[发明专利]基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置及其锁定方法

摘要

本发明公开了一种基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置及其锁定方法。装置包括激光器(1)、光纤(13)、准直光纤(2)、散射光收集透镜(3)、光电探测器(4)、温度电流控制部件(5)和频率稳定部件(16)，其中，频率稳定部件(16)为串接的锁相放大器件(9)、数据采集分析器件(10)、模拟PID器件(8)、运算放大器件(7)和加法器件(15)，以及信号发生器件(6)；方法为对激光器采用三角波叠加正弦波的调制和由接收的含气体吸收信息的散射光信号中的上升沿和下降沿产生的两个吸收峰之间的间距作为变量值，得出稳频反馈控制信号，将频率稳定在特定吸收峰上。它可广泛用于探测大气中物质的成分及其含量。

主权项

一种基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法，基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置包括其输入端与温度电流控制部件(5)电连接、输出端与光纤(13)连接的激光器(1)，以及光纤(13)的另一端连接有置于散射光收集透镜(3)中心处的准直光纤(2)和散射光收集透镜(3)焦点处置有其输出端电连接频率稳定部件(16)输入端的光电探测器(4)，其中，所述频率稳定部件(16)含有依次串接的锁相放大器件(9)、数据采集分析器件(10)、模拟PID器件(8)、运算放大器件(7)和加法器件(15)，以及其输出端分接锁相放大器件(9)和加法器件(15)的信号发生器件(6)，所述频率稳定部件(16)用于调制激光器(1)的输出和由接收的含气体吸收信息的散射光信号中解调并得出稳频所需的反馈控制信号，以将激光器(1)的输出频率稳定在特定的吸收峰上，其中的，所述锁相放大器件(9)由串接的前置放大器(91)、乘法器(92)和低通滤波器(93)组成，用于从光电探测器(4)输出的散射光信号中解调出气体吸收的二次谐波信号，所述数据采集分析器件(10)为带有A/D和D/A变换的单片机，用于采集锁相放大器件(9)输出的气体吸收的二次谐波信号后，将其变换为数字信号，并计算出气体的浓度和稳频所需的误差信号，所述模拟PID器件(8)由比例电路、积分电路和微分电路组成，其参数设置由凑试法确定，用于将误差信号转化为反馈控制信号，所述信号发生器件(6)为单片机(61)的输出端分接二倍频正弦数字信号发生器(62)、正弦数字信号发生器(63)和三角波数字信号发生器(64)的输入端，正弦数字信号发生器(63)和三角波数字信号发生器(64)的输出端均经加法器(65)后接加法器件(15)，二倍频正弦数字信号发生器(62)的输出端接锁相放大器件(9)中的乘法器(92)，信号发生器件(6)用于产生激光器(1)的调制信号和锁相放大器件(9)的解调信号，加法器件(15)的输出端与温度电流控制部件(5)的输入端电连接；基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置的锁定方法包括对激光器发光的调制、接收光电探测器的信号和对信号进行处理，其特征在于完成步骤如下：对激光器的工作电流采用三角波叠加正弦波的调制方法，由接收的散射光信号中解调出其上升沿与下降沿均含有气体吸收的二次谐波信号，将该上升沿和下降沿产生的两个吸收峰之间的间距作为变量值，将设定的频率稳定精度值与变量值之间的差值作为反馈控制所需的误差信号，通过对激光器工作电流的控制，将激光器输出频率稳定在所需的吸收峰上。