CN103583003A - 分段啁啾脉冲傅立叶变换光谱学 - Google Patents
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Abstract
可以响应于使用指定范围的激励频率的激励来从样本获得发射。这种激励可以包括：使用数模转换器(DAC)来生成指定的啁啾波形和指定的下变频本地振荡器(LO)频率，通过将啁啾波形与指定的上变频LO频率进行混频对啁啾波形进行上变频，对上变频后的啁啾波形进行倍频，以提供用于激励样本的啁啾激励信号，从样本接收发射，该发射至少部分由啁啾激励信号诱导出，以及通过将接收到的发射与基于指定的下变频LO信号的信号进行混频对接收到的发射进行下变频，以提供在模数转换器(ADC)的带宽内的下变频后的发射信号。指定的啁啾波形可以包括在第一持续时间期间的第一啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形。
Description
优先权要求
此处要求于2011年3月18日提交的序号61／454,223，题为“SEGMENTED CHIRPED-PULSE FOURIER TRANSFORMSPECTROSCOPY AT MILLIMETER-AND SUBMILLIMETER-WAVEFREQUENCIE S AND RELATED METHOD THEREOF”的美国临时专利申请(申请人案号PATE-SEGMENT(01829-01))的优先权，其以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
使用在国家科学基金(NSF)授予的许可No.CHE-0847919下的政府资助作出了本发明。政府具有本发明中的特定权利。
背景技术
光谱学(例如，转动光谱学)是物理化学中有力的结构工具。例如，分子结构及其转动跃迁频率之间的关系可以用于气相样本的结构确定。分子的转动运动中的其他效果(例如，离心畸变、来自四极核(quadrupolar nuclei)的超精细频谱结构、或由隧道运动引起的频移)可以用于提供对分子结构和低频振动运动的进一步表征。
毫米(mm)波或太赫兹(terahertz，THz)频率区域对于化学检测和表征是特别有用的区域。对于室温样本，这是纯转动频谱最剧烈的区域。具有永久偶极距的所有分子具有纯转动频谱。这种频谱包括可以作为分子标识的“指纹”的大量尖锐跃迁。例如，在低压气体单元中，在约300千兆赫兹(GHz)处，这种跃迁在宽度上可以约为1兆赫兹(MHz)。在一个方案中，可以将跃迁频率反向相关到分子标识，例如，通过与分子哈密顿函数(Molecular Hamiltonian)拟合，其可以在可计算物理参数的意义上解释测量到的跃迁频率和相对强度。根据通过毫米和亚毫米波光谱学观察到的跃迁的强度，可以在高准确性和选择性的情况下导出绝对分子浓度。
发明内容
在一个方案中，用于毫米波光谱学的技术涉及：在微波频率区域中使用与一个或多个倍频器耦合的合成器来作为放射源，以基于分子跃迁对放射的吸收，来测量分子跃迁。然而，这种合成器的缓慢扫描和切换速度排除了对大带宽的快速检测。例如，使用这些技术以期望的视频刷新速率来监视复杂化学混合物是不可能的。
本发明人已认识到：高速数模转换器(DAC)(例如，高速任意波形发生器(AWG))可以提供包括微波频率在内的能量的频率捷变源，且在被光谱学系统(而不是一般可用的合成器，或除了一般可用的合成器之外)包括时，还可以为毫米波频谱的快速检测提供新的机会。
在示例中，DAC可以创建高带宽线性频率扫描(例如，啁啾脉冲)，其可以被放大以在该脉冲的带宽内的跃迁频率上感生分子样本的极化。然后样本继续以跃迁频率来发射放射线，且可以对这种自由感应衰减(FID)发射信号进行数字化和傅立叶变换，以得到分子频谱。这种啁啾脉冲傅立叶变换(CP-FT)技术一般在对宽带分子频谱的检测方面提供高的灵敏度、动态范围、以及频率准确性。由于较快的获取速度，可以使用CP-FT技术对样品单元中生成的短时存在的核素(species)(例如，离子和原子团)进行表征。然而，一般可用的数字转换器带宽是有限的。因此，本发明人也已认识到：为了收集高带宽频谱(例如，其总带宽比可用数字转换器带宽更宽的频谱)，需要用于降低所需数字转换器带宽的技术。
本发明人已认识到：可以使用“分段”CP-FT技术，例如使用DAC来生成啁啾脉冲波形，并使用DAC来生成一个或多个本地振荡器(LO)频率。这种分段CP-FT方法可以通过“分治(divide and conquer)”方案来降低数字转换器所需要的带宽，该“分治”方案将总测量带宽分为一系列段。例如，可以至少部分地基于可用数字转换器带宽来指定倍频啁啾脉冲波形的带宽，且每个段可以包括被指定来通过下述方式来激励样本的啁啾脉冲：可以在可用数字转换器带宽中捕捉所产生的发射。要测量的关注总带宽可以比数字转换器带宽要宽，且其可以通过以下方式获得：生成与每个段相对应的一系列相应啁啾脉冲和LO频率，获得每一段的发射，然后组装与每一段相对应的各个估计频谱全体，以提供对关注的总带宽的覆盖。
使用基于DAC的源，可以快速连续地测量这些段，以覆盖大的频率范围。例如，可以使用外差检测技术对接收到的发射进行下变频。这种外差检测一般使用高捷变、相位可再现的本地振荡器(LO)源，且该源也可以是基于DAC的，且从而是非常快速可调的。
在示例中，响应于使用指定的激励频率范围的激励，可以从样本获得发射。这种激励可以包括：使用数模转换器(DAC)来生成指定的啁啾波形和指定的下变频本地振荡器(LO)频率，通过将啁啾波形与指定的上变频LO频率进行混频来对啁啾波形进行上变频，对上变频后的啁啾波形进行倍频，以提供用于激励样本的啁啾激励信号，从样本接收发射，该发射至少部分由啁啾激励信号诱导出(elicit)，以及通过将接收到的发射与基于指定的下变频LO信号的信号进行混频来对接收到的发射进行下变频，以提供在模数转换器(ADC)的带宽内的下变频的发射信号。指定的啁啾波形可以包括在第一持续时间期间的第一啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形。
本文描述的光谱学技术和装置一般可以适用于微波频率区域以及高得多的频率(例如，毫米或亚毫米波长-其包括电磁频谱的太赫兹(THz)区域中的频率)。例如，一般可用的倍频器可以提供mm区域(或甚至更短的波长)中的信号，且已使得可能生成用于高灵敏度光谱学的具有高频率精度的相位稳定的放射线。
本概览意在提供对本专利申请的主题的概览。其不意在提供对本发明的排他性或穷尽性解释。包括具体实施方式，以提供与本专利申请相关的进一步信息。
附图说明
图1主要示出了用于生成啁啾脉冲激励信号、以及用于响应于这种激励从样本获得发射的系统的示例。
图2A主要示出了mm波分光计系统的说明性示例，例如包括具有两个输入端口的亚谐波混频器。
图2B主要示出了mm波分光计系统的说明性示例，例如包括具有两个输入端口的基本模式混频器。
图3A主要示出了对DAC通道输出的频谱图表示的说明性示例，例如对应于双通道示例，且图3B主要示出了图3A的一部分的详细视图。
图4A主要示出了包括其后跟随着单频LO脉冲的啁啾脉冲在内的时域波形的说明性示例，且图4B主要示出了图4A的时域波形的频谱图。
图5主要示出了在使用宽带啁啾脉冲频率梳(CP-FC)分光计的直接吸收光谱学技术与分段CP-FT方案之间的比较的说明性示例。
图6A至6B主要示出了与仿真频谱相比，使用分段CP-FT方案实验性地获得的从260GHz至290GHz的乙烯基氰(vinyl cyanide)的频谱的说明性示例。
图7A至7B主要示出了与仿真频谱相比，使用分段CP-FT方案实验性地获得的从0.790THz至0.850THz的甲醇(methanol)的频谱的说明性示例。
图8主要示出了使用分段CP-FT方案且包括双共振测量技术在内实验性地获得的频谱的说明性示例。
图9主要示出了技术，例如，用于响应于使用指定范围的激励频率的激励从样本获得发射的方法。
在不一定按比例绘制的附图中，相似的附图标记可以在不同视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似附图标记可以表示相似组件的不同实例。附图主要示出了(作为示例，而不作为限制)本文献中讨论的各种实施例。
具体实施方式
图1主要示出了系统100的示例，系统100可以例如用于生成啁啾脉冲激励信号，或用于响应于这种激励从样本获得发射。在示例中，系统100可以包括至少一个处理器电路106，例如耦合到存储器电路108(或一个或多个其他存储电路或设备)。处理器电路106可以耦合到高速DAC102，例如包括一个或多个输出通道，例如第一通道124A或第二通道124B。
在示例中，系统100可以包括频率基准104，其例如被配置为提供由系统100的一个或多个其他部分使用的稳定基准频率。在示例中，系统100可以包括第一混频器122A，其例如被配置为使用指定的上变频LO频率对啁啾波形进行上变频。啁啾波形可以由高速DAC102来提供。上变频LO频率可以由振荡器112来提供。在示例中，第一混频器122A可以被配置为向倍频器114A提供上变频后的啁啾波形，且倍频器114A可以输出在激励样本116时使用的指定频率范围内的啁啾激励信号。
在示例中，系统100可以包括第二混频器118，其例如被配置为从样本116接收发射，以及使用基于指定的下变频LO信号的信号对接收到的发射进行下变频。可以在ADC120的可用带宽内向ADC120的输入提供下变频后的发射信号。处理器电路106可以被配置为使用通过ADC120获得的信息来估计发射信号的频谱。
可以由高速DAC102使用第一通道124A或第二通道124B中的一个或多个来提供指定的下变频LO信号。可以使用第一混频器122A或第三混频器122B对指定的下变频LO信号进行上变频。然后可以使用第一倍频器114A或第二倍频器114B对上变频的LO信号进行倍频，以例如提供由第二混频器118使用的基于指定的下变频LO信号的信号。这样，高速DAC102可以生成快速可调LO信号，然后可以通过混频器和倍频器链来路由该快速可调LO信号，以在使用第二混频器118对从样本116接收到的发射进行下变频时使用。在一个方案中，该混频器和倍频器链可以与用于啁啾脉冲激励信号的链无关(例如，图1中虚线所示，以及图2A中的说明性示例)。
在另一方案中，用于下变频LO信号的混频器和倍频器与用于激励样本116的那些混频器和倍频器可以是相同的，且啁啾激励脉冲所遵循的路径可以与下变频LO信号所遵循的路径相同(例如，向样本116传输的啁啾激励信号可以与要在对接收到的发射进行下变频时使用的LO信号在空间上重叠)，例如如果省略图1中的虚线部分，以及如图2B的说明性示例所示。
图2A主要示出了mm波分光计系统200A的说明性示例，mm波分光计系统200A例如可在从约260GHz至约290GHz的频率范围中工作，且包括具有两个输入端口的亚谐波混频器218A。在该说明性示例中，系统200A可以包括具有两个通道的AWG202，例如包括第一通道224A和第二通道224B，第一通道224A可以用于生成啁啾激励脉冲(例如，在穿过室216中的气态样本之前已被上变频、已倍频、或已放大)，第二通道224B用于提供在将分子自由感应衰减(FID)信号下变频至较低频率范围时使用的指定的下变频LO频率，在较低频率范围中，可以由数字转换器220对该分子自由感应衰减(FID)信号进行数字化。
在图2A的示例中，类似于图1的示例，第一混频器222A用于在由24x倍频器链214A进行倍频之前对啁啾波形进行上变频。一个或多个放大器、滤波器、或隔离器(例如，一个或多个循环器)可以用于进一步调节啁啾波形，例如如图2A和2B的示例所示。在图2A和2B的示例中，8.8GHz锁相介电共振振荡器(PDRO)212可以向第一混频器222A或第二混频器222B中的一个或多个提供上变频LO频率。
在图2A的示例中，第二混频器222B可以对接收到的下变频LO频率进行上变频，例如使用PDRO212，然后可以使用第二倍频器链214B(例如，包括12x倍频因子)对所产生的上变频后的信号进行倍频。亚谐波混频器218可以提供附加的固有的2x倍频因子，以例如将从室216中的样本接收到的发射下变频到适合数字转换器220的带宽范围，从而下变频LO路径可以高效地提供与24x倍频器链214A相同的倍频因子。
在说明性示例中，例如，为了提供本文示例的试验性地获得的信息，AWG202可以使用大约12Gs／s的采样速率(例如，约83皮秒(ps)的时间解析度)。在示例中，可以在图2A的亚谐波混频器设计中使用单通道AWG，例如，通过向第一通道224A添加单刀双掷(SPDT)开关并将啁啾脉冲和LO信号指引至其相应倍频器链。
图2B主要示出了mm波分光计系统200B的说明性示例，例如包括具有两个输入端口的基本模式混频器218B。在示例中，基本模式混频器218B可以用于将mm波／THz下变频到适合数字转换器220的频率范围中。一般而言，基本模式混频器218B使用在空间上重叠的LO信号路径和激励信号路径。啁啾脉冲傅立叶变换光谱学的物理性质提供了：分子发射沿着与来自激励源的光相同的路径。因此，可以通过使用单AWG通道(例如，在单波形中)来进行分段CP-FT测量，该单AWG通道具有在第一持续时间期间的啁啾脉冲，之后是在第二持续时间期间的LO频率。这种波形可以穿过样本，且分子将在啁啾脉冲激励之后发射其自由感应衰减。然后这种FID发射可以在基本模式混频器218B处与穿过样本的LO频率进行混频(例如，撞上(beatagainst))。
图3A主要示出了可以表示各个DAC通道输出的频谱图300的说明性示例，例如与双通道示例相对应，且图3B主要示出了图3A的一部分的详细视图。CP-FT相干光谱学技术的特征是：样本激励和FID下变频处理在时间上是分离的。在图3B中，可以在第一持续时间330A的至少一部分期间(例如，第一“段”)提供第一啁啾波形310A和指定的第一LO下变频频率320A。在第二“段”中，可以在第二持续时间330B的至少一部分期间提供第二啁啾波形310B和指定的第二LO下变频频率320B。
可以将(由例如mm波／THz倍频器链或由其他系统元件的带宽所确定的)频谱的全可用测量带宽分段，以用于测量。在示例中，通过全分光计带宽的单程(single pass)可以包括一系列啁啾激励脉冲和相应下变频LO频率。例如，针对每个后续段可以增加LO和啁啾频率。对于在时域中进行平均的信号，在穿过全频谱的每个单程中再现每一段的啁啾脉冲与LO的相对相位。对AWG的使用提供了扫描(sweep)之间的相位可再现性，并在与分子FID瞬变相比较短的时间尺度上提供了切换LO频率(在锁相的情况下)的能力。
在示例中，在CP-FT段中，可以将任意波形发生器的一个通道用于提供短时线性频率扫描(例如，啁啾波形)，然后可以例如使用耦合到PDRO的混频器对其进行上变频，并在然后在上变频之后进行倍频。由于啁啾波形在任何给定时间仅包括单一频率，在倍频步骤中不改变脉冲的持续时间，而是带宽增加。该脉冲与分子气体样本相互作用，并在跨过激励脉冲的带宽内的旋转跃迁时，可以感生宏观极化。在啁啾脉冲之后，第二AWG通道提供了与扫描范围有少量偏移(例如，以限制低频杂散输出或1／f噪声效应)的单频LO脉冲。分子样本可以继续在扫描范围中的分子跃迁的频率上发射放射线，且可以使用LO脉冲对这种放射线进行下变频，并进行数字化。对每个段进行傅立叶变换，且将各段接合在一起，以创建宽带宽的频谱。
除了克服数字转换器带宽限制之外，与确定正在测量的整个带宽的频谱估计相比，分段CP-FT方案在计算方面可以是高效的。例如，Cooley-Tukey快速傅立叶变换技术中包括的计算数目可以扩缩为Nlog2N，其中，N可以表示轨迹中的数据点的数目。因此，与对覆盖相同总带宽的单个频谱进行傅立叶变换相比，分段CP-FT频谱可以包括用于对宽的带宽频谱进行傅立叶变换的更少计算。
图4A主要示出了测量到的时域波形的说明性示例，其包括啁啾脉冲，之后是单频LO脉冲，且图4B主要示出了图4A的时域波形的频谱图。
在图4A和4B的说明性示例中，脉冲的时域和频谱图包括啁啾激励脉冲410(例如，约125纳秒(ns)持续时间)，其后可以是单频LO脉冲420(例如，约1.875μs持续时间)。使用图2A的示例的系统200A来获得图4A的说明性示例的时域脉冲。在图4B的说明性示例中，仅示出了波形频谱图的前约1μs的频谱图清楚地示出了：AWG生成的波形包括快速啁啾激励脉冲410，之后是用作LO脉冲420的单频输出。
例如，可以使用单个AWG通道，因为激励周期和检测周期在时间上是分离的。因此，在示例中，各个测量段中的AWG波形可以包括啁啾脉冲410，之后例如立刻是单频LO波形420。在啁啾激励和单频LO输出模式之间的立刻切换由AWG来支持。在基本模式混频器示例中，例如如图2B所示，LO输出被指引穿过样本。在亚谐波混频器示例中，可以将AWG外部的SPDT开关用于将啁啾激励脉冲和用于FID下变频的LO脉冲指引至相应的倍频器链。
图5主要示出了透射频谱550与发射频谱560之间的比较的说明性示例500，透射频谱550是通过使用宽带啁啾脉冲频率梳(CP-FC)分光计的直接吸收光谱学技术来实验性地获得的，发射频谱560是通过分段CP-FT方案来试验性地获得的。与吸收光谱学技术不同的是，在CP-FT方案中，可以在没有基准单元(reference cell)或样本排空(sample evacuation)的情况下执行背景校准。
由于AWG输出在频率上一般不如锁相振荡器或合成器纯净，因此杂散输出可能发生。在示例中，为了刨除这些效应，可以在传输啁啾激励脉冲之前收集背景轨迹。例如，分子FID信号仅发生在啁啾脉冲的激励之后，使得可以在气体样本存在的情况下收集背景轨迹，例如，不要求基准单元。在试验性地获得的高至接近550GHz的样本中，这种背景校正不是必须的。
在一个方案中，与分段CP-FT技术相比，啁啾脉冲频率梳(CP-FC)技术可以提供类似的测量速度、检测带宽、以及频率准确性。然而，与CP-FT相对地，CP-FC光谱学是吸收技术，因此随着背景脉冲的耗尽来测量分子信号。如上所述，对于微波和红外技术，可以相对于低得多的背景来测量的分子FID发射一般是对于分子光谱学更灵敏的技术。
在图5的说明性示例中，示出了乙烯基氰(丙烯腈，CH2=CHCN)的旋转频谱。在4米(m)路径长度的情况下，样本压强是5毫托(mTorr)。图5所示的频谱示出了全可用260～290GHz测量范围的一部分。对于相等的测量时间(例如，对于CP-FT为约2ms，以及对于CP-FC为约1ms-其中CP-FC测量还包括附加1ms的背景测量)，CP-FT的灵敏度可以约为10倍高(例如，相比于CP-FC技术约为15∶1的信噪比，对于分段CP-FT技术而言，信噪比(S／N)可以约为230∶1)。
图6A至6B主要示出了使用分段CP-FT方案的试验性地获得的从260GHz至290GHz的乙烯基氰的频谱与仿真频谱相比的说明性示例。在图6A和6B中，可以将测量到的频谱610A与仿真频谱610B进行比较，仿真频谱610B是使用来自NASA喷气推进实验室(JPL)数据库的信息来提供的。使用与具有约480MHz带宽的啁啾激励脉冲相对应的段来获取试验性地获得的频谱610A，以及下变频LO相对于激励带宽偏移240MHz。啁啾脉冲持续时间是125ns，且mm波激励脉冲的峰值功率是1毫瓦(mW)。对FID进行开始于激励脉冲结束之后40ns处的数字化(以例如允许接收器从激励脉冲造成的饱和中恢复)，且在持续时间1.835μs上收集FID。每一段的总时间是2μs。对于150μs的总频谱获取时间，在全频谱中存在75个段。样本压强约为5mTorr且路径长度是4m。
图7A至7B主要示出了使用分段CP-FT方案的试验性地获得的从0.790THz至0.850THz的甲醇(methanol)的频谱710A与仿真频谱相比的说明性示例。
通过使用类似于图2A的说明性示例的配置向LO和啁啾脉冲激励倍频器链添加附加的三倍频器，来使得图7A和7B的示例的频率范围可用。在本说明性甲醇测量示例中，与每一段相对应的啁啾波形带宽也是约500MHz。然而，在较高频率(和较低样本质量)上的较快移相(dephasing)(例如，来自于多普勒展宽)允许段持续时间降低至500ns。使用120个段和60μs的总测量时间来获取近似60GHz的频谱。样本压强是40mTorr且路径长度约为10m。在图7B的说明性示例中，将频谱710A的一部分与使用来自NASA JPL目录的信息所获得的仿真频谱710B进行比较。
图8主要示出了使用分段CP-FT方案且包括双共振测量技术在内实验性地获得的频谱的说明性示例800。作为相干光谱学，CP-FT方法允许可以产生高信号调制的双共振测量。双共振光谱学可以是用于通过示出旋转光谱学跃迁的“连通性(connectivity)”来识别未知频谱的有用技术。这种连通性发生在跃迁共享公共量子态时。在所测量的频谱来自于不同核素的复杂混合物时，这种技术可以是特别有用的。
在示例中，双共振测量可以包括使用能够在时间上分离的、并例如由单个AWG通道生成的三个波形。在说明性示例中，在例如亚谐波混频器设计中(例如，如图2A的说明性示例所示)，可以使用一个AWG通道来生成与分子样本相互作用的两个激励脉冲，并且可以使用第二AWG通道来生成LO。
在示例中，激励脉冲包括第一啁啾脉冲和在啁啾脉冲之后的第二脉冲，第一啁啾脉冲对旋转频谱的段进行激励并对样本进行相干激励，第二脉冲包括单个固定频率激励。在示例中，将第二脉冲的频率选择为与频谱中的跃迁相一致。该频率选择性脉冲的效应可以是摧毁与所选择的“泵浦(pump)”跃迁共享量子态的任何跃迁的相干性。
这在由处于“双共振”的啁啾脉冲所激励的任何跃迁的强度方面引起了可检测的降低。图8的说明性示例包括针对图6A和6B的乙烯基氰(丙烯腈)的双共振测量。在该说明性示例中，啁啾激励脉冲可以在频率段285.360～285.840GHz中将样本极化。如关于图6A所讨论的，可以试验性地获得第一频谱，例如包括之前已分析且“分配”为304，26～294，25的旋转跃迁820A(例如，分子光谱学的标准非对称最高量子能级(top quantum level)指定：JKa，Kc)。
该跃迁的频率是285.5926GHz。选择性激励脉冲包括275.9974GHz的频率，且与之前分配的294，25～284，24跃迁共振。由于这两个跃迁共享量子能级(294，25)，在820B，选择性激励脉冲降低了所监视的304，26～294，25跃迁的信号强度(降低约50％)，而不影响附近不处于双共振的跃迁。通过在附图的底部显示差异频谱830(其示出了在285.5926GHz上的与304，26～294，25跃迁820A相对应的显著下降840)来强调了选择性激励双共振方案的性能。
在示例中，可以将双共振光谱学用于例如创建示出了在频谱中共享量子态的所有跃迁对的2-D频谱，例如类似于可以用于2-D核磁共振(NMR)光谱学的技术。由于在分段CP-FT技术中执行的大量单独测量，可以在每一段中执行新的双共振测量，允许更快的确定2-D频谱，并允许对复杂的未知频谱的更快解释。
图9主要示出了技术900，例如，用于响应于使用指定激励频率范围的激励从样本获得发射的方法。技术900可以包括使用图1、2A或2B的示例的装置的一个或多个部分。
在902，可以生成指定的啁啾波形和指定的下变频LO频率，例如使用高速DAC(例如，AWG或一个或多个其他电路或系统)。在904，可以将啁啾波形上变频，例如通过将啁啾波形与指定的上变频LO频率进行混频。在906，可以对上变频的啁啾波形进行倍频，以提供用于激励样本的啁啾激励信号。
在908，可以从样本接收发射，该发射至少部分由啁啾激励信号诱导出。在910，可以对接收到的发射进行下变频，例如通过将接收到的发射与基于指定的下变频LO信号的信号进行混频，来提供在ADC转换器的带宽内的下变频发射信号。在示例中，该技术可以包括分段CP-FT技术，例如包括：生成在第一持续时间期间的第一指定啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形，第一和第二啁啾波形包括至少部分基于ADC的带宽指定的相应带宽，且包括与指定的激励频率的范围相对应的总带宽。
在说明性示例中，本文描述的CP-FT技术和装置可以用于获得在大的带宽(例如，高至约100GHz或更高)上的高灵敏度频谱，且获取时间可以是约1ms或更少。在说明性示例中，可以使用相对低的数字转换器检测带宽(例如，少于约1GHz)。一般而言，使用本文描述的CP-FT技术，可以在时域中对接收信号进行相干检测，因此可以执行信号求平均(或对一个或多个其他集中趋势的确定)，以例如根据需要增强针对特定应用的灵敏度。
由于可以在频率的射频区域(而不是mm波范围)中将分子信号数字化，且本地振荡器源参照高精度(例如，铷)频率标准，分段CP-FT技术的绝对频率准确性可以极高，仅例如受限于分子谱线宽度的不确定性，且校准不是必需的。相对于CP-FT方案，一些其他方案要求校准，例如使用具有已知频率的谱线或使用标准具(etalon)，以例如在每次扫描时校正频率扫描源的非线性性。
各种注释&示例
示例1可以包括主题(例如，装置、方法、用于执行动作的手段、或包括当由机器执行时可以使得该机器执行动作的指令在内的机器可读介质)，例如可以包括用于响应于使用指定激励频率范围的激励来从样本获得发射的方法，所述方法包括：使用数模转换器(DAC)来生成指定的啁啾波形和指定的下变频本地振荡器(LO)频率，通过将所述啁啾波形与指定的上变频LO频率进行混频将所述啁啾波形进行上变频，对上变频的啁啾波形进行倍频，以提供用于激励所述样本的啁啾激励信号，接收来自所述样本的发射，所述发射至少部分由啁啾激励信号诱导出，通过将接收到的发射与基于所述指定的下变频LO信号的信号进行混频，对接收到的发射进行下变频，以提供在模数转换器(ADC)的带宽中的下变频的发射信号。在示例1中，生成所述指定的啁啾波形可以包括：生成在第一持续时间期间的第一啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形，所述第一啁啾波形和所述第二啁啾波形包括至少部分基于所述ADC的带宽指定的相应带宽，以及包括与指定的激励频率范围相对应的总带宽。
示例2可以包括，或可以可选地与示例1的主题相结合，以可选地包括：估计与指定的激励频率范围相对应的第一频谱，包括使用与在所述第一持续时间和所述第二持续时间的至少一部分期间获得的相应发射相对应的信息。
示例3可以包括，或可以可选地与示例1或2之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：在生成所述啁啾激励信号之后，生成用于激励所述样本的指定的固定频率，以及使用与响应于所述啁啾激励信号以及响应于所述指定的固定频率从所述样本获得的发射相对应的信息来估计第二频谱。
示例4可以包括，或可以可选地与示例3的主题相结合，以可选地包括：在使用所述啁啾激励信号来对所述样本进行相干激励之后，对所述样本的能级跃迁进行调制的指定的固定频率。
示例5可以包括，或可以可选地与示例3或4之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：D使用估计出的第一频谱和第二频谱来确定信息的相对指示。
示例6可以包括，或可以可选地与示例1至5之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：接收通过重复所述样本的啁啾激励来获得的相应的第一下变频接收发射和第二下变频接收发射，以及确定根据所述第一下变频接收发射和所述第二下变频接收发射获得的信息的集中趋势。
示例7可以包括，或可以可选地与示例1至6之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：接收包括来自样本的自由感应衰减发射在内的发射，所述样本包括气态核素。
示例8可以包括，或可以可选地与示例1至7之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：生成所述指定的啁啾波形包括使用任意波形发生器(AWG)的第一通道，生成所述指定的下变频LO频率包括使用AWG的第二通道，以及将所述发射信号下变频包括使用亚谐波混频器，所述亚谐波混频器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口被配置为接收基于所述指定的下变频LO频率的信号，所述第二端口被配置为接收所述发射，以及所述第三端口被配置为提供在所述ADC的带宽内的下变频发射信号。
示例9可以包括，或可以可选地与示例1至7之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：将所述指定的下变频LO频率进行上变频并对上变频的输出进行倍频，以提供基于所述下变频LO频率的信号，对所述发射进行下变频包括使用基本模式混频器，所述基本模式混频器包括被配置为接收基于所述下变频LO频率的信号和所述发射的单个输入端口、以及被配置为提供下变频的发射信号的第二端口，基于LO频率的信号经由与所述啁啾激励信号和所引出的发射相同的空间路径进行传播。
示例10可以包括，或可以可选地与示例1至9之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括频率基准，所述频率基准包括被配置为至少部分基于原子或分子能级跃迁来提供基准频率的精准振荡器。
示例11可以包括，或可以可选地与示例1至10之一或任何组合的主题相结合，以包括主题(例如，装置、方法、用于执行动作的手段、或包括当由机器执行时可以使得该机器执行动作的指令在内的机器可读介质)，例如可以包括：数模转换器(DAC)，所述DAC耦合到频率基准，并被配置为提供指定的啁啾波形和指定的下变频本地振荡器(LO)频率；锁相振荡器，所述锁相振荡器耦合到所述频率基准，并被配置为提供指定的上变频LO频率；第一混频器，所述第一混频器被配置为从所述DAC接收所述指定的啁啾波形以及从所述锁相振荡器接收所述指定的上变频LO频率，且被配置为提供上变频的啁啾波形；倍频器，所述倍频器被配置为接收上变频的啁啾波形且被配置为提供用于激励样本的啁啾激励信号；以及第二混频器，所述第二混频器被配置为接收来自所述样本的发射，所述发射至少部分由啁啾激励信号诱导出，所述第二混频器被配置为从所述DAC接收所述指定的下变频LO频率，以及被配置为提供在模数转换器的带宽中的输出信号。在示例11中，所述DAC可以被配置为：生成在第一持续时间期间的第一指定的啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形，所述第一啁啾波形和所述第二啁啾波形包括至少部分基于所述ADC的带宽指定的相应带宽，以及包括与指定的激励频率范围相对应的总带宽。
示例12可以包括，或可以可选地与示例11的主题相结合，以可选地包括：耦合到所述第二混频器的ADC以及耦合到所述ADC的处理器，所述处理器被配置为：估计与指定的激励频率范围相对应的第一频谱，包括使用与在所述第一持续时间和所述第二持续时间的至少一部分期间获得的相应发射相对应的信息。
示例13可以包括，或可以可选地与示例12的主题相结合，以可选地包括：DAC，所述DAC被配置为在生成所述啁啾激励信号之后，生成用于激励所述样本的指定的固定频率；以及处理器，被配置为使用与响应于所述啁啾激励信号以及响应于所述指定的固定频率从所述样本获得的发射相对应的信息来估计第二频谱。
示例14可以包括，或可以可选地与示例11至13之一或任意组合的主题相结合，以可选地包括：包括来自样本的自由感应衰减发射在内的发射，所述样本包括气态核素。
示例15可以包括，或可以可选地与示例11至14之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：包括所述DAC在内的任意波形发生器(AWG)，所述AWG被配置为使用所述AWG的第一通道来生成所述指定的啁啾波形，以及被配置为使用所述AWG的第二通道来生成所述指定的下变频LO频率，以及包括亚谐波混频器在内的第二混频器，所述亚谐波混频器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口被配置为接收基于所述指定的下变频LO频率的信号，所述第二端口被配置为接收所述发射，以及所述第三端口被配置为提供在所述ADC的带宽内的下变频发射信号。
示例16可以包括，或可以可选地与示例11至14之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括：第三混频器，所述第三混频器被配置为将所述指定的下变频LO频率进行上变频以提供上变频的输出；以及第二倍频器，所述第二倍频器被配置为对上变频的输出进行倍频，以提供基于所述下变频LO频率的信号，所述第二混频器包括基本模式混频器，所述基本模式混频器包括被配置为接收基于所述下变频LO频率的信号和所述发射的单个输入端口、以及被配置为提供下变频的发射信号的第二端口，以及基于LO频率的信号经由与所述啁啾激励信号和所引出的发射相同的空间路径进行传播。
示例17可以包括，或可以可选地与示例11至16之一或任何组合的主题相结合，以可选地包括频率基准，所述频率基准包括被配置为提供至少部分地根据原子或分子能级跃迁来导出的基准频率的精准振荡器。
示例18可以包括，或可以可选地与示例1至17中任意一项或多项的任意部分或任意部分的组合相结合，以包括主题，该主题可以包括用于执行示例1～20的任意一个或多个功能的手段、或包括当由机器执行时可以使得该机器执行示例1～20中任意一个或多个功能的指令在内的机器可读介质。
这些非限制性示例中的每个示例可以独自成立，或可以与一个或多个其他示例按各种排列或组合相结合。
上述具体实施方式包括了针对附图的参考，附图形成了该具体实施方式的一部分。附图通过说明示出了可以实现本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这种示例可以包括除了所示和所述的元素之外的元素。然而，本发明人还构思了其中仅提供这些所示或所述元素的示例。此外，本发明人还构思了使用这些所示或所述元素(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例，不管是与特定示例(或其一个或多个方面)相关的，还是与本文所示或所述其他示例(或其一个或多个方面)相关的。
如果在本文献和通过引用方式并入的任何文献之间存在不一致的用法，则以本文献的用法为准。
如专利文献中常见的，在本文献中，与对“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法无关地，使用术语“一”或“一个”，以包括一个或多于一个。在本文献中，除非另行指出，否则术语“或者”用于指代非排他性的，或者使得“A或者B”包括“A，但是非B”、“B，但是非A”，以及“A和B”。在本文献中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的普通英文等价物。此外，在所附权利要求中，术语“包括”和“包括”是开放式的，即，在权利要求中包括除了在这种术语之后列出的元素之外的元素在内的系统、设备、物品、合成物、公式或过程依然被视为落入该权利要求的范围中。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”、和“第三”等仅用作标签，且不意在对其对象强加数值要求。
本文所述的方法示例可以是至少部分由机器或计算机来实现的。一些示例可以包括使用指令来编码的计算机可读介质或机器可读介质，该指令用于将电子设备配置为执行在上述示例中描述的方法。这种方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这种代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以形成计算机程序产品的各部分。此外，在示例中，该代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非瞬时、或非易失性有形计算机可读介质中，例如在执行期间或在其他时候。这些有形计算机可读介质的示例可以包括(但不限于)：硬盘、可拆卸式磁盘、可拆卸式光盘(例如，高密度盘和数字视频盘)、磁带、存储器卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等。
上述描述预期是说明性的，且不是限制性的。例如，可以将上述示例(或其一个或多个方面)彼此组合使用。可以使用其他实施例，例如由本领域普通技术人员在阅读过上述描述时。提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，以允许读者快速确定技术公开的本质。在以下理解的基础上来提交该摘要：其将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述具体实施方式中，可以将各种特征分组在一起，以使得公开流畅。这不应当被解释为预期未要求保护的已公开特征对于任何权利要求是必不可少的。而是，创造性的主题可以存在于少于特定公开实施例的所有特征中。从而，所附权利要求在此处被并入具体实施方式中作为示例或实施例，且每个权利要求作为单独实施例而独立成立，且预期这种实施例可以用各种组合或排列的方式来彼此结合。本发明的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所具有的完全等价范围来确定。
Claims (20)
1.一种用于响应于使用指定激励频率范围的激励来从样本获得发射的方法，所述方法包括：
使用数模转换器“DAC”来生成指定的啁啾波形和指定的下变频本地振荡器“LO”频率；
通过将所述啁啾波形与指定的上变频LO频率进行混频将所述啁啾波形进行上变频；
对上变频的啁啾波形进行倍频，以提供用于激励所述样本的啁啾激励信号；
接收来自所述样本的发射，所述发射至少部分由所述啁啾激励信号诱导出；以及
通过将接收到的发射与基于所述指定的下变频LO信号的信号进行混频，对接收到的发射进行下变频，以提供在模数转换器“ADC”的带宽中的下变频的发射信号，
其中，生成所述指定的啁啾波形包括：生成在第一持续时间期间的第一啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形，所述第一啁啾波形和所述第二啁啾波形包括至少部分基于所述ADC的带宽指定的相应带宽，以及包括与指定的激励频率范围相对应的总带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：估计与指定的激励频率范围相对应的第一频谱，包括使用与在所述第一持续时间和所述第二持续时间的至少一部分期间获得的相应发射相对应的信息。
3.根据权利要求2所述的方法，包括：在生成所述啁啾激励信号之后，生成用于激励所述样本的指定的固定频率；以及
使用与响应于所述啁啾激励信号以及响应于所述指定的固定频率从所述样本获得的发射相对应的信息来估计第二频谱。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在使用所述啁啾激励信号来对所述样本进行相干激励之后，所述指定的固定频率对所述样本的能级跃迁进行调制。
5.根据权利要求3所述的方法，包括：使用估计出的第一频谱和第二频谱来确定信息的相对指示。
6.根据权利要求1所述的方法，包括：接收通过重复所述样本的啁啾激励来获得的相应第一下变频接收发射和第二下变频接收发射；以及
确定根据所述第一下变频接收发射和所述第二下变频接收发射来获得的信息的集中趋势。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发射包括来自样本的自由感应衰减发射，所述样本包括气态核素。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述指定的啁啾波形包括使用任意波形发生器“AWG”的第一通道；
其中，生成所述指定的下变频LO频率包括使用AWG的第二通道；以及
将所述发射信号下变频包括使用亚谐波混频器，所述亚谐波混频器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口被配置为接收基于所述指定的下变频LO频率的信号，所述第二端口被配置为接收所述发射，以及所述第三端口被配置为提供在所述ADC的带宽内的下变频发射信号。
9.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述指定的下变频LO频率进行上变频并对上变频的输出进行倍频，以提供基于所述下变频LO频率的信号；
其中，对所述发射进行下变频包括使用基本模式混频器，所述基本模式混频器包括被配置为接收基于所述下变频LO频率的信号和所述发射的单个输入端口、以及被配置为提供下变频的发射信号的第二端口；以及
其中，基于LO频率的信号经由与所述啁啾激励信号和所引出的发射相同的空间路径进行传播。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，频率基准包括被配置为至少部分基于原子或分子能级跃迁来提供基准频率的精准振荡器。
11.一种系统，包括：
数模转换器“DAC”，所述DAC耦合到频率基准，并被配置为提供指定的啁啾波形和指定的下变频本地振荡器“LO”频率；
锁相振荡器，所述锁相振荡器耦合到所述频率基准，并被配置为提供指定的上变频LO频率；
第一混频器，所述第一混频器被配置为从所述DAC接收所述指定的啁啾波形以及从所述锁相振荡器接收所述指定的上变频LO频率，且被配置为提供上变频的啁啾波形；
倍频器，所述倍频器被配置为接收上变频的啁啾波形且被配置为提供用于激励样本的啁啾激励信号；以及
第二混频器，所述第二混频器被配置为接收来自所述样本的发射，所述发射至少部分由所述啁啾激励信号诱导出，所述第二混频器被配置为从所述DAC接收所述指定的下变频LO频率，以及被配置为提供在模数转换器“ADC”的带宽中的输出信号；
其中，所述DAC被配置为：生成在第一持续时间期间的第一指定的啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形，所述第一啁啾波形和所述第二啁啾波形包括至少部分基于所述ADC的带宽指定的相应带宽，以及包括与指定的激励频率范围相对应的总带宽。
12.根据权利要求11所述的系统，包括：耦合到所述第二混频器的所述ADC；以及
耦合到所述ADC的处理器，所述处理器被配置为：估计与指定的激励频率范围相对应的第一频谱，包括使用与在所述第一持续时间和所述第二持续时间的至少一部分期间获得的相应发射相对应的信息。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，DAC被配置为在生成所述啁啾激励信号之后，生成用于激励所述样本的指定的固定频率；以及
其中，所述处理器被配置为使用与响应于所述啁啾激励信号以及响应于所述指定的固定频率从所述样本获得的发射相对应的信息来估计第二频谱。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述发射包括来自样本的自由感应衰减发射，所述样本包括气态核素。
15.根据权利要求11所述的系统，包括：包括所述DAC在内的任意波形发生器“AWG”，所述AWG被配置为使用所述AWG的第一通道来生成所述指定的啁啾波形，以及被配置为使用所述AWG的第二通道来生成所述指定的下变频LO频率；以及
其中，所述第二混频器包括亚谐波混频器，所述亚谐波混频器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口被配置为接收基于所述指定的下变频LO频率的信号，所述第二端口被配置为接收所述发射，以及所述第三端口被配置为提供在所述ADC的带宽内的下变频发射信号。
16.根据权利要求11所述的系统，包括：第三混频器，所述第三混频器被配置为将所述指定的下变频LO频率进行上变频以提供上变频的输出；以及
第二倍频器，所述第二倍频器被配置为对上变频的输出进行倍频，以提供基于所述下变频LO频率的信号；
其中，所述第二混频器包括基本模式混频器，所述基本模式混频器包括被配置为接收基于所述下变频LO频率的信号和所述发射的单个输入端口、以及被配置为提供下变频的发射信号的第二端口；以及
其中，基于LO频率的信号经由与所述啁啾激励信号和所引出的发射相同的空间路径进行传播。
17.根据权利要求11所述的系统，包括：所述频率基准，所述频率基准包括被配置为提供至少部分地根据原子或分子能级跃迁来导出的基准频率的精准振荡器。
18.一种处理可读介质，所述处理可读介质包括当由至少一个处理器执行时使得所述处理器执行以下操作的指令：
使用数模转换器“DAC”来生成指定的啁啾波形和指定的下变频本地振荡器“LO”频率；
通过将所述啁啾波形与指定的上变频LO频率进行混频将所述啁啾波形进行上变频；
对上变频的啁啾波形进行倍频，以提供用于激励所述样本的啁啾激励信号；
接收来自所述样本的发射，所述发射至少部分由所述啁啾激励信号诱导出；以及
通过将接收到的发射与基于所述指定的下变频LO信号的信号进行混频，对接收到的发射进行下变频，以提供在模数转换器“ADC”的带宽中的下变频的发射信号，
其中，生成所述指定的啁啾波形包括：生成在第一持续时间期间的第一指定的啁啾波形以及在第二持续时间期间的第二啁啾波形，所述第一啁啾波形和所述第二啁啾波形包括至少部分基于所述ADC的带宽指定的相应带宽，以及包括与指定的激励频率范围相对应的总带宽。
19.根据权利要求18所述的处理器可读介质，包括使得所述处理器执行以下操作的指令：估计与指定的激励频率范围相对应的第一频谱，包括使用与在所述第一持续时间和所述第二持续时间的至少一部分期间获得的相应发射相对应的信息。
20.根据权利要求19所述的处理器可读介质，包括使得所述处理器执行以下操作的指令：
在生成所述啁啾激励信号之后，生成用于激励所述样本的指定的固定频率；以及
使用与响应于所述啁啾激励信号以及响应于所述指定的固定频率从所述样本获得的发射相对应的信息来估计第二频谱。
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