光譜儀的光譜測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光譜儀的光譜測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)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(guān)鍵部件為由高反射率鏡片組成的光學(xué)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(nèi)，典型的長30 cm至70 cm。因此，要在如此短的吸收池內(nèi) 提尚探測靈敏度往往從提尚鏡片的反射率入手。
[0003] 相應(yīng)的，現(xiàn)有技術(shù)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(shù)在紫外和紅外波段的應(yīng)用；其次，在 一個較寬的光學(xué)頻段很難同時獲得高的反射率，限制了該技術(shù)的多組分同時探測的能力； 最后，由于鏡片上的膜層會受環(huán)境中水分等的影響，鏡片反射率隨著使用會下降，導(dǎo)致探測 靈敏度下降，甚至導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)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(xué)諧振腔。所述光學(xué)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(tài)的偏振光信號，以偏離布儒斯特角度^設(shè)入射進光學(xué)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?；诶忡R的光學(xué)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(shù)缺陷。此外，本發(fā)明的提供一種光譜儀的光譜測量方 法及系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)光程在線標(biāo)定、去除光學(xué)諧振腔的光學(xué)噪聲、并通過所述光學(xué)諧振腔 的姿態(tài)調(diào)整功能和腔長掃描等功能，滿足對樣品進行長時間連續(xù)準(zhǔn)確實時監(jiān)測的要求。
[0005] 相應(yīng)的，本發(fā)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(fā)出的光信號； 采用光學(xué)耦合裝置接收由光源發(fā)出的光信號； 采集光學(xué)諧振腔輸出的所述光信號，并以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，制作樣品的吸收 光譜線； 依據(jù)上述獲取的所述吸收光譜線，通過數(shù)據(jù)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(fā)明的進一步改進，所述光學(xué)諧振腔由一組棱鏡組成，所述光信號起偏為P 偏振態(tài)的偏振光信號，以偏離布儒斯特角度#入射進光學(xué)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(fā)明的進一步改進，所述光譜儀為設(shè)置有所述光學(xué)諧振腔的CRDS光譜儀， 所述光信號為激光； 所述"采集透過光學(xué)諧振腔的所述光信號，并以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(dāng)所述光學(xué)諧振腔輸出的光強達到系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時，切斷光路，阻止所述光信號向所 述光學(xué)諧振腔內(nèi)入射； 對所述光學(xué)諧振腔內(nèi)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(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后依指數(shù)關(guān)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(xué)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(fā)明的進一步改進，所述光譜儀為設(shè)置有所述光學(xué)諧振腔的寬帶CRDS光 譜儀，所述光信號為寬帶可調(diào)諧激光光源； 所述"采集透過光學(xué)諧振腔的所述光信號，并以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(dāng)所述光學(xué)諧振腔輸出的光強達到系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時，切斷光路，阻止所述光信號向所 述光學(xué)諧振腔內(nèi)入射； 對所述光學(xué)諧振腔內(nèi)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(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后依指數(shù)關(guān)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(xué)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(fā)明的進一步改進，所述光譜儀為設(shè)置有所述光學(xué)諧振腔的CEAS光譜儀， 所述光信號為激光； 所述"采集透過光學(xué)諧振腔的所述光信號，并以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(dāng)空腔時，所述光學(xué)諧振腔輸出的光強達到系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時，切斷光路，阻止所述光信 號向所述光學(xué)諧振腔內(nèi)入射； 將衰減后的所述激光信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后依指數(shù)關(guān)系擬合出衰蕩時間τ。； U采集存在所述樣品時，所述光學(xué)諧振腔持續(xù)輸出的光強信號I ; 利用光學(xué)諧振腔的等效反射率R、衰蕩時間t?；蛘呖涨粫r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(fā)明的進一步改進，所述光譜儀為設(shè)置有所述光學(xué)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(xué)諧振腔的所述光信號，并以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(dāng)空腔時，所述光學(xué)諧振腔輸出的波長為λ i的光的光強 達到系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時，切斷光路，阻止所述光信號向所述光學(xué)諧振腔內(nèi)入射； 將衰減后的所述激光信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后依指數(shù)關(guān)系擬合出衰蕩時間τ。； 采集光學(xué)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(xué)諧振腔持續(xù)輸出的光強信號I ; 利用光學(xué)諧振腔的等效反射率R、衰蕩時間t?；蛘呖涨粫r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(xué) 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(fā)明的進一步改進，所述方法還還包括以下步驟： 向所述光學(xué)諧振腔發(fā)送高頻信號，快速改變所述光學(xué)諧振腔的腔長，以去除所述光學(xué) 諧振腔的光學(xué)噪聲。
[0012] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述方法還包括以下步驟： 監(jiān)測所述光學(xué)諧振腔為空時的衰蕩時間，并將其和所述光學(xué)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(xué)諧振腔的衰蕩時間是否小于所述光學(xué)諧振腔的理論衰 蕩時間或預(yù)先設(shè)置的實際設(shè)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(xué)諧振腔失調(diào)，同時，捕獲失調(diào)信號，調(diào)整所述光學(xué)諧振腔； 若否，繼續(xù)下一步驟。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述"若是，判斷所述光學(xué)諧振腔失調(diào)，同時，捕獲失調(diào) 信號，調(diào)整所述光學(xué)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(xué)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(shù)，以及改變角度參數(shù)，進而調(diào)整所述光學(xué)諧振腔的姿態(tài)； 判斷調(diào)整后實際測量的所述光學(xué)諧振腔的衰蕩時間是否小于所述光學(xué)諧振腔的理論 衰蕩時間或預(yù)先設(shè)置的實際設(shè)置的衰蕩時間與理論衰蕩時間的百分比； 若是，發(fā)出故障告警，待解決故障后，再繼續(xù)下一步驟； 若否，判斷系統(tǒng)正常運行。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述樣品為氣體或液體； 所述光學(xué)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的光譜儀的光譜測量方法在高精測靈敏度的基礎(chǔ)上，還 具有更寬的光譜探測能力，能夠?qū)崿F(xiàn)光程的在線標(biāo)定、去除所述光學(xué)諧振腔的光學(xué)噪聲、同 時具有腔鏡姿態(tài)調(diào)整功能或腔長掃描功能，可以實現(xiàn)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(xù)準(zhǔn)確實時監(jiān)測的目的，進一步的，當(dāng)所述光譜儀為CEAS光譜儀 時，無需對所述光學(xué)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(shù) 應(yīng)用。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)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(fā)明實施方式提供的光譜儀的光譜測量系統(tǒng)的模塊示意圖； 圖6是本發(fā)明實施方式中所述光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明實施方式中所述光學(xué)諧振腔的調(diào)整姿態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 以下將結(jié)合附圖所示的實施方式對本發(fā)明進行詳細(xì)描述。但實施方式并不限制本 發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包 含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0018] 如圖1所示，圖1是本發(fā)明實施方式提供的光譜儀的光譜測量方法流程圖； 相應(yīng)的，在本發(fā)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(xiàn)的，所述方法包括以下步驟： S1、接收由光源發(fā)出的光信號； 本實施方式中，采用光學(xué)耦合裝置接收由光源發(fā)出的光信號。
[0019] 所述光源根據(jù)探測技術(shù)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(fā)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(xué)諧