CN109540799B - 一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法,其包括如下步骤:利用非线性异步迭代频移的方式,获得两组重复频率有差异的中红外光学频率序列;将两组所述中红外光学频率序列在一个探测器上进行光外差拍频探测,输出的信号经过傅里叶变换后呈现出待测样品的吸收光谱信息。本发明的优点在于:本发明的优点是基于声光调制器的异步迭代频移可以直接形成相干性好的多纵模的光束,不需采用复杂的锁模激光器结构,即可获得具有光频梳特性的光源系统。同时,本发明可以在红外波段实现高速的光谱测量。由于这里光谱测量的分辨率为fAOM,而fAOM通常为100~200MHz在之间,因此,本发明可以保证多普勒极限下的高分辨红外光谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱技术领域,具体涉及的是高分辨红外光谱测量与光外差检测技术。
背景技术
红外高分辨光谱测量技术是光谱学以及分子原子物理学、化学的基础手段,在气体检测、环境监测、遥感等领域有着重要的应用价值。例如,在气体光谱检测中,气体的多普勒加宽为数百兆赫兹(MHz)量级(即皮米量级,pm);大气压下的分子碰撞线型加宽至千兆赫量级。因此,要实现对气相分子光谱的解析,光谱分辨率需小于分子吸收峰线宽(一般在皮米/百兆赫兹量级)。这就对一般的红外光谱系统分辨能力提出了挑战。
目前实现高分辨光谱测量的技术主要有以下几种。
1)基于调谐连续激光器的频率扫描吸收光谱技术(即TDLAS)。该技术通过调谐激光器的波长(或频率),逐次逐点测量分子在不同波长的吸收情况。其测量精度高、分辨率高,但是测量速度极慢,并且不能同时获取宽带光谱范围内的分子吸收峰信息。
2)基于迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱技术(即FTIS)。该技术可以同时获取宽带光谱信息,但是该技术的分辨率受限于干涉仪的移动臂长和仪器的空间物理尺寸,一般分辨率在数百皮米量级;并且其动镜的扫描时间较长,存在着系统引入的仪器线型对分子吸收谱线的扭曲等问题。
3)基于光学频率梳的双光梳光谱技术(DCS)。该技术利用两台重复频率不等的光学频率梳(光梳),分别作为探测光和参考光。探测光与待测样品分子相互作用后,其光场受到吸收分子的调制。调制的探测光与参考光在高速探测器通过光外差过程产生干涉图样的电学信号。该电学信号经过傅里叶变化后,便可揭示分子的吸收光谱信息。该技术具有可以同时获取分子宽带光谱信息,无需机械扫描、快速成谱(毫秒量级),分辨率和测量光谱精度高等特点。其中,该技术的分辨率取决于光梳的重复频率(通常在皮米量级以内)。但是该技术对复杂光源系统,即光频梳系统,依赖较大,并且对两个光源的相对相干性要求极高,因此会导致测量系统庞大、造价高的问题。
综上所述,虽然高分辨光谱测量的实现方案很多,但是在测量速度、分辨率、系统复杂度上都或多或少地存在着技术不足和缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处,提供一种基于异步迭代频移技术的高分辨红外激光光谱测量方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一方面,本发明提供了一种红外高分辨光谱测量装置,其包括中红外连续激光器、检测模块、参比模块、光电探测器和数据采集卡,所述检测模块和参比模块并联于中红外连续激光器和光电探测器之间,所述数据采集卡与光电探测器电连接或通讯连接;所述检测模块和参比模块中均包括分束器和合束器,且检测模块和参比模块共用分束器和合束器,所述分束器与中红外连续激光器光路连接,所述合束器与光电探测器光路连接,所述检测模块还包括沿光路方向依次设置的高功率连续激光器、双色镜、高反镜、第一耦合输入镜、红外声光调制器、第一耦合输出腔镜和气体样品池,所述第一耦合输入镜与分束镜光路连接,所述气体样品池与合束镜光路连接,所述参比模块还包括光路方向依次设置的高功率连续激光器、双色镜、非线性晶体、高反镜、第二耦合输入镜、红外声光调制器和第二耦合输出腔镜,所述第二耦合输入镜与分束镜光路连接,所述第二耦合输出腔镜与合束器光路连接。
作为优选方案,所述双色镜和高反镜之间设有非线性晶体,所述耦合输入镜和耦合输出腔镜之间设有红外声光调制器。
作为优选方案,所述耦合输出腔镜为1%的耦合输出腔镜。
另一方面,本发明提供了一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法,其包括如下步骤:
利用非线性异步迭代频移的方式,获得两组重复频率有差异的中红外光学频率序列;
将两组所述中红外光学频率序列在一个探测器上进行光外差拍频探测,输出的信号经过傅里叶变换后呈现出待测样品的吸收光谱信息。
作为优选方案,所述非线性异步迭代频移是将一个红外连续激光作为种子光注入一个同时具有非线性红外光学增益效应和频率偏移效益的光学谐振腔内;所述种子光通过N次腔内振荡,将产生含有N+1个偏移频率量的纵模序列。
作为优选方案,所述红外连续激光的频率为fcw。
作为优选方案,所述非线性光学增益效应是指基于非线性光参量放大方式在谐振腔内对频移后的红外光信号进行光学功率放大;所述光学频率偏移效应是指在腔内放置一个调制频率为fAOM的红外声光调制器,对注入腔内的种子光产生声光频移效应,获得频率为fcw+fAOM或fcw-fAOM的输出光,且该输出光在谐振腔内循环振荡。
作为优选方案,所述的光外差相干探测技术,是将经过样品后的探测光与参考光在红外光电探测器上产生拍频干涉图样的电信号;该电信号经过傅里叶变换后,可获得相应吸收光谱。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明的优点是基于声光调制器的异步迭代频移可以直接形成相干性好的多纵模的光束,不需采用复杂的锁模激光器结构,即可获得具有光频梳特性的光源系统。同时,本发明可以在红外波段实现高速的光谱测量。由于这里光谱测量的分辨率为fAOM,而fAOM通常为100~200MHz在之间,因此,本发明可以保证多普勒极限下的高分辨红外光谱测量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为迭代频移光学频率梳工作框架图;
图2为迭代频移光学频率梳原理图;
图3为基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法原理图;
图4为本发明的红外高分辨光谱测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图4所示,本发明提供的一种红外高分辨光谱测量装置,其包括中红外连续激光器1、检测模块、参比模块、光电探测器10和数据采集卡11,检测模块和参比模块并联于中红外连续激光器1和光电探测器10之间,数据采集卡11与光电探测器10电连接或通讯连接;检测模块和参比模块中均包括分束器21和合束器22,且检测模块和参比模块共用分束器21和合束器22,分束器21与中红外连续激光器1光路连接,合束器22与光电探测器10光路连接,检测模块还包括沿光路方向依次设置的双色镜6、高反镜7、耦合输入镜3、耦合输出腔镜4和气体样品池9,耦合输入镜3与分束器21光路连接,气体样品池9与合束器22光路连接,参比模块还包括光路方向依次设置的双色镜6、高反镜7、耦合输入镜3和耦合输出腔镜4,耦合输入镜3与分束镜21光路连接,耦合输出腔镜5与合束器22光路连接。
作为优选方案,双色镜6和高反镜7之间设有非线性晶体8,耦合输入镜3和耦合输出腔镜5之间设有红外声光调制器4。
作为优选方案,耦合输出腔镜5为1%的耦合输出腔镜。
本实施例所涉及的具体技术如下所述:
首先是非线性红外异步迭代频移技术。如图1所示,一个红外连续激光(种子光)耦合进入一个带有增益和声光调制器(AOM)的环形腔。腔的输出光具有频率为fcw、fcw+1fAOM,fcw+2fAOM,…,fcw+NfAOM的多纵模特性。其中N为种子光在腔内的振荡次数,由腔内的增益与总损耗共同决定。图2解释了腔内光频率迭代的过程。一个频率为fcw的光,进过AOM后,产生频率为fcw和fcw+1fAOM的光,即完成一次迭代。其中新产生的光的1%由耦合输出腔镜输出。其余的99%的光信号经过一个增益后,被放大,并再次经过AOM,即进入下一个迭代周期,同时产生频率为fcw、fcw+1fAOM,fcw+2fAOM的光信号。以此类推,N次迭代后的输出信号包含了频率成分为fcw、fcw+fAOM,…,fcw+NfAOM。
所述的腔内非线性增益,是由强泵浦光作用下的光参量放大技术实现。在该技术中,泵浦光(光频率为fpump)与信号光(fcw)在一块非线性晶体中发生作用,其结果是,泵浦光功率减弱,信号光功率被放大,同时产生频率为fidler(=fpump-fcw)的闲置光。
其次是光外差相干拍频探测技术(图3所示)。分别产生两组迭代光频序列,且具有不同的AOM调制频率,即fAOM1-fAOM2(为一个相对于fAOM1或fAOM2的微小量)。两个光序列,空间重合后,被一个平方律探测器所探测。此时,两束光在探测器上发生多频率间的光外差拍频;其中,两束光中的fcw成分相差,产生一个零频信号;fcw+fAOM成分之间相差,产生一个fAOM1-fAOM2的频率信号;依此类推,可以产生至频率为N(fAOM1-fAOM2)的信号。通过该方式,原本处在光频率段的信号fcw,…,fcw+NfAOM,就被转换到了射频段,即0,fAOM1-fAOM2,…,N(fAOM1-fAOM2)。该射频信号可以被电子设备精确、高速地测定。其中,射频信号以时间干涉图纹的形式出现,干涉图的重复周期取决于两个AOM的频率差fAOM1-fAOM2。该方法类似于现有的异步光学取样、双光梳光谱探测等技术。
所述方法的单次光谱测量宽度由系数NfAOM决定。通常增益腔的N可达104,红外AOM的工作波段一般为100-200MHz,因此,该方法单次测量光谱宽度可达1-2THz。
具体实施如下:
本实施例(图4)中,种子光源为3.3um波段的量子级联激光器1(CW),经过50:50的分束器21后,通过耦合镜3分别进入上下两个迭代频移环形腔。激光进入上环形腔后,先受到声光调制器4的调制作用,产生频率为fcw+fAOM偏移光信号;然后经过耦合输出器5,1%的激光输出,99%的激光进入谐振腔的放大部分。该放大器由双色镜6,1064nm高功率连续激光器12,非线性晶体8组成。在光参量放大过程中,1064nm连续激光为泵浦光,3.3um光为信号光,并在非线性晶体(周期性极化的铌酸锂晶体,PPLN)中被放大,同时产生1570nm的闲散光。迭代频移环形腔中的AOM,其驱动频率分别为100MHz与100MHz+1kHz。
迭代频移环形腔的输出光一路经过气体样品池(如甲烷),并与另一个迭代频移环形腔的输出光在合束器22上空间重合,然后在一个红外探测器上产生拍频信号。该信号被数据采集设备11所记录,并被用于傅里叶变换,呈现相应的光谱信息。光谱的测量速度取决于两个AOM的频率差,即1kHz。光谱分辨率取决于AOM的驱动频率,即100MHz(约1pm)。
由此,整个方案提出的基于异步迭代频移技术的高分辨红外激光光谱测量方法不仅可以实现红外波段的快速成谱,同时还可以实现高精度、高分辨率的光谱测量。
本系统的最大特点和优点就在于利用异步迭代频移技术和光外差拍频探测技术克服了传统机械运动扫描效率低下、光梳光谱仪系统庞大复杂、频率扫描光谱成谱速度慢等问题,为红外气相分子光谱解析提供了一种新的高速和高分辨的技术途径。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.一种红外高分辨光谱测量装置,其特征在于,包括中红外连续激光器、检测模块、参比模块、光电探测器和数据采集卡,所述检测模块和参比模块并联于中红外连续激光器和光电探测器之间,所述数据采集卡与光电探测器电连接或通讯连接;所述检测模块和参比模块中均包括分束器和合束器,且检测模块和参比模块共用分束器和合束器,所述分束器与中红外连续激光器光路连接,所述合束器与光电探测器光路连接,所述检测模块还包括沿光路方向依次设置的高功率连续激光器、上迭代频移环形腔和气体样品池;上迭代频移环形腔由双色镜、周期极化铌酸锂非线性晶体、高反镜、第一耦合输入镜、第一红外声光调制器和第一耦合输出腔镜组成;所述第一耦合输入镜与分束镜光路连接,所述第一耦合输出腔 镜与气体样品池光路连接,所述气体样品池与合束镜光路连接;所述参比模块还包括光路方向依次设置的高功率连续激光器和下迭代频移环形腔;所述下迭代频移环形腔由双色镜、周期性极化的铌酸锂晶体、高反镜、第二耦合输入镜、第二红外声光调制器和第二耦合输出腔镜组成;所述第二耦合输入镜与分束镜光路连接,所述第二耦合输出腔镜与合束器光路连接;
其中,种子光源经过分束器后,通过第一耦合输入镜和第二耦合输入镜分别进入上下两个迭代频移环形腔,激光进入上迭代频移环形腔和下迭代频移环形腔后,先受到第一声光调制器和第二声光调制器的调制作用,产生频率为fcw+fAOM偏移光信号;然后经过第一耦合输出腔镜和第二耦合输出腔镜,1%的激光输出,99%的激光留在环形腔内,参与光参量放大过程;在光参量放大过程中,1064nm连续激光为泵浦光,3.3μ m光为信号光,并在周期极化铌酸锂非线性晶体中被放大,同时产生1570nm的闲散光,上迭代频移环形腔和下迭代频移环形腔中的第一红外声光调制器和第二红外声光调制器,其驱动频率分别为100MHz与100MHz+1kHz。
2.如权利要求1所述的红外高分辨光谱测量装置,其特征在于,所述第一耦合输出腔镜和第二耦合输出腔镜为1%的耦合输出腔镜。
3.一种基于权利要求1或2所述红外高分辨光谱测量装置的红外高分辨光谱测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
利用非线性异步迭代频移的方式,获得两组重复频率有差异的中红外光学频率序列;
将两组所述中红外光学频率序列在一个探测器上进行光外差拍频探测,输出的信号经过傅里叶变换后呈现出待测样品的吸收光谱信息;
所述非线性异步迭代频移是将一个红外连续激光作为种子光注入一个同时具有非线性红外光学增益效应和频率偏移效益的光学谐振腔内;所述种子光通过N次腔内振荡,将产生含有N+1个偏移频率量的纵模序列;
所述非线性红外光学增益效应是指基于非线性光参量放大方式在谐振腔内对频移后的红外光信号进行光学功率放大;所述光学频率偏移效应是指在腔内放置一个调制频率为fAOM的红外声光调制器,对注入腔内的种子光产生声光频移效应,获得频率为fcw+fAOM或fcw-fAOM的输出光,且该输出光在谐振腔内循环振荡。
4.如权利要求3所述的红外高分辨光谱测量装置的红外高分辨光谱测量方法,其特征在于,所述的光外差拍频探测,是将经过样品后的探测光与参考光在红外光电探测器上产生拍频干涉图样的电信号;该电信号经过傅里叶变换后,可获得相应吸收光谱。
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