一种抑制强干扰的频率锁定反馈相位动态调节方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，更具体地，涉及光学反馈频率锁定谐振腔增强技术中反馈相位的调节方法。

背景技术

不论是在科学研究，食品安全，医学检测，还是在重大安全事故预防等领域，对多组分混合气体进行快速、准确的定性定量分析已经成为一种迫切的需求，如电力变压器故障特征气体检测(H2,CH4,C2H6,C2H4,C2H2,CO,CO2)、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)故障特征气体检测(SOF2,CF4,SO2,H2S,HF,CO)，磷酸铁锂储能电池热失控气体分析(HCl,HF,H2,CO,CO2)，天然气组分在线监测(H2,N2,CO2,H2S,CxHy)，海水溶解气体监测(CO2,CH4,C2H6,C3H8)，食品管理(O2,CO2,C2H4,N2)等。激光光谱法基于激光与气体的相互作用，其中激光吸收光谱法的灵敏度取决于吸收长度，激光拉曼光谱法的灵敏度与激光功率密切相关。为了将这两种光谱法应用于痕量气体的检测，人们利用谐振腔增强技术，当激光频率与谐振腔纵模频率一致时，可以显著提高与气体作用的长度和激光功率，从而提高激光光谱技术的灵敏度。

美国专利US5432610提出了一种将半导体激光器锁到V型谐振腔的方案，从外部光学谐振腔出来的窄线宽光反馈进入激光二极管，在反馈相位合适的情况下，激光二极管发出与外部谐振腔频率一致的激光，但是该系统无法控制反馈相位，导致系统的共振频率随环境的改变而发生缓慢的漂移，系统稳定性难以保证。文献《Optical feedback cavityenhanced absorption spectroscopy with diode lasers》(Gus Hancocket al，Analyst,2009,134,243–249)公开了一种线性谐振腔增强吸收光谱技术，文献《Cavity-enhancedRaman spectroscopy with optical feedback frequency-locking for gassensing》(王品一等，Optics Express.2019.27(23))公开了一种谐振腔增强拉曼光谱技术。上述两篇文献均采用光学反馈的锁频方式，基于腔模透射信号的不对称度来获得反馈相位误差控制信号，最终将半导体激光器的频率锁到外部谐振腔的腔模频率上，显著提升了光谱检测的灵敏度，但是对于恶劣的应用场景，仅仅基于腔模透射信号的不对称度来获得相位误差控制信号的方法很有可能会失效，比如突然的声波或机械振动信号，会使反馈相位产生大幅度的波动，此时的腔模透射信号不对称度无法真实反映反馈相位的偏移量，因此系统无法维持稳定。

因此，研究一种抑制强干扰的频率锁定反馈相位动态调节方法，具有重大价值。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供了一种抑制强干扰的频率锁定反馈相位动态调节方法。该方法同时基于透射腔模信号的幅值和不对称度，具有非常宽的相位调节范围，针对光学反馈频率锁定谐振腔技术中反馈相位大幅度波动导致传统的相位调节算法失效，使激光频率不能有效锁在谐振腔纵模频率的问题，本发明即使在恶劣的环境中仍能实现激光与谐振腔之间的锁定，可以使得光学反馈频率锁定谐振腔增强气体激光光谱检测装置工作在具有较强的机械振动和声波噪声的环境中。

本发明采用如下的技术方案。

光学反馈频率锁定谐振腔增强技术中的误差信号由透射腔模信号的不对称度和幅度峰值共同确定；光学反馈频率锁定谐振腔增强技术中反馈相位的变化范围包括调节陷阱区域、正向调节区域、负向调节区域、调节目标区域。

一种抑制强干扰的频率锁定反馈相位动态调节方法，包括以下步骤：

步骤1，透射的腔膜信号经过去噪平滑、微分、截取、积分或求和处理之后获得腔膜的不对称度；

步骤2，根据不同的不对称度大小，以及腔后透射信号幅度峰值大小的辅助判定，选择反馈相位的不同调节方式。

优选地，步骤1中，截取的是微分后最大值和最小值之间的数据。

优选地，步骤2中，如果反馈相位处于负向调节区域，则高压放大器输出负电压，负向调节反馈相位，直至反馈相位被调节至调节目标区域，此时停止调节反馈相位；

如果反馈相位处于正向调节区域，则高压放大器输出正电压，正向调节反馈相位，直至反馈相位被调节至调节目标区域，此时停止调节反馈相位；

当不对称度处于调节目标区域的不对称度上限与下限之间时，如果腔后透射信号幅度峰值大于门限值，则认为反馈相位已经处于调节目标区域，不再调节反馈相位。如果腔后透射信号幅度峰值小于门限值，则认为反馈相位处于调节陷阱区域。这时正向调节反馈相位，直至反馈相位进入调节目标区域。此时不对称度重新处于调节目标区域的不对称度上限与下限之间。

所述调节目标区域的不对称度下限值为-0.06，上限值为0.06。

所述透射腔模信号的幅度门限值为透射腔模信号幅值全局最大值的25％。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明提供的相位调节方法不受相位波动幅度的约束，在相位波动较大时，仍能获得准确的误差信号。

2、本发明提供的相位调节方法允许光学反馈频率锁定谐振腔增强气体激光光谱检测装置工作在具有较强的机械振动和声波噪声的环境中，能够抑制强干扰，具有良好的现场应用前景。

附图说明

图1为一种光学反馈频率锁定谐振腔技术中反馈相位动态调节的装置结构示意图；

图2为透射腔模信号的不对称度和透射信号最大值随反馈相位L0的变化示意图；

图3为反馈相位调节方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

一种抑制强干扰的频率锁定反馈相位动态调节方法，如图1所示，信号发生器输出调制信号到激光控制器扫描激光控制器的驱动电流，再由激光器控制器驱动半导体激光器输出激光，出射激光通过反馈率控制模块，包括二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片，再通过由粘在压电陶瓷上的反射镜构成的反馈相位调节模块，最后经由两个柱透镜构成的空间耦合模块，最终进入到光学谐振腔，透射光被光电探测器探测，反射光沿原路返回，反射光的相位和强度分别经反馈相位调节模块和反馈率控制模块，最终返回到激光器内部，形成光学反馈。

光电探测器的信号送入数据采集卡中，经LabVIEW去噪、平滑、微分、截取、积分或求和后获得透射腔模信号的不对称度，同时根据透射信号的最大值确定误差信号的大小，最终输出一个误差信号，经由高压放大器模块放大后驱动压电陶瓷，从而调节压电陶瓷伸缩长度，用来调节反馈相位。

信号发生器输出的调制信号为锯齿波，频率为KHz级别。

反馈率控制模块由一个二分之一波片、两个偏振分束棱镜、一个四分之一波片构成，二分之一波片用于旋转激光偏振态，使激光绝大部分透过偏振分束棱镜，四分之一波片用于旋转反馈光偏振态，两个偏振分束棱镜可在非常宽的范围内衰减反馈光。

空间耦合模块中的两个柱透镜用于将半导体激光器发出的圆形光斑变换成与谐振腔基模光斑一样的圆形光斑，减小激光注入谐振腔时的空间耦合损耗。

谐振腔是由两块凹面镜和一块平面镜组成的V型谐振腔，平面镜作为入射腔镜，与入射激光方向存在一定角度，可以有效避免直接反射光的影响，只允许从谐振腔内出来的谐振光返回到激光器。

透射腔模信号的不对称度和透射信号幅度峰值随反馈相位L0的变化曲线如图2所示。在本发明优选但非限制性的实施方式中，L0的变化范围可划分为调节陷阱区域、正向调节区域、负向调节区域、调节目标区域。反馈相位调节方法的目的是使反馈相位一直保持在调节目标区域内，因为在该区域内不对称度接近于0，同时腔后透射信号强度达到全局最大。调节目标区域对应的不对称度的下限值设定为-0.06，上限值为0.06。

本发明提供的反馈相位调节方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤1，透射的腔模信号在经过去噪平滑、微分，截取，积分或求和处理之后获得腔模的不对称度。

步骤1中，截取的是微分后最大值和最小值之间的数据。对所截取的数据积分或求和，积分或求和的结果即为腔模透射信号的不对称度，它的正负反映相位的偏离方向，它的绝对值大小反映相位向某一方向偏离的程度。

步骤2，根据不同的不对称度大小，以及腔后透射信号幅度峰值大小的辅助判定，选择反馈相位L0的不同调节方式：

1.如果不对称度大于调节目标区域的不对称度上限，就认为此时反馈相位L0处于负向调节区域，这时高压放大器输出负电压，负向调节L0，L0逐渐变小。当调节至不对称度处于调节目标区域的不对称度上限与下限之间时，认为L0已经被调节至调节目标区域，此时停止调节L0。

2.当不对称度小于调节目标区域的不对称度下限，就认为此时反馈相位L0处于正向调节区域，这时高压放大器输出正电压，正向调节L0，L0逐渐变大。当调节至不对称度处于调节目标区域的不对称度上限与下限之间时，认为反馈相位已经被调节到了调节目标区域，此时停止调节L0。

3.当不对称度处于调节目标区域的不对称度上限与下限之间时，值得注意的是，此时腔后透射信号幅度峰值可能并不是全局最大值，也有可能处于全局谷值区域。相应的，反馈相位L0可能处于调节目标区域，或者是调节陷阱区域。判定方法为，预设一个门限值，其值为透射腔模信号幅值全局最大值的25％。如果腔后透射信号幅度峰值大于该门限值，则认为L0已经处于调节目标区域，不再调节L0。如果腔后透射信号幅度峰值小于该门限值，则认为L0处于调节陷阱区域。这时正向调节L0，L0的值变大并逐渐进入正向调节区域，此时腔模不对称度会逐渐变得比不对称度下限小。接下来再继续正向调节L0，就可以使不对称度重新处于调节目标区域的不对称度上限与下限之间，此时L0进入调节目标区域。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。