激光吸收光譜實驗用儀器介紹

1、實驗用儀器原理、功能介紹1.光譜儀-高強，甲烷氣體監(jiān)測的可調諧多模二極管激光光譜技術研究.哈工大2009碩士論文作用：把復合光分解為單色光.原理：本實驗采用的是SBP300光柵光譜儀，其光學系統(tǒng)原理圖如2-1所示，由光源發(fā)出的復合光通過入射狹縫投射到準直物鏡上形成平行光束投射到光柵上，經過色散后的光通過聚焦鏡，投射到準直物鏡上，并在出射狹縫處成像。當光柵按順時針方向旋轉時，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，一號光柵刻線數(shù)為1200g

2、/mm,對應波長范圍為200-600nm；二號光柵刻線數(shù)為600g/mm，對應波長范圍為500-1500nm；三號光柵刻線數(shù)為300g/mm，對應波長范圍為800-2500nm。三塊光柵可以自動切換，波長掃描精確可調，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.可調諧二極管激光器-高強，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，價格低廉。由于增益曲線的寬度遠大于各個縱模之間的間隔，所以會出現(xiàn)多個縱模同時純在，隨著電流的調諧，各個模式之間會出現(xiàn)強烈的競爭現(xiàn)象，但各個模式強度之間存在這此消彼長的關系，其總體光強與電流仍然純在著很好的線性關系。而且在一個很小的電流調諧范圍內，各個模式之間的強度基本不變。（2）DFB激光器通過加入光柵對激光連續(xù)反饋，使特定波長的光能夠持續(xù)震蕩輸出，實現(xiàn)特定模式的選取。故具有較好的單色性和相對較高的功率。但由于DFB激光器的制作工藝復雜，成本較高，難于普及使用。（3）ECDL激光器通過

4、外部光柵來實現(xiàn)模式的選取，其特點是具有較大的調諧范圍和較高的輸出功率19，并能消除模跳。但其外部光柵是機械調制，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，并且限制了其調諧速度。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交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應。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，信號處理

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

6、為0。 只有與參考信號頻率完全一致的信號才能在乘法器輸出端得到直流偏量，其他信號在輸出端都是交流信號。如果在乘法器的輸出端加一個低通濾波器，那么所有的交流信號分量全部被濾掉，剩下的直流分量就只是正比于輸入信號中的特定頻率的信號分量的幅值。2    圖2 1Hz和1.1Hz兩正弦信號相乘的結果(4)數(shù)學原理鎖相放大器原理鎖相放大器是以相干檢測技術為基礎，利用參考信號頻率與輸入輸入信號頻率相關，與噪聲信號不相關，從而從較強的噪聲中提取出有用信號，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成原理圖。圖2相敏檢測器原理圖設待測信號，其中為待測信號中的有效信號，n為噪聲。參考信號，則經乘法器的輸出信號為，積分器的輸出信號為：=上式中、分別是待測有效信號與參考信號及參考信號與噪聲之間的相關函數(shù)，對于項，由于噪聲的頻率和相位都是隨機量，可以認為參考信號與噪聲互相獨立，它的相關函數(shù)為零：即經過長時間的積分，項為零，實際上積分時間不可能無限長，也就是說實際計算中不可能為零，它表現(xiàn)為剩余噪聲，但噪聲對測量結果的影響已經大大降低，對于項為

8、：=由上式可知，積分內的兩項是待測有效信號與參考信號的和頻及差頻相關，當時，且噪聲相關函數(shù)為零時，積分器輸出的信號可表示為：式中K為低通濾波器的傳遞系數(shù)，為待測信號與參考信號的相位差，當待測信號與參考信號同頻率時，相敏檢測器輸出的信號與待測有效信號的幅度有關，也與待測信號與參考信號的相位差有關，調整參考信號的相位，當=時，相敏檢測器的輸出信號與待測信號的幅度成正比?？傊?，由于輸入信號中的噪聲與參考信號不相關，經積分器積分后，噪聲得到了很好的抑制，而有效信號得到了放大，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

9、過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。（2）分類A.按所處理的信號：分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。 B.按所通過信號的頻段：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通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。 帶阻濾波器：它抑制一定頻段內的信號，允許該頻段以外的信號通過。 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成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時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(如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構成高階濾波器，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）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）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，光照射到硅光電池上后，轉化成電流，通過測量電流來推算出輸入的光功率。當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，測量結果就可能不準確，因為你只能設定一個輸入波長進行修正。6.光斬波器用來將光源發(fā)出的光輻射擊信號通過電動機調制成交變信號，從而可

12、避免檢測信號時間長而漂移。能對被測光進行調制，同時輸出與調制頻率同步的參考電壓方波，作為鎖定放大器的參考信號。因此，適用于采用鎖定放大器的激光、光學或微波測量系統(tǒng)。弱光測量中的必備儀器。7.信號發(fā)生器信號發(fā)生器是指產生所需參數(shù)的電測試信號的儀器。按信號波形可分為正弦信號、函數(shù)（波形）信號、脈沖信號和隨機信號發(fā)生器等四大類。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。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)信號發(fā)生器。   信號發(fā)生器的振蕩電路也稱為信號發(fā)生器，它用于產生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號。在測試、研究或調整電子電路及設備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設備的激勵信號。當要求進行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出