CN112285094A - 一种基于线宽调节的cars光谱检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，包括依次成光路连接的窄线宽种子源激光器（1），激光线宽调节装置，该激光线宽调节装置包括白噪声发生源（13）、可调微波衰减器（14）、RF放大器（15）和电光调制器（2），泵浦光路，耦合光路和增益光路，以及探测光路，该探测光路包括聚焦透镜（10）、测量池（11）以及CARS光探测器（12）。本发明的基于线宽调节的CARS光谱检测系统，利用激光线宽调节装置调节种子激光的线宽以及改变增益光纤长度的方法调节光纤中产生的后向SBS和SRS强度比，使其满足CARS光谱测量装置所需的最佳泵浦光及斯托克斯光强度比，光束质量好更有利于提高CARS光谱探测的空间分辨率，具有免调光路、稳定可靠等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光光谱领域应用领域，更具体地，涉及一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统及方法，用于实现免调光路的紧凑型CARS光谱仪。
背景技术
CARS光谱技术是一种非线性激光光谱技术，利用分子的拉曼活性获取气态、液态和固态中分子的光谱信号。CARS信号光位于泵浦光的短波方向，可以避免荧光干扰；方向性好，便于收集；而且信号强度大，便于探测痕量物种；因此CARS光谱法在生物成像、温度场测量和物种探测方面都有广泛应用。
但目前的CARS光谱技术多采用两束或多束激光光源，其中一束激光作为泵浦光，另一束激光（一般由染料激光器或者OPO产生）作为斯托克斯光，依据情况不同可能再采用一束激光作为探测光（或者泵浦光同时作为探测光），因此需要至少两台激光器或者至少一台激光器和一台OPO提供输入激光，还无法做到小型便携式。一台能同时产生泵浦光和斯托克斯光的激光光源将极大缩减CARS光谱仪的尺寸，与此同时，以光纤激光器作为光源，CARS光谱仪的稳定性将提高，且成本会降低，便于推动CARS光谱仪的市场化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统及方法，通过激光线宽调节装置调节种子激光的线宽以改变光纤中产生的后向SBS和SRS强度比，使其满足CARS光谱测量装置所需的最佳泵浦光及斯托克斯光强度比，实现免调光路的紧凑型CARS光谱仪，具有免调光路、成本低廉、稳定可靠等优点。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，包括依次成光路连接的窄线宽种子源激光器（1），用于产生窄线宽激光作为种子激光；
激光线宽调节装置，该激光线宽调节装置包括白噪声发生源（13）、可调微波衰减器（14）、RF放大器（15）和电光调制器（2），白噪声发生源（13）用于作为信号源发射随机电信号，经过可调微波衰减器（14）进行电压精细调节，通过所述RF放大器（15）进行射频放大，放大后的噪声信号通过所述电光调制器（2）产生附加光载波，该光载波与窄线宽种子源激光器（1）产生的种子激光相互作用，可以调节所述种子激光的线宽，从而调节后向SBS和SRS强度比；
泵浦光路，用于产生泵浦激光；
耦合光路和增益光路，用于将所述种子激光和泵浦激光通过耦合光路进行耦合，并进入增益光路进行增益；
以及探测光路，该探测光路包括聚焦透镜（10）、测量池（11）以及CARS光探测器（12），增益产生的后向激光（9）经过聚焦透镜（10）后在测量池（11）中聚焦，产生的CARS信号由CARS光探测器（12）接收，于测量池（11）中装入待测物种，所述CARS光探测器（12）采集的CARS光信号的波长即可定性检测待测物种。
进一步地，所述激光线宽调节装置为白噪声信号调制器、伪随机编码信号相位调制器或正弦信号相位调制器。
进一步地，所述探测光路包括环形器（5），该环形器（5）和聚焦透镜（10）中间设有一段光子晶体光纤（16）。
进一步地，所述耦合光路包括抽运合束器（4），泵浦激光经过该抽运合束器（4）与种子激光耦合进入所述环形器（5）。
进一步地，所述探测光路包括光束截止器（7），增益产生的前向激光（8）被该光束截止器（7）收集。
进一步地，所述测量池（11）的入射窗口片为长波通滤波片，用于滤除比SBS光波长更短的光，出射窗口片为短波通滤波片，用于滤除SBS光及SRS光。
按照本发明的另一个方面，提供一种基于线宽调节的CARS光谱检测方法，包括如下步骤：
S100：产生窄线宽激光；
S200：调节所述窄线宽激光的线宽，从而调节其SBS和SRS的强度比，获得线宽适合的种子激光；
S300：将所述种子激光和泵浦激光进行耦合，并进行增益；
S400：将增益后的激光分为前向激光和后向激光，所述前向激光被光束截止器收集，所述后向激光包括SBS和SRS分别作为CARS光谱仪的泵浦光和斯托克斯光，经过聚焦透镜后在测量池中聚焦，产生的CARS信号由CARS光探测器接收；
S500：于测量池中装入待测物种，CARS光探测器采集的CARS光信号的波长即可定性检测待测物种。
进一步地，S100包括如下步骤：
S101：调节放大器的电压，得到一定线宽的种子激光；
S102：调节可调微波衰减器控制电压，改变其衰减比例，调节种子激光的线宽，从而影响后向SBS和SRS强度比。
进一步地，S300中，采用环形器使种子激光和泵浦激光变为圆偏振光，而后向激光再次通过环形器后变为线偏振光，其偏振方向与进入环形器前的种子激光的偏振方向垂直，从环形器的另一出口出射。
进一步地，S400中，增益光纤的拉曼增益谱范围很宽，若托克斯光光谱范围不能覆盖被测组分斯托克斯光特征光谱线，在环形器和聚焦透镜中间加入一段光子晶体光纤，用于产生线宽更宽的超连续白光，以此拓宽所述的紧凑式CARS光谱仪光源装置及检测系统测量物种的范围。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的基于线宽调节的CARS光谱检测系统，利用激光线宽调节装置调节种子激光的线宽以及改变增益光纤长度的方法调节光纤中产生的后向SBS和SRS强度比，使其满足CARS光谱测量装置所需的最佳泵浦光及斯托克斯光强度比，由于后向SBS和SRS满足相位共轭条件，因此光束质量好更有利于提高CARS光谱探测的空间分辨率。同时，后向SBS和SRS自动满足共线条件，和普通共线CARS光谱装置相比，免除了调节泵浦光和斯托克斯光合束的步骤，且这种共线不随时间推移、位置移动而改变，在复杂振动环境中也有明显的优势。
2.本发明的基于线宽调节的CARS光谱检测系统，所述窄线宽激光,经过所述激光线宽调节装置后线宽变宽，通过所述调节可调微波衰减器控制电压，改变其衰减比例，可以调节种子激光的线宽，从而影响后向SBS和SRS强度比。
3.本发明的基于线宽调节的CARS光谱检测系统，对于共线CARS装置来说，不用调节泵浦光与斯托克斯光合束，与现有技术相比，本发明结构紧凑，成本低廉，稳定性高并且避免了调节光路的繁琐工作。
4.本发明的基于线宽调节的CARS光谱检测系统，环形器和聚焦透镜中间加入一段光子晶体光纤，产生线宽更宽的超连续白光，以此拓宽所述的紧凑式CARS光谱仪光源装置及检测系统测量物种的范围。
附图说明
图1为本发明实施例一基于线宽调节的CARS光谱检测系统的原理图；
图2为本发明实施例二基于线宽调节的CARS光谱检测系统的原理图；
图3为本发明实施例三基于线宽调节的CARS光谱检测系统的原理图；
图4为本发明实施例一种紧凑式CARS光谱仪光源检测方法流程图；
图5为本发明实施例中调节SBS和SRS强度比的流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-窄线宽种子源激光器、2-电光调制器、3-激光二极管、4-抽运合束器、5-环形器、6-增益光纤、7-光束截止器、8-前向激光、9-后向激光、10-聚焦透镜、11-测量池、12-CARS光探测器、13-白噪声发生源、14-可调微波衰减器、15-RF放大器、16-光子晶体光纤。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，该系统包括依次成光路连接的窄线宽种子源激光器1、激光线宽调节装置、耦合光路、泵浦光路、增益光路以及探测光路。所述窄线宽种子源激光器1产生的窄线宽激光作为种子激光，经过该激光线宽调节装置后线宽变宽，影响后向SBS（受激布里渊散射，在光散射过程中，一束频率为
的光波通过业态、气态或固态介质时，若其散射光谱中存在相对入射光有一定频移的成分
，非弹性散射的频移量 
与晶体介质中晶格振动声子的频率相对应，）和SRS（受激拉曼散射，在光散射过程中，一束频率为
的光波通过业态、气态或固态介质时，若其散射光谱中存在相对入射光有一定频移的成分
，非弹性散射的频移量
与分子的某些特定转动-振动（或纯转动）能级跃迁频率相对应）强度比。所述泵浦光路输出的泵浦光经过耦合光路与所述种子激光耦合进入增益光路，增益产生的前向激光8被光束截止器7收集，产生的后向激光9包括SBS和SRS分别作为CARS光谱仪的泵浦光和斯托克斯光，并且强度比可调。所述探测光路包括聚焦透镜10、测量池11以及CARS光探测器12，后向激光9经过聚焦透镜10后在测量池11中聚焦，产生的CARS信号由CARS光探测器12接收，于测量池11中装入待测物种，CARS光探测器12采集的CARS光信号的波长即可定性检测待测物种。本发明的CARS光谱仪光源装置及检测系统，利用激光线宽调节装置调节种子激光的线宽以及改变增益光纤长度的方法调节光纤中产生的后向SBS和SRS强度比，使其满足CARS光谱测量装置所需的最佳泵浦光及斯托克斯光强度比。由于后向SBS和SRS满足相位共轭条件并且自动满足共线条件，因此光束质量好更有利于提高CARS光谱探测的空间分辨率，而且对于共线CARS装置来说，不用调节泵浦光与斯托克斯光合束，与现有技术相比，本发明结构紧凑，成本低廉，稳定性高并且避免了调节光路的繁琐工作。
优选地，所述的窄线宽种子源激光器1的线宽小于10 MHz。
实施例2
如图2所示，本发明另一个实施例与实施结构原理类似，其详细设计了激光线宽调节装置，所述激光线宽调节装置包括白噪声发生源13、RF放大器15、可调微波衰减器14和电光调制器2。其中，白噪声发生源13用于作为信号源发射随机电信号，经过可调微波衰减器14进行电压精细调节，通过所述RF放大器15进行射频放大，放大后的噪声信号通过所述电光调制器2产生附加光载波，该光载波与窄线宽种子源激光器1产生的种子激光相互作用，可以调节种子激光的线宽，从而影响后向SBS和SRS强度比。优选地，所述电压为32 V，可以得到线宽为5 GHz的种子激光。优选地，所述窄线宽激光的中心波长为900 nm ～1200 nm ，优选为1030 nm，线宽小于10 MHz，其经过所述激光线宽调节装置后线宽变宽，通过所述调节可调微波衰减器14控制电压，改变其衰减比例，可以调节种子激光的线宽，从而影响后向SBS和SRS强度比。此外，本发明实施例中采用白噪声相位调制法调节窄线宽激光器1输出种子激光的线宽，从而调节SBS和SRS的强度比，但实际并限不限定与此方法，还可以采用诸如调节增益光纤长度、通过正弦相位调制、伪随机编码相位调制等方法调节线宽，具体可根据实际需求采用不同的方法。
优选地，激光线宽调节装置为白噪声信号调制器、伪随机编码信号相位调制器或正弦信号相位调制器。
此外，如图1所述，在本发明的一个实施例中所述泵浦光路包括激光二极管3，该激光二极管3输出的泵浦激光中心波长为975nm。所述耦合光路包括抽运合束器4，所述增益光路包括增益光纤6。泵浦激光经过抽运合束器4与种子激光耦合进入环形器5，然后进入增益光纤6。优选地，增益光纤6采用掺镱双包层光纤，增益光纤中产生的前向激光8被光束截止器7收集，产生的后向激光9包括SBS和SRS分别作为CARS光谱仪的泵浦光和斯托克斯光，并且可以通过激光线宽调节装置调节其强度比，于测量池11中装入待测物种，后向激光9经过聚焦透镜10后在测量池11中聚焦，产生的CARS信号由CARS光探测器12接收，CARS光探测器12采集的CARS光信号的波长即可定性检测待测物种。本发明的CARS光谱仪光源装置及检测系统，利用激光线宽调节装置调节种子激光的线宽以及改变增益光纤长度的方法调节光纤中产生的后向SBS和SRS强度比，使其满足CARS光谱测量装置所需的最佳泵浦光及斯托克斯光强度比，由于后向SBS和SRS满足相位共轭条件并且自动满足共线条件，因此光束质量好更有利于提高CARS光谱探测的空间分辨率。
优选地，采用环形器5使种子激光和泵浦激光变为圆偏振光，而后向激光9再次通过环形器5后变为线偏振光，其偏振方向与进入环形器5前的种子激光的偏振方向垂直，从环形器5的另一出口出射。
优选地，测量池11的入射窗口片为长波通滤波片，滤除比SBS光波长更短的光，避免短波长光干扰CARS信号的测量；出射窗口片为短波通滤波片，滤除SBS光及SRS光。
实施例3
如图3所示，在本发明的一个实施例中，增益光纤6的拉曼增益谱范围很宽，若托克斯光光谱范围不能覆盖被测组分斯托克斯光特征光谱线，在环形器5和聚焦透镜10中间可以加入一段光子晶体光纤16，用于产生线宽更宽的超连续白光，以此拓宽所述的紧凑式CARS光谱仪光源装置及检测系统测量物种的范围。
该实施例表明，本发明具有体积小巧，成本低廉，能够获得共线免调节且光束质量高的CARS光谱仪光源，系统稳定可靠等优点。
如图4所示，本发明另一个实施例提供一种基于线宽调节的CARS光谱检测方法，包括如下步骤：
S100：窄线宽种子源激光器产生窄线宽激光，优选地，所述窄线宽激光的中心波长1030nm，线宽小于10 MHz；
S200：通过激光线宽调节装置调节所述窄线宽激光的线宽，从而调节其SBS和SRS的强度比，获得线宽适合的种子激光，优选地，线宽为5 GHz的种子激光，同时，利用泵浦光路产生泵浦激光；
S300：将所述种子激光和泵浦激光通过耦合光路进行耦合，并进入增益光路进行增益；
S400：通过环形器将增益后的激光分为前向激光和后向激光，所述前向激光被光束截止器收集，所述后向激光包括SBS和SRS分别作为CARS光谱仪的泵浦光和斯托克斯光，经过聚焦透镜后在测量池中聚焦，产生的CARS信号由CARS光探测器接收；
S500：于测量池中装入待测物种，CARS光探测器采集的CARS光信号的波长即可定性检测待测物种。
此外，如图5所示，本发明的实施例中，对于SBS和SRS的强度比调节，具体包括如图步骤：
S101：调节放大器的电压，如为32V，可以得到一定线宽的种子激光，如为5 GHz的种子激光；
S102：通过所述调节可调微波衰减器控制电压，改变其衰减比例，可以调节种子激光的线宽，从而影响后向SBS和SRS强度比。
本发明的CARS光谱仪光源装置及检测方法，调节种子激光的线宽以及改变增益光纤长度的方法调节光纤中产生的后向SBS和SRS强度比，使其满足CARS光谱测量装置所需的最佳泵浦光及斯托克斯光强度比，由于后向SBS和SRS满足相位共轭条件并且自动满足共线条件，因此光束质量好更有利于提高CARS光谱探测的空间分辨率，具有免调光路、成本低廉、稳定可靠等优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，其特征在于，包括依次成光路连接的窄线宽种子源激光器（1），用于产生窄线宽激光作为种子激光；
激光线宽调节装置，该激光线宽调节装置包括白噪声发生源（13）、可调微波衰减器（14）、RF放大器（15）和电光调制器（2），白噪声发生源（13）用于作为信号源发射随机电信号，经过可调微波衰减器（14）进行电压精细调节，通过所述RF放大器（15）进行射频放大，放大后的噪声信号通过所述电光调制器（2）产生附加光载波，该光载波与窄线宽种子源激光器（1）产生的种子激光相互作用，可以调节所述种子激光的线宽，从而调节后向SBS和SRS强度比；
泵浦光路，用于产生泵浦激光；
耦合光路和增益光路，用于将所述种子激光和泵浦激光通过耦合光路进行耦合，并进入增益光路进行增益；
以及探测光路，该探测光路包括聚焦透镜（10）、测量池（11）以及CARS光探测器（12），增益产生的后向激光（9）经过聚焦透镜（10）后在测量池（11）中聚焦，产生的CARS信号由CARS光探测器（12）接收，于测量池（11）中装入待测物种，所述CARS光探测器（12）采集的CARS光信号的波长即可定性检测待测物种。
2.根据权利要求1所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，其特征在于，所述激光线宽调节装置为白噪声信号调制器、伪随机编码信号相位调制器或正弦信号相位调制器。
3.根据权利要求2所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，其特征在于，所述探测光路包括环形器（5），该环形器（5）和聚焦透镜（10）中间设有一段光子晶体光纤（16）。
4.根据权利要求3所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，其特征在于，所述耦合光路包括抽运合束器（4），泵浦激光经过该抽运合束器（4）与种子激光耦合进入所述环形器（5）。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，其特征在于，所述探测光路包括光束截止器（7），增益产生的前向激光（8）被该光束截止器（7）收集。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测系统，其特征在于，所述测量池（11）的入射窗口片为长波通滤波片，用于滤除比SBS光波长更短的光，出射窗口片为短波通滤波片，用于滤除SBS光及SRS光。
7.一种基于线宽调节的CARS光谱检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：产生窄线宽激光；
S200：调节所述窄线宽激光的线宽，从而调节其SBS和SRS的强度比，获得线宽适合的种子激光；
S300：将所述种子激光和泵浦激光进行耦合，并进行增益；
S400：将增益后的激光分为前向激光和后向激光，所述前向激光被光束截止器收集，所述后向激光包括SBS和SRS分别作为CARS光谱仪的泵浦光和斯托克斯光，经过聚焦透镜后在测量池中聚焦，产生的CARS信号由CARS光探测器接收；
S500：于测量池中装入待测物种，CARS光探测器采集的CARS光信号的波长即可定性检测待测物种。
8.根据权利要求7所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测方法，其特征在于，S100包括如下步骤：
S101：调节放大器的电压，得到一定线宽的种子激光；
S102：调节可调微波衰减器控制电压，改变其衰减比例，调节种子激光的线宽，从而影响后向SBS和SRS强度比。
9.根据权利要求7所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测方法，其特征在于，S300中，采用环形器使种子激光和泵浦激光变为圆偏振光，而后向激光再次通过环形器后变为线偏振光，其偏振方向与进入环形器前的种子激光的偏振方向垂直，从环形器的另一出口出射。
10.根据权利要求7所述的一种基于线宽调节的CARS光谱检测方法，其特征在于，S400中，增益光纤的拉曼增益谱范围很宽，若托克斯光光谱范围不能覆盖被测组分斯托克斯光特征光谱线，在环形器和聚焦透镜中间加入一段光子晶体光纤，用于产生线宽更宽的超连续白光，以此拓宽CARS光谱仪光源装置及检测系统测量物种的范围。
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