CN113433065B - 一种基于贝塞尔cars的湍流光谱测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统及其测量方法。本发明采用泵浦光和斯托克斯光均为贝塞尔光束，并调节两束光在样品中的贝塞尔区完全重叠，此时泵浦光和斯托克斯光的波矢完全满足相位匹配条件，产生的反斯托克斯拉曼信号最强；且本发明从激发光的传输到信号光的产生都具有抗散射和自愈特性，在样品处于湍流扰动的环境下，能够获得更高的光谱测量信噪比；相比于既往提高CARS光谱测量信噪比方法，本发明引入贝塞尔光束产生系统，实验操作上较为简单，实验光路仪器需求的成本低。

Description

一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及光谱测量技术，具体涉及一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统及其测量方法。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱技术因其具有化学选择性、非标记、无接触等特点，被广泛应用于反应流体的诊断。近几十年来，各种基于CARS的激光诊断技术不断涌现，借助于纳秒、皮秒、飞秒等不同激光系统，可以实现对反应流体的温度测量、成分浓度鉴定以及时间分辨的瞬态动力学研究。

然而在测量时，剧烈反应的流体本身往往伴随着湍流环境和温度的不均匀分布，导致折射率梯度变化，引起光路的偏转、抖动，造成CARS信号衰减，系统接收效率降低，难以获得稳定可靠的光谱。为了在湍流环境下能获得较高质量的CARS光谱，既往的研究主要从以下途径入手：一方面结合高功率激光器和高速光谱仪实现单次光谱的快速测量，其时间分辨率远快于流体的动力学过程，可以为流体诊断的拟合提供大量的数据，提高了流体诊断的准确度，但大量数据的采集、处理、分析繁琐且耗时，高功率激光器和高速光谱仪也过于昂贵；另一方面，结合流体的振动、转动CARS光谱，对流体进行双模态的测量，这种方法相比于单模态振动光谱可以获得更准确的光谱测量结果，但这种方法光路设置上较为复杂，数据采集处理的工作量较大。

发明内容

针对以上现有技术中CARS光谱测量在湍流扰动时遇到的问题，本发明提出了一种基于贝塞尔光束的CARS的湍流光谱测量系统及其测量方法，利用贝塞尔光束的抗散射和自愈特性，提高湍流情况下CARS光谱测量信噪比，更加简单易行，高效低成本。

本发明的一个目的在于提出一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统。

本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括：皮秒激光光源、光学参量产生器、扩束透镜组、时间延迟线、合束光楔、贝塞尔光束产生系统、长通滤波片、分束镜、消色差物镜、第一平移台、第四透镜、CCD相机、收集透镜、带通滤波片、光谱仪、湍流产生系统和玻片；其中，基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括光路调整阶段和光谱采集阶段，在光路调整阶段，玻片位于消色差物镜的焦点上，在分束镜的反射方向上依次设置第四透镜和CCD相机，在光谱采集阶段，样品位于消色差物镜的焦点上；扩束透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜放置在第一平移台上；皮秒激光光源产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器作为光学参量产生器的泵浦；光学参量产生器输出的闲频光为斯托克斯光，斯托克斯光的波长大于泵浦光波长；斯托克斯光经过扩束透镜组扩束至合束光楔；皮秒激光光源产生的泵浦光经过时间延迟线后与斯托克斯光在合束光楔处合束；合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片滤除信号光波段的成分，经分束镜透射后通过贝塞尔光束产生系统，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束变为贝塞尔光束；在光路调整阶段，斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的玻片上；经玻片反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束镜，经分束镜反射后，经第四透镜聚焦，由CCD相机接收；通过CCD相机观察泵浦光和斯托克斯光在玻片上反射后成像至CCD相机上的光斑位置，通过调节合束光楔的倾角和位置，使两个光斑重合，证明泵浦光和斯托克斯光的空间位置大致重合，再通过光谱仪观察收集到的玻片产生的四波混频信号，同时再次微调合束光楔的倾角和位置，使光谱仪收集到的信号最强，此时浦光和斯托克斯光在横向上空间位置完全重合；保持泵浦光不动，通过第一平移台调节第二透镜与第一透镜之间的间距，对斯托克斯光最终经过消色差物镜形成的光斑大小进行微调，直到观察到CCD相机上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片前后移动时两光斑同步变大变小，证明泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置大致重合，进一步调节玻片的前后位置，在光谱仪中获得一个最大的信号，此时重新通过第一平移台微调第二透镜的位置，直到光谱仪的信号最大，此时浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置完全重合，从而泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠；在光谱采集阶段，斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的样品上；通过光学参量产生器的控制器调谐其输出的斯托克斯光波长，使得泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子的振动频率，由于共振作用，样品分子将会产生拉曼相干态，样品在高能级振动态上有大的粒子数布居，此时样品再吸收泵浦光子，产生反斯托克斯拉曼信号，作为信号光，信号光的波长小于泵浦光的波长；泵浦光和斯托克斯光在样品中的贝塞尔区完全重叠，此时这泵浦光和斯托克斯光的波矢完全满足相位匹配条件，产生的反斯托克斯拉曼信号最强，并且产生的反斯托克斯拉曼信号也满足贝塞尔光束形式，因而信号光从产生到传输均为抗散射，并且适用于湍流探测；湍流产生系统模拟真实情况下的湍流，施加在样品内部；在湍流扰动的环境下产生的信号光经过收集透镜聚焦，再通过带通滤波片只保留信号光成分，而后由光谱仪收集，得到相干反斯托克斯拉曼散射光谱。

本发明中，斯托克斯光和泵浦光的合束采用合束光楔，以消除有可能引入的多次反射所带来更复杂的相位匹配情况。

普通的物镜对于不同波长的光聚焦位置不同，即产生色差，本发明采用消色差物镜对波长不同的泵浦光和斯托克斯光聚焦，从而避免产生色差，保证聚焦后的贝塞尔区重合。

第一平移台上采用手动线性位移台，用螺旋测微计驱动。

分束镜采用薄膜分束镜，高透过率，透过率超过90％，不损失产生的信号光的强度。

时间延迟线包括第二平移台以及放置在第二平移台上的四个反射镜，用于在泵浦光光路中引入光程差，调节泵浦光和斯托克斯光的相对时间延迟。

贝塞尔光束产生系统由角锥镜和第三透镜组成，使得贝塞尔区通过透镜和物镜的变换后重新形成于样品内部，角锥镜和透镜都安装在可翻转的底座上，同时翻转底座可以使系统在贝塞尔CARS和普通CARS的测量模式下切换，用于比较贝塞尔CARS和普通CARS的光谱测量能力。

还包括第三平移台，样品为流体盛放在比色皿内，比色皿固定放置在第三平移台上，在光路调整阶段完成后，通过第三平移台，将样品推入光路放置在消色差物镜的焦点上。

湍流产生系统包括气泵和气流计；气泵通过输气管向盛放样品的比色皿中通气，输气管的另一端连接气流计，通过气流计调节气流速度，从而在样品中引入不同强度的湍流。

本发明的另一个目的在于提出一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量方法。

本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量方法，包括光路调整阶段和光谱采集阶段：

一.光路调整阶段

1)皮秒激光光源产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器作为光学参量产生器的泵浦；

光学参量产生器输出的闲频光为斯托克斯光；

2)斯托克斯光经过扩束透镜组扩束至合束光楔；

3)皮秒激光光源产生的泵浦光经过时间延迟线后与斯托克斯光在合束光楔处合束；

4)合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片滤除信号光波段的成分，经分束镜透射后通过贝塞尔光束产生系统，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束变为贝塞尔光束；

5)斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的玻片上；

6)经玻片反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束镜，经分束镜反射后，经第四透镜聚焦，由CCD相机接收；

7)通过CCD相机观察泵浦光和斯托克斯光在玻片上反射后成像至CCD相机上的光斑位置，同时调节合束光楔的倾角和位置，使两个光斑重合，证明泵浦光和斯托克斯光的空间位置大致重合，再通过光谱仪观察收集到的玻片产生的四波混频信号，同时再次微调合束光楔的倾角和位置，使光谱仪收集到的信号最强，此时浦光和斯托克斯光在横向上空间位置完全重合；

8)保持泵浦光不动，通过第一平移台调节第二透镜与第一透镜之间的间距，对斯托克斯光最终经过消色差物镜形成的光斑大小进行微调，直到观察到CCD相机上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片前后移动时两光斑同步变大变小，证明泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置大致重合，进一步调节玻片的前后位置，在光谱仪中获得一个最大的信号，此时重新通过第一平移台微调第二透镜的位置，直到光谱仪的信号最大，此时浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置完全重合，从而泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠；

9)重复上述步骤7)和8)，直到光谱仪采集到的信号收敛到最大值；

二.光谱采集阶段

1)样品盛放于比色皿中，比色皿固定放置在第三平移台上，在光路调整阶段完成后，通过第三平移台，将样品推入光路放置在消色差物镜的焦点上；

2)皮秒激光光源产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器作为光学参量产生器的泵浦；光学参量产生器输出的闲频光为斯托克斯光；

3)斯托克斯光经过扩束透镜组扩束至合束光楔；

4)皮秒激光光源产生的泵浦光经过时间延迟线后与斯托克斯光在合束光楔处合束；

5)合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片滤除信号光波段的成分，经分束镜透射后通过贝塞尔光束产生系统，斯托克斯光和泵浦光的形状均变为贝塞尔光束；

6)斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的样品内；

7)通过光学参量产生器的控制器调谐其输出的斯托克斯光波长，使得泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子的振动频率，由于共振作用，样品分子将会产生拉曼相干态，样品在高能级振动态上有大的粒子数布居，此时样品再吸收泵浦光子，产生反斯托克斯拉曼信号，作为信号光，信号光的波长小于泵浦光的波长；泵浦光和斯托克斯光在样品中的贝塞尔区完全重叠，此时这泵浦光和斯托克斯光的波矢完全满足相位匹配条件，产生的反斯托克斯拉曼信号最强，并且产生的反斯托克斯拉曼信号也满足贝塞尔光束形式，因而信号光从产生到传输均为抗散射，并且适用于湍流探测；

8)湍流产生系统模拟真实情况下的湍流，通过气流计调节气流速度，从而在样品中引入不同强度的湍流；

9)在湍流扰动的环境下产生的信号光经过收集透镜聚焦，再通过带通滤波片只保留信号光成分，而后由光谱仪收集，得到相干反斯托克斯拉曼散射光谱。

本发明的优点：

本发明采用泵浦光和斯托克斯光均为贝塞尔光束，且本发明从激发光的传输到信号光的产生都具有抗散射和自愈特性，在样品处于湍流扰动的环境下，能够获得更高的光谱测量信噪比；相比于既往提高CARS光谱测量信噪比方法，本发明引入贝塞尔光束产生系统，实验操作上较为简单，实验光路仪器需求的成本低。

附图说明

图1为本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统的一个实施例的光路图，其中，(a)为光路调整阶段的光路图，(b)为光谱采集阶段的光路图；

图2为根据本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统的一个实施例得到的功率依存关系曲线图，其中，(a)为泵浦光的强度图，(b)为斯托克斯光的强度图；

图3为根据本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统的一个实施例得到的相干反斯托克斯拉曼散射光谱测量结果与传统CARS测量结果的对比图；

图4为根据本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统的一个实施例得到的相干反斯托克斯拉曼散射光谱信噪比与传统CARS信噪比的对比图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括：皮秒激光光源1、光学参量产生器2、扩束透镜组4、时间延迟线3、合束光楔6、长通滤波片7、分束镜8、贝塞尔光束产生系统10、消色差物镜11、第一平移台、第四透镜16、CCD相机17、收集透镜13、带通滤波片14、光谱仪15、湍流产生系统18和玻片12；其中，基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括光路调整阶段和光谱采集阶段，在光路调整阶段，如图1(a)所示，玻片12位于消色差物镜11的焦点上，在分束镜8的反射方向上依次设置第四透镜16和CCD相机17；扩束透镜组4包括第一透镜4-1和第二透镜4-2，第二透镜放置在第一平移台上；皮秒激光光源1产生1064nm的皮秒泵浦光，重复频率为1000Hz，脉冲宽度为25ps，倍频后为532nm输入至光学参量产生器2作为光学参量产生器2的泵浦；光学参量产生器2输出的闲频光为斯托克斯光，通过光学参量产生器2上的控制器，控制波长在1510～1570nm间调谐；斯托克斯光经过扩束透镜组4扩束至合束光楔6；皮秒激光光源1产生的泵浦光经过时间延迟线3后经第一反射镜5反射后与斯托克斯光在合束光楔6处合束；合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片7，1046nm以上通过，滤除信号光波段的成分，分束镜8采用薄膜分束镜8，透过率92％，经分束镜8透射后经第二反射镜9反射后通过贝塞尔光束产生系统10，贝塞尔光束产生系统10包括角锥镜10-1第三透镜10-2，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束变为贝塞尔光束；在光路调整阶段，斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜11聚焦后入射到位于焦点上的玻片12上，消色差物镜11为10倍消色差物镜，数值孔径0.25，焦距17.02mm；经玻片12反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束镜8，经分束镜8反射后，经第四透镜16聚焦，由CCD相机17接收；通过CCD相机17观察泵浦光和斯托克斯光在玻片12上反射后成像至CCD相机17上的光斑位置，通过调节合束光楔6的倾角和位置，使两个光斑重合，证明泵浦光和斯托克斯光的空间位置大致重合，再通过光谱仪15观察收集玻片12产生的四波混频信号，同时再次微调合束光楔6的倾角和位置，使光谱仪15收集到的信号最强，此时浦光和斯托克斯光在横向上空间位置完全重合；保持泵浦光不动，通过第一平移台调节第二透镜与第一透镜之间的间距，对斯托克斯光最终经过消色差物镜11形成的光斑大小进行微调，直到观察到CCD相机17上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片12前后移动时两光斑同步变大变小，证明泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置大致重合，进一步调节玻片12的前后位置，在光谱仪15中获得一个最大的信号，此时重新通过第一平移台微调第二透镜的位置，直到光谱仪15的信号最大，此时浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置完全重合，从而泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠；在光谱采集阶段，样品19位于消色差物镜11的焦点上；斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜11聚焦后入射到位于焦点上的样品上；调谐斯托克斯光波长，使得泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子的振动频率，由于共振作用，样品分子将会产生拉曼相干态，样品在高能级振动态上有大的粒子数布居，此时样品再吸收泵浦光子，产生反斯托克斯拉曼信号，作为信号光，斯托克斯光的波长为1510～1570nm，相应的获得的信号光的波长为805～820nm，信号光的波长小于泵浦光的波长；泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠，相位匹配条件完全满足，产生的反斯托克斯拉曼信号最强，并且产生的反斯托克斯拉曼信号满足贝塞尔光束形式，因而信号光从产生到传输均为抗散射，并且适用于湍流探测；湍流产生系统模拟真实情况下的湍流，施加在样品上；在湍流扰动的环境下产生的信号光经过收集透镜13聚焦，再通过带通滤波片14，810nm处通过，带宽90nm，只保留信号光成分，而后由光谱仪15收集，光谱仪15为液氮制冷光谱仪，得到相干反斯托克斯拉曼散射光谱。

时间延迟线3包括第二平移台以及放置在第二平移台上的四个反射镜，用于在泵浦光光路中引入光程差，调节泵浦光和斯托克斯光的相对时间延迟。

还包括第三平移台，比色皿内盛放流体，样品放置在比色皿的流体内，比色皿固定放置在第三平移台上，在光路调整阶段完成后，通过第三平移台，将样品推入光路放置在消色差物镜11的焦点上。

湍流产生系统包括气泵18-1和气流计18-2；气泵通过输气管向盛放样品的比色皿中通气，在输气管上连接气流计，通过气流计调节气流速度，从而在流体中引入不同强度的湍流。

本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量方法，包括光路调整阶段和光谱采集阶段：

一.光路调整阶段

1)皮秒激光光源1产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器2作为光学参量产生器2的泵浦；光学参量产生器2输出的闲频光为斯托克斯光；

2)斯托克斯光经过扩束透镜组4扩束至合束光楔6；

3)皮秒激光光源1产生的泵浦光经过时间延迟线3后与斯托克斯光在合束光楔6处合束；

4)合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片7滤除信号光波段的成分，经分束镜8透射后通过贝塞尔光束产生系统10，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束变为贝塞尔光束；

5)斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜11聚焦后入射到位于焦点上的玻片12上；

6)经玻片12反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束镜8，经分束镜8反射后，经第四透镜16聚焦，由CCD相机17接收；

7)通过CCD相机17观察泵浦光和斯托克斯光在玻片12上反射后成像至CCD相机17上的光斑位置，同时调节合束光楔6的倾角和位置，使两个光斑重合，证明泵浦光和斯托克斯光的空间位置大致重合，再通过光谱仪15观察收集玻片12产生的四波混频信号，同时再次微调合束光楔6的倾角和位置，使光谱仪15收集到的信号最强，此时浦光和斯托克斯光在横向上空间位置完全重合；

8)保持泵浦光不动，通过第一平移台调节第二透镜与第一透镜之间的间距，对斯托克斯光最终经过消色差物镜11形成的光斑大小进行微调，直到观察到CCD相机17上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片12前后移动时两光斑同步变大变小，证明泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置大致重合，进一步调节玻片12的前后位置，在光谱仪15中获得一个最大的信号，此时重新通过第一平移台微调第二透镜的位置，直到光谱仪15的信号最大，此时浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置完全重合，从而泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠；

9)重复上述7)和8)两个步骤一到两次，直到光谱仪15采集到的信号收敛到最大值；

二.光谱采集阶段

1)样品盛放在比色皿内，比色皿固定放置在第三平移台上，在光路调整阶段完成后，通过第三平移台，将样品推入光路放置在消色差物镜11的焦点上；

2)皮秒激光光源1产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器2作为光学参量产生器2的泵浦；光学参量产生器2输出的闲频光为斯托克斯光；

3)斯托克斯光经过扩束透镜组4扩束至合束光楔6；

4)皮秒激光光源1产生的泵浦光经过时间延迟线3后与斯托克斯光在合束光楔6处合束；

5)合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片7滤除信号光波段的成分，经分束镜8透射后通过贝塞尔光束产生系统10，斯托克斯光和泵浦光的形状均变为贝塞尔光束；

6)斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜11聚焦后入射到位于焦点上的样品内；

7)通过光学参量产生器2的控制器调谐其输出的斯托克斯光波长，使得泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子的振动频率，由于共振作用，样品分子将会产生拉曼相干态，样品在高能级振动态上有大的粒子数布居，此时样品再吸收泵浦光子，产生反斯托克斯拉曼信号，作为信号光，信号光的波长小于泵浦光的波长；泵浦光和斯托克斯光在样品中的贝塞尔区完全重叠，此时这泵浦光和斯托克斯光的波矢完全满足相位匹配条件，产生的反斯托克斯拉曼信号最强，并且产生的反斯托克斯拉曼信号也满足贝塞尔光束形式，因而信号光从产生到传输均为抗散射，并且适用于湍流探测；

8)湍流产生系统模拟真实情况下的湍流，通过气流计调节气流速度，范围0.3L/min～0.7L/min，调节间距0.1L/min，从而在样品中引入不同强度的湍流；

9)在湍流扰动的环境下产生的信号光经过收集透镜13聚焦到光谱仪15探测头上，再通过带通滤波片14只保留信号光成分，而后由光谱仪15收集，在特定流速情况下，调节光学参量产生器2输出的斯托克斯光波长，调节范围1510nm～1570nm，调节间距1nm，并且在每次调节后采集光谱，统计每个光谱的光子数之和，把每个波长下的光子数之和拼接，即可获得在特定湍流强度下的CARS光谱。

以富含CH键的油作为样品，调谐光学参量产生器2输出斯托克斯光为1525nm时，在817nm处获得一个较强的信号峰，在此情况下测量功率依存关系：在控制斯托克斯光功率为0.85mW时，对数坐标中拟合的直线斜率是1.98；控制泵浦光的功率为1.37mW时，对数坐标中拟合的直线斜率0.99，说明信号光的功率分别正比于泵浦光的平方和斯托克斯光的一次方。所以这个信号的产生是三阶非线性过程，上述功率依存关系如图2所示。

根据CH键的震动模式，对应的拉曼特征峰分别在2875cm^-1和2920cm^-1附近，因此在1510-1570nm的范围内调谐斯托克斯光的波长，可以使采集到的光谱范围覆盖2750-3000cm^-1，包含两个拉曼特征峰。在确认测量系统工作稳定后，进一步在光路中加入顶角为178度的角锥镜11-1与第三透镜11-2，使得泵浦光、斯托克斯光在聚焦到样品之前已经由高斯光束变为贝塞尔光束。

如图3所示，展示了不同湍流强度下传统CARS和本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统得到的光谱的对照。传统的CARS光谱中，湍流的引入会使采集到的信号强度受到影响，进而使得整个光谱上下波动，即湍流会带来噪声。在湍流扰动较小时，光谱的形状与特征峰的位置还能与无噪声情况下的原光谱吻合。当湍流扰动过大，超过0.6L/min时，湍流对光谱带来的噪声是灾难性的，在调节斯托克斯波长时，某些波数完全采集不到CARS信号，对应于光谱图中部分接近于0的低点。而在实际应用中要根据整幅光谱的形状以及特征峰位置进行反应流体的诊断，如仅凭上图的粗糙的光谱，难以推断出流体的组分和温度等信息。

相较于传统CARS，本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统具有较好的抗湍流能力。首先，随着湍流强度的增大，两个特征峰的位置都保持得比较好。在湍流较小不超过0.5L/min时，光谱的形状尽管存在起伏波动，但基本维持与原光谱相似；而当湍流强度超过0.5L/min时，起伏波动虽然也会增大，但不至于完全干扰对特征峰的判断，特征峰的相对强度依然占据优势。可见本发明的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统在应对湍流扰动环境下具有更好的稳定性与准确度。

图4展示了本实施例与传统CARS光谱的信噪比的对比。传统CARS光谱测量在强扰动环境下，信噪比骤降至负，意味着信号已经淹没于噪声中；而本实施例的信噪比下降较为缓慢，有比较稳定的抗干扰能力。另外，图4中各湍流强度对应的偏差值也反映出本实施例的信噪比波动较小，多次测量的结果相比于传统CARS更加准确并可信。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括：皮秒激光光源、光学参量产生器、扩束透镜组、时间延迟线、合束光楔、贝塞尔光束产生系统、长通滤波片、分束镜、消色差物镜、第一平移台、第四透镜、CCD相机、收集透镜、带通滤波片、光谱仪、湍流产生系统和玻片；其中，基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括光路调整阶段和光谱采集阶段，在光路调整阶段，玻片位于消色差物镜的焦点上，在分束镜的反射方向上依次设置第四透镜和CCD相机，在光谱采集阶段，样品位于消色差物镜的焦点上；扩束透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜放置在第一平移台上；皮秒激光光源产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器作为光学参量产生器的泵浦；光学参量产生器输出的闲频光为斯托克斯光，斯托克斯光的波长大于泵浦光波长；斯托克斯光经过扩束透镜组扩束至合束光楔；皮秒激光光源产生的泵浦光经过时间延迟线后与斯托克斯光在合束光楔处合束；合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片滤除信号光波段的成分，经分束镜透射后通过贝塞尔光束产生系统，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束变为贝塞尔光束；在光路调整阶段，斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的玻片上；经玻片反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束镜，经分束镜反射后，经第四透镜聚焦，由CCD相机接收；通过CCD相机观察泵浦光和斯托克斯光在玻片上反射后成像至CCD相机上的光斑位置，通过调节合束光楔的倾角和位置，使两个光斑重合，证明泵浦光和斯托克斯光的空间位置大致重合，再通过光谱仪观察收集到的玻片产生的四波混频信号，同时再次微调合束光楔的倾角和位置，使光谱仪收集到的信号最强，此时泵浦光和斯托克斯光在横向上空间位置完全重合；保持泵浦光不动，通过第一平移台调节第二透镜与第一透镜之间的间距，对斯托克斯光最终经过消色差物镜形成的光斑大小进行微调，直到观察到CCD相机上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片前后移动时两光斑同步变大变小，证明泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置大致重合，进一步调节玻片的前后位置，在光谱仪中获得一个最大的信号，此时重新通过第一平移台微调第二透镜的位置，直到光谱仪的信号最大，此时泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置完全重合，从而泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠；在光谱采集阶段，斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的样品上；通过光学参量产生器的控制器调谐其输出的斯托克斯光波长，使得泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子的振动频率，由于共振作用，样品分子将会产生拉曼相干态，样品在高能级振动态上有大的粒子数布居，此时样品再吸收泵浦光子，产生反斯托克斯拉曼信号，作为信号光，信号光的波长小于泵浦光的波长；泵浦光和斯托克斯光在样品中的贝塞尔区完全重叠，此时这泵浦光和斯托克斯光的波矢完全满足相位匹配条件，产生的反斯托克斯拉曼信号最强，并且产生的反斯托克斯拉曼信号也满足贝塞尔光束形式，因而信号光从产生到传输均为抗散射，并且适用于湍流探测；湍流产生系统模拟真实情况下的湍流，施加在样品内部；在湍流扰动的环境下产生的信号光经过收集透镜聚焦，再通过带通滤波片只保留信号光成分，而后由光谱仪收集，得到相干反斯托克斯拉曼散射光谱。

2.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述第一平移台上采用手动线性位移台，用螺旋测微计驱动。

3.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述分束镜采用薄膜分束镜，透过率超过90％，不损失产生的信号光的强度。

4.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述时间延迟线包括第二平移台以及放置在第二平移台上的四个反射镜，用于在泵浦光光路中引入光程差，调节泵浦光和斯托克斯光的相对时间延迟。

5.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述贝塞尔光束产生系统由角锥镜和第三透镜组成。

6.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，还包括第三平移台，样品为流体盛放在比色皿的流体内，比色皿固定放置在第三平移台上，在光路调整阶段完成后，通过第三平移台，将样品推入光路放置在消色差物镜的焦点上。

7.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述湍流产生系统包括气泵和气流计；气泵通过输气管向盛放样品的比色皿中通气，输气管的另一端连接气流计，通过气流计调节气流速度，从而在样品中引入不同强度的湍流。

8.一种如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

一.光路调整阶段

1)皮秒激光光源产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器作为光学参量产生器的泵浦；光学参量产生器输出的闲频光为斯托克斯光；

2)斯托克斯光经过扩束透镜组扩束至合束光楔；

3)皮秒激光光源产生的泵浦光经过时间延迟线后与斯托克斯光在合束光楔处合束；

4)合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片滤除信号光波段的成分，经分束镜透射后通过贝塞尔光束产生系统，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束变为贝塞尔光束；

5)斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的玻片上；

6)经玻片反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束镜，经分束镜反射后，经第四透镜聚焦，由CCD相机接收；

7)通过CCD相机观察泵浦光和斯托克斯光在玻片上反射后成像至CCD相机上的光斑位置，同时调节合束光楔的倾角和位置，使两个光斑重合，证明泵浦光和斯托克斯光的空间位置大致重合，再通过光谱仪观察收集到的玻片产生的四波混频信号，同时再次微调合束光楔的倾角和位置，使光谱仪收集到的信号最强，此时泵浦光和斯托克斯光在横向上空间位置完全重合；

8)保持泵浦光不动，通过第一平移台调节第二透镜与第一透镜之间的间距，对斯托克斯光最终经过消色差物镜形成的光斑大小进行微调，直到观察到CCD相机上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片前后移动时两光斑同步变大变小，证明泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置大致重合，进一步调节玻片的前后位置，在光谱仪中获得一个最大的信号，此时重新通过第一平移台微调第二透镜的位置，直到光谱仪的信号最大，此时泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置完全重合，从而泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠；

9)重复上述步骤7)和8)，直到光谱仪采集到的信号收敛到最大值；

二.光谱采集阶段

1)样品盛放于比色皿中，比色皿固定放置在第三平移台上，在光路调整阶段完成后，通过第三平移台，将样品推入光路放置在消色差物镜的焦点上；

2)皮秒激光光源产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器作为光学参量产生器的泵浦；

光学参量产生器输出的闲频光为斯托克斯光；

3)斯托克斯光经过扩束透镜组扩束至合束光楔；

4)皮秒激光光源产生的泵浦光经过时间延迟线后与斯托克斯光在合束光楔处合束；

5)合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片滤除信号光波段的成分，经分束镜透射后通过贝塞尔光束产生系统，斯托克斯光和泵浦光的形状均变为贝塞尔光束；

6)斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的样品内；

7)通过光学参量产生器的控制器调谐其输出的斯托克斯光波长，使得泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子的振动频率，由于共振作用，样品分子将会产生拉曼相干态，样品在高能级振动态上有大的粒子数布居，此时样品再吸收泵浦光子，产生反斯托克斯拉曼信号，作为信号光，信号光的波长小于泵浦光的波长；泵浦光和斯托克斯光在样品中的贝塞尔区完全重叠，此时这泵浦光和斯托克斯光的波矢完全满足相位匹配条件，产生的反斯托克斯拉曼信号最强，并且产生的反斯托克斯拉曼信号也满足贝塞尔光束形式，因而信号光从产生到传输均为抗散射，并且适用于湍流探测；

8)湍流产生系统模拟真实情况下的湍流，通过气流计调节气流速度，从而在样品中引入不同强度的湍流；

9)在湍流扰动的环境下产生的信号光经过收集透镜聚焦，再通过带通滤波片只保留信号光成分，而后由光谱仪收集，得到相干反斯托克斯拉曼散射光谱。

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