(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210673255.9 (22)申请日 2022.06.15 (71)申请人 香港中文大 学深圳研究院 地址 518000 广东省深圳市南 山区粤海街 道粤兴二道10号香港中文 大学深圳研 究院大楼407室 (72)发明人 任伟　胡梦圆　 (74)专利代理 机构 深圳中一联合知识产权代理 有限公司 4 4414 专利代理师 杨博 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装 置及探测方法 (57)摘要 本申请属于半导体红外 色散光谱技术领域， 是涉及基于外差相敏探测的波长调制色散光谱 装置及探测方法， 其中基于外差相敏探测的波长 调制色散光谱装置包括光源模块、 边带激发模 块、 探测模块、 光电信号降频模块和信号解调模 块； 光源模块用于产生预设中心波长的激光， 并 对激光进行波长调制； 边带激发模块被配置为使 激光产生距离预设中心波长预设频率差的两个 光学边带； 探测模块被配置为检测具有两个光学 边带的激光通过待测气体后的透射光 以产生拍 频信号； 光电信号降频模块被配置为采集拍频信 号并进行降频处理； 信号解调模块被配置为解调 被降频后的拍频信号， 并解调出二次谐波信号。 通过波长调制实现对拍频信号相位的调制， 通过 二次解调提高系统信噪比。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115144367 A 2022.10.04 CN 115144367 A 1.一种基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 包括： 光源模块、 边 带激发模块、 探测模块、 光电信号降频模块和信号 解调模块； 所述光源模块用于产生预设中心波长的激光， 并对所述激光进行波长调制； 所述边带激发模块被配置为使所述激光产生距离所述预设中心波长预设频率差的两 个光学边带； 所述探测模块被配置为检测具有两个所述光学边带的所述激光通过待测气体后的透 射光以产生拍频信号； 所述光电信号降频模块被 配置为采集所述拍频信号并进行降频处 理； 所述信号 解调模块被 配置为解调被降频后的所述拍频信号， 并解调出二次谐波信号。 2.根据权利要求1所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所 述光源模块包括： 半导体激光器(4)和波长调制组件； 所述半导体激光器(4)与所述波长调制组件连接， 所述波长调制组件用于使所述半导 体激光器(4)输出 具有所述预设中心波长的所述激光。 3.根据权利要求2所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所 述波长调制组件包括激光控制器(2)和信号发生器(1)； 所述激光控制器(2)用于控制所述 半导体激光器(4)的电流和温度， 以使所述半导体激光器(4)输出具有 所述预设中心波长的 所述激光； 所述信号发生器(1)用于产生高频信号对所述半导体激光器(4)输出的所述激光的所 述预设中心波长进行调制， 以及产生低频信号对所述待测气体的吸 收线进行波长扫描。 4.根据权利要求3所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所 述高频信号 为正弦波电流信号， 所述低频信号 为三角波扫描信号。 5.根据权利要求1所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所 述边带激发模块包括第一射频信号 发生器(9)， 所述第一射频信号 发生器(9)产生的射频信 号输入所述光源模块， 对所述光源模块进行高频强度调制， 以使所述光源模块输出 的所述 激光的所述预设中心波长的两侧产生所述 光学边带。 6.根据权利要求5所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所 述边带激发模块还包括偏置电路， 所述第一射频信号发生器(9)通过所述偏置电路与所述 光源模块连接 。 7.根据权利要求6所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所 述光电信号降频模块包括： 第二射频信号发生器(10)、 第一分束器(11)、 第二分束器(12)、 第一混频器(13)和第二混频器(14)； 所述第一分束器(11)与所述第一射频信号发生器(9)连接， 所述第一射频信号发生器 (9)的射频信号经 过所述第一分束器(1 1)分为第一 射频信号和第二 射频信号； 所述第二分束器(12)与所述第二射频信号发生器(10)连接， 所述第二射频信号发生器 (10)的射频信号经 所述第二分束器(12)分为第三 射频信号和第四射频信号； 其中， 所述第一射频信号与所述第三射频信号进入所述第一混频器(13)进行降频， 所 述探测模块产生的所述拍频信号与所述第四射频信号输入所述第二混频器(14)进行降频； 所述第一 射频信号发生器(9)输入所述 光源模块的射频信号 为所述第二 射频信号。 8.根据权利要求7所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115144367 A 2述信号解调模块包括： 第一锁相放大器(15)、 第二锁相放大器(16)和数据采集 卡(17)； 所述第一混频器(13)输出的电信号作 为第一参考信号， 所述第二混频器(14)输出的电 信号作为第一输入信号， 所述第一参考信号和所述第一输入信号输入所述第一锁相放大器 (15)进行相位 解调； 所述第一锁相放大器(15)输出的相位信号作为第二输入信号， 所述信号发生器(1)输 出的电信号作为第二参考信号， 所述第二参考信号和所述第二输入信号输入所述第二锁相 放大器(16)， 进行二次谐波解调， 解调出的二次谐波信号由所述数据采集卡(17)进行数据 采集。 9.根据权利要求1所述的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置， 其特征在于， 所 述探测模块包括： 耦合透镜(5)、 气室(6)、 汇聚透镜(7)和光电探测器(8)， 所述气室(6)用于 存储所述待测气体， 所述气室(6)设置于所述耦合透镜(5)和汇聚透镜(7)之间， 所述耦合透 镜(5)设置于所述光源模块的出光侧， 所述光电探测器(8)设置于所述汇聚透镜(7)的出光 侧； 具有两个所述光学边带的所述激光经过耦合透镜(5)耦合进入所述气室(6)并出射， 由 所述气室(6)出射的所述透射光经所述汇聚透镜(7)汇聚至所述光电探测器(8)， 并由所述 光电探测器(8)转换为所述拍频信号。 10.一种波长调制色散光谱探测方法， 其特征在于， 应用于如权利要求1至9任一项所述 的基于外差相敏探测的波长调制色散光谱 装置， 包括： 输出预设中心波长的激光， 并对所述激光进行波长调制； 使所述激光产生距离所述预设中心波长预设频率差的两个光学边带； 检测具有两个所述 光学边带的所述激光 通过待测气体后的透射 光以产生拍频信号； 采集所述拍频信号并进行降频处 理； 解调被降频后的所述拍频信号， 并解调出二次谐波信号。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115144367 A 3