激光光譜儀和用于運行激光光譜儀的方法
【專利摘要】本發明涉及一種激光光譜儀和用于運行激光光譜儀的方法，在激光光譜儀中將可以調諧波長的半導體激光器的光穿過包括需要測量的氣體成分的混合氣體和標準器結構引導到探測器上。為了在調諧范圍內通過氣體成分的特定的吸收譜線調諧半導體激光器的波長，半導體激光器的注入電流周期性地按照預定的電流-時間-函數變化。同時利用頻率并且交替地利用匹配于吸收譜線的半值寬度的第一振幅和匹配于標準器結構的光譜寬度的第二振幅調制注入電流和進而波長。由探測到的光強度分析二次諧波，其中在利用第一振幅調制時測量吸收譜線，并在利用第二振幅調制時根據標準器結構的透射光譜使半導體激光器的波長穩定。
【專利說明】激光光譜儀和用于運行激光光譜儀的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種激光光譜儀和用于運行激光光譜儀的方法。
【背景技術】
[0002]激光光譜儀特別地在過程測量技術方面用于光學氣體分析。在此，半導體激光器、例如激光二極管產生通常在(1.d.R.)紅外區域中的光，光被引導通過需要測量的混合氣體(過程氣體)并且隨后探測所述光。所產生的光的強度和波長是注入電流與半導體激光器的運行溫度的非線性函數。根據過程氣體的分別需要測量的氣體成分的特定的吸收譜線來調整光的波長，其中激光器周期性地掃描吸收譜線。為達到該目的，利用優選地是斜坡形或三角形的預設電流-時間-函數來驅控激光器。從在吸收譜線的區域中探測到的吸收度可以確定所關心的氣體成分濃度。
[0003]為提高測量精確度已知的是，利用周期性的、例如頻率f的正弦調制信號來調制電流-時間-函數(Wavelength Modulat1n Spectroscopy (波長-調制光譜)或簡寫WMS),并且在雙倍頻率2f時相位敏感地分析探測器信號(second harmonic detect1n ( 二次諧波探測))。
[0004]基于背景條件的、最重要的是背景溫度的變化，在半導體激光器的溫度測量中的誤差或在半導體激光器的驅控電子元件中的漂移可以這樣顯著改變所產生的光的波長，從而阻礙分析吸收譜線。基于此原因，通常需要波長基準化(也稱為波長穩定)。
[0005]為此可以額外地將其中包括基準氣體的基準容器例如引入光路中，并且測量基準氣體的吸收譜線。通過基準氣體的吸收譜線的位置可以如此調整半導體激光器的溫度，即，使需要測量的氣體成分的吸收譜線總是在電流-時間-函數的確定位置上。此時電流斜坡必須足夠大，以使得半導體激光器的由此得出的調諧范圍既包括需要測量的氣體成分的吸收譜線也包括基準氣體的吸收譜線，或者說，必須具備合適的基準氣體，其吸收譜線以光譜的形式位于需要測量的氣體成分的吸收譜線附近，從而使其對于半導體激光器來說是可以達到的。
[0006]當吸收足夠大的時候，需要測量的氣體成分的吸收譜線自身也可以用于進行波長穩定，這由此來實現，即將吸收譜線與電流-時間-函數相關的實際位置與理論位置相比較，并且將該誤差用于調整半導體激光器的溫度。該方法的劣勢在于，當需要測量的氣體成分濃度低或者其不足的時候不能進行調整。這特別是在這種情況、即其中特定氣體成分不足的應用中被監測到，該情況通常會不存在。半導體激光器的發射波長然后可能會漂移，因此雖然氣體成分存在，但是利用錯誤的波長探測出氣體成分不足(零濃度)。
[0007]同樣已知的是，將激光束分成通過需要測量的混合氣體的測量光束和通過由需要測量的氣體成分或基準氣體填充的基準容器的基準光束，并且隨后將兩個光束分開以用于探測。這具有的優勢是，用于測定波長誤差的、由基準光束產生的探測器信號完全不受需要測量的混合氣體的影響。然而分散激光束需要在光束路徑中附加的光學元件(分光器)，它們會干擾實際的測量光束并影響光譜儀的靈敏性。此外，用于基準光束的附加探測器導致了在設備技術方面花費提高。
[0008]當基準氣體例如有劇毒、腐蝕性、爆炸性時，在使用這些基準氣體的情況下的波長穩定會有問題，并且導致激光光譜儀的運行和運輸受到限制。一種可能性是將代替基準氣體使用標準器(Etalon)用于波長穩定。
[0009]從W02013045278A1中已知了一種標準器的應用，該標準器用于設定或調節激光光譜儀的調諧范圍，也就是電流-時間-函數的振幅或電流斜坡的高度。激光光譜儀必須在其生產時基準波長和調諧范圍進行第一次設定或調節。用于調節調諧范圍的標準器和作用于調節波長并填充有基準氣體的氣體單元依次布置在半導體激光器和探測器之間的光路中。如此選擇標準器的自由光譜范圍，即其通過基準氣體的吸收譜線的寬度被區分開。在調節波長時，將調制信號的調制振幅匹配于基準氣體的吸收譜線的寬度。因此，當標準器的信號部分被強烈抑制時，優化了用于探測該吸收譜線的探測器信號。相反的，為調節調諧范圍而將調制振幅匹配于標準器的自由光譜范圍。由此優化了用于標準器的透射光譜的探測的探測器信號。因為基準氣體的吸收譜線非常寬，因此抑制了其信號部分，并且得到接近無干擾的標準器透射光譜。
【發明內容】
[0010]在此，本發明的目的在于，在激光光譜儀的正常測量運行中利用簡單方法實現波長穩定。
[0011]根據本發明，通過在權利要求1中給出的方法和在權利要求2中定義的激光光譜儀來實現該目的。
[0012]因此激光光譜儀如下地運行或設計用于，
[0013]-將可以調諧波長的半導體激光器的光穿過包含需要測量的氣體成分的混合氣體和標準器結構引導到探測器上，
[0014]-為了在調諧范圍內完全通過氣體成分的特定的吸收譜線調諧半導體激光器的波長，使半導體激光器的注入電流周期性地根據預定的電流-時間-函數變化，
[0015]-利用具有頻率的調制信號并且交替地利用匹配于吸收譜線的半值寬度的第一調制振幅和大了多倍的第二振幅調制電流-時間-函數，并且
[0016]-在頻率的二次諧波中分析由探測器所產生的探測器信號，以便利用在第一調制振幅調制時確定在混合氣體中的需要測量的氣體成分的濃度，并且在利用第二調制振幅調制時使半導體激光器波長穩定，
[0017]-其中，標準器結構或者具有唯一的標準器，其自由光譜范圍大于調諧范圍的一倍并小于兩倍，并且第二調制振幅匹配于標準器結構的自由光譜范圍，或者
[0018]-其中，標準器結構包括至少兩個不同的標準器，它們的自由光譜范圍分別小于調諧范圍，并且在此如下地選擇，即標準器中的每一個的透射函數的振幅在第一調制振幅中至少接近零，所述振幅與調制振幅的相關性近似地遵循二階第一類貝塞爾函數。
[0019]在根據本發明的方法中，因此借助標準器結構和利用第二調制振幅調制的電流-時間-函數進行波長穩定。
[0020]如果標準器結構由一個唯一的標準器構成，因此選擇其自由光譜范圍大于半導體激光器的調諧范圍的一倍且小于兩倍，以便在半導體激光器的調諧中，對于探測器只有標準器的透射光譜的最大值或者最小值是可見的。第二調制振幅匹配于標準器結構的自由光譜范圍，以便當氣體成分的吸收譜線的被探測的信號部分被抑制時，優化了對最大值或者最小值的探測。根據探測到的最大值或者最小值進行波長穩定。相反地，當利用第一調制振幅調制電流-時間-函數時，探測需要測量的氣體成分的吸收譜線。因為第一調制振幅匹配于吸收譜線的半值寬度，并且多倍地小于第二調制振幅，當標準器的信號部分被顯著抑制時，該吸收譜線的探測被優化。
[0021]如果標準器結構包括至少兩個不同標準器，那么它的自由光譜范圍分別小于調諧范圍并且此外如此選擇，即標準器中的每一個的透射函數的振幅在第一調制振幅中至少接近零，該振幅與調制振幅的相關性近似地遵循二階第一類貝塞爾函數。在此當同時抑制標準器的信號部分時也優化了對需要測量的氣體成分的吸收譜線的探測，因為第一調制振幅一方面匹配于吸收譜線的半值寬度，并且另一方面標準器的透射函數在第一調制振幅中具有零點。如果涉及借助標準器結構并且在利用第二調制振幅的調制時的波長穩定，由于標準器的自由光譜范圍小，因此其相應透射光譜的多個周期、即多個最大值和最小值對于探測器是可見的。因為標準器不同，并且如下面進一步所解釋的，所提到的貝塞爾函數的零點位置彼此間不是合理多倍地，所以探測到的標準器結構的透射光譜不是周期性的，該光譜是由各個標準器的透射光譜的重疊得出的。因此在調諧范圍上得出在標準器結構的透射光譜中能明確標識地最大值或者最小值，其不與其他最大值或者最小值相混淆并且隨后用于波長穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]為進一步說明本發明，下面基準示出的附圖；詳細示出:
[0023]圖1是根據本發明的激光光譜儀的實施例，
[0024]圖2是標準器的透射光譜的實例，此時其自由光譜范圍小于激光光譜儀的調諧范圍，
[0025]圖3是標準器的透射光譜的實例，此時其自由光譜范圍大于調諧范圍的一倍且小于兩倍，
[0026]圖4是二階第一類的貝塞爾函數，和
[0027]圖5是由三個標準器構成的標準器結構的透射光譜的實例。
【具體實施方式】
[0028]圖1在示意圖中示出一個激光光譜儀，其用于測量包含在測量容器2中的混合氣體I的至少一個所關心的氣體成分的濃度,混合氣體在此例如流過過程氣體管路。光譜儀包括激光二極管形式的半導體激光器3，它的光4穿過混合氣體I和標準器結構5落到探測器6上。由具有注入電流i的可控電流源7驅控半導體激光器3，其中所產生的光4的強度和波長λ與電流i和半導體激光器3的運行溫度相關。為了均勻改變注入電流i (電流-時間-函數)，第一信號發生器8周期性地利用優選為三角形或者斜坡形的信號9驅控電流源7。第二信號發生器10產生頻率f的正弦形式的調制信號11，在加法器12中利用該調制信號來調制電流-時間-函數9。可以借助于控制裝置13設定調制信號11的振幅。
[0029]因為利用電流-時間-函數9對激光器3進行驅控，因此所產生的光4的波長入(或頻率V)周期性地在調諧范圍內變化，并且在此取決于波長地掃描所關心的氣體成分的所選擇的吸收譜線。在調諧半導體激光器3期間，同時基于調制信號11利用頻率f來調制光4的波長λ。在掃描吸收譜線時，光4的少量部分被吸收譜線吸收。探測器6根據被探測的光強度I產生探測器信號14，它的二次諧波(2f-信號部分)I2f在可選頻率增強器15中加強，并且在隨后的分析裝置16中相位敏感地(lock-1n(鎖定))繼續處理，并且分析對于混合氣體I的所關心的氣體成分濃度所給出的測量結果17。為了優化對吸收譜線的探測，控制裝置13如此設定調制信號11的振幅，即調制振幅、也就是所產生的光4的波長變化量△ λ (或者頻率變化量△ ν)匹配于需要掃描的吸收譜線的寬度、例如半值寬度(Full width at half maximum(全寬度一半的最大值)或FWHM)。因此對于洛倫茲形的吸收譜線的理想情況而言，當調制系數m為mmax = 2.2時(調制系數m是光譜調制振幅Λ λ (或者Λ ν)與被掃描的吸收譜線的半值寬度的比值)，2f-信號部分I2f最大。例如調諧半導體激光器3用于當調制Λ ν = 2時在20GHz的區域上掃描IGHz左右寬的吸收譜線。
[0030]標準器結構5用于產生可探測的基準波長，根據基準波長校準半導體激光器3的波長λ并且使其穩定，這通過借助于溫度調節器18調節半導體激光器的溫度或者設定對于電流i的偏移來實現。在示出的實施例中，標準器結構5由具有兩個平面平行的部分成鏡面的窗19，20的單個標準器構成，光4在這兩個窗之間來回被反射。基于多倍干擾，使所射出的光的強度I隨波長λ的改變而周期性地改變。在此，在周期數是波長λ在半導體激光器3的調諧范圍上變化的量度時，周期長度等于標準器結構5的自由光譜范圍(FreeSpectral Range 或者 FSR)。
[0031]圖2示出對于標準器的透射光譜的實例,此時自由光譜范圍FSR小于調諧范圍。從標準器射出的光4(按隨機單位)的強度I施加在波長λ或者頻率ν的調諧范圍上。作為數字實例，此處使用上文所述20GHz的調諧范圍和2.4GHz的自由光譜范圍。
[0032]可以根據透射光譜的最大值或者最小值實現穩定激光器3的波長λ，但是其中更難通過其周期性探測這樣的最大值或者最小值。另外的問題在于，混合氣體I的所關心的氣體成分的吸收譜線和標準器結構5的透射光譜自身重疊并且因此對于其相應的探測而言相互干擾。
[0033]關于首先提到的問題，相應地選擇第一解決變體，其中標準器結構5的自由光譜范圍FSR大于調諧范圍的一倍且小于兩倍，因此至少一個最大值或者最小值是可見的，但是其不再作為標準器結構5的透射光譜的最大值或者最小值。
[0034]圖3示出對于標準器結構5的透射光譜的實例，其中從上述20GHz的調諧范圍出發，自由光譜范圍為40GHz。標準器結構5的透射函數與調制振幅Λ λ或Λ ν相關，并且遵循在Λ ν/FSR = 0.83，1.34，1.85等時具有零點位置的二階第一類的貝塞爾函數J2 (2 31.Δ ν /FSR)。
[0035]圖4示出這種貝塞爾函數。為了優化對圖3中示出的標準器結構5的透射光譜的最大值的探測，調整裝置13(圖1)如此設定調制信號11的振幅，即調制振幅、也就是所產生的光4的波長變化量Δ λ或頻率變化量Δ ν匹配于標準器5的自由光譜范圍FSR =40GHz。在此處示出的實例中，利用調制Λ ν = 20GHz實現上述過程，以便利用Λ v/FSR=0.5使標準器結構5的透射光譜被探測的最大值的2f-信號部分I2f最大。如根據圖4簡單確定地，在為了探測所關心的氣體成分的吸收譜線使用調制Λ ν = 2GHz時，顯著抑制了標準器5的自由光譜范圍的被探測的2f-信號部分，即標準器5在Λ ν /FSR = 0.05時對于2f-探測來說是盡可能不可視的，并且無干擾地探測吸收譜線。
[0036]在圖1中示出的控制裝置13以此種方式控制調制信號11的振幅，即交替性地利用用于探測所關心的氣體成分的吸收譜線的第一調制振幅Λ ν = 2GHz和利用用于使半導體激光器3波長穩定的第二調制振幅Av= 20GHz調制光4的相應于電流-時間-函數9周期性地調諧的波長。在按照需求或者根據預定數量依次測量吸收譜線后可以首先波長穩定。
[0037]如上面根據圖2所說明的，當自由光譜范圍FSR小于半導體激光器3的調諧范圍時，標準器的透射光譜具有周期性變化曲線。由此使增大了對于波長穩定所必需的最大值或者最小值探測的難度。在對于上面描述的解決方法的一個替代變體中，標準器結構5包括至少兩個不同標準器，它們的自由光譜范圍分別小于調諧范圍并且此外如此選擇，即這些標準器中的每一個的透射函數的振幅在第一調制振幅中至少接近零。當對于調制振幅Δ ν使用0.83倍、1.34倍以及1.85倍的標準器自由光譜范圍時，達到貝塞爾函數J2的三個第一零點位置。從為了探測所關心的氣體成分的吸收譜線的所使用的調制Λ ν =2GHz出發，隨后得出對應一致的自由光譜范圍FSR = 2.4GHz, 1.49GHz以及1.08GHz。由三個具有突出提到的自由光譜范圍的標準器構成的標準器結構5在第一調制振幅Av= 2GHz中對于2f探測是盡可能不可見的，因此盡可能無干擾地探測吸收譜線。
[0038]圖5示出由三個標準器構成的標準器結構5的透射光譜，其中使用第二調制振幅用于波長穩定，例如Λ ν = 15GHz。因為貝塞爾函數J2的零點位置是互相非理性多倍的，由各個標準器的透射光譜重疊所得出的透射光譜不再是周期性地，由此簡化了對于穩定波長所必需的最大值或者最小值的探測。這對于兩個標準器而言已經是這種情況。但是由于制造公差可以有意義的是使用多個數量的標準器也，以便提高所得出的透射光譜的不規則性。存在很多可能性來實現由多個標準器構成的標準器結構。在圖1中示出的標準器5中，兩個窗19，20中的每一個已經分別構成自己的標準器。
[0039]根據本發明的方法以及激光光譜儀中，因此以如所關心的氣體成分的吸收譜線的方式，即按照“二次諧波探測”原理，探測標準器結構的透射光譜。但是在此分別根據標準器結構5或者吸收譜線的光譜寬度調整調制振幅并且進而所產生的光的頻率或者波長的變化量。基于頻率調制或波長調制，所產生的2f探測器信號的電平與調制相對于光譜寬度的比率相關，因此可能的是，根據本發明，包括需要測量的氣體成分的混合氣體和標準器結構一起依次布置在激光光譜儀的光路中，并且通過調制振幅如此控制需要測量的吸收譜線和標準器對調制信號的相應影響，即可將由需要測量的吸收譜線所產生的信號部分與由標準器所產生的信號部分區分開。
【權利要求】
1.一種用于運行激光光譜儀的方法，其中 -將能調諧波長的半導體激光器(3)的光(4)穿過包括需要測量的氣體成分的混合氣體(I)和標準器結構(5)引導到探測器(6)上， -為了在調諧范圍內完全通過所述氣體成分(I)的特定的吸收譜線調諧所述半導體激光器(3)的波長(λ)，使所述半導體激光器(3)的注入電流(i)周期性地根據預定的電流-時間-函數(9)變化， -利用具有頻率(f)的調制信號(11)并且交替地利用匹配于所述吸收譜線的半值寬度的第一調制振幅和大了多倍的第二調制振幅調制所述電流-時間-函數(9)并且 -在所述頻率的二次諧波(2f)中分析由所述探測器(6)所產生的探測器信號(14)，以便在利用所述第一振幅調制時確定在所述混合氣體(I)中的所述需要測量的氣體成分的濃度，并且在利用所述第二調制振幅調制時使所述半導體激光器(3)波長穩定， -其中，所述標準器結構(5)或者具有唯一的標準器，所述標準器的自由光譜范圍(FSR)大于所述調諧范圍的一倍并小于兩倍，并且所述第二調制振幅匹配于所述標準器結構(5)的所述自由光譜范圍(FSR),或者 -其中，所述標準器結構(5)包括至少兩個不同的標準器，這些所述標準器的自由光譜范圍分別小于所述調諧范圍，并且在此如下地選擇，即所述標準器中的每一個的透射函數的振幅在所述第一調制振幅中至少接近零，所述振幅與調制振幅的相關性近似地遵循二階第一類貝塞爾函數。
2.一種激光光譜儀，具有能調諧波長的半導體激光器(3)、用于產生探測器信號(14)的探測器(6)、用于周期性調制所述半導體激光器(3)的注入電流(i)的控制器(7，8，10)和用于分析所述探測器信號(14)的分析器(15，16)的，其中 -包括需要測量的氣體成分的混合氣體(I)和標準器結構(5)位于所述半導體激光器(3)和所述探測器(6)之間的光路中， -所述控制器(7，8，10)設計用于:在調諧范圍內根據預定的電流-時間-函數(9)改變所述注入電流(i)，所述電流-時間-函數附加地利用頻率并且交替地利用兩個不同振幅來調制，并且 -所述分析器(15，16)設計用于:在所述頻率的二次諧波(2f)中分析所述探測器信號(14)，以便在利用所述第一調制振幅調制時確定在所述混合氣體(I)中的所述需要測量的氣體成分的濃度，并且在利用所述第二調制振幅調制時使所述半導體激光器(3)波長穩定， -其中，所述標準器結構(5)或者具有唯一的標準器，所述標準器的自由光譜范圍(FSR)大于所述調諧范圍的一倍且小于兩倍，并且所述第二調制振幅匹配于所述標準器結構(5)的所述自由光譜范圍(FSR),或者 -其中，所述標準器結構(5)包括至少兩個不同標準器，這些所述標準器的自由光譜范圍分別小于調諧范圍并且在此如下地選擇，即所述標準器中的每一個的透射函數的所述振幅在所述第一調制振幅中至少接近零，所述振幅與調制振幅的相關性近似地遵循二階第一類貝塞爾函數。
【文檔編號】G01J3/26GK104181126SQ201410225603
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2013年5月27日
【發明者】丹尼爾·德彭霍伊爾 申請人:西門子公司
專業數控銑床產品供應商
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