激光吸收光譜實(shí)驗(yàn)用儀器介紹

1、實(shí)驗(yàn)用儀器原理、功能介紹1.光譜儀-高強(qiáng)，甲烷氣體監(jiān)測的可調(diào)諧多模二極管激光光譜技術(shù)研究.哈工大2009碩士論文作用：把復(fù)合光分解為單色光.原理：本實(shí)驗(yàn)采用的是SBP300光柵光譜儀，其光學(xué)系統(tǒng)原理圖如2-1所示，由光源發(fā)出的復(fù)合光通過入射狹縫投射到準(zhǔn)直物鏡上形成平行光束投射到光柵上，經(jīng)過色散后的光通過聚焦鏡，投射到準(zhǔn)直物鏡上，并在出射狹縫處成像。當(dāng)光柵按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以在出射狹縫處得到按波長順序排列的光譜。把出射狹縫開啟一定的寬度，此時(shí)通過出射狹縫的光束只是寬度很小的一束單色光。這是光譜儀能把復(fù)合光分解為單色光的簡單原理。SBP300光柵光譜儀是三光柵光譜儀，一號(hào)光柵刻線數(shù)為1200g

2、/mm,對(duì)應(yīng)波長范圍為200-600nm；二號(hào)光柵刻線數(shù)為600g/mm，對(duì)應(yīng)波長范圍為500-1500nm；三號(hào)光柵刻線數(shù)為300g/mm，對(duì)應(yīng)波長范圍為800-2500nm。三塊光柵可以自動(dòng)切換，波長掃描精確可調(diào)，最小步距為0.005nm。狹縫越小分辨率越高，最小分辨率小于1nm。2.可調(diào)諧二極管激光器-高強(qiáng)，哈工大2009碩士論文TDL按制造工藝可以分為Fabry-Perot（FP）激光器、分布反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）、外腔二極管激光器（External Cavity DiodeLaser，ECDL）、垂直表面發(fā)射激光器（Vertical

3、 Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）等。（1）FP激光器工藝簡單且成熟，價(jià)格低廉。由于增益曲線的寬度遠(yuǎn)大于各個(gè)縱模之間的間隔，所以會(huì)出現(xiàn)多個(gè)縱模同時(shí)純在，隨著電流的調(diào)諧，各個(gè)模式之間會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的競爭現(xiàn)象，但各個(gè)模式強(qiáng)度之間存在這此消彼長的關(guān)系，其總體光強(qiáng)與電流仍然純在著很好的線性關(guān)系。而且在一個(gè)很小的電流調(diào)諧范圍內(nèi)，各個(gè)模式之間的強(qiáng)度基本不變。（2）DFB激光器通過加入光柵對(duì)激光連續(xù)反饋，使特定波長的光能夠持續(xù)震蕩輸出，實(shí)現(xiàn)特定模式的選取。故具有較好的單色性和相對(duì)較高的功率。但由于DFB激光器的制作工藝復(fù)雜，成本較高，難于普及使用。（3）ECDL激光器通過

4、外部光柵來實(shí)現(xiàn)模式的選取，其特點(diǎn)是具有較大的調(diào)諧范圍和較高的輸出功率19，并能消除模跳。但其外部光柵是機(jī)械調(diào)制，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，并且限制了其調(diào)諧速度。較高的成本仍是限制其廣泛使用的主要原因。（4）VCSEL激光器由于增益曲線小于縱模間隔，故有天然單模輸出的特性，m處輸出功率較小20。3.鎖相放大器-百度搜索，百度文庫（1）功能鎖相放大器是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應(yīng)。因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號(hào)處理

5、比較簡單，是弱光信號(hào)檢測的一種有效方法。（2）基本結(jié)構(gòu)輸入待測信號(hào)，經(jīng)放大和帶通濾波后與參考信號(hào)共同輸入混頻器得到的結(jié)果再通過低通濾波器濾波后輸出。（3）原理鎖相放大器實(shí)際上是一個(gè)模擬的傅立葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個(gè)直流電壓，正比于是輸入信號(hào)中某一特定頻率（參數(shù)輸入頻率）的信號(hào)幅值。而輸入信號(hào)中的其他頻率成分將不能對(duì)輸出電壓構(gòu)成任何貢獻(xiàn)。兩個(gè)正弦信號(hào)，頻率都為1Hz，有90度相位差，用乘法器相乘得到的結(jié)果是一個(gè)有直流偏量的正弦信號(hào)。   圖1 兩個(gè)1Hz正弦信號(hào)相乘的結(jié)果如果是一個(gè)1Hz和一個(gè)1.1Hz的信號(hào)相乘，用乘法器相乘得到的結(jié)果是輪廓為正弦的調(diào)制信號(hào)，直流偏量

6、為0。 只有與參考信號(hào)頻率完全一致的信號(hào)才能在乘法器輸出端得到直流偏量，其他信號(hào)在輸出端都是交流信號(hào)。如果在乘法器的輸出端加一個(gè)低通濾波器，那么所有的交流信號(hào)分量全部被濾掉，剩下的直流分量就只是正比于輸入信號(hào)中的特定頻率的信號(hào)分量的幅值。2    圖2 1Hz和1.1Hz兩正弦信號(hào)相乘的結(jié)果(4)數(shù)學(xué)原理鎖相放大器原理鎖相放大器是以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，利用參考信號(hào)頻率與輸入輸入信號(hào)頻率相關(guān)，與噪聲信號(hào)不相關(guān)，從而從較強(qiáng)的噪聲中提取出有用信號(hào)，使得測量精度大大提高，而它的核心部件為相敏檢測器（phase sensitive detector，簡稱PSD，又稱相關(guān)器），圖1所示

7、為鎖相放大器的原理框圖。圖1鎖相放大器原理圖相敏檢測器是由乘法器和積分器組成，其中乘法器一般采用開關(guān)乘法器，積分器通常由低通濾波器組成，圖2給出相敏檢測器的構(gòu)成原理圖。圖2相敏檢測器原理圖設(shè)待測信號(hào)，其中為待測信號(hào)中的有效信號(hào)，n為噪聲。參考信號(hào)，則經(jīng)乘法器的輸出信號(hào)為，積分器的輸出信號(hào)為：=上式中、分別是待測有效信號(hào)與參考信號(hào)及參考信號(hào)與噪聲之間的相關(guān)函數(shù)，對(duì)于項(xiàng)，由于噪聲的頻率和相位都是隨機(jī)量，可以認(rèn)為參考信號(hào)與噪聲互相獨(dú)立，它的相關(guān)函數(shù)為零：即經(jīng)過長時(shí)間的積分，項(xiàng)為零，實(shí)際上積分時(shí)間不可能無限長，也就是說實(shí)際計(jì)算中不可能為零，它表現(xiàn)為剩余噪聲，但噪聲對(duì)測量結(jié)果的影響已經(jīng)大大降低，對(duì)于項(xiàng)為

8、：=由上式可知，積分內(nèi)的兩項(xiàng)是待測有效信號(hào)與參考信號(hào)的和頻及差頻相關(guān)，當(dāng)時(shí)，且噪聲相關(guān)函數(shù)為零時(shí)，積分器輸出的信號(hào)可表示為：式中K為低通濾波器的傳遞系數(shù)，為待測信號(hào)與參考信號(hào)的相位差，當(dāng)待測信號(hào)與參考信號(hào)同頻率時(shí)，相敏檢測器輸出的信號(hào)與待測有效信號(hào)的幅度有關(guān)，也與待測信號(hào)與參考信號(hào)的相位差有關(guān)，調(diào)整參考信號(hào)的相位，當(dāng)=時(shí)，相敏檢測器的輸出信號(hào)與待測信號(hào)的幅度成正比?？傊?，由于輸入信號(hào)中的噪聲與參考信號(hào)不相關(guān)，經(jīng)積分器積分后，噪聲得到了很好的抑制，而有效信號(hào)得到了放大，從而提高了測量的精度和信噪比。4.濾波器-百度搜索（1）定義濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)

9、過過濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。（2）分類A.按所處理的信號(hào)：分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。 B.按所通過信號(hào)的頻段：分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。 低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。 高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。 帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。 帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。 C.按所采用的元器件：分為無源和有源濾波器兩種。 a.

10、無源濾波器： 僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 b.有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電

11、感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。 D根據(jù)濾波器的安放位置：一般分為板上濾波器和面板濾波器。5.探測器-百度知道 簡單來說就是光電效應(yīng)，光照射到硅光電池上后，轉(zhuǎn)化成電流，通過測量電流來推算出輸入的光功率。當(dāng)然不同波長的光即使功率相同，輸出的電流也不一樣，所以需要根據(jù)不同波長進(jìn)行折算。此外，硅光電池不能把不同波長的功率分開，所以如果探測的是具有較大帶寬的信號(hào)，測量結(jié)果就可能不準(zhǔn)確，因?yàn)槟阒荒茉O(shè)定一個(gè)輸入波長進(jìn)行修正。6.光斬波器用來將光源發(fā)出的光輻射擊信號(hào)通過電動(dòng)機(jī)調(diào)制成交變信號(hào)，從而可

12、避免檢測信號(hào)時(shí)間長而漂移。能對(duì)被測光進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)輸出與調(diào)制頻率同步的參考電壓方波，作為鎖定放大器的參考信號(hào)。因此，適用于采用鎖定放大器的激光、光學(xué)或微波測量系統(tǒng)。弱光測量中的必備儀器。7.信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號(hào)的儀器。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。   信號(hào)發(fā)生器的振蕩電路也稱為信號(hào)發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號(hào)。在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時(shí)，需使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源。當(dāng)測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號(hào)源輸出