一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法
一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，它属于新型激光吸收光谱技术研宄及应用领域。
【背景技术】
[0002]光谱技术的产生和发展曾为人类认识和了解物质世界作出过杰出贡献。自产生之日起，光谱技术便不停发展和壮大，特别是20世纪60年代，激光技术的出现更让光谱技术发展如虎添翼，使得它成为分析化学与物理化学领域中的强有力工具，在物质的定性及定量测量中得到广泛应用。根据光谱产生的方式，光谱技术通常可分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱及荧光光谱等。无论何种光谱技术，光谱分辨率、探测灵敏度都是光谱技术研宄的两个核心问题。激光技术出现以前，由于没有理想的光源，光谱技术研宄及应用发展较为缓慢；激光技术的出现为光谱技术注入新的活力，使得传统常规的光谱技术在光谱分辨率和探测灵敏度两方面均获得突破，系列高光谱分辨率、高测量灵敏度的新型激光光谱技术不断涌现和发展，如激光腔内吸收光谱技术、激光光声光谱技术、激光诱导荧光光谱技术、腔衰荡光谱及其改进光谱技术等。
[0003]腔衰荡光谱技术是近些年来兴起的一种新型高灵敏度激光光谱技术，其性能可与激光光声光谱及激光诱导荧光光谱等高灵敏度技术相媲美，其实质仍是一种直接吸收光谱技术。该技术的出现最早可追溯到20世纪80年代初，人们为了解决高反射率镜片(以下简称高反镜)的损耗测定问题而发明的腔衰荡技术(Cavity Ring-Down Technique)。1984年，美国Anderson等人首次利用该技术通过测量光在光学谐振腔腔内的衰减时间来反演出腔的损耗值，由此将高反镜的损耗测量精度提高到0.0005%。随后，国际商业市场上便出现了一种光学薄膜损耗测量的标准仪器，即“Lossmeter”--腔损仪。1988年，O’Keefe等人在宽光谱腔损仪的研制过程中意识到腔衰荡技术除了可用于测定光学镜片损耗外，还能被用于准确测量光腔内气态介质的吸收光谱。随后，他们首次利用该技术对600nm?700nm可见光波段范围内氧分子禁戒跃迀吸收光谱进行了测量，由此产生出了一种新型的光谱技术-腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-Down Spectroscopy，简称CRDS)。腔衰荡光谱技术因其具有结构简单、测量精度高以及测量结果无需标定等特点，目前已成为光谱学领域的标准测量方法。除了被应用于吸收光谱测量外，CRDS还常被应用于气体分析和浓度检测等领域。目前，基于腔衰荡光谱技术的商业化产品已经出现，如Tiger Optics、Piccaro公司的气体分析仪系列产品等。腔衰荡光谱系统中，核心器件就是低损耗的光学谐振腔，其性能直接关系到光谱系统最终精度。在过去的研宄和应用中，绝大多数腔衰荡光谱系统都不约而同地采用直腔或环形腔结构，而对折叠型结构研宄甚少，且除国内国防科技大学课题组所做的前期工作外，有关折叠型腔衰荡光谱技术研宄的绝大部分研宄都集中在法国D.Romanini和J.Morville等人的团队。这种状况的出现除了与折叠型腔衰荡光谱系统结构相对复杂、折叠腔加工及调节精度要求高等因素有关外，还与该系统中存在的一种特殊物理现象一一纹波效应有关，这种现象的出现使得光谱系统的数据处理变得复杂、系统的测量灵敏度降低[详细情况请见:Tan Zhongqi, Wu Suyong, Liu Jianping, Yang Kaiyong, Long Xingwu.Spectrum data processing in optical-feedback cavity ring-down spectroscopy[J].High Power Laser and Particle Beams, 2014，26 (10): 26101006-]。所谓纹波效应是指折叠型腔衰荡光谱系统测得的折叠腔损耗值随着激光波长的扫描出现类似正弦的周期性变化现象，有关该纹波效应的报导最早可追溯到1999年，D.Romanini等人在他们建立的光反馈折叠型腔衰荡光谱系统的实验研宄中首先观察到此现象，但当时他们仅把这种现象看成一种测量噪声，并未对其进行探讨。2004年起，J.Morville等人在光反馈腔衰荡光谱系统的研宄中再次提及该现象，对它进行了较为详细的描述，并对该效应的起因进行了简单的分析，但并未提及消弱该效应的方法。除此以外，尚未见国内外其它单位开展折叠型腔衰荡光谱及其相关技术的研宄。
[0004]尽管折叠型腔衰荡光谱因纹波效应的存在而影响其性能，但折叠腔方案也有其优点，如折叠型腔衰荡光谱可以利用折叠腔的光反馈效应进行激光器的线宽压榨及频率锁定，可有效提高信号的强度和信噪比，有利于提高腔衰荡光谱系统的测量灵敏度。因此，如何有效减弱纹波效应对于这种类型腔衰荡光谱系统的研宄和应用意义重大。
【发明内容】
[0005]本发明针对折叠型腔衰荡光谱系统中出现的纹波效应，基于对该效应的机理分析和研宄，提出一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，以期改善这类光谱系统的性能。
[0006]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为:一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，在折叠型腔衰荡光谱系统设计中，增大折叠型光学谐振腔的折叠角度Θ O
[0007]进一步地，保持折叠型腔衰荡光谱系统中折叠腔镜的表面洁净度，免受颗粒物污染，具体做法如下:在折叠腔镜前开孔充入纯氮气或者经过滤后的纯净空气，防止折叠型光学谐振腔内粉尘等产生散射的颗粒物污染。
[0008]进一步地，所述折叠型光学谐振腔为对称或非对称结构。
[0009]进一步地，折叠角度越大，纹波效应减弱越明显，但折叠最大角度的设计还需综合考虑折萱尚反镜的损耗等其他因素，以90°为宜。
[0010]本发明的测量原理源于对折叠型连续波腔衰荡光谱系统应用研宄中纹波效应的产生机理分析与思考，其本质是通过降低正、反两方向光束在折叠高反镜处形成的散射场干涉效应，达到消弱纹波效应的目的，从而提升这类折叠型腔衰荡光谱系统的性能。由于直腔型和环形腔衰荡光谱系统中没有发现纹波效应，因此可以确认折叠高反镜的存在是产生纹波效应的主要原因[详细分析请见:Zhongqi Tan, Xingwu Long, KaiyongYang, and Suyong.ffu, The spectral ripple effect in continuous-wave fold-typecavity ring down spectroscopy[J], Journal of Optics Society of AmericaB, 2010, 27(12):2727-2730]。同时，大量实验表明，折叠高反镜表面洁净度与纹波效应的振幅密切相关:当折叠高反镜表面经清洗处于洁净状态时，纹波效应非常微弱，甚至低于腔衰荡光谱系统测量噪声，以至于无法明显观察到纹波效应。当折叠高反镜暴露在空气中的时间过长，其表面吸附有空气中的污染物，尤其是粉尘或其它颗粒物时，实验发现纹波效应逐渐明显，折叠高反镜在空气中的暴露时间越长，纹波效应越明显。对于该实验现象，分析可知:腔衰荡光谱测量中，折叠高反镜处存在两束对称入射光，当折叠高反镜表面吸附有粉尘或颗粒物时，两束对称入射光各自会在折叠高反镜表面形成散射场，当两散射场满足干涉条件时，就会形成散射干涉场。当系统进行光谱测量时，因折叠高反镜表面处两束入射光的相位差会随着光谱扫描而发生周期性变化，就导致了散射干涉场随光谱扫描而发生周期性改变。根据上述实验结果可知:保持折叠型腔衰荡光谱系统中折叠高反镜的表面洁净度，使其免受粉尘等产生散射的颗粒物污染，能有效减弱纹波效应的大小。
[0011]此外 ，根据Mie氏散射理论可知[详细情况请参考:R.P.Young, Low-ScatterMirror Degradat1n by Particle Contaminat1n[J].0PTICALENGINEERING, 1976，15(6):516-520]:单束激光入射时，高反镜表面颗粒物的散射光能量主要集中在反射光方向，且随着散射角度偏离反射方向而迅速减少。据此可知:当增大折叠型光学谐振腔的折叠角度时，折叠型光学谐振腔中正、反入射的两光束在折叠高反镜表面处形成的散射场叠加区域会变少，其散射场叠加区域明显减弱，所产生的干涉效应也会减弱。因此，增大折叠型光学谐振腔的折叠角度可有效减弱折叠型腔衰荡光谱系统中的纹波效应，这对于提高这类光谱系统的性能具有重要意义。
【附图说明】
[0012]图1为本发明的原理示意图。
[0013]图2为典型的折叠型腔衰荡光谱系统结构示意图。其中，I为系统控制电路、2为激光器；3为偏振分光片、4为半波片；5为带压电陶瓷的反射镜；6为折叠高反镜；7为高反镜、8为光电探测器；9为带有压电陶瓷的高反镜；图2中6、7、9三片高反镜组成折叠型光学谐振腔，图2中所示的Θ为折叠角。
[0014]图3为两束光对称入射光学表面积分散射测量系统。其中，I为氦氖激光器，2为光隔离器，3为分光片，4为光电探测器，5为光阑，6为待测高反镜，7为带压电陶瓷高反镜，8为压电陶瓷驱动电路，9为波形发生器，10为示波器，11为光电倍增管，Θ为两对称入射光束之间的夹角。
[0015]图4为两束光对称入射光学表面积分散射测量系统测得的两幅典型结果图。其中，图4A为Θ =10°的测试结果，图4B为Θ =90°的测试结果。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0017]图1为本发明的原理示意图。其中，MUPM2为三片高反镜，组成折叠型光学谐振腔，其中M为折叠高反镜，MjP M2S端面高反镜，Θ为折叠角度。
[0018]图2为典型的折叠型腔衰荡光谱系统结构示意图。图2中I为系统控制电路、2为激光器；3为偏振分光片、4为半波片；5为带压电陶瓷的反射镜；6为折叠高反镜；7为高反镜、8为光电探测器；9为带有压电陶瓷的高反镜；图2中6、7、9三片高反镜组成折叠型光学谐振腔，图2中所示的Θ为折叠角。为清楚阐述本发明，下面结合图2进行说明。如图2所示，在系统控制电路I的驱动下，激光器2所发射的准直单色激光通过偏振分光片3和半波片4后，经带压电陶瓷的反射镜5反射后，从折叠高反镜6处入射到由三片高反镜(6、7、9)组成的折叠型光学谐振腔内，折叠型光学谐振腔其中I片高反镜9带有压电陶瓷，它在系统控制电路I所产生的三角波信号驱动下，使得折叠腔光学谐振腔的腔长随之变化，由此导致折叠型光学谐振腔的谐振频率位置也随之变化，当激光器2发射的单色激光频率与折叠型光学谐振腔的频率匹配时，激光将在折叠型光学谐振腔内形成谐振。此时，如图2所不，折萱尚反镜6处存在两束对称入射的光束，当折萱尚反镜表面存在颗粒物污染时，这两束对称入射光束将会形成各自的散射场，由于这两种散射光场偏频率相同且相位差固定，即可在同一方向实现稳定干涉。光谱测量时，折叠型腔衰荡光谱系统需扫描激光频率并利用腔衰荡技术测得不同激光频率处的折叠型光学谐振腔损耗值，由此求得腔内介质的吸收光谱。这个过程中，因为折叠高反镜6处形成的散射干涉因激光频率的扫描所导致的两散射光场相位差发生周期变化而导致干涉强度出现周期性变化。我们知道，对于任何一种光学谐振腔而言，其腔的损耗主要来自几部分:即腔内介质的散射吸收损耗、腔镜损耗(包括透射、散射和吸收损耗)，以及腔内的衍射及几何损耗等等。因此，这种折叠高反镜处形成的散射干涉强度的变化必将导致折叠型光学谐振腔总损耗发生周期性变化，这就是纹波效应的产生根源。
[0019]根据R.P.Young的理论分析结果:当单向光垂直入射到高反镜，其表面粒子的散射光能量主要集中在其反射方向附近的20°范围内，且随着偏离反射方向，散射光能量迅速衰减，据此可知:增大折叠型光学谐振腔的折叠角度可有效减少两束对称入射光各自所产生的散射场的重叠区域，进而有效减弱纹波效应的幅值，当折叠角度大于45°时，纹波效应对折叠型光谱系统测量的影响可忽略。为验证该结论，建立起两束光对称入射光学表面积分散射测量系统，如图3所示。该图中，I为氦氖激光器，2为光隔离器，3为分光片，4为光电探测器，5为光阑，6为待测高反镜，7为带压电陶瓷高反镜，8为压电陶瓷驱动电路，9为波形发生器，10为示波器，11为光电倍增管。为提高该测量系统的性能，光电探测器4和光电倍增管11前均设有632.Snm的窄带滤光片。测试中，待测高反镜6表面因暴露空气而吸附有颗粒污染物，波形发生器9产生频率为50Hz、振幅为2.5V的三角波由压电陶瓷驱动电路8 (放大倍数约为80)放大后，驱动带压电陶瓷的高反镜7来回移动，由此使得入射到待测高反镜6表面的两束光相位差发生周期性改变。图3中，光电探测器4所获得的信号为氦氖激光器I输出光功率的监控信号，其信号大小与氦氖激光器I输出光功率呈正比；光电倍增管11所获得的信号为待测高反镜6法线方向散射光信号。图4给出了两不同折叠角度Θ = 10° (图4A)及Θ = 90° (图4B)时示波器10所获得的测试结果图，图中曲线I为光电探测器4所获得的氦氖激光器I输出光功率监控信号，曲线2为光电倍增管11所获得的待测高反镜法线方向散射光信号，需要说明的是:图4A中曲线2示波器单格幅值(200mV/DIV)为图4B中曲线2示波器单格幅值(20mV/DIV)的10倍。从两图对比可看出:夹角逐渐增大后，其散射光信号强度及波动幅度越来越小。该实验有效验证了本发明原理分析的正确性，进而证实了本发明的有效性。
【主权项】
1.一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:在折叠型腔衰荡光谱系统设计中，增大折叠型光学谐振腔的折叠角度Θ。2.一种如权利要求1所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:保持折叠型腔衰荡光谱系统中折叠腔镜的表面洁净度，免受颗粒物污染。3.一种如权利要求2所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:在折叠腔镜前开孔充入纯氮气或者经过滤后的纯净空气，防止折叠型光学谐振腔内粉尘等颗粒物产生散射的杂质污染。4.一种如权利要求1至3任一条所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:所述折叠型光学谐振腔为对称或非对称结构。5.—种如权利要求1至3任一条所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:Θ =90°。
【专利摘要】本发明公开了一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，属于新型激光吸收光谱技术研究及应用领域。本发明源于对折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的机理分析，其本质是通过防止折叠高反镜表面的颗粒物污染同时增大折叠腔的折叠角度，实现减弱腔衰荡测量中折叠型光学谐振内正反两光束在折叠腔高反镜表面形成的散射场干涉效应，由此实现减弱纹波效应的目的。本发明所述方法简单且易于实现，对于有效提高折叠型腔衰荡光谱系统的性能、促进其应用具有重要意义。
【IPC分类】G01N21/39, G01N21/01
【公开号】CN104897573
【申请号】CN201510348565
【发明人】谭中奇, 龙兴武, 罗晖, 黄云, 刘贱平, 杨开勇, 吴素勇, 张轶博, 张晓宝
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，它属于新型激光吸收光谱技术研宄及应用领域。
【背景技术】
[0002]光谱技术的产生和发展曾为人类认识和了解物质世界作出过杰出贡献。自产生之日起，光谱技术便不停发展和壮大，特别是20世纪60年代，激光技术的出现更让光谱技术发展如虎添翼，使得它成为分析化学与物理化学领域中的强有力工具，在物质的定性及定量测量中得到广泛应用。根据光谱产生的方式，光谱技术通常可分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱及荧光光谱等。无论何种光谱技术，光谱分辨率、探测灵敏度都是光谱技术研宄的两个核心问题。激光技术出现以前，由于没有理想的光源，光谱技术研宄及应用发展较为缓慢；激光技术的出现为光谱技术注入新的活力，使得传统常规的光谱技术在光谱分辨率和探测灵敏度两方面均获得突破，系列高光谱分辨率、高测量灵敏度的新型激光光谱技术不断涌现和发展，如激光腔内吸收光谱技术、激光光声光谱技术、激光诱导荧光光谱技术、腔衰荡光谱及其改进光谱技术等。
[0003]腔衰荡光谱技术是近些年来兴起的一种新型高灵敏度激光光谱技术，其性能可与激光光声光谱及激光诱导荧光光谱等高灵敏度技术相媲美，其实质仍是一种直接吸收光谱技术。该技术的出现最早可追溯到20世纪80年代初，人们为了解决高反射率镜片(以下简称高反镜)的损耗测定问题而发明的腔衰荡技术(Cavity Ring-Down Technique)。1984年，美国Anderson等人首次利用该技术通过测量光在光学谐振腔腔内的衰减时间来反演出腔的损耗值，由此将高反镜的损耗测量精度提高到0.0005%。随后，国际商业市场上便出现了一种光学薄膜损耗测量的标准仪器，即“Lossmeter”--腔损仪。1988年，O’Keefe等人在宽光谱腔损仪的研制过程中意识到腔衰荡技术除了可用于测定光学镜片损耗外，还能被用于准确测量光腔内气态介质的吸收光谱。随后，他们首次利用该技术对600nm?700nm可见光波段范围内氧分子禁戒跃迀吸收光谱进行了测量，由此产生出了一种新型的光谱技术-腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-Down Spectroscopy，简称CRDS)。腔衰荡光谱技术因其具有结构简单、测量精度高以及测量结果无需标定等特点，目前已成为光谱学领域的标准测量方法。除了被应用于吸收光谱测量外，CRDS还常被应用于气体分析和浓度检测等领域。目前，基于腔衰荡光谱技术的商业化产品已经出现，如Tiger Optics、Piccaro公司的气体分析仪系列产品等。腔衰荡光谱系统中，核心器件就是低损耗的光学谐振腔，其性能直接关系到光谱系统最终精度。在过去的研宄和应用中，绝大多数腔衰荡光谱系统都不约而同地采用直腔或环形腔结构，而对折叠型结构研宄甚少，且除国内国防科技大学课题组所做的前期工作外，有关折叠型腔衰荡光谱技术研宄的绝大部分研宄都集中在法国D.Romanini和J.Morville等人的团队。这种状况的出现除了与折叠型腔衰荡光谱系统结构相对复杂、折叠腔加工及调节精度要求高等因素有关外，还与该系统中存在的一种特殊物理现象一一纹波效应有关，这种现象的出现使得光谱系统的数据处理变得复杂、系统的测量灵敏度降低[详细情况请见:Tan Zhongqi, Wu Suyong, Liu Jianping, Yang Kaiyong, Long Xingwu.Spectrum data processing in optical-feedback cavity ring-down spectroscopy[J].High Power Laser and Particle Beams, 2014，26 (10): 26101006-]。所谓纹波效应是指折叠型腔衰荡光谱系统测得的折叠腔损耗值随着激光波长的扫描出现类似正弦的周期性变化现象，有关该纹波效应的报导最早可追溯到1999年，D.Romanini等人在他们建立的光反馈折叠型腔衰荡光谱系统的实验研宄中首先观察到此现象，但当时他们仅把这种现象看成一种测量噪声，并未对其进行探讨。2004年起，J.Morville等人在光反馈腔衰荡光谱系统的研宄中再次提及该现象，对它进行了较为详细的描述，并对该效应的起因进行了简单的分析，但并未提及消弱该效应的方法。除此以外，尚未见国内外其它单位开展折叠型腔衰荡光谱及其相关技术的研宄。
[0004]尽管折叠型腔衰荡光谱因纹波效应的存在而影响其性能，但折叠腔方案也有其优点，如折叠型腔衰荡光谱可以利用折叠腔的光反馈效应进行激光器的线宽压榨及频率锁定，可有效提高信号的强度和信噪比，有利于提高腔衰荡光谱系统的测量灵敏度。因此，如何有效减弱纹波效应对于这种类型腔衰荡光谱系统的研宄和应用意义重大。
【发明内容】
[0005]本发明针对折叠型腔衰荡光谱系统中出现的纹波效应，基于对该效应的机理分析和研宄，提出一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，以期改善这类光谱系统的性能。
[0006]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为:一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，在折叠型腔衰荡光谱系统设计中，增大折叠型光学谐振腔的折叠角度Θ O
[0007]进一步地，保持折叠型腔衰荡光谱系统中折叠腔镜的表面洁净度，免受颗粒物污染，具体做法如下:在折叠腔镜前开孔充入纯氮气或者经过滤后的纯净空气，防止折叠型光学谐振腔内粉尘等产生散射的颗粒物污染。
[0008]进一步地，所述折叠型光学谐振腔为对称或非对称结构。
[0009]进一步地，折叠角度越大，纹波效应减弱越明显，但折叠最大角度的设计还需综合考虑折萱尚反镜的损耗等其他因素，以90°为宜。
[0010]本发明的测量原理源于对折叠型连续波腔衰荡光谱系统应用研宄中纹波效应的产生机理分析与思考，其本质是通过降低正、反两方向光束在折叠高反镜处形成的散射场干涉效应，达到消弱纹波效应的目的，从而提升这类折叠型腔衰荡光谱系统的性能。由于直腔型和环形腔衰荡光谱系统中没有发现纹波效应，因此可以确认折叠高反镜的存在是产生纹波效应的主要原因[详细分析请见:Zhongqi Tan, Xingwu Long, KaiyongYang, and Suyong.ffu, The spectral ripple effect in continuous-wave fold-typecavity ring down spectroscopy[J], Journal of Optics Society of AmericaB, 2010, 27(12):2727-2730]。同时，大量实验表明，折叠高反镜表面洁净度与纹波效应的振幅密切相关:当折叠高反镜表面经清洗处于洁净状态时，纹波效应非常微弱，甚至低于腔衰荡光谱系统测量噪声，以至于无法明显观察到纹波效应。当折叠高反镜暴露在空气中的时间过长，其表面吸附有空气中的污染物，尤其是粉尘或其它颗粒物时，实验发现纹波效应逐渐明显，折叠高反镜在空气中的暴露时间越长，纹波效应越明显。对于该实验现象，分析可知:腔衰荡光谱测量中，折叠高反镜处存在两束对称入射光，当折叠高反镜表面吸附有粉尘或颗粒物时，两束对称入射光各自会在折叠高反镜表面形成散射场，当两散射场满足干涉条件时，就会形成散射干涉场。当系统进行光谱测量时，因折叠高反镜表面处两束入射光的相位差会随着光谱扫描而发生周期性变化，就导致了散射干涉场随光谱扫描而发生周期性改变。根据上述实验结果可知:保持折叠型腔衰荡光谱系统中折叠高反镜的表面洁净度，使其免受粉尘等产生散射的颗粒物污染，能有效减弱纹波效应的大小。
[0011]此外 ，根据Mie氏散射理论可知[详细情况请参考:R.P.Young, Low-ScatterMirror Degradat1n by Particle Contaminat1n[J].0PTICALENGINEERING, 1976，15(6):516-520]:单束激光入射时，高反镜表面颗粒物的散射光能量主要集中在反射光方向，且随着散射角度偏离反射方向而迅速减少。据此可知:当增大折叠型光学谐振腔的折叠角度时，折叠型光学谐振腔中正、反入射的两光束在折叠高反镜表面处形成的散射场叠加区域会变少，其散射场叠加区域明显减弱，所产生的干涉效应也会减弱。因此，增大折叠型光学谐振腔的折叠角度可有效减弱折叠型腔衰荡光谱系统中的纹波效应，这对于提高这类光谱系统的性能具有重要意义。
【附图说明】
[0012]图1为本发明的原理示意图。
[0013]图2为典型的折叠型腔衰荡光谱系统结构示意图。其中，I为系统控制电路、2为激光器；3为偏振分光片、4为半波片；5为带压电陶瓷的反射镜；6为折叠高反镜；7为高反镜、8为光电探测器；9为带有压电陶瓷的高反镜；图2中6、7、9三片高反镜组成折叠型光学谐振腔，图2中所示的Θ为折叠角。
[0014]图3为两束光对称入射光学表面积分散射测量系统。其中，I为氦氖激光器，2为光隔离器，3为分光片，4为光电探测器，5为光阑，6为待测高反镜，7为带压电陶瓷高反镜，8为压电陶瓷驱动电路，9为波形发生器，10为示波器，11为光电倍增管，Θ为两对称入射光束之间的夹角。
[0015]图4为两束光对称入射光学表面积分散射测量系统测得的两幅典型结果图。其中，图4A为Θ =10°的测试结果，图4B为Θ =90°的测试结果。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0017]图1为本发明的原理示意图。其中，MUPM2为三片高反镜，组成折叠型光学谐振腔，其中M为折叠高反镜，MjP M2S端面高反镜，Θ为折叠角度。
[0018]图2为典型的折叠型腔衰荡光谱系统结构示意图。图2中I为系统控制电路、2为激光器；3为偏振分光片、4为半波片；5为带压电陶瓷的反射镜；6为折叠高反镜；7为高反镜、8为光电探测器；9为带有压电陶瓷的高反镜；图2中6、7、9三片高反镜组成折叠型光学谐振腔，图2中所示的Θ为折叠角。为清楚阐述本发明，下面结合图2进行说明。如图2所示，在系统控制电路I的驱动下，激光器2所发射的准直单色激光通过偏振分光片3和半波片4后，经带压电陶瓷的反射镜5反射后，从折叠高反镜6处入射到由三片高反镜(6、7、9)组成的折叠型光学谐振腔内，折叠型光学谐振腔其中I片高反镜9带有压电陶瓷，它在系统控制电路I所产生的三角波信号驱动下，使得折叠腔光学谐振腔的腔长随之变化，由此导致折叠型光学谐振腔的谐振频率位置也随之变化，当激光器2发射的单色激光频率与折叠型光学谐振腔的频率匹配时，激光将在折叠型光学谐振腔内形成谐振。此时，如图2所不，折萱尚反镜6处存在两束对称入射的光束，当折萱尚反镜表面存在颗粒物污染时，这两束对称入射光束将会形成各自的散射场，由于这两种散射光场偏频率相同且相位差固定，即可在同一方向实现稳定干涉。光谱测量时，折叠型腔衰荡光谱系统需扫描激光频率并利用腔衰荡技术测得不同激光频率处的折叠型光学谐振腔损耗值，由此求得腔内介质的吸收光谱。这个过程中，因为折叠高反镜6处形成的散射干涉因激光频率的扫描所导致的两散射光场相位差发生周期变化而导致干涉强度出现周期性变化。我们知道，对于任何一种光学谐振腔而言，其腔的损耗主要来自几部分:即腔内介质的散射吸收损耗、腔镜损耗(包括透射、散射和吸收损耗)，以及腔内的衍射及几何损耗等等。因此，这种折叠高反镜处形成的散射干涉强度的变化必将导致折叠型光学谐振腔总损耗发生周期性变化，这就是纹波效应的产生根源。
[0019]根据R.P.Young的理论分析结果:当单向光垂直入射到高反镜，其表面粒子的散射光能量主要集中在其反射方向附近的20°范围内，且随着偏离反射方向，散射光能量迅速衰减，据此可知:增大折叠型光学谐振腔的折叠角度可有效减少两束对称入射光各自所产生的散射场的重叠区域，进而有效减弱纹波效应的幅值，当折叠角度大于45°时，纹波效应对折叠型光谱系统测量的影响可忽略。为验证该结论，建立起两束光对称入射光学表面积分散射测量系统，如图3所示。该图中，I为氦氖激光器，2为光隔离器，3为分光片，4为光电探测器，5为光阑，6为待测高反镜，7为带压电陶瓷高反镜，8为压电陶瓷驱动电路，9为波形发生器，10为示波器，11为光电倍增管。为提高该测量系统的性能，光电探测器4和光电倍增管11前均设有632.Snm的窄带滤光片。测试中，待测高反镜6表面因暴露空气而吸附有颗粒污染物，波形发生器9产生频率为50Hz、振幅为2.5V的三角波由压电陶瓷驱动电路8 (放大倍数约为80)放大后，驱动带压电陶瓷的高反镜7来回移动，由此使得入射到待测高反镜6表面的两束光相位差发生周期性改变。图3中，光电探测器4所获得的信号为氦氖激光器I输出光功率的监控信号，其信号大小与氦氖激光器I输出光功率呈正比；光电倍增管11所获得的信号为待测高反镜6法线方向散射光信号。图4给出了两不同折叠角度Θ = 10° (图4A)及Θ = 90° (图4B)时示波器10所获得的测试结果图，图中曲线I为光电探测器4所获得的氦氖激光器I输出光功率监控信号，曲线2为光电倍增管11所获得的待测高反镜法线方向散射光信号，需要说明的是:图4A中曲线2示波器单格幅值(200mV/DIV)为图4B中曲线2示波器单格幅值(20mV/DIV)的10倍。从两图对比可看出:夹角逐渐增大后，其散射光信号强度及波动幅度越来越小。该实验有效验证了本发明原理分析的正确性，进而证实了本发明的有效性。
【主权项】
1.一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:在折叠型腔衰荡光谱系统设计中，增大折叠型光学谐振腔的折叠角度Θ。2.一种如权利要求1所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:保持折叠型腔衰荡光谱系统中折叠腔镜的表面洁净度，免受颗粒物污染。3.一种如权利要求2所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:在折叠腔镜前开孔充入纯氮气或者经过滤后的纯净空气，防止折叠型光学谐振腔内粉尘等颗粒物产生散射的杂质污染。4.一种如权利要求1至3任一条所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:所述折叠型光学谐振腔为对称或非对称结构。5.—种如权利要求1至3任一条所述折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，其特征在于:Θ =90°。
【专利摘要】本发明公开了一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，属于新型激光吸收光谱技术研究及应用领域。本发明源于对折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的机理分析，其本质是通过防止折叠高反镜表面的颗粒物污染同时增大折叠腔的折叠角度，实现减弱腔衰荡测量中折叠型光学谐振内正反两光束在折叠腔高反镜表面形成的散射场干涉效应，由此实现减弱纹波效应的目的。本发明所述方法简单且易于实现，对于有效提高折叠型腔衰荡光谱系统的性能、促进其应用具有重要意义。
【IPC分类】G01N21/39, G01N21/01
【公开号】CN104897573
【申请号】CN201510348565
【发明人】谭中奇, 龙兴武, 罗晖, 黄云, 刘贱平, 杨开勇, 吴素勇, 张轶博, 张晓宝
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
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