气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定装置及方法制造方法及图纸

本公开提供了一种气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定装置，包括：主控MCU，用于生成电压扫描信号给电流控制模块；电流控制模块，用于根据电压扫描信号为半导体激光器供能；半导体激光器，用于产生波长周期性变化的激光；测量光路；特制探测器，内部封装预设浓度的标准气体，标准气体用于增强激光吸收待测气体的光谱信号的强度；信号调理模块，用于将探测到的信号进行放大、滤波和接口匹配；AGC自动增益模块，用于将探测到的信号自动增益调整后输出到主控MCU；主控MCU还用于根据电压信号生成温度控制信号输出给温度控制模块；温度控制模块，用于根据温度控制信号调控半导体激光器的工作温度，修正半导体激光器产生的激光的中心波长。心波长。心波长。

【技术实现步骤摘要】
气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定装置及方法


[0001]本公开涉及气体检测
，尤其涉及一种气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定方法及装置。

技术介绍

[0002]由于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术具有灵敏度高、线性度好、响应速度快、探测距离长和受其他气体干扰少等优点，可调谐半导体激光吸收光谱技术得到了广泛应用。气体检测可调谐半导体激光器要实现准确且稳定地监测气体浓度，激光器的中心波长必须稳定，但可调谐半导体激光器受环境温度和元器件老化的影响会造成输出的中心波长位置和波长范围的偏移，导致浓度测量的准确性和反演算法的相关性降低。
[0003]通常解决这个问题的方法有使用参考气体池的方法、使用光纤光栅的方法、使用标准具滤波器的方法等。使用参考气体池的方法有双光路法和单光路法。双光路法是将输出激光分成二路，一路主光路用于气体检测，另一路波长锁定光路用于激光输出波长锁定，参考光路中放置一个充有较高浓度标准气体的吸收池，参考光路的探测器用于实时监测气体吸收线的位置，一旦发生漂移就执行激光电流的调整，使得激光器的中心波长始终稳定在气体吸收位置上。单光路法把参考光路做成可转换的，间断的把参考池推入检测光路，这时候检测光路就起到参考光路的作用，只能对此时的激光器波长进行调整锁定，不能连续锁定激光器的波长。单光路法还有将参考池放入检测光路中，将参考光路和检测光路合二为一的，这种方法直接得到的是测量光路上的气体浓度与参考池中气体等效浓度的和，由于参考池中的气体是高浓度气体，对测量光路上气体浓度的检测会带来误差。光纤光栅法和标准具干涉法主要用于光通讯应用中激光波长的锁定，仅适用于激光器工作在固定波长情况下的波长锁定，不适用于连续扫描的激光器输出波长锁定。
[0004]在气体检测领域，现有激光波长锁定技术主要有双光路带参考气体池方法，单光路带气体参考池法、单光路不带气体参考池方法。其中双光路带参考池方法使用最早也最为广泛，但需要单独的波长锁定光路和波长锁定模块，增加了系统的复杂性，并且波长锁定光路的分光还会导致检测光路的激光功率降低，降低系统的信噪比。单光路带气体参考池方法直接得到测量光路上的气体浓度与参考池中气体等效浓度的和，目前常用的参考池中的气体是高浓度气体，对测量光路上气体浓度的检测会带来误差。单光路不带气体参考池方法较为新颖，文献《一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法》(CN202011503569.1)中利用环境中普遍存在的水汽两条吸收线作为激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的基准，这种方法虽然不需要参考池，但仅适用于待测气体的目标吸收线附近有水汽吸收线的情况。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定装置，以解决现有技术存在的不足。
[0006]本公开的一个方面提供了一种气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定装置，包括：主控MCU、电流控制模块、温度控制模块、半导体激光器、测量光路、特制探测器、信号调理模块和AGC自动增益模块；所述主控MCU用于生成电压扫描信号给所述电流控制模块；所述电流控制模块用于根据所述电压扫描信号输出电流给所述半导体激光器；所述半导体激光器用于产生波长周期性变化的激光；所述测量光路为含有待测气体的开放光路，使所述激光经过测量光路探测待测气体；所述特制探测器内部封装预设浓度的标准气体，用于将经过所述测量光路后的所述激光转换为电流信号，其中，所述激光经过所述标准气体后到达所述特征探测器的感光面，所述标准气体用于增强所述待测气体的光谱信号的强度；信号调理模块，用于将所述电流信号转换成电压信号再进行放大、滤波和接口匹配；AGC自动增益模块，用于将所述电压信号自动增益调整后输出到所述主控MCU；主控MCU还用于根据所述电压信号进行光谱信号采集、扣除背景、提取待测气体吸收信号、中心波长偏移量计算，生成温度控制信号输出给所述温度控制模块；所述温度控制模块用于根据所述温度控制信号调控所述半导体激光器的工作温度，修正所述半导体激光器产生的激光的中心波长。
[0007]根据本公开的实施例，所述温度控制模块使用H桥电路实现调节所述半导体激光器中TEC的制冷和制热功率。
[0008]根据本公开的实施例，所述装置还包括：准直器，设于所述半导体激光器与所述测量光路之间，用于准直所述激光。
[0009]本公开实施例的另一方面提供了一种气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定方法，应用于如第一方面任意一项所述的装置，包括：控制半导体激光器产生波长周期性变化的激光，使所述激光穿过待测气体；通过特制探测器探测穿过所述待测气体的激光，使主控MCU获得所述激光的测量光谱，其中，所述激光经过封装于所述特制探测器内预设浓度的标准气体后到达所述特征探测器的感光面，所述标准气体用于增强所述待测气体的光谱信号的强度；通过主控MCU计算所述激光的测量光谱和基准光谱的中心波长偏移量，将所述中心波长偏移量转换为温度控制信号的调整量；基于所述调整量调节控制模块的温度控制信号，基于所述温度控制信号调节半导体激光器的工作温度，修正所述激光的中心波长。
[0010]根据本公开的实施例，在产生所述激光之前，所述方法包括：根据所述待测气体的吸收特性，设定所述半导体激光器出光的中心波长和波长扫描范围，使所述待测气体的吸收峰在波长扫描范围中心。
[0011]根据本公开的实施例，所述通过主控MCU计算所述激光的测量光谱和基准光谱的中心波长偏移量包括：获取所述测量光谱和所述基准光谱的多个采样点；基于互相关算法计算所述测量光谱和所述基准光谱对应的采样点的偏移量，并基于多个采样点的偏移量积分计算所述中心波长偏移量。
[0012]根据本公开的实施例，所述基于互相关算法计算所述测量光谱和所述基准光谱对应的采样点的偏移量，并基于多个采样点的偏移量积分计算所述中心波长偏移量的计算公式包括：
[0013][0014]其中，f
b
(x)函数表示所述基准光谱，f
r
(x)表示所述测量光谱，R(f
b
，f
r
)表示函数f
b
(x)和f
r
(x)的互相关函数，x表示采样点的序号，τ表示延迟系数。
[0015]根据本公开的实施例，所述方法还包括：判断所述中心波长偏移量是否超过预设阈值；当所述中心波长偏移量不超过预设阈值时，不将所述中心波长偏移量转换为温度控制信号的调整量。
[0016]在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0017]本公开实施例提供的可调谐半导体激光器的波长锁定装置，只有测量光路，不需要单独的波长锁定光路，大大降低了气体探测系统的复杂度；
[0018]本公开实施例提供的可调谐半导体激光器的波长锁定装置利用特制的探测器，探测器在封装过程中封装了一定浓度的标准气体，这样可以扩大波长锁定的应用范围，在待测区域没有待测气体存在的情况下也可以将激光器的中心波长进行锁定，突破了前面所述的单光路不带气体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定装置，其特征在于，包括：主控MCU、电流控制模块、温度控制模块、半导体激光器、测量光路、特制探测器、信号调理模块和AGC自动增益模块；所述主控MCU用于生成电压扫描信号给所述电流控制模块；所述电流控制模块用于根据所述电压扫描信号输出电流给所述半导体激光器；所述半导体激光器用于产生波长周期性变化的激光；所述测量光路为含有待测气体的开放光路，使所述激光经过测量光路探测待测气体；所述特制探测器内部封装预设浓度的标准气体，用于将经过所述测量光路后的所述激光转换为电流信号，其中，所述激光经过所述标准气体后到达所述特征探测器的感光面，所述标准气体用于增强所述待测气体的光谱信号的强度；信号调理模块，用于将所述电流信号转换成电压信号再进行放大、滤波和接口匹配；AGC自动增益模块，用于将所述电压信号自动增益调整后输出到所述主控MCU；主控MCU还用于根据所述电压信号进行光谱信号采集、扣除背景、提取待测气体吸收信号、中心波长偏移量计算，生成温度控制信号输出给所述温度控制模块；所述温度控制模块用于根据所述温度控制信号调控所述半导体激光器的工作温度，修正所述半导体激光器产生的激光的中心波长。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度控制模块使用H桥电路实现调节所述半导体激光器中TEC的制冷和制热功率。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：准直器，设于所述半导体激光器与所述测量光路之间，用于准直所述激光。4.一种气体检测可调谐半导体激光器的波长锁定方法，应用于如权利要求1至3任意一项所述的装置，其特征在于，包括：控制半导体激光器产生波长周期性变化的激光，使所述激光穿过待测气体；通过特制探测器探测穿过所述待测气体的激光，使主控MCU获得所述激光的测量光谱，其中，所述激光经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玖英，周梅，胡坚，张慧静，腾格尔，周春城，吴昊昊，陈林生，王金虎，王平，李传荣，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：