激光吸收光谱实验用仪器介绍.doc

实验用仪器原理、功能介绍1.光谱仪-高强，甲烷气体监测的可调谐多模二极管激光光谱技术研究.哈工大2009硕士论文作用：把复合光分解为单色光.原理：本实验采用的是SBP300光栅光谱仪，其光学系统原理图如2-1所示，由光源发出的复合光通过入射狭缝投射到准直物镜上形成平行光束投射到光栅上，经过色散后的光通过聚焦镜，投射到准直物镜上，并在出射狭缝处成像。当光栅按顺时针方向旋转时，可以在出射狭缝处得到按波长顺序排列的光谱。把出射狭缝开启一定的宽度，此时通过出射狭缝的光束只是宽度很小的一束单色光。这是光谱仪能把复合光分解为单色光的简单原理。SBP300光栅光谱仪是三光栅光谱仪，一号光栅刻线数为1200g/mm,对应波长范围为200-600nm；二号光栅刻线数为600g/mm，对应波长范围为500-1500nm；三号光栅刻线数为300g/mm，对应波长范围为800-2500nm。三块光栅可以自动切换，波长扫描精确可调，最小步距为0.005nm。狭缝越小分辨率越高，最小分辨率小于1nm。2.可调谐二极管激光器-高强，哈工大2009硕士论文TDL按制造工艺可以分为Fabry-Perot（FP）激光器、分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）、外腔二极管激光器（External Cavity DiodeLaser，ECDL）、垂直表面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）等。（1）FP激光器工艺简单且成熟，价格低廉。由于增益曲线的宽度远大于各个纵模之间的间隔，所以会出现多个纵模同时纯在，随着电流的调谐，各个模式之间会出现强烈的竞争现象，但各个模式强度之间存在这此消彼长的关系，其总体光强与电流仍然纯在着很好的线性关系。而且在一个很小的电流调谐范围内，各个模式之间的强度基本不变。（2）DFB激光器通过加入光栅对激光连续反馈，使特定波长的光能够持续震荡输出，实现特定模式的选取。故具有较好的单色性和相对较高的功率。但由于DFB激光器的制作工艺复杂，成本较高，难于普及使用。（3）ECDL激光器通过外部光栅来实现模式的选取，其特点是具有较大的调谐范围和较高的输出功率19，并能消除模跳。但其外部光栅是机械调制，导致系统稳定性较差，并且限制了其调谐速度。较高的成本仍是限制其广泛使用的主要原因。（4）VCSEL激光器由于增益曲线小于纵模间隔，故有天然单模输出的特性，并且具有较好的边模抑制，但在1.3-1.5m处输出功率较小20。3.锁相放大器-百度搜索，百度文库（1）功能锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。（2）基本结构输入待测信号，经放大和带通滤波后与参考信号共同输入混频器得到的结果再通过低通滤波器滤波后输出。（3）原理锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值。而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。两个正弦信号，频率都为1Hz，有90度相位差，用乘法器相乘得到的结果是一个有直流偏量的正弦信号。 图1 两个1Hz正弦信号相乘的结果如果是一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是轮廓为正弦的调制信号，直流偏量为0。 只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号。如果在乘法器的输出端加一个低通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。2 图2 1Hz和1.1Hz两正弦信号相乘的结果(4)数学原理锁相放大器原理锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高，而它的核心部件为相敏检测器（phase sensitive detector，简称PSD，又称相关器），图1所示为锁相放大器的原理框图。图1锁相放大器原理图相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积分器通常由低通滤波器组成，图2给出相敏检测器的构成原理图。图2相敏检测器原理图设待测信号，其中为待测信号中的有效信号，n为噪声。参考信号，则经乘法器的输出信号为，积分器的输出信号为：=上式中、分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函数，对于项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参考信号与噪声互相独立，它的相关函数为零：即经过长时间的积分，项为零，实际上积分时间不可能无限长，也就是说实际计算中不可能为零，它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大降低，对于项为：=由上式可知，积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频及差频相关，当时，且噪声相关函数为零时，积分器输出的信号可表示为：式中K为低通滤波器的传递系数，为待测信号与参考信号的相位差，当待测信号与参考信号同频率时，相敏检测器输出的信号与待测有效信号的幅度有关，也与待测信号与参考信号的相位差有关，调整参考信号的相位，当=时，相敏检测器的输出信号与待测信号的幅度成正比。总之，由于输入信号中的噪声与参考信号不相关，经积分器积分后，噪声得到了很好的抑制，而有效信号得到了放大，从而提高了测量的精度和信噪比。4.滤波器-百度搜索（1）定义滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。（2）分类A.按所处理的信号：分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 B.按所通过信号的频段：分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 C.按所采用的元器件：分为无源和有源滤波器两种。 a.无源滤波器： 仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 b.有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 D根据滤波器的安放位置：一般分为板上滤波器和面板滤波器。5.探测器-百度知道 简单来说就是光电效应，光照射到硅光电池上后，转化成电流，通过测量电流来推算出输入的光功率。当然不同波长的光即使功率相同，输出的电流也不一样，所以需要根据不同波长进行折算。此外，硅光电池不能把不同波长的功率分开，所以如果探测的是具有较大带宽的信号，测量结果就可能不准确，因为你只能设定一个输入波长进行修正。6.光斩波器用来将光源发出的光辐射击信号通过电动机调制成交变信号，从而可避免检测信号时间长而漂移。能对被测光进行调制，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁定放大器的参考信号。因此，适用于采用锁定放大器的激光、光学或微波测量系统。弱光测量中的必备仪器。7.信号发生器信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。 信号发生器的振荡电路也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。 信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。8.FP型二极管激光器9.光分束器 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）