CN113376111A - 一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，其特征为：第一光频梳经过光纤隔离器后输入第一光纤耦合器，通过呼吸气气体池后，由第二光纤耦合器输出部分光，并与第二光频梳经光纤合束器在光电探测器处拍频，其余的光经过单模光纤后再次进入第一光纤隔离器循环。光电探测器得到的信号输入到信号处理模块，通过分析测量得到的吸收光谱信号，计算得到呼吸气气体池中人体呼吸气标志性气体的浓度。本发明结构紧凑、方法简单，全光纤的测量方法大幅度地提高了系统的可集成性，以光频梳为光源测量腔衰荡光谱以监测人体呼吸气中标志性气体的浓度，提高了测量灵敏度并可以同时测量多种标志性气体的浓度。

Description

一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法

(一)技术领域

本发明涉及激光技术领域和人体健康检测领域，尤其是涉及腔衰荡双光梳光谱监测人体呼吸标志性气体浓度的方法。

(二)背景技术

呼吸是人体与外界环境交换气体的过程，人体呼吸气中至少包含上百种气体种类，对比人体生理或病理状态下呼出的气体中具有标志性的特定成分是否存在，或者定量测量其浓度，可以用于诊断与之对应的疾病。例如，人体呼吸气中丙酮的浓度可用作检测糖尿病的标志性气体，呼吸气中氨气的浓度与肝脏类疾病有关，饮酒后人体呼吸气中的酒精浓度会显著升高。人体呼吸标志性气体浓度的监测在无创、实时疾病诊断和代谢状态监测等方面具有广泛的应用前景。可以使用一种或者多种与某种疾病相关联的呼吸气体，作为疾病诊断的检测标志。

利用激光光谱测量呼吸气标志性气体的浓度的技术具有探测灵敏度高、结构简单、使用寿命长等优点，近年来收到了广泛的关注。与气相色谱和质谱等呼吸气标志性气体浓度测量技术相比，激光吸收光谱技术具有响应速度快、分辨率高、鲁棒性强等优点，为实时测定人体呼吸中的多种物质浓度提供有效的方法。腔衰荡光谱技术测量气体浓度通过测量单个脉冲光在衰荡腔中的的衰减时间，进而获得待测气体的浓度，腔衰荡光谱技术的测量灵敏度受激光脉冲强度波动影响较小。光频梳作为一种新兴的激光源，具有光谱宽，脉冲宽度窄的优点，在光谱测量上具有显著优势。红外光谱范围覆盖了大量分子振动跃迁的特征谱线，可以作为分子指纹识别的有效手段。利用双光梳多外差光谱技术测量光频梳吸收光谱，能够在实现宽带、高分辨率光谱测量的同时，免去使用扫描部件测量光谱为系统带来的复杂性，并提高单光谱测量速度。

基于上述背景，以光频梳作为激光源，结合腔衰荡光谱技术和双光梳光谱技术，可以建立用于监测人体呼吸气中标志性气体浓度的可靠方法，有望为呼吸气分析和人体健康检测提供高性能方法。

(三)发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，光谱分辨率高、探测灵敏度高、测量速度快，且系统的可集成性高。

第一方面，本发明实施例提供了一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，其特征在于：包括：具有固定重复频率差的两台光频梳，分别为第一光频梳和第二光频梳，光纤隔离器，两个2×2光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，呼吸气气室，单模光纤，2×1光纤合束器，光电探测器，信号处理模块；其中，第一光纤耦合器与第二光纤耦合器均包含第一输入端，第二输入端，第一输出端和第二输出端，第一输出端为输出光强较大的一端，第二输出端为输出光强较小的一端；第一光频梳与光纤隔离器相连，用于确保输入信号的单向运行；光纤隔离器的输出端与第一光纤耦合器的第一输入端相连；第一光纤耦合器的第一输出端与呼吸气气体池的输入端耦合，呼吸气气体池的输出端与第二光纤耦合器的第一输入端相连，第二光纤耦合器的第一输出端与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与第一光纤耦合器的第二输入端相连，组成环形腔；呼吸气气室为单光路型气室，输入含有人体呼吸标志性气体的呼吸气；第二光纤耦合器的第二输出端与第二光频梳分别与2×1光纤合束器的两个输入端相连，2×1光纤合束器的输出端与光电探测器相连；第二光频梳用于与第一光频梳拍频，测量第一光频梳光谱范围内包含的各频率分量对应的光强变化；光电探测器得到的信号输入到信号处理模块，用于对第一光频梳和第二光频梳进行拍频；信号处理模块用于分析测量得到的吸收光谱信号，并计算得到呼吸气气体池中气体的浓度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述的所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为90：10光纤耦合器，从第一输入端输入的光，在第一输出端为输出光强较大的一端，第二输出端为输出光强较小的一端，从第二输入端输入的光，在第二输出端为输出光强较大的一端，第一输出端为输出光强较小的一端。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔的长度与第一光频梳的脉冲宽度相匹配，确保第一光频梳的脉冲在环形腔内循环一次的时间大于第一光频梳的脉冲宽度，并且第一光频梳的脉冲间隔大于第一光频梳的一个脉冲在环形腔内的衰荡时间。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，第一光频梳在第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔内往复循环。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述的呼吸气气室内压力值为定值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，第一光频梳和第二光频梳的光谱范围与呼吸气气室中的待测气体相匹配，第一光频梳和第二光频梳的光谱范围包含待测气体的吸收特征谱线。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述信号处理模块根据光电探测器分别测量得到的未注入气体和注入呼吸气时，同一光频对应的光强衰荡时间，计算呼吸气气室中包含的待测气体的浓度。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，用两台重复频率、相位稳定，具有固定重复频率差的光频梳作为激光源，其中，第一光频梳作为测量光频梳，经过光纤隔离器后进入由两个光纤耦合器、单模光纤和呼吸气气室组成的光纤衰荡腔。利用第二光频梳与第一光频梳在光电探测器处拍频测量每次从衰荡腔中泄露出的脉冲的光谱，进一步地在信息处理模块分析同一光频对应的光强衰荡时间得到待测呼吸气标志性气体的浓度。

本发明实施例提供的方法使用全光纤的结构实现腔衰荡双光梳光谱的测量，得到结构简单、测量灵敏度高并且可以同时测量多种气体的腔衰荡双光梳光谱监测人体呼吸标志性气体浓度的方法。相较现有的技术，本发明实施例以光频梳为激光光源，利用双光梳多外差光谱技术测量吸收光谱，可以测量宽带、高光谱分辨率的吸收光谱。此外，利用全光纤结构的衰荡腔测量衰荡时间，既保留了腔衰荡吸收光谱测量气体浓度的高灵敏度，又提高了呼吸气标志性气体浓度测量系统的鲁棒性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

(四)附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法的结构示意图；

图标：110-第一光频梳；120-光纤隔离器；130-第一光纤耦合器；140-呼吸气气室；150-第二光纤耦合器；160-单模光纤；170-第二光频梳；180-合束器；190-光电探测器；200-光谱分析模块。

(五)具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，结构简单，可集成性高，可以实现对人体呼吸气中标志性气体浓度的检测，并进一步地用于无接触地人体健康检测。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法进行详细介绍，参见图1所示的一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法的结构示意图。

所使用的第一光频梳光谱范围内包含所有待测气体的特征吸收谱线，且第一光频梳的脉冲间隔大于第一光频梳的一个脉冲的衰荡周期。第二光频梳与第一光频梳具有固定的重复频率差。第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成了光纤结构的衰荡腔。光电探测器的测量带宽远大于第一光频梳的单个脉冲在第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔内循环的频率。第一光频梳的脉冲宽度小于第一光频梳在第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔内循环一次的时间。

如图1所示，第一光频梳110与光纤隔离器120的输入端相连，光纤隔离器120的输出端与第一光纤耦合器130的第一输入端相连，经过第一光纤耦合器130后分为光强为90：10的两束光，光强较大的第一输出端与呼吸气气室140的输入端相连，经过包含待测呼吸气样本的呼吸气气室后，特定波长的光会被与之对应的气体吸收。呼吸气气室140的输出端与第二光纤耦合器150的第一输入端相连，经过第二光纤耦合器150后分为光强90：10的两束光，光强较大的第一输出端与单模光纤160相连，单模光纤160的另一端与第一光纤耦合器130的第二输入端相连。光强较小的第二输出端与第二光频梳170经过合束器180后，在光电探测器190处拍频。光电探测器190测量得到的信号由光谱分析模块200分析得到吸收光谱。

在测量待测呼吸气中标志性气体浓度之前，首先检测整体结构的气密性。在呼吸气气室中未充入任何气体时，测量第一光频梳光谱范围内对应被待测气体所吸收的特定波长光，在呼吸气气室中未充入任何气体时的光强衰荡时间τ₀。在呼吸气气室中输入待测呼吸气样本，再次测量第一光频梳光谱范围内对应被待测气体所吸收的特定波长光的光强衰荡时间τ。第一光频梳内对应被待测气体吸收的特定波长光的光强衰荡时间与待测气体的浓度相关。根据τ₀和τ可以计算得到待测呼吸气中标志性气体的浓度。

综上所述，本发明实施例提供的一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，用到两台具有固定重复频率差的光频梳、两个光纤耦合器、光纤隔离器、光纤合束器、单模光纤、光电探测器和光谱分析模块，在全光纤系统中实现了对人体呼吸气中标志性气体浓度的监测。光频梳测量技术可以提高对吸收光谱的测量精度，全光纤结构提高了监测系统的可集成性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度方法的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应装置，在此不再赘述。

另外，在本发明专利实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明专利的具体实施方式，用以说明本发明专利的技术方案，而非对其限制，本发明专利的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明专利实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，其特征在于，包括：具有固定重复频率差的两台光频梳，分别为第一光频梳和第二光频梳，光纤隔离器，两个2×2光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，呼吸气气室，单模光纤，2×1光纤合束器，光电探测器，信号处理模块；其中，所述第一光纤耦合器与第二光纤耦合器均包含第一输入端，第二输入端，第一输出端和第二输出端；

所述第一光频梳与光纤隔离器相连，用于确保输入信号的单向运行；

所述光纤隔离器的输出端与第一光纤耦合器的第一输入端相连；

所述第一光纤耦合器的第一输出端与呼吸气气体池的输入端耦合，呼吸气气体池的输出端与第二光纤耦合器的第一输入端相连，第二光纤耦合器的第一输出端与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与第一光纤耦合器的第二输入端相连，组成环形腔；

所述呼吸气气室为单光路型气室，输入含有人体呼吸标志性气体的呼吸气；

所述第二光纤耦合器的第二输出端与第二光频梳分别与2×1光纤合束器的两个输入端相连，2×1光纤合束器的输出端与光电探测器相连；

所述第二光频梳用于与第一光频梳拍频，测量第一光频梳光谱范围内包含的各频率分量对应的光强变化；

所述光电探测器得到的信号输入到信号处理模块，用于对第一光频梳和第二光频梳进行拍频；

所述信号处理模块用于分析测量得到的吸收光谱信号，并计算得到呼吸气气体池中气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为90：10光纤耦合器，从第一输入端输入的光，在第一输出端为输出光强较大的一端，第二输出端为输出光强较小的一端，从第二输入端输入的光，在第二输出端为输出光强较大的一端，第一输出端为输出光强较小的一端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔的长度与第一光频梳的脉冲宽度相匹配，确保第一光频梳的脉冲在环形腔内循环一次的时间大于第一光频梳的脉冲宽度，并且第一光频梳的脉冲间隔大于第一光频梳的一个脉冲在环形腔内的衰荡时间。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的第一光频梳在第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔内往复循环。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的呼吸气气室内压力值为定值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一光频梳和第二光频梳的光谱范围与呼吸气气室中的待测气体相匹配，第一光频梳和第二光频梳的光谱范围包含待测气体的吸收特征谱线。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的信号处理模块根据光电探测器分别测量得到的未注入气体和注入呼吸气时，同一光频对应的的光强衰荡时间，计算呼吸气气室中包含的待测气体的浓度。

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