一种分布反馈式激光器时频响应曲线的确定方法

摘要

本发明公开了一种分布反馈式激光器时频响应曲线的确定方法，相比于现有技术在采用吸收光谱法测量气体浓度时需要预先使用光学干涉仪来获取DFB激光器在扫描电压调制下的时频响应曲线，本发明激光器时频响应曲线的确定方法在不使用干涉仪的条件下，对峰值归一化的吸收线型进行最小二乘拟合，也能够快速准确获得激光器扫描过程的时频响应曲线，并利用该时频响应曲线实现气体浓度的准确测量，从而有效降低了测量成本。

主权项

一种分布反馈式激光器时频响应曲线的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，搭建气体浓度测量系统；步骤2，向气体吸收池内通入一定浓度的待测气体，使用DFB激光器作为光源，调节DFB激光器的工作温度，使加载扫描电压调制后的DFB激光器出射光频率覆盖所需目标气体吸收峰，出射光经准直后穿过气体吸收池并由探测器接收，对测量到的原始信号进行基线拟合，获得时域上的吸光度曲线测量值α_m；步骤3，在设定工作温度条件下，DFB激光器在给定的调制电压范围内时频响应曲线基本保持不变，由经验公式(1)表示：v(t)＝a+b·t+c·t²+d·t³   (1)；式中，v(t)表示激光器出射光在时刻t时的频率；步骤4，不同频率v处的吸光度α(v)用式(2)表示：$\alpha \left(v\right)={\mathrm{A\phi }}_C\left(v\right)=\frac{A}{2\pi }\frac{{\mathrm{\Delta v}}_C}{{(v-v_0)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\Delta v}}_C}{2}\right)}^2}---\left(2\right);$式中，A为待测气体的积分吸光度，v₀为吸收峰的中心频率，Δv_C为碰撞加宽；其中，积分吸光度A用式(3)表示：A＝PXLS(T)   (3)；式中，P为气体压力，X为气体浓度，L为光程长度，S(T)为谱线在温度T下的线强；当v＝v₀时，可得峰值处吸光度α(v₀)＝2A/(π·Δv_C)；此时峰值归一化吸光度α′可表示为：${\alpha }^{\prime }\left(v\right)=\frac{1}{{\left(\frac{v-v_0}{{\mathrm{\Delta v}}_C}\right)}^2+\frac{1}{4}}---\left(4\right);$对于混合气体，吸收线型的碰撞加宽Δv_C由式(5)计算得到：${\mathrm{\Delta v}}_C=P\underset{j}{\Sigma }{X}_{j}2{\gamma }_j---\left(5\right);$式中，X_j为组分j的浓度，2γ_j为组分j的碰撞加宽系数；步骤5，将式(1)代入式(4)，可得：${\alpha }^{\prime }\left(v\right(t\left)\right)=\frac{1}{{\left(\frac{v\left(t\right)-v_0}{{\mathrm{\Delta v}}_C}\right)}^2+\frac{1}{4}}=\frac{1}{{\left(\frac{a+b·t+c·t^2+d·t^3-v_0}{{\mathrm{\Delta v}}_C}\right)}^2+\frac{1}{4}}---\left(6\right);$对测量得到的低浓度气体的吸光度曲线α_m进行峰值归一化处理，得到时域上的测量值α’_m，设置目标函数：$OBJ=\left|\right|\frac{{\alpha }^{\prime }\left(v\right(t\left)\right)-{{\alpha }^{\prime }}_m}{{\alpha }^{\prime }\left(v\right(t\left)\right)}|{|}_2---\left(7\right);$利用最小二乘算法拟合多项式系数a、b、c、d，当OBJ＜ε时，ε取10^‑5，即可获得激光器在该扫描电压下的时频响应曲线。