CN111721968A - 一种基于双光梳系统测定气体流速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，实施该方法用到的系统包括锁定模块、双光梳系统模块、合束模块、流速探测模块、平衡探测模块以及数字信号采集处理模块；双光梳系统模块将光信号输入锁定模块，以锁定重复频率和载波包络相位；双光梳系统模块输出的光信号通过空间光路或光纤光路进入合束模块，以空间光路形式进入流速探测模块；光信号被平衡探测模块采集转化为电信号，传输给数字信号处理模块，还原光谱信息，测定气体流速。本发明的优点：该方法测量精度高，可实现近实时光谱检测，具有实用性，可在测量气体流动速度的同时分析气体组分，具备更宽的流速测量范围。

Description

一种基于双光梳系统测定气体流速的方法

技术领域

本发明属于超快光学技术领域，具体涉及一种基于双光梳系统测定气体流速的方法。

背景技术

自激光器发明以来，一直以高相干性、高强度、方向性好著称。初始，科学家们利用激光的方向性测定实际物体反射延时，确定不同时刻物体相对于激光源的位置，获取物体平均速度信息。激光的高相干性启发着人们：基于多普勒频移效应测定物体速度。激光相干多普勒测速技术通过测定连续激光的多普勒频移，由多普勒频移公式

，可获得目标物体运动信息，激光相干多普勒测速具有相当广泛的应用。然而，该技术对移动粒子的速度测量局限为高速粒子，测量误差在几十米每秒已经可以算作高精度了。相较于目前距离测定精度已经达到纳米量级来说，测速精度是远远不够的。同时，上述技术常使用相干连续激光器作为光源，光谱范围极窄，需要多次测量平均以减小误差，测量周期较长，无法实现瞬时速度的测量。

光学频率梳作为一种基于超快脉冲激光技术的新兴测量工具，近几年正飞速发展，并衍生了诸如光学频率钟、光梳光谱学等技术。其中，双光梳光谱学技术以光谱范围宽、分辨率高、灵敏度高等优势，在气体吸收光谱方面有着广泛的应用。双光梳光谱探测流动气体的吸收光谱，速度信息表现为吸收光谱上附加的多普勒频移。双光梳光谱技术的宽光谱特性可实现多个吸收谱线的同时测量，单次光谱测量采集的速度信息即可多次平均，提供了一种高速、高精度测量气体物质信息（扩散速度）的探测方法。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，该方法可通过探测气体成分的吸收光谱以分析流速信息。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）依次设置锁定模块、双光梳系统模块、合束模块、流速探测模块、平衡探测模块以及数字信号采集处理模块；（2）通过所述锁定模块锁定所述双光梳系统模块中的两台光梳的重复频率和载波包络相位；（3）两台所述光梳发出的飞秒脉冲激光经所述合束模块合束，分为两路探测光，一路所述探测光直接入射至所述流速探测模块中的流动气体样品池，另一路所述探测光改变光路后反向入射到所述流速探测模块中的所述流动气体样品池内，由所述平衡探测模块采集两路所述探测光的信号传输至所述数字信号采集处理模块以进行光谱信息采集处理，从而测定气体流速。

两台所述光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模、非线性环形反射镜锁模、半导体可饱和吸收镜锁模方式中的一种。

两台所述光梳的光谱的中心波长相同，两台所述光梳的工作波长在紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围内。

两台所述光梳以重复频率差的倒数1/Δf _r 为周期作外差扫描探测，以实现光谱信息的探测，两台所述光梳的重复频率分别为f _r1和f _r2，Δf _r 为两台所述光梳的重复频率差，Δf _{r =} f _r1 - f _r2。

所述光谱信息采集处理的方法为：两台所述光梳外差干涉实现了吸收光谱光频到射频的转换，其转换系数为

，对采集的时域信号进行快速傅里叶变换，通过转换系数还原光谱吸收信息，通过光谱吸收谱线的频移分析气体的流动速度信息。

本发明的优点是：（1）该方法采用了双光梳光谱探测技术，通过将两台重复频率略有差异的光学频率梳作为相干光源，实现外差探测，有效取代了传统傅里叶变换光谱仪或色散光谱仪，测量精度和速度不再受限于分光元件或机械臂的扫描速度和有效距离，可实现近实时光谱检测；（2）采用双光梳光谱探测技术，光谱采样速度由重复频率差Δf _r 决定，通过改变Δf _r 可提高采样速度，重复频率差已由赫兹量级提高到千赫兹量级，若使用GHz量级的超高重复频率光学频率梳，可以获得MHz量级的采样频率，实现瞬时速度的精确测量；（3）该方法中两台光梳的工作波长在紫外、可见光、近红外、中红外的波长范围内，可做波长拓展，具有实用性；（4）采用平衡探测模块，通过巧妙的对向光路设计避免了流速不均匀引起的噪声问题，极大地提升了信噪比，提高了光谱测量的精度；（5）该方法基于鉴定气体吸收光谱的多普勒频移效应来测量气体流动速度，可同时检测气体吸收光谱和速度相关多普勒频移，对比分子指纹光谱，可在测量气体流动速度的同时分析气体组分；（6）采用光梳作为光源，光谱范围宽，具备检测多个吸收光谱谱线的能力，流动气体的吸收谱线都附加了相同速度引起的多普勒频移，单次光谱测量可实现速度信息的多次平均；（7）双光梳光谱技术具有高分辨率特性，可精确分辨吸收谱线的微小多普勒频移，精确测量低速运动（自由扩散）气体分子的流速，具备更宽的流速测量范围；（8）该方法中的光学频率梳的光源是非线性偏振旋转锁模脉冲光纤激光器，脉冲重复频率可调，灵活性高，结构稳定；（9）该基于双光梳光谱探测技术测量气体流速的方法，相关探测模块可做到光纤化，具有稳定性高、可移植性好的特性。

附图说明

图1为本发明的基于双光梳系统测定气体流速的测量系统的模块化框图；

图2为本发明中实施例1的结构示意图；

图3为本发明中实施例2的结构示意图；

图4为本发明中实施例3的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-4，图中各标记分别为：双光梳系统模块1、合束模块2、流速探测模块3、平衡探测模块4、数字信号采集处理模块5、锁定模块6、第一光梳101、第二光梳102、第一反射镜201、合束片202、光纤跳线头203、光纤准直器204、耦合器205、光纤环形器206、第一准直器207、第二准直器208、第一光纤209、光纤环形器210、第三准直器211、第二光纤212、第四准直器213、分束片301、流动气体样品池302、二向色镜303、第一高反镜304、第二高反镜305、第二反射镜306、第一光电探测器401、第二光电探测器402、平衡探测器501、计算机502、自参考反馈锁定载波包络相位系统601、重复频率探测锁定系统602、标准信号603。

如图1-4所示，本发明涉及一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，该方法所采用的测量系统结构包括以下模块：锁定模块6、双光梳系统模块1、合束模块2、流速探测模块3、平衡探测模块4以及数字信号采集处理模块5。其中，锁定模块6由自参考反馈锁定载波包络相位系统601、重复频率探测锁定系统602和标准信号603组成；双光梳系统模块1由两台光梳组成，记为第一光梳101和第二光梳102。两台光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模、非线性环形反射镜锁模、半导体可饱和吸收镜锁模方式中的一种。两台光梳的光谱的中心波长相同，两台光梳的工作波长在紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围内。两台光梳以重复频率差的倒数1/Δf _r 为周期作外差扫描探测，以实现光谱信息的探测，两台光梳的重复频率分别为f _r1和f _r2，Δf _r 为两台所述光梳的重复频率差，Δf _{r =} f _r1 -f _r2。平衡探测模块4由第一光电探测器401和第二光电探测器402组成；数字信号采集处理模块5由平衡探测器501和计算机502组成。

双光梳系统模块1将光信号输入锁定模块6，锁定模块6将光信号转化为电信号反馈调节双光梳系统模块1中的两台光梳的重复频率和载波包络相位；双光梳系统模块1输出的飞秒脉冲激光通过空间光路或光纤光路进入合束模块2，以空间光路的形式进入流速探测模块3，光信号被平衡探测模块4采集转化为电信号，再传输给数字信号采集处理模块6，还原光谱信息，测定气体流速。

实施例1

如图2所示，本实施例中两台光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模方式，其脉冲特性和光谱特征可通过增益介质进行相应调整。本实施例中，合束模块2由第一反射镜201和合束片202组成。本实施例中，流速探测模块3由分束片301、流动气体样品池302、二向色镜303、第一高反镜304、第二高反镜305以及第二反射镜306组成。

如图2所示，本实施例中测定气体流速的方法包括以下步骤：第一光梳101和第二光梳102通过锁定模块6锁定载波包络相位和重复频率，第一光梳101和第二光梳102输出的飞秒脉冲激光分别输入至自参考反馈锁定载波包络相位系统601，通过f - 2f方式探测载波包络频移，提取与标准信号603之间的误差信号，并将误差信号转化为锁相环内的反馈激励，用于调控泵浦电流锁定载波包络相位；第一光梳101和第二光梳102输出的飞秒脉冲激光分别输入至重复频率锁定系统602，探测重复频率信号，与标准信号603混频提取误差频率信号，作用于腔内反馈元件PZT快速调节腔长变化，实现重复频率稳定，从而构建高度稳定的双光梳系统。为实现双光梳外差干涉探测的目的，第一光梳101和第二光梳102的重复频率略有差异，重复频率差值可通过重复频率控制系统精确控制调节，视不同情况重复频率差值可在Hz至kHz范围内选择。第二光梳102出射的光信号经第一反射镜201，与第一光梳101通过合束片202实现合束，第一反射镜201上镀高反膜，合束片202正反面分别镀增透膜和高反膜，以提高两光源的合束效率。合束后的光路经过分束片301分成两路探测：透射光直接通过流动气体样品池302，气体流动速度

与透射光同向，探测光加载样品光谱信息后，经二向色镜303透射，被第一光电探测器401转换为电信号；经分束片301反射光通过镀膜的第一高反镜304和第二高反镜305反射，由二向色镜303反射，与透射光同光路反向入射到流动气体样品池302，这路探测光经第二反射镜306调整光路，被第二光电探测器402转换为电信号。第一光电探测器401和第二光电探测器402的探测信号接入平衡探测器501的两个通道，接入计算机502经数据采集卡采集、快速傅里叶变换等处理，分析出气体吸收光谱的多普勒频移，测定气体流速。

实施例2

如图3所示，本实施例中各模块的结构和工作方法与实施例1中相同，区别在于流动气体样品池302内气体的流动速度

与透射光方向成一定角度θ。

本实施例利用分束片301分开的两路光正反两个方向通过流动气体样品池内，有效避免了由于流速不均匀造成的相位波动，实现了双光梳平衡探测，极大地提高了信噪比，提升了测量精度。气体流动造成的多普勒效应使吸收谱线产生频移，根据多普勒公式

与气体流速在光路方向的速度分量△v=v*cosq可推导出气体流速。双光梳宽光谱特性可同时覆盖多个吸收谱线，流速造成的多普勒频移同时表征在测得的吸收谱线上，双光梳光谱单次测量即可实现气体流速信息的多次平均，可精确、近实时测量待测样品的速度。

实施例3

如图4所示，本实施例中，两台光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模方式，其脉冲特性和光谱特征可通过增益介质进行相应调整。合束模块2包括光纤跳线头203、光纤准直器204、耦合器205、光纤环形器206、第一准直器207、第二准直器208、第一光纤209、光纤环形器210、第三准直器211、第二光纤212、第四准直器213。流速探测模块3包括流动气体样品池302。

如图4所示，本实施例中测定气体流速的方法包括以下步骤：第一光梳101和第二光梳102通过锁定模块6锁定载波包络相位和重复频率，第一光梳101和第二光梳102输出的飞秒脉冲激光分别输入至自参考反馈锁定载波包络相位系统601，通过f - 2f方式探测载波包络频移，提取与标准信号603之间的误差信号，并将误差信号转化为锁相环内的反馈激励，用于调控泵浦电流锁定载波包络相位；第一光梳101和第二光梳102输出的飞秒脉冲激光分别输入至重复频率锁定系统602，探测重复频率信号，与标准信号603混频提取误差频率信号，作用于腔内反馈元件PZT快速调节腔长变化，实现重复频率稳定，从而构建高度稳定的双光梳系统。为实现双光梳外差干涉探测的目的，第一光梳101和第二光梳102的重复频率略有差异，重复频率差值可通过重复频率控制系统精确控制调节，视不同情况重复频率差值可在Hz至kHz范围内选择。两路双光梳由光纤跳线头203、光纤准直器204收束，经过耦合器205合束后被分为两路：一路经光纤环形器206后，由第一准直器207准直入射到流动气体样品池302，这路探测光信号由第三准直器211收束、经光纤环形器210后，由第四准直器213输出到光电探测器402；另一路光束经过光纤环形器210、由第三准直器211输入到流动气体样品池301，探测光经第一准直器207收束、光纤环形器206改变光路，由第二准直器208输出到光电探测器401，实现了流动气体光谱信息的平衡探测。图中第一光纤209、第二光纤212用以补偿两路探测光的光程差。探测信号经数据采集卡501采集，接入计算机502进行快速傅里叶变换等数据处理过程，分析吸收光谱多普勒频移信息，实现气体流速测量。

本实施例利用光纤跳线头203分开的两路光正反两个方向通过流动气体样品池内，有效避免了由于流速不均匀造成的相位波动，实现了双光梳平衡探测，极大地提高了信噪比，提升了测量精度。气体流动造成的多普勒效应使吸收谱线产生频移，根据多普勒公式

可推导出气体流速。双光梳宽光谱特性可同时覆盖多个吸收谱线，流速造成的多普勒频移同时表征在测得的吸收谱线上，双光梳光谱单次测量即可实现气体流速信息的多次平均，可精确、近实时测量待测样品的速度。本实施例除双光梳光源模块和样品池探测模块外，基本实现了光纤化，具备了极高的稳定性和可移植性，本系统可直接用于实际应用。

Claims (5)

1.一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）依次设置锁定模块、双光梳系统模块、合束模块、流速探测模块、平衡探测模块以及数字信号采集处理模块；（2）通过所述锁定模块锁定所述双光梳系统模块中的两台光梳的重复频率和载波包络相位；（3）两台所述光梳发出的飞秒脉冲激光经所述合束模块合束，分为两路探测光，一路所述探测光直接入射至所述流速探测模块中的流动气体样品池，另一路所述探测光改变光路后反向入射到所述流速探测模块中的所述流动气体样品池内，由所述平衡探测模块采集两路所述探测光的信号传输至所述数字信号采集处理模块以进行光谱信息采集处理，从而测定气体流速。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于两台所述光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模、非线性环形反射镜锁模、半导体可饱和吸收镜锁模方式中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于两台所述光梳的光谱的中心波长相同，两台所述光梳的工作波长在紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围内。

4.根据权利要求1所述的一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于两台所述光梳以重复频率差的倒数1/Δf _r 为周期作外差扫描探测，以实现光谱信息的探测，两台所述光梳的重复频率分别为f _r1和f _r2，Δf _r 为两台所述光梳的重复频率差，Δf _{r =} f _r1 -f _r2。

5.根据权利要1所述的一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于所述光谱信息采集处理的方法为：两台所述光梳外差干涉实现了吸收光谱光频到射频的转换，其转换系数为

，对采集的时域信号进行快速傅里叶变换，通过转换系数还原光谱吸收信息，通过光谱吸收谱线的频移分析气体的流动速度信息。

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