CN103337777A

CN103337777A - 一种用于氮氧化物浓度测定的光源装置

Info

Publication number: CN103337777A
Application number: CN201310254113XA
Authority: CN
Inventors: 郝强; 曾和平
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2013-10-02

Abstract

一种用于氮氧化物测定的光源装置，包括第一泵浦源模块、激光振荡模块，第二泵浦源模块、非线性光放大模块、光学分束模块等七部分，第一泵浦源模块输出端与激光振荡模块连接，非线性光放大模块的种子光输入端与激光振荡模块的输出端连接，其泵浦输入端连接有第二泵浦源模块，光学分束模块的输入端与非线性光放大模块的输出端连接；光学分束模块的一个输出端口连接有光梳控制模块，非线性光放大模块输出的可见光波段和近红外光谱波段从该端口同时输出，光梳控制模块的一路输出信号连接第一泵浦源模块的输入端；另一路输出信号连接激光振荡模块内的压电陶瓷晶体。本发明具有结构简单、光谱宽、频率齿稳定等优点，可测得高分辨率的特征指纹谱。

Description

一种用于氮氧化物浓度测定的光源装置

技术领域

本发明涉及一种用于氮氧化物浓度测定的光源装置。

背景技术

PM2.5是主要的大气污染物。研究显示，沉积在肺泡内的粒子96%为PM2.5，可导致肺泡炎症，增加呼吸疾病发病率和死亡率。肺泡炎症的监测可为呼吸疾病的早期诊断、病情评估及指导用药提供直接的科学依据。人体内特殊的生理反应能够从散布于肺中的气体分子体现出来。由于每种分子都有其特征指纹谱线，通过分析气体样品的吸收光谱，便能测出样品中组份的分子种类和浓度。通过研究呼吸中标志性的特殊分子，一氧化氮、二氧化氮等氮氧化物气体分子，即可获得相应的病理及生理变化情况。因此，检测呼出气体中的生物分子的痕量可作为气道炎症的标志物，是临床病例检测和监测的重要指标。

氮氧化物在红外光谱区有明显的指纹特征吸收谱。其中，一氧化氮在5.249微米和5.408微米处有较强的吸收带，在2.666微米和2.706微米有较强的次吸收带；二氧化氮在6.250微米和6.139微米有较强的吸收带，在3.716微米和3.427微米有较强的次吸收带。

常用的分子光谱测量装置由热辐射红外光源和光栅型分光仪组成。其中:光源为钨丝灯（0.320～2.5微米）或者硅碳棒（1～15微米）等等。由于是热辐射形式的光源，光源热量的波动较大，功率不稳定，给吸收光谱的测量引入误差；光谱测量装置为光栅型分光仪器，光谱分辨精度约为0.002纳米，即频谱分辨精度5吉赫兹（GHz，10⁹Hz）。

由于分子吸收光谱的能级变化包括电子跃迁、振动、和转动的能量变化，因此，其特征吸收光谱是由一系列谱线组成，更准确的说是离散的，不是真正的连续谱线，最小的谱线间隔小于GHz量级。因此，如要精确的测定氮氧化物分子的种类和浓度，需要一种在近红外乃至红外波段具有高分辨、高精度的光源用于光谱测量。所以，开发一种在1微米到7微米具有高分辨率、高灵敏度的探测光源具有极强的临床应用意义。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明专利提出一种具有高分辨率（兆赫兹，10⁶Hz）的光源装置，可用于测量一氧化氮和二氧化氮的吸收光谱，特别适合于人体呼出气体中分子种类和浓度的测定。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于氮氧化物测定的光源装置，包括第一泵浦源模块、激光振荡模块，第二泵浦源模块、非线性光放大模块、光学分束模块、光梳控制模块、光学差频模块共七部分，其特征在于：

A)所述的第一泵浦源模块为半导体激光器，用于为激光振荡模块提供连续的泵浦能量；

B)所述的激光振荡模块为光梳激光器，用于产生载波包络位相稳定的低能量激光脉冲，脉冲宽度为皮秒或者飞秒量级，激光振荡模块包含一块压电陶瓷晶体，用于对激光器腔长的精细控制，实现激光器重复频率的锁定；

C)所述的非线性光放大模块工作在非线性放大模式；所述的非线性放大模式的载体是大模场有源光纤，用于注入的连续泵浦能量将种子光能量放大，获得高功率的基频光，而且通过光纤本身的非线性效应将种子光的光谱展宽，实现光谱宽度的拓展；

D)所述的光梳控制模块用于对第一泵浦源模块输出功率的控制和激光振荡模块腔长的控制，实现对激光脉冲重复频率的精确控制；

E)所述的光学分束模块用于将不同光学频率成分分束；

F)所述的光学差频模块包含有一组窄带滤波片、一个相位延迟晶体和一块光学差频晶体；其中，窄带滤波片用于筛选后续光学差频过程所需的光谱成分；相位延迟晶体用于调节透过窄带滤波片不同光谱成分的相位延迟，实现群速度匹配，即不同光谱成分在时间上的重合，达到高效率的差频转换；光学差频晶体用于光学差频转换，获得测量氮氧化物所需的激光光谱；

G)光梳控制模块的输出端分别与第一泵浦源模块和激光振荡模块连接，第一泵浦源模块其输出端与激光振荡模块连接，所述的非线性光放大模块的种子光输入端与激光振荡模块的输出端连接，所述的非线性光放大模块的泵浦输入端连接有第二泵浦源模块，以注入连续的泵浦能量；所述的光学分束模块的输入端与非线性光放大模块的输出端相连接，用于将不同光学频率成分分束；所述的光学分束模块的一个输出端口连接有光梳控制模块，可将非线性光放大模块输出的可见光波段和近红外光谱波段从该端口同时输出，获得零频误差信号Δf₀和重复频率误差信号Δf_r；所述的光梳控制模块的一路输出信号，即零频误差信号Δf₀，连接第一泵浦源模块的输入端；所述的光梳控制模块的另一路输出信号，即重复频率的误差信号Δf_r，连接激光振荡模块内的压电陶瓷晶体。

所述第一泵浦源模块为光纤耦合半导体激光器，输出波长976nm，输出功率大于200mW。

所述的激光振荡模块以掺稀土元素的光纤为激光增益介质，输出波段为近红外波段，脉冲重复频率20-200MHz，脉冲宽度为飞秒至皮秒量级。

本发明专利的有益效果是：

1、采用高精确度、高灵敏度的光梳激光作为氮氧化物测量的光源，相比传统的热辐射白光光源和连续光源，光梳光源具有频率齿稳定、光谱宽（600-1800nm）的特点，通过光学差品技术可拓展光谱至数个微米，可实现高分辨率（MHz）的特征指纹谱测量；

2、本发明专利的高功率光梳光源的功率放大和光谱展宽是在同一根增益光纤中完成的，与利用有源光纤功率放大和光子晶体光谱展宽的分步过程相比，本专利将这两个过程合二为一，简化了实验装置，提高了系统稳定性。

附图说明

图1为本发明一种用于氮氧化物测定的光源装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本实施例提出一种用于氮氧化物浓度测定的光源装置如图1所示：该装置共包括七个部分，第一泵浦源模块101、激光振荡模块102，第二泵浦源模块103、非线性光放大模块104、光学分束模块106、光梳控制模块105和光学差频模块107。

所述的第一泵浦源模块101为光纤耦合半导体激光器，输出波长976nm，输出功率大于200mW。第一泵浦源模块101用于为激光振荡模块102提供连续的泵浦能量，其输出端连接有激光振荡模块102。

所述的激光振荡模块102为光纤光梳激光器，用于产生载波包络位相稳定的低能量激光脉冲。所述的激光振荡模块102的锁模方式可以通过半导体可饱和吸收体、碳纳米管、非线性偏振旋转或者非线性环形镜技术来实现。

所述的激光振荡模块（102）以掺稀土元素的光纤为激光增益介质，输出波段为近红外波段，脉冲重复频率20-200MHz，脉冲宽度为飞秒至皮秒量级。所述的激光振荡模块102包含一块压电陶瓷晶体，用于对激光器腔长的精细控制，实现激光器重复频率的锁定。

所述的非线性光放大模块104的种子光输入端与激光振荡模块102的输出端连接。所述的非线性光放大模块104的泵浦输入端连接有第二泵浦源模块103，以注入连续的泵浦能量。

所述的第二泵浦源模块103为多模光纤耦合的半导体激光器，输出波长976nm，输出功率大于200mW。

所述的非线性光放大模块104工作在非线性放大模式。所述的非线性放大模式的载体是大模场有源光纤，不仅可以用注入的连续泵浦能量将种子光能量放大，获得高功率的基频光，而且可以通过光纤本身的非线性效应将种子光的光谱展宽，实现光谱宽度的拓展。光谱拓展的程度与非线性光放大模块104的输出功率密切相关，光纤放大器的输出功率越高，光谱拓展的范围越广。所述的非线性光放大模块105的输出光谱可以展宽至超过一个倍频程，其中，蓝移成分可以展宽至波长短于600nm，红移成分可以展宽至超过1800nm。

所述的光学分束模块106的输入端与非线性光放大模块104的输出端相连接，用于将不同光学频率成分分束。所述的光学分束模块106的一个输出端口连接有光梳控制模块105，可将非线性光放大模块104输出的可见光波段600±3nm和近红外光谱波段1200±3nm从该端口同时输出。

所述的光梳控制模块105包含有一块倍频晶体、两个光电探测器和一个时钟源。通过f-2f方法可探测到放大后激光的零频信号f₀。即，用倍频晶体将1200nm的红外光倍频到600nm；与展宽后蓝移到600nm的光谱成分在一个光电探测器上进行拍频信号，即零频信号f₀。拍频信号经过电学方法的初步滤波、放大，再与标准时钟源f比较，可得到载波位相的零频误差信号Δf₀。另一个光电探测器探测到的激光器的重复频率f_r，通过与标准时钟源f比较，得到激光器重复频率的误差信号Δf_r。

所述的光梳控制模块105的一路输出信号，即零频误差信号Δf₀，连接第一泵浦源模块101的输入端，用于控制第一泵浦源模块101的驱动电流，实现对第一泵浦源模块101输出功率的控制，进而实现对激光振荡模块102输出脉冲载波位相的控制。

所述的光梳控制模块105的另一路输出信号，即重复频率的误差信号Δf_r，连接激光振荡模块102内的压电陶瓷晶体，用于控制激光振荡模块102的腔长，实现对激光脉冲重复频率的精确控制。

通过精确控制激光振荡模块102输出脉冲载波位相和激光脉冲重复频率，即可精确控制激光器输出激光的光学频率，获得高精确度、高灵敏度的近红外宽带光梳。

所述的光学差频模块107包含有一组窄带滤波片、一个相位延迟晶体和一块光学差频晶体。其中，窄带滤波片用于筛选后续光学差频过程所需的光谱成分；相位延迟晶体用于调节透过窄带滤波片不同光谱成分的相位延迟，实现不同光谱成分在时间上的重合，达到高效率的差频转换；光学差频晶体用于光学差频转换，获得测量氮氧化物所需的激光光谱。如待测分子为一氧化氮时，可选取其特征吸收峰5.249微米和5.408微米处的光谱进行测量。因此，窄带滤波片的透射波段应该为1.06微米和1.323微米；光学相位延迟晶体用于将1.06微米和1.323微米光谱成分在时间上调整至完好重合；光学差频晶体选取AgGaS₂或者AgGaSe₂，通过角度调谐可实现5.249微米和5.408微米的光谱输出。

Claims

1.一种用于氮氧化物测定的光源装置，包括第一泵浦源模块（101）、激光振荡模块（102），第二泵浦源模块（103）、非线性光放大模块（104）、光学分束模块（106）、光梳控制模块（105）、光学差频模块（107）共七部分，其特征在于：

A)所述的第一泵浦源模块（101）为半导体激光器，用于为激光振荡模块（102）提供连续的泵浦能量；

B)所述的激光振荡模块（102）为光梳激光器，用于产生载波包络位相稳定的低能量激光脉冲，脉冲宽度为皮秒或者飞秒量级，激光振荡模块（102）包含一块压电陶瓷晶体，用于对激光器腔长的精细控制，实现激光器重复频率的锁定；

C)所述的非线性光放大模块（104）工作在非线性放大模式；所述的非线性放大模式的载体是大模场有源光纤，用于注入的连续泵浦能量将种子光能量放大，获得高功率的基频光，而且通过光纤本身的非线性效应将种子光的光谱展宽，实现光谱宽度的拓展；

D)所述的光梳控制模块（105）用于对第一泵浦源模块（101）输出功率的控制和激光振荡模块（102）腔长的控制，实现对激光脉冲重复频率的精确控制；

E)所述的光学分束模块（106）用于将不同光学频率成分分束；

F)所述的光学差频模块（107）包含有一组窄带滤波片、一个相位延迟晶体和一块光学差频晶体；其中，窄带滤波片用于筛选后续光学差频过程所需的光谱成分；相位延迟晶体用于调节透过窄带滤波片不同光谱成分的相位延迟，实现群速度匹配，即不同光谱成分在时间上的重合，达到高效率的差频转换；光学差频晶体用于光学差频转换，获得测量氮氧化物所需的激光光谱；

G)光梳控制模块（105）的输出端分别与第一泵浦源模块（101）和激光振荡模块（102）连接，第一泵浦源模块（101）其输出端与激光振荡模块（102）连接，所述的非线性光放大模块（104）的种子光输入端与激光振荡模块（102）的输出端连接，所述的非线性光放大模块（104）的泵浦输入端连接有第二泵浦源模块（103），以注入连续的泵浦能量；所述的光学分束模块（106）的输入端与非线性光放大模块（104）的输出端相连接；所述的光学分束模块（106）的一个输出端口连接有光梳控制模块（105），可将非线性光放大模块（104）输出的可见光波段和近红外光谱波段从该端口同时输出，获得零频误差信号Δf₀和重复频率误差信号Δf_r；所述的光梳控制模块（105）的一路输出信号，即零频误差信号Δf₀，连接第一泵浦源模块（101）的输入端；所述的光梳控制模块（105）的另一路输出信号，即重复频率的误差信号Δf_r，连接激光振荡模块（102）内的压电陶瓷晶体。

2.根据权利要求1所述的一种用于氮氧化物测定的光源装置，其特征在于：所述的第一泵浦源模块（101）为光纤耦合半导体激光器，输出波长976nm，输出功率大于200mW。

3.根据权利要求1所述的一种用于氮氧化物测定的光源装置，其特征在于：所述的激光振荡模块（102）以掺稀土元素的光纤为激光增益介质，输出波段为近红外波段，脉冲重复频率20-200MHz，脉冲宽度为飞秒至皮秒量级。