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原文传递一种基于腔衰荡技术的气体吸收系数的测量方法

专利名称：	一种基于腔衰荡技术的气体吸收系数的测量方法
摘要：	一种基于腔衰荡技术的气体吸收系数的测量方法，该方法采用扫描激光频率的方式得到周期性变化的衰荡时间，然后对其进行快速傅里叶变换，并选取特征频率的傅里叶系数，将其代入傅里叶级数即可重构出衰荡时间；之后采用干涉仪测量激光频率，重新建立起衰荡时间与激光频率的关系，进而得到气体吸收系数。本发明可以选择性消除各种固有频率噪声，还原出更高信噪比的气体吸收系数；并且干涉仪对激光波长进行一次测量即可，不受限于波长计的测量精度及测量速率；以扫描方式工作的激光器，无需高精度的激光控制器，减小了激光波长的随机抖动的影响。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	清华大学
发明人：	彭志敏;丁艳军;王振
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-04-30T00:00:00+0800
申请号：	CN201910059718.0
公开号：	CN109696416A
代理机构：	北京鸿元知识产权代理有限公司
代理人：	邸更岩
分类号：	G01N21/39(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100084 北京市海淀区100084信箱82分箱清华大学专利办公室
主权项：	1.一种基于腔衰荡技术的气体吸收系数的测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤： 1)根据待测气体种类，从光谱数据库中选取相应的吸收光谱谱线；其中心频率为ν0，谱线强度为S； 2)采集衰荡时间τ：以可调谐半导体激光器(1)为光源，在激光频率固定时，激光依次通过光隔离器(2)、声光调制器(3)、光准直器(5)和衰荡腔(7)，最后被光电探测器(13)接收；利用压电陶瓷扫描衰荡腔的腔长，使激光模式与腔模式相匹配，此时光电探测器接收光强最大；关断激光则得到单指数式衰减的光强信号，对此信号进行拟合即得到衰荡时间τ； 3)通过计算机控制可调谐半导体激光器的温度和电流，使激光频率在谱线中心频率ν0附近以三角波的形式步进扫描，扫描频率为f；在每次步进间隔均采集相应的衰荡时间τ，即得到周期性变化的衰荡时间τ(t)；对τ(t)进行快速傅里叶变换得到傅里叶系数，从中取出特征频率kf所对应的傅里叶系数，其实部为Ak，虚部为Bk；再将Ak和Bk代入傅里叶级数，即得到重构的周期性变化的衰荡时间τ'(t)：其中，τ'(t)为重构的周期性变化的衰荡时间，Ak和Bk分别为特征频率对应的傅里叶系数实部和虚部；ω为三角波的角频率，f为三角波的扫描频率，则有ω＝2πf；p为特征频率总个数，k＝0,1,2...,p，t为扫描时间； 4)利用干涉仪(18)测量激光频率ν(t)，使激光频率在谱线中心频率ν0附近以三角波形式扫描，扫描频率为f，采用n次多项式分别对激光频率的上升沿和下降沿进行拟合：其中，ν上(t)表示上升沿的激光频率，ν下(t)表示下降沿的激光频率；ai为上升沿第i次项系数，bi为下降沿第i次项系数，i＝0,1,2...,n，n为多项式阶数；l代表周期数，T为三角波周期，且T＝1/f； 5)建立ν(t)与τ'(t)的关系：令θ＝ω(t-lT)＝ωt-2πl，其中0＜θ＜π，l表示周期数；根据步骤4)激光频率的表达式，用θ代替t即得到下式：根据步骤3)中τ'(t)的表达式，得到上升沿和下降沿重构的周期性变化的衰荡时间τ'上与τ'下：通过中间变量θ，使ν上与τ'上联立，ν下与τ'下联立，即得到重构的周期性变化的衰荡时间τ'上(ν)和τ'下(ν)；两者平均后即得到随激光频率变化的重构的周期性变化的衰荡时间τ'(ν)； 6)求气体吸收系数α(ν)：将τ'(ν)代入下式：即得到气体吸收系数α(ν)；其中，R为平凹反射镜的反射率，L为衰荡腔的腔长，c为光速。
所属类别：	发明专利