CN107272298B - 一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置及使用方法，属于检测装置技术领域。本发明利用了单色的近红外超快激光与石英片晶体相互作用，从而产生大气透射窗口波段(300nm～11700nm)的超连续谱辐射。本发明由驱动光源、滤波器、整波器、聚焦镜、石英片晶体和准直镜组成，先利用滤波器和整波器从驱动光源中选择出光束质量优良的1030nm波段的单色驱动激光，通过聚焦镜汇聚合束于石英片晶体，并与石英片晶体相互作用产生大气透射窗口波段(300nm～1700nm)的超连续谱辐射，然后利用准直镜将锥形辐射的超连续谱辐射进行收集并准直输出。
Description
技术领域
本发明属于检测装置技术领域，具体是涉及一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置及使用方法。
背景技术
大气层由氮、氧、二氧化碳及其它稀有气体和水汽、尘埃组成。电磁波通过大气时，那些透射率高的波段成为大气窗口(atmospheric window)，由于地球大气中的各种粒子对辐射的吸收和反射，只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地面。不同的大气透射窗口对应于不同的光谱范围，因此选用合适的大气透射窗口和传感器对于提高探测质量十分重要。电磁波在穿过大气时，会受到大气对电磁波的吸收和散射影响，从而使透过大气的电磁波能量受到衰减。但是大气对电磁波的吸收和散射影响随电磁波的波长而变化。按所属范围不同分为光学窗口、红外窗口和射电窗口。常用的大气透射窗口主要有：微波波段(0.8～2.5cm)、热红外波段(8～14um)、中红外波段(3.5～5.5um)、可见光和近红外波段(300～1800nm)。其中，可见光透射波段为300～700nm(波长短于300nm的紫外辐射被大气吸收殆尽，其中200～300nm的紫外辐射被大气中的臭氧层吸收，100～200nm的远紫外辐射被氧分子吸收，短于100nm的辐射则是被大气中的氧原子、氧分子、氮原子、氮分子吸收)，而水汽分子是红外辐射的主要吸收体，较强的水汽吸收带位于800nm和1400nm附近，这些吸收带间的空隙便形成一些红外窗口。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，利用了单色的近红外超快激光与石英片晶体的相互作用，从而产生大气透射窗口波段(300nm～1700nm)的超连续谱辐射，具有大气传输损耗小及光谱宽、相干性好等特点，可作为大气传感探测光源或特种气体检测光源。
发明内容
本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置及使用方法，利用了单色的近红外超快激光与石英片晶体的相互作用，从而产生大气透射窗口波段(300nm～1700nm)的超连续谱辐射，具有大气传输损耗小及光谱宽、相干性好等特点，可作为大气传感探测光源或特种气体检测光源。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置，用于检测大气质量，包括依次设置的驱动光源、滤波器、整波器、聚焦镜、石英片晶体和准直镜，所述驱动光源采用近红外飞秒激光器或1030nm的单色激光器或包含1030nm的可调谐激光器，驱动光源输出单色驱动激光；所述滤波器采用选择性透过特定波长1030nm的镀膜玻璃片，且玻璃片采用多层镀膜；所述整波器采用孔径略小于驱动光束的软边光阑，且孔径边缘为毛边；所述石英片晶体采用二氧化硅单一成分的非晶态材料，其微观结构是一种由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络，由于Si-O化学键能很大，结构很紧密，所以透明石英片晶体的光学性能非常优异，在紫外到红外辐射的连续波长范围都有优良的透射比；所述单色驱动激光先经过滤波器频率过滤和整波器空间相位过滤，然后通过聚焦镜汇聚合束于石英片晶体，并与石英片晶体相互作用产生超连续谱辐射，最后设置在石英片晶体后端的准直镜将锥形辐射的超连续谱辐射进行收集并准直输出。
所述装置的使用方法为：
步骤(1)，驱动光源输出单色驱动激光，单色驱动激光射向滤波器，在滤波器的作用下进行频率过滤，去除残留的杂色光，筛选出干净的1030nm的单色驱动激光；
步骤(2)，1030nm的单色驱动激光射向整波器，在整波器的作用下进行空间相位过滤，去除其余方向的杂散光，筛选出干净的基频激光；
步骤(3)，基频激光射向聚焦镜，通过聚焦镜汇聚合束于石英片晶体，并与石英片晶体相互作用产生超连续谱辐射；
步骤(4)，利用准直镜将锥形辐射的超连续谱辐射进行收集，并准直输出到大气样品中，与大气样品相互作用，然后将携带了大气样品成分信息的超连续谱辐射信号进行光谱分析和鉴定，分析出大气样品的成分和含量信息。
本发明具有的有益效果：本发明利用了单色的近红外超快激光与石英片晶体相互作用，从而产生大气透射窗口波段(300nm～11700nm)的超连续谱辐射。产生的超连续谱辐射，可作为大气传感探测光源或特种气体检测光源，由于其输出波段刚好处于大气透射窗口，因此具有大气传输损耗小及光谱宽、相干性好等特点。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2A是本发明超连续谱辐射和大气样品相互作用前的光斑输出图；
图2B是本发明超连续谱辐射和大气样品相互作用后的光斑输出图；
图3是本发明超连续谱辐射和大气样品相互作用前后的光谱输出。
图中：1、驱动光源；2、滤波器；3、整波器；4、聚焦镜；5、石英片晶体；6、准直镜；7、单色驱动激光；8、超连续谱辐射；9、大气样品；10、传感探头；11、光纤传输线；12、OSA光谱仪。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置，如图1所示，应用于大气质量检测实验，包括依次设置的驱动光源、滤波器、整波器、聚焦镜、石英片晶体和准直镜，所述驱动光源采用输出波长为1030nm的近红外飞秒激光器，近红外飞秒激光器输出1030nm的单色驱动激光，所述滤波器采用1030nm带通滤波器，所述整波器采用孔径略小于驱动光束的软边光阑，所述聚焦镜采用焦距为150mm的平凸透镜，所述石英片晶体采用厚度为3mm的平板石英片晶体，所述准直镜采用焦距为100mm的平凸透镜，所述准直镜的后侧设有待测的大气样品，所述大气样品的后侧设有传感探头，传感探头通过光纤传输线与OSA光谱仪相连接。
实验过程如下：近红外飞秒激光器输出1030nm的单色驱动激光，单色驱动激光先经过滤波器频率过滤和整波器空间相位过滤后，筛选出光束质量优良的1030nm波段的单色驱动激光，然后通过聚焦镜汇聚合束于石英片晶体，并与石英片晶体相互作用产生大气透射窗口波段(300nm～1700nm)的超连续谱辐射，最后利用准直镜将锥形辐射的超连续谱辐射进行收集，并准直输出到大气样品中，与大气样品相互作用，传感探头感应接收超连续谱信号，将信号通过光纤传输线传送到OSA光谱仪，OSA光谱仪进行光谱分析和鉴定。
图2A为超连续谱辐射和大气样品相互作用前的光斑输出图，图2B为超连续谱辐射和大气样品相互作用后的光斑输出图，图3中曲线a为超连续谱辐射和大气样品相互作用前的光谱，曲线b为超连续谱辐射和大气样品相互作用后的光谱，由图可知，光斑和光谱发生了明显的变化，通过对比和鉴定光谱成分，可分析出大气样品的成分和含量等信息。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置，用于检测大气质量，包括依次设置的驱动光源、滤波器、整波器、聚焦镜、石英片晶体和准直镜，其特征在于所述驱动光源采用近红外飞秒激光器或1030nm的单色激光器或包含1030nm的可调谐激光器，驱动光源输出单色驱动激光；所述滤波器采用选择性透过特定波长1030nm的镀膜玻璃片，且玻璃片采用多层镀膜；所述整波器采用孔径略小于驱动光束的软边光阑，且孔径边缘为毛边；所述石英片晶体采用二氧化硅单一成分的非晶态材料，其微观结构是一种由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络；所述单色驱动激光先经过滤波器频率过滤和整波器空间相位过滤，然后通过聚焦镜汇聚合束于石英片晶体，并与石英片晶体相互作用产生超连续谱辐射，最后设置在石英片晶体后端的准直镜将锥形辐射的超连续谱辐射进行收集并准直输出；
所述聚焦镜采用焦距为150mm的平凸透镜；
所述石英片晶体采用厚度为3mm的平板石英片晶体；
所述准直镜采用焦距为100mm的平凸透镜。
2.根据权利要求1所述一种产生大气透射窗口超连续谱辐射的装置，其特征在于所述装置的使用方法为：
步骤（1），驱动光源输出单色驱动激光，单色驱动激光射向滤波器，在滤波器的作用下进行频率过滤，去除残留的杂色光，筛选出干净的1030nm的单色驱动激光；
步骤（2），1030nm的单色驱动激光射向整波器，在整波器的作用下进行空间相位过滤，去除其余方向的杂散光，筛选出干净的基频激光；
步骤（3），基频激光射向聚焦镜，通过聚焦镜汇聚合束于石英片晶体，并与石英片晶体相互作用产生超连续谱辐射；
步骤（4），利用准直镜将锥形辐射的超连续谱辐射进行收集，并准直输出到大气样品中，与大气样品相互作用，然后将携带了大气样品成分信息的超连续谱辐射信号进行光谱分析和鉴定，分析出大气样品的成分和含量信息。
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