CN114136921A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了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，所述装置包括：激光光源模块、光声探测模块、信号采集处理模块。同时本发明公布了光谱气体的检测方法，利用声光移频锁频，将两个频率不等的近红外可调谐连续激光器分别锁于两个对应频率的光梳，并结合差频技术获得可调谐的中红外连续光源；将所述的中红外光源产生的连续激光射入含有待测气体的光声池中，输出的声波信号经微音器探测后转化为电信号，经傅里叶变换后呈现出高分辨率的光声光谱。本发明的优点是无需复杂的控制程序即可以实现连续激光器的快速、精准的频率锁定和调谐，相较于传统光谱分析法，灵敏度高，检测时间短，适用于混合气体中多种成分的检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及的是高灵敏度红外光谱测量与光声光谱检测技术。
背景技术
气体吸收光谱技术作为光谱学应用的一个重要分支，正朝着高分辨率、高精度、高灵敏度的方向发展。该技术基于朗伯比尔定律，已实现了对百种气体的定性及定量分析，并且可以对气体的温度、压力、流速等参量进行快速地非接触式测量。由于红外探测器对空气中的水蒸气、二氧化碳等均有感应，其灵敏度低且交叉敏感，不利于特定波段的气体吸收峰测量，所以气体吸收光谱技术对测量的分辨率、精度和灵敏度提出了更高的要求。
目前实现气体吸收光谱测量的技术主要有以下几种。
1）可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）。调谐连续激光器的波长（或频率）并记录不同频率透过吸收池的透射光强，即可获取高分辨率的吸收光谱，其分辨率依赖于连续激光的调谐步长。通常连续激光器的最小调谐步长在0.1-1GHz量级（以中心波长1550 nm，光频率192THz的激光器为例，对应的波长调谐步长为1-10 pm）。此外，快速大范围的调谐激光器输出波长（或频率），会出现跳模现象，即激光器同时输出多个波长的光，或输出光的波长出现跳变。这些都限制了TDLAS的测量精度和光谱分辨能力。此外，该技术采用逐点调谐方式，其测量速度极慢。
2）基于光学频率梳的双光梳多外差光谱技术（即DCS）。该技术是对两台重复频率有微小差异的光梳进行光外差探测（其中一台携带样品吸收信息），对探测信号进行处理即可反映分子的吸收光谱。该技术中，光频梳的重复频率一般是百兆赫兹以上，所以可以对低频段的背景噪声进行抑制，而且可以快速且同时获取吸收谱和相位谱。但是DCS对光梳的锁定技术以及两个光梳的相干程度要求很高，且无法分辨低于光梳重频的光谱信息。
3）基于气体分子窄带吸收特性的差分吸收光谱技术（即DOAS）。该技术可以在几公里长的光程上利用样品对光的差分吸收实现物质浓度测量。同时测量多种气体，因此得到的是痕量气体的总吸收，但是该技术仅限于所测波段的窄吸收谱线的气体分子，另外其监测体系也会受到环境中水汽的影响。
4）基于红外宽谱光源的光声光谱技术（PAS）。该技术使用红外宽谱光源射入光声池中，而密闭在池中的气体分子吸收到特定频率的入射光后由基态跃迁至激发态并产生热能，周期性的温度变换以同周期的压力波动，即声波形式释放。该声波可通过安装在光声池中的微音器接收。该技术系统结构简单，光谱范围可自由选择，适用于多类气体检测。但分辨率方面优势不足，难以探测吸收谱线较近的气体吸收光谱。
因此，目前的气体吸收光谱测量技术在分辨率、灵敏度或者波段选择性等方面均存在问题。上述光声光谱技术作为一种理想的无背景噪声信号技术，透射光强的大小可直接由探测到的声波信号强弱反映，与传统光谱分析法相比，它不受光反射和散射的影响。在此基础上，可以使用可调谐连续光源替代红外宽谱光源，实现高分辨率、高灵敏度以及良好选择性的红外吸收光谱探测。
发明内容
本发明的目的是针对目前的吸收光谱测量技术的不足之处，提供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。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种激光光声光谱气体检测装置，其包括激光光源模块、光声探测模块、信号采集处理模块，所述激光光源模块包括中红外可调谐连续光源，所述光声探测模块包括斩波器、光声池和微音器，所述信号采集处理模块包括分光镜、中红外探测器、锁相放大器和数据采集卡。
作为优选方案，所述中红外可调谐连续光源的输出与光声池的光源入射口相对，所述斩波器设于中红外光源与光声池之间，用于对光源进行周期性的强度调制，所述斩波器的控制器与数据采集卡电连接，所述中红外探测器与和数据采集卡电连接，所述锁相放大器与微音器电连接，所述数据采集卡与锁相放大器电连接。
作为优选方案，所述中红外可调谐连续光源包括近红外可调谐连续激光器、近红外光梳、声光移频器、分束器、合束器以及光电探测器，所述分束器的输入与近红外可调谐连续激光器光路连接，所述分束器的输出与声光移频器的输入和合束器的输入光路连接，所述合束器的输入与近红外光梳光路连接，所述合束器的输出与光电探测器的输入光路连接，所述光电探测器的输出与声光移频器电路连接，所述中红外可调谐连续光源还包括沿光路方向依次设置的高反镜、二向色镜、滤波片。
作为优选方案，所述二向色镜和滤波片之间设有非线性差频晶体。
另一方面，本发明提供了一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其包括如下步骤：
利用声光移频锁频，将两个频率不等的近红外可调谐连续激光器分别锁于两个对应频率的光梳，并结合非线性差频效应获得可调谐的中红外连续光源；
将将所述的中红外光源产生的连续激光射入含有待测气体的光声池中，输出的声波信号经微音器探测后转为电信号，经傅里叶变换后呈现出高分辨率的光声光谱。
作为优选方案，所述声光移频锁频技术是将一个近红外可调谐连续激光一部分注入带有光学频率偏移效应的声光移频器，剩余部分与同波段光梳拍频，产生的拍频信号作为声光移频器的输入电信号。
作为优选方案，所述非线性差频效应是将两束近红外连续光同步通过非线性差频晶体，获得对应频率的中红外激光。
作为优选方案，所述近红外可调谐连续激光器的频率为
。
作为优选方案，所述拍频信号的频率为
，所述声光调制器的特定驱动频率为
。
作为优选方案，所述光学频率偏移效应是指当
时，声光移频器对注入的连续光产生声光频移效应，获得频率为
的输出光，即连续光的频率或是锁于光梳的某一根梳齿上，或是产生频率啁啾。
作为优选方案，所述的光声光谱检测技术，是将经过强度调制的单色光射入光声池中的样品，用微音器探测样品吸收光能产生的声波信号并转化为电信号；该电信号经过放大后被采集，可获得对应的光声光谱。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明提出的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，利用声光移频锁频技术，实现了连续光源的快速、精准的频率锁定和调谐，同时又具备了光声光谱技术的无背景噪声干扰等优势。因此，该方法针对各气体吸收峰之间交叉敏感等问题，可以给出一个同时具备高分辨率、高灵敏度以及良好选择性等优点的吸收谱探测方案。
（2）本发明中的声光移频锁频技术不依赖于实施例中使用的连续激光器，它对任何在AOFS光谱范围内可调谐的连续波激光器都适用。与激光光声光谱气体检测方法相结合，本系统在电网安全维护方面可以实现油中气体的实时检测，也为大气监测、航空尾气检测等方面提供了新方案。
附图说明
图1为声光移频锁频工作框架图；
图2为声光移频锁频原理图；
图3为本发明的激光光声光谱气体检测装置的结构示意图。
其中，1—近红外光梳、2—合束器、3—近红外可调谐连续激光器、4—分束器、5—光电探测器、6—声光移频器、7—红外光梳、8—合束器、9—近红外可调谐连续激光器、10—分束器、11—光电探测器、12—声光移频器、13—高反镜、14—二向色镜、15—非线性差频晶体、16—滤波片、17—中红外可调谐连续光源、18—分光镜、19—中红外探测器、20—斩波器、21—光声池、22—微音器、23—锁相放大器、24—数据采集卡。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图3所示，本发明提供的一种激光光声光谱气体检测装置，其包括激光光源模块、光声探测模块、信号采集处理模块，激光光源模块包括中红外可调谐连续光源17，光声探测模块包括斩波器20、光声池21和微音器22，信号采集处理模块包括分光镜18、中红外探测器19、锁相放大器23和数据采集卡24。
作为优选方案，中红外可调谐连续光源17的输出与光声池21的光源入射口相对，斩波器20设于中红外可调谐连续光源17与光声池21之间，用于对光源进行周期性的强度调制，斩波器20的控制器与数据采集卡24电连接，中红外探测器19与和数据采集卡24电连接，锁相放大器23与微音器22电连接，数据采集卡24与锁相放大器23电连接。
作为优选方案，中红外可调谐连续光源17包括近红外可调谐连续激光器3和9、近红外光梳1和7、声光移频器6和12、分束器4和10、合束器2和8以及光电探测器5和11，分束器4（或10）的输入与近红外可调谐连续激光器3（或9）光路连接，分束器4（或10）的输出与声光移频器6（或12）的输入以及合束器2（或8）的输入光路连接，合束器2（或8）的输入与近红外光梳1（或7）光路连接，合束器2（或8）的输出与光电探测器5（或10）的输入光路连接，光电探测器5（或10）的输出与声光移频器6（或12）电路连接，中红外可调谐连续光源17还包括沿光路方向依次设置的高反镜13、二向色镜14、滤波片16。
作为优选方案，二向色镜14和滤波片16之间设有非线性差频晶体15。
本实施例所涉及的具体技术如下所述：
首先是声光移频锁频技术。如图1所示，将近红外可调谐连续激光耦合进AOFS，在外部电信号与AOFS特定驱动频率相等的条件下，AOFS被开启且输入光频率发生频移。在不调谐连续激光器的频率时，AOFS的一阶衍射输出实现了将连续激光频率锁定于近红外光梳上；在对连续激光器频率连续调谐的过程中，一阶衍射输出产生了频率锁定、频率啁啾两种状态交替出现的特性。图2具体展示了声光移频锁频的工作原理。对一个频率为
的连续光分光，其中一路经过驱动频率为
的声光移频器（AOFS），另一路与对应波段的光学频率梳拍频，产生的拍频信号
作为AOFS的电信号输入。
随着连续激光扫频呈现锯齿状的变化曲线。当
时，AOFS自动开启，此时连续激光通过声光介质衍射，使得衍射光的输出频率在
上被叠加了一个超声频率
，即产生
的频移。设光梳中某一根梳齿频率为
，则以上分为两种情况：当
时（
随时间呈上升趋势），
；当
时（
随时间呈下降趋势），
。综上，该技术表明，连续激光器频率不被调谐时，可一直锁于光梳的某一根梳齿上；而随着连续激光器的扫频，其频率或是锁于光梳，或是产生频率啁啾。
通常宽带可调谐连续激光器的频率线宽在0.1-1 MHz量级，相应频率的秒不确定度约为10-9（以中心波长1550 nm，光频率192THz的激光器为例）。同一波段的光梳锁定后，梳齿的线宽可优于1 kHz，秒不确定度在10-12量级。已被证实，声光移频锁频的跟随精度，即被锁定的连续激光器和光梳之间的相对秒不确定度小于10-15，远优于光梳梳齿频率的秒不确定度。因此，最终限制锁定后连续激光器线宽（或者说频率秒不确定度）的决定因素是光梳的梳齿线宽。将连续激光器锁定在光梳上后，其频率测量的不确定度将被提升近3个量级。因此，可以用于提升光声光谱技术对气体吸收谱线中心频率的检测精度。
所述的非线性差频效应，是在满足相位匹配的前提下，将高频的泵浦光与低频的信号光通过非线性极化晶体，实现差频效应并产生闲频光的过程。如图3所示，高频连续激光器发射泵浦光（频率为
），低频连续激光器发射信号光（频率为
）两者在非线性晶体中发生差频，并经过滤波，产生频率为
的中红外闲频光。
其次是光声光谱检测技术。如图3所示，对中红外可调谐连续光源17分光，部分经过斩波器20的强度调制后，照射到含有待测气体的光声池21中。气体分子吸收频率为
的中红外光后由基态跃迁至激发态，受激分子又与周围气体分子碰撞，由激发态返回至基态，并将吸收的光能转化为受碰撞的分子间的动能，即表现为内能（温度上升）。由于入射光受到斩波器20产生的周期性的调制，而周期性的温度变换会引起周期性的声波。该声波信号可以通过光声池21中的微音器22检测，并被转化为电信号。使用锁相放大器23对电信号进行噪声抑制和放大后，接入数据采集卡24进行信号处理。光源的剩余部分由中红外探测器19探测并送至数据采集卡24的触发端口，用于采集时间的控制。随着中红外连续光源17波长的改变，该技术可以对分子的单个吸收峰或者谱线较为接近的几个吸收峰进行调制，产生特定频率的声波信号，进而得到对应的红外吸收光谱。
具体实施如下：
实施例：如图3所示，1.55 
的可调谐连续激光器3经过30：70的分束器4后，其中70%的光通过声光移频器6（驱动频率为100 MHz），30%的光与1.55 
的光梳进行拍频，光梳的重复频率为54.5 MHz。拍频信号经光电探测器5转化为电信号，并接入声光移频器6。通过声光移频锁频技术，连续激光的频率每扫过54.5 MHz（光梳重复频率）时，声光移频器5的一阶衍射光即输出两个脉冲信号。1.064 
的可调谐连续激光器9经过30：70的分束器10后，其中70%的光通过声光移频器12（驱动频率为100 MHz），30%的光与1.064 
的光梳进行拍频，光梳的重复频率为50 MHz。拍频信号经光电探测器11转化为电信号，并接入声光移频器12。通过声光移频锁频技术，不调谐连续激光的频率，声光移频器12的一阶衍射光频率则严格锁定于光梳上，从而实现稳频输出。该1.064 
的连续光，作为差频过程的泵浦光，并与扫频中某时刻AOFS衍射输出的1.55 
的信号光在非线性差频晶体13（周期性极化铌酸锂晶体，PPLN）中作用，产生3.39 
的闲频光。在连续激光器3的扫频过程中，中红外光的频率亦在被精确的调谐中，形成中红外可调谐连续光源17。
中红外可调谐连续光源17的输出被分光镜18分为两路，一路被中红外探测器19探测，并直接接入数据采集卡24的触发端口，从而确保信号采集是在中红外光频锁定而非调谐状态下完成的；另一路进入光声探测模块：经过斩波器20调制的中红外光进入充有甲烷的光声池21中，其声波信号被池内微音器22捕捉并转化为电信号，对电信号进行噪声抑制以及锁相放大23后，接入数据采集卡24进行采集和数据处理。另外，斩波器20的调制频率也被接入数据采集卡作为参考信号。将数据导入采集处理程序，进行快速傅里叶变换，即可实时地获取甲烷相应的红外吸收光谱信息。该光谱的分辨率由近红外光梳的重复频率决定。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (11)
1.一种激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，包括激光光源模块、光声探测模块、信号采集处理模块，所述激光光源模块包括中红外可调谐连续光源(17)，所述光声探测模块包括斩波器(20)、光声池(21)和微音器(22)，所述信号采集处理模块包括分光镜(18)、中红外探测器(19)、锁相放大器(23)和数据采集卡(24)。
2.如权利要求1所述的激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述中红外可调谐连续光源(17)的输出与光声池(21)的光源入射口相对，所述斩波器(20)设于中红外光源(17)与光声池(21)之间，用于对光源进行周期性的强度调制，所述斩波器(20)的控制器与数据采集卡(24)电路连接，所述中红外探测器(19)与和数据采集卡(24)电路连接，所述锁相放大器(23)与微音器(22)电路连接，所述数据采集卡(24)与锁相放大器(23)电路连接。
3.如权利要求1所述的激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述中红外可调谐连续光源(17)包括近红外可调谐连续激光器(3)和(9)、近红外光梳(1)和(7)、声光移频器(6)和(12)、分束器(4)和(10)、合束器(2)和(8)以及光电探测器(5)和(11)，所述分束器(4)或(10)的输入与近红外可调谐连续激光器(3)或(9)光路连接，所述分束器(4)或(10)的输出与声光移频器(6)或(12)的输入和合束器(2)或(8)的输入光路连接，所述合束器(2)或(8)的输入与近红外光梳(1)或(7)光路连接，所述合束器(2)或(8)的输出与光电探测器(5)或(11)的输入光路连接，所述光电探测器(5)或(11)的输出与声光移频器(6)或(12)电路连接，所述中红外可调谐连续光源(17)还包括沿光路方向依次设置的高反镜(13)、二向色镜(14)、滤波片(16)。
4.如权利要求3所述的激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述二向色镜(14)和滤波片(16)之间设有非线性差频晶体(15)。
5.一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用声光移频锁频，将两个频率不等的近红外可调谐连续激光器(3)和(9)分别锁于两个对应频率的光梳(1)和(7)，并结合非线性差频效应获得可调谐的中红外连续光源(17)；
将所述的中红外光源的连续激光(17)射入含有待测气体的光声池(21)中，输出的声波信号经微音器(22)探测后转为电信号，经傅里叶变换后呈现出高分辨率的光声光谱。
6.如权利要求5所述的基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，所述声光移频锁频是将一个近红外可调谐连续激光(3)或(9)一部分注入带有光学频率偏移效应的声光移频器(6)或(12)，剩余部分与同波段光梳(1)和(7)拍频，产生的拍频信号作为声光移频器(6)或(12)的输入电信号。
7.如权利要求5所述的基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，所述非线性差频效应是将两束频率锁定的近红外连续光(信号光和泵浦光)同步通过非线性差频晶体(15)，获得对应频率的中红外激光。
8.如权利要求5所述的基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，所述近红外可调谐连续激光器(3)或(9)的频率为fCW。
9.如权利要求6所述的基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，所述拍频信号的频率为fb，所述声光调制器(6)或(12)的特定驱动频率为为fA。
10.如权利要求6所述的基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，所述光学频率偏移效应是指fb＝fA当时，声光移频器(6)或(12)对注入的连续光产生声光频移效应，获得频率为fCW-fb的输出光，即连续光的频率或是锁于光梳的某一根梳齿上，或是产生频率啁啾。
11.如权利要求5所述的基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，所述的光声光谱检测技术，是将经过强度调制的单色光射入光声池(21)中的样品，用微音器(22)探测样品吸收光能产生的声波信号并转化为电信号；该电信号经过放大后被采集，可获得对应的光声光谱。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115615928A (zh) * | 2022-11-17 | 2023-01-17 | 之江实验室 | 光声光谱相位锁定方法、装置和系统 |
| CN116337777A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-06-27 | 之江实验室 | 一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统及方法 |
| WO2023241336A1 (zh) * | 2022-06-15 | 2023-12-21 | 香港中文大学深圳研究院 | 基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置及探测方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090207418A1 (en) * | 2008-02-19 | 2009-08-20 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Absolute distance measurement method and system using optical frequency generator |
| CN102265214A (zh) * | 2008-12-02 | 2011-11-30 | 费姆托激光产品股份有限公司 | 用于产生自参照光学梳形频谱的方法和设备 |
| CN103794980A (zh) * | 2014-01-27 | 2014-05-14 | 华东师范大学 | 用高功率光纤光学频率梳测量光频率的方法及其装置 |
| US20180212396A1 (en) * | 2015-07-15 | 2018-07-26 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Device and Method for Performing Overall Frequency Stabilization of Femtosecond Laser Optical Comb by Using Optical Modes Directly Extracted from Optical Comb |
| US20190356103A1 (en) * | 2017-01-05 | 2019-11-21 | Ipg Photonics Corporation | Optical frequency comb generator with carrier envelope offset frequency detection |
| CN110572214A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-12-13 | 天津大学 | 一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法 |
| CN111650127A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-09-11 | 国家电网有限公司 | 基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统及方法 |
| CN111711062A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-09-25 | 南京大学 | 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 |
| CN112117636A (zh) * | 2020-10-21 | 2020-12-22 | 之江实验室 | 一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统 |
-
2021
- 2021-06-23 CN CN202110695646.6A patent/CN114136921A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090207418A1 (en) * | 2008-02-19 | 2009-08-20 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Absolute distance measurement method and system using optical frequency generator |
| CN102265214A (zh) * | 2008-12-02 | 2011-11-30 | 费姆托激光产品股份有限公司 | 用于产生自参照光学梳形频谱的方法和设备 |
| CN103794980A (zh) * | 2014-01-27 | 2014-05-14 | 华东师范大学 | 用高功率光纤光学频率梳测量光频率的方法及其装置 |
| US20180212396A1 (en) * | 2015-07-15 | 2018-07-26 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Device and Method for Performing Overall Frequency Stabilization of Femtosecond Laser Optical Comb by Using Optical Modes Directly Extracted from Optical Comb |
| US20190356103A1 (en) * | 2017-01-05 | 2019-11-21 | Ipg Photonics Corporation | Optical frequency comb generator with carrier envelope offset frequency detection |
| CN110572214A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-12-13 | 天津大学 | 一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法 |
| CN111650127A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-09-11 | 国家电网有限公司 | 基于光频梳频率定标的高分辨光声光谱气体检测系统及方法 |
| CN111711062A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-09-25 | 南京大学 | 一种中红外光学频率梳产生的方法及装置 |
| CN112117636A (zh) * | 2020-10-21 | 2020-12-22 | 之江实验室 | 一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 崔小娟, 刘文清, 陈东等: ""差频产生中红外激光光谱检测系统研究"", 《大气与环境光学学报》, vol. 3, no. 2, pages 151 - 155 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023241336A1 (zh) * | 2022-06-15 | 2023-12-21 | 香港中文大学深圳研究院 | 基于外差相敏探测的波长调制色散光谱装置及探测方法 |
| CN115615928A (zh) * | 2022-11-17 | 2023-01-17 | 之江实验室 | 光声光谱相位锁定方法、装置和系统 |
| CN116337777A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-06-27 | 之江实验室 | 一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统及方法 |
| CN116337777B (zh) * | 2023-05-29 | 2023-08-29 | 之江实验室 | 一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统及方法 |
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