CN114184568A - 一种全光纤中红外激光外差辐射计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种全光纤中红外激光外差辐射计系统，包括太阳跟踪仪利用耦合透镜一、中红外多晶光纤、准直耦合透镜一将太阳光耦合进中红外二合一空心光纤的细芯径中，激光经耦合透镜二耦合进空心光纤的细芯径中，太阳光和激光在空心光纤的粗芯径处进行混合，然后通过准直耦合透镜二进入混频器进行光混频、射频放大器放大，带通电子滤波器过滤，再通过平方检波器功率检测，最后由锁相放大器根据斩波器参考频率解调出外差信号，此时利用信号发生器和PZT控制器扫描激光器的中心波长，即可获得外差光谱信号。本发明避免了采用传统中红外自由空间光学组件耦合太阳光和激光，可直接在中红外空心光纤内部进行混合，从而提高外差混频效率和系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及激光外差技术领域，具体涉及一种全光纤中红外激光外差辐射计系统。
背景技术
大气痕量气体(甲烷(CH4)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、氧化二氮(N2O)、水汽(H2O)等)在空气污染、臭氧消耗及气候变化中起重要作用。测量关键大气痕量气体垂直浓度廓线有利于我们理解污染物的运移、气候变化、全球环境参数以及人类活动对大气化学的影响。此外，垂直浓度廓线为验证各种大气化学和运移模型以及卫星观测提供了强有力的手段。同时，这些廓线还可以为环境评价和相关政策的制定提供科学、全面的依据。因此，长期以来大气科学家一直致力于研究大气痕量气体浓度及其垂直分布并获得了大量相关数据。
目前遥测大气痕量气体垂直廓线的主要方法包括星载全球测量和机载及地基局部测量。星载被动遥测技术可以长时间覆盖整个地球或者其它任何指定区域。然而，卫星平台仪器涉及到复杂的仪器特征及物理过程,并且测得的数据的可靠性和不确定性必须被验证后才能被用于解决实际问题。此外，卫星平台仪器的开销很高，在低空时通常会失去灵敏度。机载垂直廓线测量受传输模型误差的影响较小，因此在约束地面通量方面特别有用。机载被动遥感技术是地基测量和星载测量之间的宝贵联系。然而，机载技术很难测得大气几百米以下有大量对流层气体的地方。此外，由于飞行任务有限，他们无法进行连续测量任务。地基光谱仪通过测量到达地球表面的阳光量来推断有多少痕量气体被吸收，从而反演出痕量气体的垂直浓度廓线。现在有四种大家熟知的地基被动光谱仪，包括MAX-DOAS(多轴差分光学吸收光谱仪),SAOZ(天顶观测分析系统),FTS(傅里叶变换光谱仪)和LHR(激光外差辐射计)，其中FTS和LHR可以工作在中红外光谱区域。
总所周知，中红外区域对应着许多关键大气分子的发射光谱或吸收光谱，与FTS相比，LHR在光谱分辨率、灵敏度和可移动性方面具有很大的优势。因此LHR技术在中红外区域特别有吸引力。但在中红外，目前都是利用自由空间分离的光学元件将太阳光和激光进行合束混频，这将大大地降低外差的混频效率和系统的稳定性及灵活性。
因此，采用全光纤中红外激光外差辐射计原则上可以显著提高外差混频效率，同时也可以提高系统稳定性和灵活性。
发明内容
本发明提出的一种全光纤中红外激光外差辐射计系统，能够实现对大气痕量气体垂直廓线的实时、便携、高分辨、高灵敏测量。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种全光纤中红外激光外差辐射计系统，包括太阳跟踪仪，太阳跟踪仪上面有一个支架，光学带通滤波片和耦合透镜一分别用镜架固定构成望远镜筒并安装在太阳跟踪仪上面的支架上；
耦合透镜一焦点处放置一个SMA光纤接头一，中红外多晶光纤的光入射端就是连接在该SMA光纤接头一上，接收从太阳跟踪仪上望远镜筒收集的太阳光；
在耦合透镜一左边的焦点处放置另一个SMA光纤接头二，中红外多晶光纤的出射端接到这个SMA光纤接头二上，从中红外多晶光纤出射的光经准直耦合透镜一准直聚焦，并经斩波器调制后耦合到中红外空心光纤的320μm的光纤分支中，该光纤端的入口处也是安装一个SMA光纤接头三；
中红外激光器出射的光经耦合透镜二聚焦耦合到中红外空心光纤的320μm的光纤分支中，该光纤端的入口处也是安装一个SMA光纤接头四；
中红外空心光纤的两个320μm的光纤分支中的太阳光和激光一同入射到中红外空心光纤的1000μm的光纤中重叠；
中红外空心光纤的1000μm的光纤分支出射的光经准直耦合透镜二准直聚焦打到混频器里。
进一步的，混频器依次与射频放大器、射频滤波器、平方检波器、锁相放大器、数据采集卡及笔记本电脑连接；
其中，锁相放大器还与斩波器连接。
进一步的，SMA光纤接头一、SMA光纤接头二、SMA光纤接头三及SMA光纤接头四分别通过镜架固定。
进一步的，所述准直透镜一和准直耦合透镜二用镜架固定并安装在光学平台上。
进一步的，所述中红外空心光纤HE1m模式的耦合效率计算步骤如下：
当高斯光束在轴上聚焦到所述中红外空心光纤中时，只有HE1m模式被激发；所述中红外空心光纤中HE1m模式的空间分布用零阶贝塞尔函数来近似，即：
其中0≤r＜a，高斯光束的束腰ω0被表达为:
入射光束与各HE1m模式的功率耦合效率用重叠积分表示:
该方程描述了给定光斑尺寸与纤芯尺寸比值(ω0/a)时，与所述中红外空心光纤HE1m模式耦合的光功率耦合效率。
进一步的，所述中红外空心光纤内部HE1m模的衰减系数计算步骤如下：
对于具有单一介质薄膜的所述中红外空心光纤，损耗最小的条件是薄膜厚度d为：
其中nd是介电薄膜的波长依赖性折射率；
假设薄膜中没有吸收，此时：
当8μm,nd(λ)＝1.9512时，厚度d＝43μm；
各种HEnm光纤模式的衰减系数表示为:
其中n和κ为金属波导复指数的实部和虚部，μ1m为零阶贝塞尔函数的m根，λ为波长，a为纤芯半径。
进一步的，所述中红外空心光纤(9)中的总损失计算步骤如下：
长度为z的所述中红外空心光纤(9),其传输效率Pz表示为：
因子2是将电场平方得到强度的结果，在较差发射条件下使用所述中红外空心光纤(9)时，计算其理论损耗应对所有可能的模态进行求和,总损失Lz表示为：
进一步的，中红外空心光纤的输出光束发散度计算步骤如下：
从所述中红外空心光纤中产生的光束发散度不仅与光纤中传输模式有关，还与所述中红外空心光纤芯径的尺寸有关；
HE1m模将以半角光束发散度θ与自由空间模式耦合，θ表示为:
由上述技术方案可知，本发明技术基于激光外差光谱技术，激光外差光谱技术主要以携带大气分子吸收光谱信息的透过大气后的太阳光作为信号光，位于大气痕量气体吸收峰的激光作为本振光，获取太阳光和激光的高分辨外差光谱信号，利用建立的反演算法根据测量的整层大气吸收光谱计算出大气痕量气体的垂直浓度廓线分布。
本发明的全光纤中红外激光外差辐射计系统，包括太阳跟踪仪、中红外多晶光纤、耦合透镜一、耦合透镜二、激光器、准直耦合透镜一、准直耦合透镜二、斩波器、中红外二合一空心光纤、混频器、射频放大器、带通电子滤波器、平方检波器、锁相放大器、信号发生器、PZT控制器、数据采集卡。所述太阳跟踪仪利用所述耦合透镜一将太阳光耦合进所述中红外多晶光纤中，所述中红外多晶光纤出射的光经所述准直耦合透镜一，并通过所述斩波器调制，耦合进所述中红外二合一空心光纤中，所述激光器发出的光通过所述耦合透镜二耦合进所述中红外二合一空心光纤中，耦合进所述中红外二合一空心光纤的太阳光和激光在所述中红外二合一空心光纤的粗芯径处进行两束光的叠加，然后通过所述准直耦合透镜二进入所述混频器中进行光混频，所述混频器产生的中频信号经过所述射频放大器放大，接着通过所述带通电子滤波器过滤，再通过所述平方检波器功率检测，最后由所述锁相放大器根据所述斩波器参考频率解调出外差信号，此时利用所述信号发生器和所述PZT控制器扫描激光器的中心波长，即可获得外差光谱信号。
与现有技术比较，本发明的有益效果是避免了采用传统中红外自由空间光学组件耦合太阳光和激光，可直接在中红外空心光纤内部进行混合，从而提高外差混频效率和系统稳定性；本发明可同时检测多种痕量气体。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为在所述中红外空心光纤9的芯径为320μm的光纤分支中，光束与前5种HE1m模式的耦合效率理论计算曲线；
图3为在所述中红外空心光纤9的芯径为1000μm的光纤分支中，光束与前5种HE1m模式的耦合效率理论计算曲线；
图4为在Ag/AgI所述中红外空心光纤中，前四种HE1m模的衰减系数理论计算曲线；
图5为所述中红外空心光纤的传输损耗与f–number的函数关系；
图6为不同光斑尺寸与所述中红外光纤纤芯尺寸比值(ω0/a)时的光耦合示意图(a)ω0/a＜0.64；(b)ω0/a＝0.64；(c)ω0/a＞0.64；
图7为所述中红外空心光纤中激发前四种HE1m模的理论光束发散度；
附图标记说明：
图1中：1-太阳跟踪仪；2-光学带通滤波片；3-耦合透镜一；4-中红外多晶光纤；5-准直耦合透镜一；6-斩波器；7-中红外激光器(8μm)；8-耦合透镜二；9-中红外空心光纤；10-准直耦合透镜二；11-混频器；12-射频放大器；13-射频滤波器；14-平方检波器；15-锁相放大器；16-数据采集卡；17-笔记本电脑。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
如图1所示，本实施例所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，包括太阳跟踪仪1上面有一个支架，光学带通滤波片2和耦合透镜一3分别用镜架固定构成望远镜筒并安装在太阳跟踪仪1上面的支架上。耦合透镜一3焦点处放置一个SMA光纤接头，该光纤接头也是通过镜架固定。中红外多晶光纤4的光入射端就是连接在该SMA光纤接头上，接收从太阳跟踪仪1上望远镜筒收集的太阳光。在准直耦合透镜一5左边的焦点处放置另一个SMA光纤接头，该光纤接头也是通过镜架固定。中红外多晶光纤4的出射端接到这个SMA接头上，从中红外多晶光纤4出射的光经准直耦合透镜一5准直聚焦，并经斩波器6调制后耦合到中红外空心光纤9的320μm的光纤分支中，该光纤端的入口处也是安装一个SMA光纤接头。中红外激光器7出射的光经耦合透镜二8聚焦耦合到中红外空心光纤9的320μm的光纤分支中，该光纤端的入口处也是安装一个SMA光纤接头。中红外空心光纤9的两个320μm的光纤分支中的太阳光和激光一同入射到中红外空心光纤9的1000μm的光纤中重叠。中红外空心光纤9的1000μm的光纤分支出射的光经准直耦合透镜二8准直聚焦打到混频器11里。混频器11将把这里的光信号转化为电信号，后面的连接就是通过BNC射频线连接起来了。本实施例的中红外空心光纤9为中红外二合一空心光纤。
其中准直耦合透镜一5和准直耦合透镜二10用镜架固定并安装在光学平台上，多晶光纤4是通过两个固定的SMA接头固定的。2合1空心光纤9有两个入射端一个出射端，要通过三个固定的SMA接头固定的。也就是光纤入射和出射端都是接着SMA接头，这样才能把光纤给固定下来。斩波器也是固定在光学平台上的。
具体的说，本发明实施例是一种用于遥测大气痕量气体垂直廓线的全光纤中红外激光外差辐射计装置，其中，中红外多晶光纤4在中红外8μm处有很高的传输效率(55％)，所述的中红外空心光纤9可以实现两束分离的光(太阳光和中红外激光器7发出的光)在所述2合1中红外空心光纤9内部进行重叠，可以极大地提高外差混频效率和系统稳定性。在设计全光纤中红外激光外差光谱仪系统前。
下面将具体介绍光束耦合进所述中红外空心光纤9不同模式下产生的光束耦合损耗。
(1)光束与所述中红外空心光纤9HE1m模式的耦合效率
当高斯光束在轴上聚焦到所述中红外空心光纤9中时，只有HE1m模式被激发。所述中红外空心光纤9中HE1m模式的空间分布可以用零阶贝塞尔函数来近似，即：
其中0≤r＜a。高斯光束的束腰ω0可被表达为:
入射光束与各HE1m模式的功率耦合效率可用重叠积分表示:
该方程描述了给定光斑尺寸与纤芯尺寸比值(ω0/a)时，与所述中红外空心光纤9HE1m模式耦合的光功率耦合效率。根据该方程，利用MATLAB软件进行计算，分别得到了在所述中红外空心光纤9的芯径为320μm和1000μm的光纤分支中，光束与前5种HE1m模式的理论耦合效率曲线(图2和图3)。
如图2和图3所示，在所述中红外空心光纤9的芯径为320μm和1000μm的光纤分支中，光束与HE11模式的耦合效率最大时：
ω0/a＝0.64 (4)
(2)所述中红外空心光纤9内部HE1m模的衰减系数
对于具有单一介质薄膜的所述中红外空心光纤9，损耗最小的条件是薄膜厚度d为：
其中nd是介电薄膜的波长依赖性折射率。假设薄膜中没有吸收，此时：
当8μm,nd(λ)＝1.9512时，厚度d＝43μm。
各种HEnm光纤模式的衰减系数可表示为:
其中n和κ为金属波导复指数的实部和虚部，μ1m为零阶贝塞尔函数的m根，λ为波长，a为纤芯半径。HE1m前5种模式的μ1m值见表1。
表1前5种HE1m模式的μ1m值。
根据公式(7)计算了Ag/AgI所述中红外空心光纤9中前四种HE1m模式的衰减系数。这四条曲线表明1/a3和损耗的依赖关系以及高阶模损耗随着纤芯半径a的减小而急剧增加，且HE11模式的衰减系数最小，即传输损耗最小(图4)。
(3)所述中红外空心光纤9中的总损失
估算所述中红外空心光纤9中的理论传输损耗，需同时考虑各模式的衰减和耦合效率。因此，长度为z的所述中红外空心光纤9,其传输效率Pz可以表示为：
因子2是将电场平方得到强度的结果。在较差发射条件下使用所述中红外空心光纤9时，计算其理论损耗应对所有可能的模态进行求和，因为它可能激发许多高阶模态。理论总损失Lz可以表示为：
图5所示为长度为1m、所述中红外空心光纤9的芯径为320μm和1000μm光纤分支实现最小传输损耗所需的耦合条件。最大传输发生在f-number(
D是光束直径):
对于所述中红外空心光纤9的芯径为320μm的光纤分支：f–number＝f/20,即:ω0/a≈0.62；
对于所述中红外空心光纤9的芯径为1000μm的光纤分支：f–number＝f/51,即:ω0/a≈0.52。
仿真结果表明，与HE11模式的最佳耦合相比，最大传输(最小损失)的发射条件需要较小的ω0/a值(ω0/a＝0.64)。这种差别取决于纤芯大小，对于纤芯较大的所述中红外空心光纤9，这种差别更大。从图2和图3可以看出，在较小的f-number下，更多的光功率将被耦合到高阶模式中(ω0/a＜0.64)(图6(a)),在f-number较大时，即聚焦光斑大于纤芯直径(2a)(ω0/a＞0.64)时(图6(c))，光束将被所述中红外空心光纤壁截断。
在大芯径所述中红外空心光纤9中，对高阶模的衰减并不明显大于HE11模(图4)，因此通过减小输入光束光斑尺寸消除束限对总损耗没有明显影响。此外，在高功率应用中，为避免所述中红外空心光纤9的任何损伤，激光能量不能撞击光纤壁。因此，通过减小输入光束光斑尺寸，以及利用更小的f-number(ω0/a＜0.64)发射光束来消除破坏性输入的可能性。
(4)输出光束发散度
从所述中红外空心光纤9中产生的光束发散度不仅与光纤中传输模式有关，还与所述中红外空心光纤9芯径的尺寸有关。HE1m模将以半角光束发散度θ与自由空间模式耦合，θ可表示为:
图7给出了前四种HE1m模的光束发散度随芯径尺寸变化的函数。与预期的一样，最低阶模给出了最小的光束发散度，如图7所示。
(5)所述中红外空心光纤9耦合LHR系统
使用两个单透镜将所述中红外多晶光纤4输出的经所述准直耦合透镜一5前端准直透镜准直后的太阳光和激光分别耦合到所述2合1中红外空心光纤9的两根芯径为320μm的光纤分支中，然后使用所述2合1的中红外空心光纤9的芯径为1000μm的光纤分支实现光束重叠。设计工作主要针对光纤耦合效率提高及系统稳定性和灵活性的问题。
从上述理论分析可知，光纤耦合LHR系统的耦合效率取决于耦合进所述中红外空心光纤9的光束模式。光耦合到所述中红外空心光纤9的效率受到两个因素的限制，即聚焦光斑的大小和光束经过光耦合透镜后的聚焦角度。通常，考虑到相对大的纤芯，耦合光到一个所述中红外空心光纤9是相对简单的。然而，如果使用不适当的焦距光学，传输效率和光束质量都可能受到不利的影响。一般来说，光束应该以相对渐进的聚焦方式直接进入所述中红外空心光纤9。图2和图3的曲线显示，当聚焦光斑尺寸(2ω0)与纤芯直径(2a)之比为:ω0/a≈0.64(其中
)时，将会耦合到最佳的最低阶模式，此时耦合到所述中红外空心光纤9中的光束质量最高，损耗也最低。因此，最佳焦距
的计算的假设是理想的准直高斯输入光束，非理想光束将有较大的聚焦点。因此，建议选择一个等于或小于最优焦距的焦距，以满足较小的f-number(ω0/a＜0.64)发射条件。
由于所述2合1中红外空心光纤9的芯径限制(芯径最大可选为1000μm)，因此耦合太阳光/LO的单个芯径最大可选为320μm。
在全光纤中红外LHR系统中，太阳光被所述太阳跟踪仪1上安装的所述滤波片2和所述耦合透镜一3收集并耦合进所述中红外多晶光纤4中，从所述中红外多晶光纤4输出的光束经所述准直耦合透镜一5先准直再聚焦耦合进所述2合1中红外空心光纤9的纤芯为320μm光纤中。这里所所述的准直耦合透镜一5直径为12.5mm,即太阳光经所述准直耦合透镜一5后的尺寸D＝12.5mm。因此，将太阳光耦合进后续所述2合1中红外空心光纤9的fopt应等于或小于250mm。
众所周知，所述中红外空心光纤9利用全内反射(TIR)将光束限制和引导在固体或液体结构内。在所述中红外空心光纤9内部，存在一个临界入射角，这样光线将从芯/包层界面反射，而不是折射到周围的介质中。为了满足所述中红外空心光纤9的TIR条件，入射光的入射角必须尽可能接近所述中红外空心光纤9的半角θ。数值孔径(NA)是所述中红外空心光纤9制造商用于指定所述中红外空心光纤9接受角度的无量纲数量，定义为:
NA＝nsinθ＝sinθ(n＝nair＝1) (11)
对于所述中红外空心光纤9的纤芯为320μm的光纤分支，可接受的全角为2.29°。因为聚焦角度随着耦合透镜焦距的减小而增加，我们使用Zemax模拟耦合透镜，经250mm焦距的耦合透镜后，聚焦全角θ1约为2.3°,这个接近所述中红外空心光纤9的接收角。因此，选择耦合透镜的焦距为250mm来耦合太阳光。
对于具有TEM00输出模式的所述中红外激光器7，只考虑HE11模式的贡献就足够了，并将尽可能多的功率耦合到所述中红外空心光纤9HE11模式中(ω0/a≈0.64)。与用于耦合太阳光的光纤分支的纤芯尺寸一致，用于耦合激光束(D＝2.5mm)的光纤分支的纤芯尺寸也为320μm。相应的耦合透镜二8的焦距f选择应该等于和小于50mm。当使用50mm所述焦距透镜二8进行耦合时,仿真的结果表明,经过该所述耦合透镜二8后的聚焦全角θ2为2.88°,这个比纤芯为320μm的光纤分支的可接受全角要大一点。考虑到聚焦光斑的大小，耦合激光的所述耦合透镜二8焦距仍选择50mm。
两束分别由所述中红外空心光纤9的芯径为320μm光纤分支传输的光束耦合到所述中红外空心光纤9的芯径为1000μm光纤分支中，使其相互重叠。最后，利用所述准直耦合透镜二10将所述中红外空心光纤9的芯径为1000μm光纤分支的输出光束聚焦到所述混频器11中。经所述准直耦合透镜二10后的光束聚焦全角应小于所述混频器11的接受角。
由上可知，本发明避免了采用传统中红外自由空间光学组件耦合太阳光和激光，可直接在中红外空心光纤内部进行混合，从而提高外差混频效率和系统稳定性；本发明可同时检测多种痕量气体。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种全光纤中红外激光外差辐射计系统，包括太阳跟踪仪(1)，其特征在于，
太阳跟踪仪(1)上面有一个支架，光学带通滤波片(2)和耦合透镜一(3)分别用镜架固定构成望远镜筒并安装在太阳跟踪仪(1)上面的支架上；
耦合透镜一(3)焦点处放置一个SMA光纤接头一，中红外多晶光纤(4)的光入射端就是连接在该SMA光纤接头一上，接收从太阳跟踪仪(1)上望远镜筒收集的太阳光；
在准直耦合透镜一(5)左边的焦点处放置另一个SMA光纤接头二，中红外多晶光纤(4)的出射端接到这个SMA光纤接头二上，从中红外多晶光纤(4)出射的光经准直耦合透镜一(5)准直聚焦，并经斩波器(6)调制后耦合到中红外空心光纤(9)的320μm的光纤分支中，该光纤端的入口处也是安装一个SMA光纤接头三；
中红外激光器(7)出射的光经耦合透镜二(8)聚焦耦合到中红外空心光纤(9)的320μm的光纤分支中，该光纤端的入口处也是安装一个SMA光纤接头四；
中红外空心光纤(9)的两个320μm的光纤分支中的太阳光和激光一同入射到中红外空心光纤(9)的1000μm的光纤中重叠；
中红外空心光纤(9)的1000μm的光纤分支出射的光经准直耦合透镜二(8)准直聚焦打到混频器(11)里。
2.根据权利要求1所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，其特征在于：混频器(11)依次与射频放大器(12)、射频滤波器(13)、平方检波器(14)、锁相放大器(15)、数据采集卡(16)及笔记本电脑(17)连接；
其中，锁相放大器(15)还与斩波器(6)连接。
3.根据权利要求1所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，其特征在于：SMA光纤接头一、SMA光纤接头二、SMA光纤接头三及SMA光纤接头四分别通过镜架固定。
4.根据权利要求1所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，其特征在于：所述准直透镜一(5)和准直耦合透镜二(10)用镜架固定并安装在光学平台上。
5.根据权利要求2所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，其特征在于：所述中红外空心光纤(9)HE1m模式的耦合效率计算步骤如下：
当高斯光束在轴上聚焦到所述中红外空心光纤(9)中时，只有HE1m模式被激发；
所述中红外空心光纤(9)中HE1m模式的空间分布用零阶贝塞尔函数来近似，即：
其中0≤r＜a，高斯光束的束腰ω0被表达为:
入射光束与各HE1m模式的功率耦合效率用重叠积分表示:
该方程描述了给定光斑尺寸与纤芯尺寸比值(ω0/a)时，与所述中红外空心光纤(9)HE1m模式耦合的光功率耦合效率。
6.根据权利要求2所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，其特征在于：所述中红外空心光纤(9)内部HE1m模的衰减系数计算步骤如下：
对于具有单一介质薄膜的所述中红外空心光纤(9)，损耗最小的条件是薄膜厚度d为：
其中nd是介电薄膜的波长依赖性折射率；
假设薄膜中没有吸收，此时：
当8μm,nd(λ)＝1.9512时，厚度d＝43μm；
各种HEnm光纤模式的衰减系数表示为:
其中n和κ为金属波导复指数的实部和虚部，μ1m为零阶贝塞尔函数的m根，λ为波长，a为纤芯半径。
7.根据权利要求2所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，其特征在于：
所述中红外空心光纤(9)中的总损失计算步骤如下：
长度为z的所述中红外空心光纤(9),其传输效率Pz表示为：
因子2是将电场平方得到强度的结果，在较差发射条件下使用所述中红外空心光纤(9)时，计算其理论损耗应对所有可能的模态进行求和,总损失Lz表示为：
8.根据权利要求2所述的全光纤中红外激光外差辐射计系统，其特征在于：
中红外空心光纤(9)的输出光束发散度计算步骤如下：
从所述中红外空心光纤(9)中产生的光束发散度不仅与光纤中传输模式有关，还与所述中红外空心光纤(9)芯径的尺寸有关；
HE1m模将以半角光束发散度θ与自由空间模式耦合，θ表示为:
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