CN110553992A - 一种红外光谱高速测量系统及方法 - Google Patents
一种红外光谱高速测量系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110553992A CN110553992A CN201910737413.0A CN201910737413A CN110553992A CN 110553992 A CN110553992 A CN 110553992A CN 201910737413 A CN201910737413 A CN 201910737413A CN 110553992 A CN110553992 A CN 110553992A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- comb
- spectrum
- sample
- measurement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 117
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 22
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims abstract description 85
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 58
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 58
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 53
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 33
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 33
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 26
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 16
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 13
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 7
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 claims description 6
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 claims description 6
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 27
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 238000001157 Fourier transform infrared spectrum Methods 0.000 description 6
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 1
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000013626 chemical specie Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000002044 microwave spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001845 vibrational spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种红外光谱高速测量系统及方法，属于红外光谱分析领域，该测量系统包括光频率梳源模块、光学模块、探测与数据采集模块、数据处理模块和控制模块。本发明具备非常宽的光谱测量范围，同时兼顾了测量时间和光谱分辨率，可满足时间分辨率光谱分析的应用需求；可通过更换为太赫兹工作波段的光频率梳源、光路器件、探测器等，实现太赫兹波段的时间分辨光谱测量；无需运动部件或调谐处理等手段实现光谱分光，直接采用双频率梳拍频方式的光学光谱扫描方式，单次即可获取全波段的超高分辨率光谱信息，天生具备超高测量速度的优势，采用本发明技术的光谱分析系统的测量速度，主要受到电子学探测链路等的影响。
Description
技术领域
本发明属于红外光谱分析领域，具体涉及一种红外光谱高速测量系统及方法。
背景技术
红外光谱又称分子振动光谱，属于分子吸收光谱。当一束连续波长的红外光照射物质时，物质会吸收一部分光能来实现自己转动或振动能级的跃迁，不同的基团，跃迁需要的能量不同，所以被吸收的波段通过一定的手段记录下来，得到红外光谱，通过与标准谱图比较，通过官能团与波长的一一对应关系，可实现物质的定量与定性分析，如用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法等。
超高速红外光谱测量技术，又称时间分辨率光谱测量，是在传统光谱学的基础上由光脉冲技术和微弱、瞬变光信号检测方法相结合而发展起来的一个新兴领域。时间分辨光谱的基本任务是实时检测分子在某些物理、化学过程或特定的生命活动中所呈现的瞬间结构、状态及其运动变化的微观步骤，从而在分子水平上揭示相关物质体系的各种物理性能、化学行为以及生命现象的奥秘，进而为寻求调节或控制这些分子过程的有效途径提供科学启示和实验依据。它能够在微秒至毫秒，或更短的时间范围内，完成一次红外光谱测量。通过记录到的光谱随时间的变化，了解在瞬时过程中的发生的事件和过程，从而得到普通光谱(积分光谱)中无法得到的信息。它是一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱，主要用于满足化学、生物、集成芯片材料、特种功能新材料等领域的瞬变态过程及瞬变产物研究。
现有的超高红外光谱测量技术，大致可分为三类：可调谐红外激光测量技术、色散红外测量技术、傅里叶变换红外光谱测量技术。色散红外测量技术需要通过多次重复测量，才能得到包含不同波长的系列测量数据。该技术很难兼顾测量时间和光谱分辨率；可调谐红外激光测量技术，随着可调谐激光器技术的发展，可实现5μm～10μm波段的测量，并且与傅里叶和色散测量技术相比，具备更高的信噪比。测量特定波长数据，采用该技术优势明显。该技术也存在难以兼顾测量时间和光谱分辨率的问题；目前使用较多的是从20世纪70年代开展研究，到80年代才付诸实际应用的时间分辨率傅里叶变换红外光谱技术。目前投入使用的大概可以分为三类：第一类是采用传统的傅里叶变换红外光谱测量技术，可实现秒级的测量速度，只能满足很少的应用需求；第二类是采用快速扫描技术的傅里叶变换红外光谱测量技术，可实现最快毫秒量级的测量速度。第三类是采用步进扫描技术的傅里叶变换红外光谱测量技术，通过不断重复试验过程，通过非常多次的重复测量重构干涉图，测量过程十分繁琐复杂，极易引入各种测量缺陷，测量可靠性比较差，目前，交流耦合的傅里叶变换红外光谱测量技术可实现最快10纳秒的时间分辨率，直流耦合的傅里叶变换红外光谱测量技术可实现最快3微秒的时间分辨率，采用此种技术时，光谱分辨率降低很多。但受其工作原理和光源的限制，傅里叶变换中红外光谱仪存在时间分辨率低、高光谱分辨率时信噪比低、测量过程繁琐且极易出错等缺点。这极大的限制了中外光谱仪在反应动力学、光催化、蛋白质折叠等学科的应用。如采用步进扫描方式，实现超高速红外光谱测试时，光谱分辨率只有16cm-1或更低，难以达到低速测量时的0.4cm-1以及0.15cm-1的光谱分辨率，这就限制了很多研究工作的开展。
因此，现有超高红外光谱测量技术存在难以兼顾测量时间和光谱分辨率、测量范围受限、测量信噪比低等问题，这就限制了化学、生物、集成芯片材料、特种功能新材料等领域的瞬变态过程及瞬变产物等领域研究工作的开展。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种红外光谱高速测量系统及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种红外光谱高速测量系统，包括光频率梳源模块、光学模块、探测与数据采集模块、数据处理模块和控制模块；
光频率梳源模块，包含光源梳和本振梳，被配置为用于产生光源梳信号光和本振梳信号光；
光源梳，被配置为用于产生待测样品的红外光谱测量所需的光源梳信号光；
本振梳，被配置为用于产生本振梳信号光，以与光源梳信号光产生多外差拍频信号，完成待测样品的红外光谱测量；
光学模块，包含第一准直透镜、第一分束镜、第一反射镜、第一合束镜、第二反射镜、第一中性衰减片、第一会聚透镜、样品室、第二准直透镜、第二分束镜、第二合束镜、第二中性衰减片、第二会聚透镜，被配置为用于将输入的光源梳信号光和本振梳信号光，经过包括准直、分束、合束在内的光学元件的处理，产生两路多外差拍频信号光，将其中一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路多外差拍频光作为参考光不经过待测样品，并将测量光和参考光分别会聚到具备相同结构的两个独立探测链路上；
第一准直透镜，被配置为用于光源梳信号光的准直，产生准直光；
第一分束镜，被配置为用于将经准直的光源梳信号光，均分为两束相同的准直光源梳信号光；
第一反射镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的其中一束光源梳信号光，反射到第一合束镜；
第一合束镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的其中一束光源梳信号光，与第二分束镜均分产生的其中一束本振梳信号光合束，产生多外差拍频信号光，用作待测样品红外光谱测量的参考光；
第二反射镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的另外一束光源梳信号光，反射到样品室，并经过待测样品后，出射到第二合束镜，从而携带待测样品的吸收谱/透过谱信息；
第一中性衰减片，被配置为用于对第一合束镜产生的、用作参考光的多外差拍频信号光，进行光强度衰减和宽带光谱滤波，以将参考光的功率调整到探测器工作范围内，以及消除带外光谱的干扰，改善光谱测量精度；
第一会聚透镜，被配置为用于将经过第一中性衰减片、用作参考光的多外差拍频信号光，会聚到第一探测链路的红外探测器上，以完成光电转换；
样品室，被配置为用于放置待测样品，并允许第二反射镜反射的光源梳信号光，经过样品室后，携带待测样品的吸收谱/透过谱信息，到达第二合束镜；
第二准直透镜，被配置为用于本振梳信号光的准直，产生准直光；
第二分束镜，被配置为用于将经准直的本振梳信号光，均分为两束相同的准直本振梳信号光；
第二合束镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的另外一束光源梳信号光，与第二分束镜均分产生的另外一束本振梳信号光合束，产生多外差拍频信号光，用作样品红外光谱测量的测量光；
第二中性衰减片，被配置为用于对第二合束镜产生的、用作测量光的多外差拍频信号光，进行光强度衰减和宽带光谱滤波，以将测量光的功率调整到探测器工作范围内，以及消除带外光谱的干扰，改善光谱测量精度；
第二会聚透镜，被配置为用于将经过第二中性衰减片、用作测量光的多外差拍频信号光，会聚到第二探测链路的红外探测器上，以完成光电转换；
探测与数据采集模块，含第一探测链路和第二探测链路，被配置为用于将包含待测样品信息作为测量光和参考光的多外差拍频信号光转换为电子学数字采样数据；
第一探测链路，被配置为用于将作为参考光的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；
第二探测链路，被配置为用于将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；
数据处理模块，被配置为将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光的电子学数字采样数据，以及作为参考光的多外差拍频光的电子学数字采样数据，分别经包括小波分析在内的处理，反演得到包含待测样品信息的测量光谱数据以及参考光谱数据，并依据郎伯-比尔定理，将测量光谱数据和参考光谱数据进行包括相除在内的处理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的信息，并进行后续处理；
控制模块，被配置为用于控制整个光谱分析系统的工作；
采用两个存在频差Δf的光频率梳，其中一个光频率梳作为本振梳，另一个光频率梳作为测量的光源梳；本振梳和光源梳的输出信号，经包括准直、分束、合束在内的光学元件的处理，产生两路相同的多外差拍频光，并让一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路多外差拍频光作为参考光不经过待测样品，分别进入对应的探测链路；探测链路输出的一路测量多外差拍频采样数据和一路参考多外差拍频采样数据，经包括小波变换在内的处理，反演得到包含待测样品光谱信息的测量光谱数据和参考光谱数据，然后根据郎伯-比尔定理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的光谱信息，用于后续处理。
优选地，本振梳和光源梳间存在微小的频差Δf，并且频差Δf要远小于本振梳和光源梳的重复频率。
优选地，光源梳和本振梳，采用使用四波混频效应作为锁相机制的宽带量子级联激光器生成的中红外波段光频率梳。
优选地，该红外光谱高速测量系统，采用双光频率梳多外差拍频原理，能实现5μm～12μm中红外波段、微秒级测量时间和优于1cm-1光谱分辨率的红外光谱高速测量。
此外，本发明还提到一种红外光谱高速测量方法，该方法采用如上所述的一种红外光谱高速测量系统，包括如下步骤：
步骤1：光频率梳源模块中的光源梳，产生光源梳信号光；光频率梳源模块中的本振梳，产生本振梳信号光；
步骤2：光源梳产生的光源梳信号光，进入光学模块，首先经第一准直透镜准直，然后经第一分束镜分为两束光，分别传输至第一反射镜和第二反射镜；
步骤3：本振梳产生的本振梳信号光，进入光学模块，首先经第二准直透镜准直，然后经第二分束镜分为两束光，分别传输至第一合束镜和第二合束镜；
步骤4：将步骤2中传输至第二反射镜的光源梳信号光作为测量光，经第二反射镜反射后进入样品室，然后传输至第二合束镜；
步骤5：步骤3中传输至第二合束镜的光与步骤4中传输至第二合束镜，经第二合束镜合束，产生包含待测样品光谱信息的多外差拍频信号光，进入第二中性衰减片，经第二中性衰减片衰减后进入第二会聚透镜，经第二会聚透镜会聚后，被探测与数据采集模块中的第二探测链路接收，转换为电子学数据采样数据；
步骤6：将步骤2中传输至第一反射镜的光作为参考光，经第一反射镜反射后进入第一合束镜；
步骤7：步骤3中传输至第一合束镜的光与步骤6中传输至第一合束镜的光，经第一合束镜合束，产生不受待测样品影响的多外差拍频信号光；进入第一中性衰减片，经第一中性衰减片衰减后进入第一会聚透镜，经第一会聚透镜会聚后，被探测与数据采集模块中的第一探测链路接收，转换为电子学数据采样数据；
步骤8：第二探测链路输出的用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光的电子学数字采样数据和第一探测链路输出的作为参考光的多外差拍频光的电子学数字采样数据，经数据处理模块处理后，反演得到包含待测样品信息的测量光谱数据以及参考光谱数据，实现待测样品的超高速红外光谱测量；
步骤9：依据郎伯-比尔定理，将测量光谱数据和参考光谱数据进行包括相除在内的处理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的信息，并进行后续处理。
本发明所带来的有益技术效果：
1、本发明提出了基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，可实现5μm～12μm中红外波段、微秒级测量时间和优于1cm-1光谱分辨率的红外光谱测量，具备非常宽的光谱测量范围，同时兼顾了测量时间和光谱分辨率，可满足时间分辨率光谱分析的应用需求；
2、本发明提出的基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，可通过更换为太赫兹波段的光频率梳源、光路器件、探测器等，实现太赫兹波段的时间分辨光谱测量；
3、本发明提出的基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，其光谱测量范围、光谱分辨率等，主要受所用光频梳相关指标的影响，基于光频率梳的独特优势，能够实现多频谱波段的宽光谱测量范围、超高光谱分辨率的光谱测量；
4.本发明提出的基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，通过存在频率差的两个光频率梳产生的多外差拍频信号，经过待测样品即可获取相关的光谱信息，与现有时间分辨率傅里叶光谱测量技术、可调谐红外激光测量技术、色散红外测量技术等相比，无需运动部件或调谐处理等手段实现光谱分光，直接采用双频率梳拍频方式的光学光谱扫描方式，单次即可获取全波段的超高分辨率光谱信息，天生具备超高测量速度的优势，采用本发明技术的光谱分析系统的测量速度，主要受到电子学探测链路等的影响。
附图说明
图1为本发明一种红外光谱高速测量系统原理图；
其中：1-光频率梳源模块；101-光源梳；102-本振梳；2-光学模块；201-第一准直透镜；202-第一分束镜；203-第一反射镜；204-第一合束镜；205-第二反射镜；206-第一中性衰减片；207-第一会聚透镜；208-样品室；209-第二准直透镜；210-第二分束镜；211-第二合束镜；212-第二中性衰减片；213-第二会聚透镜；3-探测与数据采集模块；301-第一探测链路；302-第二探测链路；4-数据处理模块；5-控制模块；
图2为本发明光频梳的生成原理框图；
其中，a-射频驱动模块；b-电流控制模块；c-量子级联激光器；d-温控模块；e-光频率梳信号。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
如图1所示，一种红外光谱高速测量系统，包括1-光频率梳源模块；2-光学模块；3-探测与数据采集模块；4-数据处理模块；5-控制模块。
光频率梳源模块1，包含101-光源梳、102-本振梳，需要考虑以下因素：
(1)本振梳和光源梳间存在微小的频差Δf，并且频差Δf要远小于本振梳和光源梳的重复频率；
(2)本发明所用本振梳和光源梳，采用使用四波混频效应作为锁相机制的宽带量子级联激光器生成的中红外波段的光频率梳，原理如下：采用InGaAs/InAlAs结构的宽带量子级联激光器，具备有效锁相所需的平坦的宽波段增益以及非常低的群速色散，通过加载在量子级联激光器偏置电流上的射频调制信号，改变激光器工作介质能级跃迁对应的增益恢复时间，增加上能级生命周期时间，激发四波混频效应引入量子级联激光器的锁相机理，结合短增益恢复时间的量子级联激光器，由数十个相邻腔模的抑制引起的、大的多模间隔源于激光器中的粒子反转的时间调制而引起的对增益的参量贡献，表现出类似调频激光器的相位特征，从而形成了自启动谐波的量子级联激光频率梳，所用量子级联激光器的腔长为6mm，对应的梳线间隔约为7.5GHz(0.25cm-1)。量子级联激光器的控制原理框图如附图2所示，其中射频驱动模块a引入四波混频效应，形成宽波段量子级联激光器c的锁相；温控模块d通过控制频率梳的温度，校正频率梳线频率波动所引起的多外差拍频的缓慢频率漂移；电流控制模块b用于微调量子级联激光频率梳线的频率，进而在双频率梳多外差拍频光谱测量应用中，控制本振梳和光源梳间的频率差以及频率重叠范围；最终输出光频率梳信号e。
光频率梳源模块1，包含光源梳101、本振梳102，被配置为产生存在频率差Δf的光源梳信号光和本振梳信号光；
光学模块2，包含第一准直透镜201、第一分束镜202、第一反射镜203、第一合束镜204、第二反射镜205、第一中性衰减片206、第一会聚透镜207、样品室208、第二准直透镜209、第二分束镜210、第二合束镜211、第二中性衰减片212、第二会聚透镜213，被配置为将输入的光源梳信号光和本振梳信号光，经过准直、分束、合束等光学元件的处理，产生两路多外差拍频信号光，并让一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路多外差拍频光作为参考光不经过待测样品，并将测量光和参考光分别会聚到具备相同结构的两个独立探测链路上；
探测与数据采集模块3，包含第一探测链路301、第二探测链路302，被配置为将多外差拍频信号光转换为电子学数字采样数据。其中第一探测链路301用于将作为参考光的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；第二探测链路302用于将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；
数据处理模块4，被配置为将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光的电子学数字采样数据，以及作为参考光的多外差拍频光的电子学数字采样数据，分别经小波分析等处理，反演得到包含待测样品信息的测量光谱数据、以及参考光谱数据，并依据郎伯-比尔定理，将测量光谱数据和参考光谱数据经相除等处理过程，得到待测样品的吸收谱/透过谱等信息，并进行后续处理；
控制模块5，被配置为控制整个光谱分析系统的工作；
本发明提出的红外光谱高速测量系统的工作流程如下：进行高速红外光谱测量，以获取待测样品的时间分辨光谱数据时，光谱测量系统如图1所示，在控制模块5的控制下，对于测量光路，光频率梳源模块1中存在频率差Δf的光源梳101和本振梳102产生的光频率梳信号光，光源梳101的出射光，进入光学模块2，首先经第一准直透镜201准直，然后经第一分束镜202分为两束光，其中一束作为测量光，经第二反射镜205进入样品室208，出射后，到达第二合束镜211，与本振梳102的出射光，经第二准直透镜209准直，然后经第二分束镜210分为两束光中，到达第二合束镜211的那束光，产生包含待测样品光谱信息的多外差拍频信号光，然后经第二中性衰减片212衰减和光谱带通滤波后，经第二会聚透镜213会聚后，被探测与数据采集模块3中的302-第二探测链路接收，转换为电子学数据采样数据；对于参考光路，光频率梳源模块1中存在频率差Δf的光源梳101和本振梳102产生的光频率梳信号光，光源梳101的出射光，进入光学模块2，首先经第一准直透镜201准直，然后经第一分束镜202分为两束光，其中一束作为参考光，经第二反射镜203到达第一合束镜204，与本振梳102的出射光，经第二准直透镜209准直，然后经第二分束镜210分为两束光中到达第一合束镜204的那束光，产生不受待测样品影响的多外差拍频信号光，然后经第一中性衰减片206衰减和光谱带通滤波后，经第一会聚透镜207会聚后，被探测与数据采集模块3中的301-第一探测链路接收，转换为电子学数据采样数据；探测与数据采集模块3中两路探测链路，输出的一路测量多外差拍频采样数据和一路参考多外差拍频采样数据，经数据处理模块4处理后，便可实现待测样品的超高速红外光谱测量。样品室208放置在运动平台上，并可移出光路。光谱测量系统需要性能测试及调试时，则将GaAs标准具放置到运动平台，并引入光学模块2中的光路中。
本发明提出的红外光谱高速测量系统，采用双光频率梳多外差拍频原理，可实现5μm～12μm中红外波段、微秒级测量时间和优于1cm-1光谱分辨率的红外光谱高速测量，并且具备非常宽的光谱测量范围，同时兼顾了测量时间和光谱分辨率，可满足时间分辨率光谱分析的应用需求。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明提出一种红外光谱高速测量方法，包括如下步骤：
步骤1：采用两个存在频差Δf的光频率梳，其中一个光频率梳作为本振梳，另一个光频率梳作为测量的光源梳；
步骤2：本振梳和光源梳的输出信号，经光学元件的准直、分束、合束等处理，产生两路相同的多外差拍频光，并让一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路多外差拍频光作为参考光不经过待测样品，分别进入对应的探测链路；
步骤3：探测链路输出的一路测量多外差拍频采样数据和一路参考多外差拍频采样数据，经小波变换等处理，反演得到包含待测样品光谱信息的测量光谱数据和参考光谱数据，然后根据郎伯-比尔定理得到待测样品的吸收谱/透过谱等光谱信息，用于后续处理。
本发明的红外光谱高速测量技术的原理如下：
采用双频率梳多外差拍频方法，采用一个光频率梳作为本振梳，另一个光频率梳作为测量的光源梳，这两个频率梳的梳线间存在频率差Δf，两个频率梳的信号光合束时，会产生多外差拍频光，并让一路多外差拍频光经过待测样品，另一路多外差拍频光不经过待测样品，然后分别被不同的红外光电探测器接收，经过探测及数据处理等环节，即可得到待测样品的光谱数据，从而可实现待测样品的微秒级测量时间和优于1cm-1光谱分辨率的红外光谱参数测量。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种红外光谱高速测量系统，其特征在于：包括光频率梳源模块、光学模块、探测与数据采集模块、数据处理模块和控制模块；
光频率梳源模块，包含光源梳和本振梳，被配置为用于产生光源梳信号光和本振梳信号光；
光源梳本振梳，被配置为用于产生待测样品的红外光谱测量所需的光源梳信号光；
本振梳，被配置为用于产生本振梳信号光，以与光源梳信号光产生多外差拍频信号，完成待测样品的红外光谱测量；
光学模块，包含第一准直透镜、第一分束镜、第一反射镜、第一合束镜、第二反射镜、第一中性衰减片、第一会聚透镜、样品室、第二准直透镜、第二分束镜、第二合束镜、第二中性衰减片、第二会聚透镜，被配置为用于将输入的光源梳信号光和本振梳信号光，经过包括准直、分束、合束在内的处理，产生两路多外差拍频信号光，将其中一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路多外差拍频光作为参考光不经过待测样品，并将测量光和参考光分别会聚到具备相同结构的两个独立探测链路上；
第一准直透镜，被配置为用于进行光源梳信号光的准直，产生准直光；
第一分束镜，被配置为用于将经准直的光源梳信号光，均分为两束相同的准直光源梳信号光；
第一反射镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的其中一束光源梳信号光，反射到第一合束镜；
第一合束镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的其中一束光源梳信号光，与第二分束镜均分产生的其中一束本振梳信号光合束，产生多外差拍频信号光，用作待测样品红外光谱测量的参考光；
第二反射镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的另外一束光源梳信号光，反射到样品室，并经过待测样品后，出射到第二合束镜，从而携带待测样品的吸收谱/透过谱信息；
第一中性衰减片，被配置为用于对第一合束镜产生的、用作参考光的多外差拍频信号光，进行光强度衰减和宽带光谱滤波，以将参考光的功率调整到探测器工作范围内；
第一会聚透镜，被配置为用于将经过第一中性衰减片、用作参考光的多外差拍频信号光，会聚到第一探测链路的红外探测器上，以完成光电转换；
样品室，被配置为用于放置待测样品，并允许第二反射镜反射的光源梳信号光，经过样品室后，携带待测样品的吸收谱/透过谱信息，到达第二合束镜；
第二准直透镜，被配置为用于本振梳信号光的准直，产生准直光；
第二分束镜，被配置为用于将经准直的本振梳信号光，均分为两束相同的准直本振梳信号光；
第二合束镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的另外一束光源梳信号光，与第二分束镜均分产生的另外一束本振梳信号光合束，产生多外差拍频信号光，用作样品红外光谱测量的测量光；
第二中性衰减片，被配置为用于对第二合束镜产生的、用作测量光的多外差拍频信号光，进行光强度衰减和宽带光谱滤波，以将测量光的功率调整到探测器工作范围内；
第二会聚透镜，被配置为用于将经过第二中性衰减片、用作测量光的多外差拍频信号光，会聚到第二探测链路的红外探测器上，以完成光电转换；
探测与数据采集模块，含第一探测链路和第二探测链路，被配置为用于将包含待测样品信息作为测量光和参考光的多外差拍频信号光转换为电子学数字采样数据；
第一探测链路，被配置为用于将作为参考光的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；
第二探测链路，被配置为用于将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；
数据处理模块，被配置为将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光的电子学数字采样数据，以及作为参考光的多外差拍频光的电子学数字采样数据，分别经包括小波分析在内的处理，反演得到包含待测样品信息的测量光谱数据以及参考光谱数据，并依据郎伯-比尔定理，将测量光谱数据和参考光谱数据进行包括相除在内的处理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的信息，并进行后续处理；
控制模块，被配置为用于控制整个光谱分析系统的工作；
采用两个存在频差Δf的光频率梳，其中一个光频率梳作为本振梳，另一个光频率梳作为测量的光源梳；本振梳和光源梳的输出信号，经包括准直、分束、合束在内的光学元件的处理，产生两路相同的多外差拍频光，并让一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路作为参考光多外差拍频不经过待测样品，分别进入对应的探测链路；探测链路输出的一路测量多外差拍频采样数据和一路参考多外差拍频采样数据，经包括小波变换在内的处理，反演得到包含待测样品光谱信息的测量光谱数据和参考光谱数据，然后根据郎伯-比尔定理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的光谱信息，用于后续处理。
2.根据权利要求1所述的红外光谱高速测量系统，其特征在于：本振梳和光源梳间存在微小的频差Δf，并且频差Δf要远小于本振梳和光源梳的重复频率。
3.根据权利要求1所述的红外光谱高速测量系统，其特征在于：光源梳和本振梳，采用使用四波混频效应作为锁相机制的宽带量子级联激光器生成的中红外波段光频率梳。
4.根据权利要求1所述的红外光谱高速测量系统，其特征在于：该红外光谱高速测量系统，采用双光频率梳多外差拍频原理，能实现5μm～12μm中红外波段、微秒级测量时间和优于1cm-1光谱分辨率的红外光谱高速测量。
5.一种红外光谱高速测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种红外光谱高速测量系统，包括如下步骤：
步骤1：光频率梳源模块中的光源梳，产生光源梳信号光；光频率梳源模块中的本振梳，产生本振梳信号光；
步骤2：光源梳产生的光源梳信号光，进入光学模块，首先经第一准直透镜准直，然后经第一分束镜分为两束光，分别传输至第一反射镜和第二反射镜；
步骤3：本振梳产生的本振梳信号光，进入光学模块，首先经第二准直透镜准直，然后经第二分束镜分为两束光，分别传输至第一合束镜和第二合束镜；
步骤4：将步骤2中传输至第二反射镜的光作为测量光，经第二反射镜反射后进入样品室，然后传输至第二合束镜；
步骤5：步骤3中传输至第二合束镜的光与步骤4中传输至第二合束镜，经第二合束镜合束，产生包含待测样品光谱信息的多外差拍频信号光，进入第二中性衰减片，经第二中性衰减片衰减后进入第二会聚透镜，经第二会聚透镜会聚后，被探测与数据采集模块中的第二探测链路接收，转换为电子学数据采样数据；
步骤6：将步骤2中传输至第一反射镜的光作为参考光，经第一反射镜反射后进入第一合束镜；
步骤7：步骤3中传输至第一合束镜的光与步骤6中传输至第一合束镜的光，经第一合束镜合束，产生不受待测样品影响的多外差拍频信号光；进入第一中性衰减片，经第一中性衰减片衰减后进入第一会聚透镜，经第一会聚透镜会聚后，被探测与数据采集模块中的第一探测链路接收，转换为电子学数据采样数据；
步骤8：第二探测链路输出的用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光的电子学数字采样数据和第一探测链路输出的作为参考光的多外差拍频光的电子学数字采样数据，经数据处理模块处理后，反演得到包含待测样品信息的测量光谱数据以及参考光谱数据，实现待测样品的超高速红外光谱测量；
步骤9：依据郎伯-比尔定理，将测量光谱数据和参考光谱数据进行包括相除在内的处理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的信息，并进行后续处理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910737413.0A CN110553992A (zh) | 2019-08-12 | 2019-08-12 | 一种红外光谱高速测量系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910737413.0A CN110553992A (zh) | 2019-08-12 | 2019-08-12 | 一种红外光谱高速测量系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110553992A true CN110553992A (zh) | 2019-12-10 |
Family
ID=68737392
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910737413.0A Pending CN110553992A (zh) | 2019-08-12 | 2019-08-12 | 一种红外光谱高速测量系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110553992A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111679287A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-09-18 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种主动视频立体高光谱成像方法 |
| CN111721732A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-29 | 华东师范大学 | 基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法 |
| CN114397261A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-04-26 | 光子集成(温州)创新研究院 | 一种傅里叶红外光谱仪及其应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102967566A (zh) * | 2012-11-14 | 2013-03-13 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种高精密度快速痕量分析装置 |
| WO2018213286A1 (en) * | 2017-05-15 | 2018-11-22 | The Trustees Of Princeton University | Fast computational phase and timing correction for multiheterodyne spectroscopy |
| CN109540799A (zh) * | 2019-01-25 | 2019-03-29 | 上海朗研光电科技有限公司 | 一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法 |
-
2019
- 2019-08-12 CN CN201910737413.0A patent/CN110553992A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102967566A (zh) * | 2012-11-14 | 2013-03-13 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种高精密度快速痕量分析装置 |
| WO2018213286A1 (en) * | 2017-05-15 | 2018-11-22 | The Trustees Of Princeton University | Fast computational phase and timing correction for multiheterodyne spectroscopy |
| CN109540799A (zh) * | 2019-01-25 | 2019-03-29 | 上海朗研光电科技有限公司 | 一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 于子蛟 等: "双光梳光谱学研究进展", 《物理》 * |
| 孙以材: "《半导体测试技术》", 31 October 1984, 冶金工业出版社 * |
| 曹茂永 等: "《矿用新型传感器》", 30 September 2011, 中国矿业大学出版社 * |
| 汪尔康: "《分析化学》", 30 September 2002, 北京理工大学出版社 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111721732A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-29 | 华东师范大学 | 基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法 |
| CN111679287A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-09-18 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种主动视频立体高光谱成像方法 |
| CN111679287B (zh) * | 2020-06-05 | 2023-01-17 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种主动视频立体高光谱成像方法 |
| CN114397261A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-04-26 | 光子集成(温州)创新研究院 | 一种傅里叶红外光谱仪及其应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110553992A (zh) | 一种红外光谱高速测量系统及方法 | |
| CN103487146B (zh) | 一种简便的超宽带受激拉曼光谱显微成像系统 | |
| EP3637069B1 (en) | Spectrum measurement method, spectrum measurement device, and broadband pulse light source unit | |
| JP6386655B2 (ja) | テラヘルツ波発生装置及びそれを用いた分光装置 | |
| CN113281278B (zh) | 一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置及测量方法 | |
| WO2015045266A1 (ja) | 測定装置 | |
| US11281070B2 (en) | High-speed real-time sampling and measuring device and method for mid-infrared ultrafast light signal | |
| CN208013060U (zh) | 一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统 | |
| CN108279209A (zh) | 一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统 | |
| CN106990089A (zh) | 同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及成像方法 | |
| JP2010048721A (ja) | テラヘルツ計測装置 | |
| CN113406838B (zh) | 实现双光频梳系统重频倍频的方法及系统 | |
| CN111721732B (zh) | 基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法 | |
| CN114136921A (zh) | 一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测装置及方法 | |
| CN108287132B (zh) | 一种太赫兹异步高速扫描系统触发信号产生装置及方法 | |
| CN114112943B (zh) | 一种多组分气体检测系统及方法 | |
| CN211927689U (zh) | 一种光谱检测装置 | |
| CN112595416A (zh) | 一种宽带红外光谱仪 | |
| EP3865851A1 (en) | Photoacoustic dual comb spectrometer | |
| KR102261858B1 (ko) | 2차원 분광 시스템 및 분석 방법 | |
| CN112798556A (zh) | 非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置及方法 | |
| CN112285094A (zh) | 一种基于线宽调节的cars光谱检测系统及方法 | |
| CN115165762B (zh) | 一种具有光谱分辨功能的芯片 | |
| CN214893682U (zh) | 一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置 | |
| CN107167241A (zh) | 太赫兹光谱成像系统及其快速扫描方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191210 |