差较低, 误差可以控制在2%以内, 测试稳定性可以控制在1‰以下。但在高温、高浓度等环境下误差会急剧增大, 下一步的研究工作需要对其算法与相关参数进行改进。但从总体来看, 该系统仍然具有实时测量、精度和灵敏度高、便携等优点。
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差分吸收光谱 篇2
烟气中NO的测量方法主要有两种———化学和光谱学方法[5]。光谱法相对于化学法具有以下优点:可以实现连续在线监测;能够实现多组分同时测量;灵敏度高, 操作简单, 维护方便。在光谱法中, 又可分为红外、紫外吸收法及差分吸收光谱法 (DOAS) 等[6]。其中差分吸收光谱法是近几年发展起来的具有代表性的一种方法, 以其简单的结构、较高的精度和快速的响应速度受到了国内外的广泛关注。但是, 利用差分吸收光谱法测量烟气中的NO还存在诸多问题, 比如:烟气中的水蒸气、烟尘对光的吸收和散射会造成光谱仪接收到的信号信噪比降低, 影响NO的测量精度;另外, NO的线性吸收区域相对于其他污染气体而言很窄, Mellqvist J和Rosen A的研究表明, NO线性吸收区域在常温常压下仅为6mg/m2[7]。当烟气中的NO浓度过高时, NO的非线性吸收对其浓度的反演有很大的影响, 若不进行有效的修正, NO的反演浓度会低于其实际浓度。此外, 烟气中含有的SO2也会对NO浓度的测量产生干扰, 严重时高浓度的SO2会完全掩盖NO的吸收峰, 造成NO的反演精度大幅下降。
针对上述问题, 笔者对现有的NO反演算法进行了改进, 并对非线性区域的NO进行了修正, 最后讨论了SO2气体的存在对NO浓度反演的影响, 并提出了校正方法。
1基本测量理论 (1)
差分吸收光谱法是一种在吸收光谱法的基础上发展起来的方法, 能对被测气体浓度进行较准确的定量分析。它利用被测气体在所选波段具有明显的差分吸收结构, 消除其他干扰气体和粉尘的影响, 从而准确检测出被测气体的浓度, 其理论基础是Beer-Lambert定律[8]:
式中c———待测气体浓度;
I (λ) ———探测器接收到的透射光强;
I0 (λ) ———光源原始光强;
L———光程;
σ (λ) ———待测气体的吸收截面。
在实际现场测量的过程中, 由于烟气中的水蒸气和其他组分气体的吸收、烟尘颗粒的吸收和散射、光学系统的透过率及烟气本身的Raileigh散射等, 无法直接运用Beer-Lambert定律进行混合气体的浓度反演。DOAS方法将吸收截面分成了两部分:随波长快速变化的窄带吸收截面和随波长缓慢变化的宽带吸收截面, 并将各种散射过程及水蒸气的吸收等归结为宽带部分, 而将待测气体分子的窄带吸收特性归结于强度谱中的窄带特性。通过滤波将其中的低频部分, 即宽带部分滤除, 获得差分吸收光谱, 根据已经测得的差分吸收截面和光程L, 通过数值算法, 得到在其他气体和烟尘干扰下的待测气体浓度。由此式 (1) 可更改为[9]:
式中A (λ) ———光学系统对波长λ的依赖性;
ci———第i种气体在光程L内的平均浓度;
εM (λ) ———Mie散射;
εR (λ) ———Raileigh散射;
σi (λ, T, p) ———依赖于温度T和压力p的第i种气体在波长λ处的吸收截面。
2实验系统
实验装置如图1所示, 该装置主要由氘灯光源、光学准直系统、样品池、光谱仪、信号采集系统及计算机等组成。光源采用德国Heraeus DX227型氘灯, 能够发出稳定且有足够能量的紫外-可见连续光谱。光谱仪采用Avantes-2048 USB1型光谱仪, 所测量的光谱范围为188~760nm, 光谱分辨率为0.3nm。实验装置工作过程如下:标准气11经过配气装置12后被送入测量室, 氘灯光源1发出的光经过透镜3准直后进入测量室内, 穿过测量室内的气体后经透镜7聚焦送入光纤光谱仪8, 光谱仪将光信号转换成电信号传输进计算机进行数据处理。
1———光源;2———光纤;3、7———透镜;8———光谱仪;9———PC机;10———高纯氮;13———流量计;14———Pt100热电阻;15———压力表;4———真空泵;5———温控装置;6———加热带;11———NO、SO2标准气;12———混气单元;16———废气吸收装置;17———预热管段
3实验结果与分析
3.1 NO浓度测量及其非线性修正
首先对NO进行吸收截面的标定, 实验利用53μmol/mol的NO测量。在测得吸收截面后, 需利用多项式滤波去除吸收截面中的宽带部分[10]。图2为利用三阶多项式滤波得到的NO差分吸收截面, 可见NO在200~230nm具有3个明显的吸收峰, 分别位于200~205nm、210~215nm和223~226nm。一般的反演算法是利用第三个峰约225nm处的单个或几个波长点, 代入式 (2) 进行浓度反演, 在烟尘和其他气体干扰下反演误差较大, 最大可达到16%[11]。笔者利用第三个峰所有波长点进行浓度反演, 反演精度可以得到有效的提高。实验中对0~517μmol/mol中若干不同浓度的NO进行了测量, 结果见表1。由表1可以看出, 在100μmol/mol以下, NO的反演精度较高, 而100μmol/mol以上, 反演精度明显下降, 并随着浓度的不断增大, 误差也有越来越大的趋势。这说明100μmol/mol以上NO已经进入了非线性区域, 需要进行非线性修正。非线性修正通常采用多项式拟合的方式进行, 图3为采用3阶多项式拟合的结果, 拟合多项式为:
式中c———反演结果;
c'———修正值。
表2为修正后的结果, 由表中可以看出, 在进行非线性修正后, 100μmol/mol以上的反演精度大为提高。
3.2 SO2对NO浓度反演的影响
烟气中往往含有大量的SO2, SO2不仅仅在290~310nm有明显的差分吸收特性, 在NO的吸收波段200~230nm同样有很强的吸收特性, 并且在该波段SO2和NO的吸收截面具有相同的数量级 (10-18) 。这对于NO的浓度测量有一定的干扰, 因此在测量烟气中NO的浓度时, 须考虑去除SO2的影响。
图4是SO2在200~230nm波段的吸收截面和差分吸收截面。从图4可见, 在200~222nm波段SO2具有明显的差分吸收结构, 而在222~230nm波段差分吸收结构趋于平缓, 数量级也小于200~222nm波段。由此可见, 存在SO2干扰的情况下, 利用225nm左右波段反演NO浓度能够有效减小误差。
其中c1、c2分别为NO和SO2的浓度, σ1' (λ, T, p) 和σ2' (λ, T, p) 分别为NO和SO2的差分吸收截面。令I1' (λ) =I0' (λ) exp[-Lσ2' (λ, T, p) ·c2], 可将式 (4) 变换为:
则NO的浓度为:
图5为不同浓度的NO和SO2配比时所得的吸光度。可以看出, 当较低浓度的NO和较高浓度的SO2 (24μmol/molNO和217μmol/molSO2) 进行配比时, 强度谱中几乎反映不出NO的吸收结构, 而完全被SO2的吸收所遮盖 (图5b) , 这种情况下, NO的反演误差最大。而从图5a、c、d中可以看出, 虽然SO2对NO的吸收有所干扰, 但是仍然可以分辨出NO的吸收结构, 对NO浓度反演的影响较小。
表3为不同浓度的NO和SO2进行配比时所得的浓度反演值。从表中可以看出, 在修正前, 较高浓度的SO2和NO进行配比时, 浓度值误差较大, 分别达到了-15.06%、10.82%、-9.06%和-8.29% (表3第3、4、7、8行) , 说明高浓度SO2对NO的测量有较大干扰作用, 并且两者差值越大, 干扰越强烈。而经过修正后, 相对误差均减小到7%以内。
4结束语
通过研究NO在紫外区的吸收特性, 对NO的反演算法进行了改进。在NO的非线性区域和存在SO2气体干扰时, 分别提出了NO浓度反演的修正算法, 并进行了实验研究。实验结果表明, NO气体的非线性区间较小, 0.2m光程下线性区域的下限约为100μmol/mol (常温常压下对应25mg/m2) , 高浓度SO2的非线性吸收对测量的影响较大。经非线性修正后, 对单组分NO气体进行浓度测量时, 其反演误差可以达到5%以内。在高浓度SO2干扰下进行NO浓度反演, 文中最大误差达15%, 经修正后测量误差控制在7%以内。
摘要：利用NO在200230nm紫外区域的差分吸收特性, 提出了一种烟气中NO浓度反演算法。通过实验分析了NO在非线性区域的吸收特性, 针对烟气中NO与SO2共存的现象, 研究了SO2干扰对于NO浓度反演的影响, 得到了SO2干扰下NO浓度的校正方法。实验结果表明:使用改进的反演算法并进行非线性修正后, NO反演误差优于7%, 并且可以消除SO2对NO浓度反演的影响。
关键词：浓度测量,NO,SO2,差分吸收光谱,非线性吸收
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差分吸收光谱 篇3
1 差分吸收激光雷达探测CO2的基本原理
在测量CO2成分的激光雷达系统中采用2束波长相近的发射激光束.其中一个波长选在CO2吸收峰的中心,记为λon,波长为1571.276 nm[3];另一个波长选在吸收峰的外边,使其受到的吸收较小,记为λoff,波长为1571.434 nm[3].2束激光的CO2吸收截面不同,波长为1571.276 nm的λon被CO2强烈吸收,波长为1571.434 nm的λoff被CO2吸收较弱或不吸收.鉴于这2个波长相差较小,所以可认为大气中气溶胶对它们的散射系数及非CO2气体对它们的吸收截面相近.由于对CO2的吸收强度不同,探测器接收到的2束激光的后向散射回波就有区别[4].回波光信号经过望远镜和光纤滤波器后,分别与对应波长的本振光进行相干混频,混频后的光信号进行数据采集和处理,通过相关的处理算法反演就可以得到CO2 的浓度信息.
2 波长控制系统
波长控制系统主要由可调谐激光器、CO2气体池、探测器、锁相放大器和激光驱动5部分组成.其组成框图如图1.
2.1 激光器
试验中选用NEWFOCUS公司的6300-LN可调谐二极管激光器,激光器调谐结构示意图如图2.
该激光器调谐是根据布拉格衍射原理,通过改变振镜和光栅之间的夹角,从而改变激光的波长[5].根据激光器波长调谐的工作方式,波长控制部分采用直流电机控制调谐与压电陶瓷(PZT)调谐2种方式进行控制.直流电机将波长粗调在1571 nm附近,然后用PZT调谐的方式进行波长精调,分别将波长控制在CO2的吸收峰和非吸收峰.根据原子光谱理论,当激光器的波长处在CO2的吸收峰时,激光强度将发生明显的衰减.激光器波长处在吸收峰和非吸收峰的判别方法主要依靠对经过标准CO2吸收池吸收后的光强进行检测来确定.
2.2 气体池
由于探测CO2所需波长要求尽可能精确,所以由激光器发出的分束光必须首先经过气体池,并由气体池作为辅助装置,产生用于激光器波长控制的反馈信号.经过CO2气体池以后的光电二极管信号反映了受到频率调制的CO2吸收光谱强度,这个强度关于波长的一阶导数[6]作为闭环控制系统的误差信号.误差信号的零值对应了谱线中心的吸收峰.频率稳定技术的手段是连续调节PZT的电压,保持误差信号在零值附近.
对于波长精密可调谐激光器,采用以下扫频调谐机制.图3a～图3d描述了这种扫频调谐机制的工作原理[6].图3中,IT为激光强度,υ为激光频率.在IT关于υ的曲线中,波谷对应被测气体(例如CO2)的光谱吸收中心.
其工作原理如下:用一束正弦信号(或三角波信号)对激光强度信号进行调制,然后对调制信号进行解调.从图3a～图3c可以看出,当调制信号远离吸收峰时,解调出的信号幅值也比较高;当调制信号在吸收峰附近时,解调出的信号幅值也比较低,当调制信号正好处在吸收峰时,解调出的信号的幅值为0.图3d描述了激光频率υ和强度的变化△IT之间的关系.在扫频调谐工作机制下,图3d中,穿越ν轴,△IT为0的点即是要找的最理想的控制点.
图3的数学描述如下,假设激光的频率为υ,激光强度为IT,调制正弦信号幅度为m,调制正弦信号的频率为Ψ,则有如下数学关系:
IT(υ)=ΙT(υ+msin(Ωt)) (1)
式(1)中要求:Ω<Γ,其中Γ为吸收线的线宽.
对式(1)进行级数展开得:
undefined
在频率调制工作机制下,式(2)中,IT(ν)是一个直流分量,它对应所加调制信号的直流分量,不同的直流分量对应激光器不同的中心波长(该分量其实就是波长的粗调值).式(2)中,强度对其中心频率的一阶导数的系数msinΩt即为图3d中的对应曲线.
2.3 锁相放大器[7]
锁相放大器结构图如图4.
锁相放大器实际上是一个模拟的傅里叶变换器,锁相放大器的输出是一个直流电压,正比于输入信号中某一特定频率(参数输入频率)的信号幅值.而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献.2个正弦信号,频率都为1 Hz,有90°相位差,用乘法器相乘得到的结果是一个有直流偏量的正弦信号(如图5a).如果是一个1 Hz和一个1.1 Hz的信号相乘,用乘法器相乘得到的结果是一个交流调制波,基频是1 Hz,幅频是0.1 Hz(如图5b).
从上面的分析看来,只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量,其他信号在输出端都是交流信号.如果在乘法器的输出端加一个低通滤波器,那么所有的交流信号分量将全部被滤掉,剩下的直流分量就只是正比于输入信号中特定频率信号分量的幅值[8].试验证明用锁相放大器对一阶导数的系数msinΩt进行检测是比较理想的实现方案.
3 波长控制测试手段及结果
波长控制的测试分定量测试和定性测试2种手段:(1)定量测试主要通过波长计进行测量,波长计使用Brochure公司的621A laser wavelength meter,波长测量范围为350 nm～5.0 μm,其中分为可见光(350～1100 nm)、近红外(500～1700 nm)和红外(1.5～5.0 μm)3个波段,绝对精确度可达到±0.2 ppm,完全可以满足测量要求;(2)定性测试主要通过监测激光强度信号进行,当激光器波长处在CO2吸收峰时,强度信号会发生明显的衰减;当激光器波长不在CO2吸收峰时,强度信号将基本不变,而且幅值比较高.2种状态的输出激光强度根据吸收曲线来计算,不过理论计算只能作为参考,要以最终的实验为准.
激光器波长粗调在1571.27 nm的时候,手调控制电流为90 mA,其输出功率为4.6 mW,PZT效率100%,温度为20.3℃.输出光经过耦合比为10:90的光纤耦合器后,取10%的衰减功率0.46 mW送入波长计进行测量,10 min内测得波长抖动范围为1571.25～1573.13 nm.相同参数下,通过FPGA硬件编程,配合PID(比例积分微分)控制算法进行精调后,使用621A波长计在15 min内测量输出波长的抖动范围为1571.27381～1571.27790 nm,围绕CO2吸收峰中心波长1571.276 nm计算,其控制精度可达到±2 pm.
4 结 论
通过上述方式,由标准CO2气体池提供波长控制反馈信号,使用探测器对其进行光强度探测,利用锁相放大器对误差信号msinΩt进行跟踪检测,并由此为激光器压电控制(PZT)部分提供精确的调节电压,最终实现激光器输出信号的精确与稳定.测试结果显示,激光器在CO2吸收峰处的波长基本可以稳定在1571.276 nm附近,精度可以达到皮米量级.试验中应该注意的问题是,此种对激光器波长精调的方法必须建立在粗调的基础上,即首先粗调激光波长到CO2吸收峰附近,并对激光强度信号进行实时监测.从图3d中可以看出,如果激光器的波长长期处于气体吸收峰外侧时,解调出来的电信号也几乎为零,但并没有达到对波长精调的目的,而且缺少对波长粗调的环节还导致系统调节速度变慢.因此,只有首先对激光器波长进行粗调,并对解调信号和激光强度信号实时监测,才能保证激光器的波长处在气体的光谱吸收峰中心.进一步提高探测器及锁相放大器的灵敏度能够有效地提高波长调谐的精度及稳定度.另外,环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳定性影响很大,因此,系统环境应尽量做到恒温、防震、密闭隔声、稳定电源等.
参考文献
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