CN114739922A - 一种多光频梳动态光谱检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光频梳动态光谱检测系统和方法，其特征在于，所述的多光频梳动态光谱检测系统包括多光频梳光源、待测系统、分光器件、合光器件1、合光器件2、光探测器1、光探测器2、数据采集处理单元；多光频梳光源产生具有重复频率f₁的采样光1、具有重复频率f₀的激励光与具有重复频率f₂的采样光2，且采样光1与激励光重复频率差的绝对值Δf₁₀＝|f₁‑f₀|与采样光2与激励光重复频率差的绝对值Δf₂₀＝|f₂‑f₀|不相等；激励光经过待测系统，形成包含待测系统的动态光谱信息的信号光；分光器件将信号光分为两路，其中一路与采样光1通过合光器件1进行合光，另一路与采样光2通过合光器件2进行合光；光探测器1对合光器件1的输出进行互相关检测，同时光探测器2对合光器件2的输出进行互相关检测，同时获得对待测系统的动态光谱信息的两组采样信号；数据采集处理单元对两组采样信号进行采集，通过处理获得待测系统的动态光谱信息的特性。本发明能够实现对待测系统动态光谱的测量。

Description

一种多光频梳动态光谱检测系统和方法

技术领域

本发明涉及光谱探测技术领域，尤其涉及一种多光频梳动态光谱检测系 统和方法。

背景技术

在实验室及化学传感和大气监测等现场应用中，经常需要对材料进行快 速、高精度和灵敏的光谱测量。光学频率梳技术的发展衍生出一种双梳光谱 学的方法，这是光梳光谱学的一种革命性方法。双梳光谱学类似于傅里叶变 换红外光谱，但不使用移动光学元件即可实现快速、高灵敏度地测量宽光谱 范围、高分辨率的线性吸收光谱。此外，随着微腔光频梳、单腔双光梳、电 光调制光频梳梳等技术的发展，双梳光谱学系统变得更加紧凑与可现场部署。 由于这些特点，双梳光谱学系统现在既可以用于基础科学，也用于实验室以 外的许多实际应用中。

在双梳光谱学中一个频率梳(信号梳)经过被测样品反射或透射等，加 载了被测样品的光谱响应，另一个频率梳(本地梳)在时域对信号梳进行采 样以获取干涉图。由于两种频率梳的重复频率略有不同，通过异步采样，实 现了将电子设备无法直接检测到的高频光信号映射为射频信号。对于静态测 量，双梳光谱学可以通过在时域或谱域中对周期性的结果进行平均来获得更 高信噪比的频谱，用于观察频谱中的细微细节，这也正是双梳光谱学的一大 优势。然而对于许多应用领域，需要进行动态的光谱检测双梳光谱学的光谱 刷新率由信号梳和本地梳之间的重复频率差决定，仅可以监测相对于该刷新 率足够慢的光谱变化。目前，已实现的方案中仅限于百Hz量级。同时双梳光 谱学的混叠带宽和刷新率之间存在相互制约的矛盾，单方面提高刷新率势必 会恶化双梳光谱学的其他性能。

本发明针对上述矛盾提出的多光梳光谱测量系统可以突破双光梳光谱测 量系统中刷新率的限制，通过两组及以上具有不同刷新率的双光梳光谱检测， 实现对高速光谱变化特性的频域测量。所使用的多光频梳光源生成三组具有 不同重复频率的光频梳，分别为具有重复频率f₁的采样光1、具有重复频率f₀的激励光与具有重复频率f₂的采样光2，且采样光1与激励光重复频率差的绝 对值Δf₁₀＝|f₁-f₀|与采样光2与激励光重复频率差的绝对值Δf₂₀＝|f₂-f₀|不相等。激 励光经过待测系统，形成包含待测系统的动态光谱信息的信号光；分光器件 将信号光分为两路，其中一路与采样光1通过合光器件1进行合光，另一路与 采样光2通过合光器件2进行合光；光探测器1对合光器件1的输出进行互相关 检测，同时光探测器2对合光器件2的输出进行互相关检测，同时获得对待测 系统的动态光谱信息的两组采样信号；数据采集处理单元对两组采样信号进 行采集，通过处理获得待测系统的动态光谱信息的特性。信号脉冲光分别被 采样脉冲光1和采样脉冲光2进行异步采样，每个采样过程与双梳光谱学一致， 所以这两组周期不同的欠采样动态光谱都保留了双梳光谱学的所有优势。另 一方面可以根据欠采样动态光谱的周期或者说刷新率的不同所带来的游标效 应，可以等效将单次测量的采样率进一步提升。因此相比现有双梳光谱测量 的刷新率受限，本发明可在保留双梳光谱学的所有优势的前提下将光谱测量 的刷新率提高。目前国际上针对多光梳系统及应用的研究刚刚起步，2018年 发表在Nature Photonics期刊上的三光梳光谱测量的文章(NP 12, 676-680(2018))，通过在双光梳光谱测量的基础上引入额外维度的自动异步 延迟，将两束双光梳脉冲入射到待测样品，并以第三路光梳脉冲进行采样， 获得了延迟时间相关的非线性光谱测量，也就是二维非线性相干光谱检测。 该系统和本发明相比，从原理到系统都存在着显著的差异。

本发明适用于现有的、包括微谐振腔双光频梳、单腔双光频梳、电光调 制双光频梳在内的，但不仅限于此的双光梳光谱学技术。

发明内容

本发明提供了一种多光频梳动态光谱检测系统，包括：

多光频梳光源、待测系统、分光器件、合光器件1、合光器件2、光探测 器1、光探测器2、数据采集处理单元；多光频梳光源产生具有重复频率f₁的采样光1、具有重复频率f₀的激励光与具有重复频率f₂的采样光2，且采 样光1与激励光重复频率差的绝对值Δf₁₀＝|f₁-f₀|与采样光2与激励光重复频率 差的绝对值Δf₂₀＝|f₂-f₀|不相等；激励光经过待测系统，形成包含待测系统的动 态光谱信息的信号光；分光器件将信号光分为两路，其中一路与采样光1通 过合光器件1进行合光，另一路与采样光2通过合光器件2进行合光；光探 测器1对合光器件1的输出进行互相关检测，光探测器2对合光器件2的输 出进行互相关检测，同时获得对待测系统的动态光谱信息的两组采样信号； 数据采集处理单元对两组采样信号进行采集，通过处理获得待测系统的动态 光谱信息的特性。

在一个示例中，多光频梳光源是由一个或多个激光器、由一个或多个激 光器与一个或多个光调制器级联、由一个或多个光学微谐振腔构成，或者上 述光源与频谱转换器件共同构成，多光频梳光源生成具有不同重复频率的脉 冲光。

在一个示例中，激励光与采样光的波长可以为紫外、可见、红外、X光、 太赫兹以及电磁波频段。

在一个示例中，多频梳光源是固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、 气体激光器、液体激光器、微腔激光器、自由电子激光器、碟片激光器中的 一种或几种的组合。

在一个示例中，分光器件将信号光分开，分光器件是光纤耦合器、分光 棱镜、偏振分束器或分光镜。

在一个示例中，合光器件1和合光器件2将采样光和信号光耦合在一起， 合光器件1和合光器件2包括光纤耦合器、分光棱镜和分光镜。

在一个示例中，光探测器，将耦合到一起的光信号转换为周期性采样电 信号，可以是PIN探测器、APD探测器、太赫兹光电导天线、非线性光学晶 体、超导探测器等。

在一个示例中，所述的激励脉冲光入射到待测系统中，形成包含待测系 统光谱信息的信号光，信号光产生的频谱变化可以是反射、透射、散射、非 线性光学过程，或者是不同方式的组合。

在一个示例中，所述的待测系统可以由一个或多个空间位置分布不完 全相同，同时对激励光具有透射或反射或散射或非线性或上述组合的独立 待测单元组成。

在一个示例中，所述的激励光、采样光1与采样光2可以是通过光电导、 光整流、激光气体等离子体、非线性晶体、光学混频、量子级联等方式方法 产生的太赫兹脉冲。

在一个示例中，所述的数据采集处理单元对信号的采集处理包括对采 集到的信号进行去噪处理，去噪方法包括并不局限于基于小波变换的信号 去噪法、基于独立分量分析的信号去噪法、基于经验模式分解的信号去噪 法、基于主量分析的信号去噪法、基于相位匹配的信号去噪法。对待测系 统中的待测单元的光谱响应的获得可以使用相应的算法处理得到，算法处 理包括但不限于快速卷积、傅里叶变换、傅里叶反变换、短时傅里叶变换、 小波变换、希尔伯特变换、希尔伯特-黄变换、正弦曲线拟合、雷克子波匹 配、S变换、Cohen类双线性变换、自适应滤波中的一种或多种方法。对 于宽谱信号的测量，算法还包括最大似然估计等算法。

本发明提供了一种多光频梳动态光谱检测方法，包括：

步骤1、多光频梳光源产生具有重复频率f₁的采样光1、具有重复频率 f₀的激励光与具有重复频率f₂的采样光2，且采样光1与激励光重复频率差 的绝对值Δf₁₀＝|f₁-f₀|与采样光2与激励光重复频率差的绝对值Δf₂₀＝|f₂-f₀|不相 等；

步骤2、激励光经过待测系统，形成包含待测系统的动态光谱信息的信 号光；

步骤3、分光器件将信号光分为两路，其中一路与采样光1通过合光器 件1进行合光，另一路与采样光2通过合光器件2进行合光；

步骤4、光探测器1对合光器件1的输出进行互相关检测，同时光探测 器2对合光器件2的输出进行互相关检测，同时获得对待测系统的动态光谱 信息的两组采样信号；

步骤5、数据采集处理单元对两组采样信号进行采集，通过处理获得待 测系统的动态光谱信息的特性。

在一个示例中，步骤1中，多光频梳光源可以通过控制包括并不仅限于 色散、腔长或折射率等参数中的一个或多个的不同，产生具有重复频率f₁的 采样光1、具有重复频率f₀的激励光与具有重复频率f₂的采样光2。

在一个示例中，步骤2中，激励光经过待测系统，形成包含待测系统动 态光谱信息的信号光，信号光中产生的频谱变化可以通过反射、透射、散射、 滤波、非线性光学过程，或者是不同方式的组合来实现。

在一个示例中，步骤4中，可以通过功率放大、功率控制、脉冲波形变 换、偏振控制、光束分路或通过非线性光学过程进行光谱变换的光学处理方 法，保证信号光与采样光产生拍频信号，且被光探测器所探测。

在一个示例中，步骤4中，光探测器1对合光器件1的输出进行互相关 检测，同时光探测器2对合光器件2的输出进行互相关检测，同时获得对待 测系统的动态光谱信息的两组采样信号，两组采样信号的周期分别为1/Δf₁₀与1/Δf₂₀。

在一个示例中，步骤5中，数据采集处理单元对两组采样信号进行采集， 通过处理获得待测系统的动态光谱信息的特性，其中对待测单元的时频响应 的获得可以使用相应的算法处理直接得到，算法处理包括但不限于快速卷 积、傅里叶变换、傅里叶反变换、短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特 变换、希尔伯特-黄变换、正弦曲线拟合、雷克子波匹配、S变换、Cohen 类双线性变换、自适应滤波中的一种或多种方法。对于宽谱信号的测量， 算法还包括最大似然估计等算法。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是一种多光频梳动态光谱检测系统结构图；

图2是实例1的系统结构图；

图3是实例1中三波长激光器的结构图；

图4是实例1中三波长激光器的光谱图；

图5是实例1中三波长激光器的频谱图；

图6是实例1中待测系统处于静态时数据采集得到的两组周期信号；

图7是实例1中待测系统分别处于静态与100.1kHz动态时获得的待测系 统动态光谱信息；

图8是实例2的系统结构图；

图9是实例3的系统结构图。

具体实施方式

下面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 描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的 实施例。

实例1

本实例系统结构图如图2所示。三波长脉冲激光器作为多光频梳光源，生 成具有不同波长和重复频率的脉冲光，通过滤波器将三个波长的光谱分开， 通过光放大器的放大实现了光谱展宽，分别形成激励光和采样光1与采样光 2，采样光1与激励光重复频率差的绝对值Δf₁₂＝|f₁-f₂|与采样光2与激励光重 复频率差的绝对值Δf₂₃＝|f₃-f₂|不相等。本实例中的待测系统由单个光纤布拉格 光栅(FBG)组成，其反射光谱的动态变化由信号发生器驱动压电陶瓷使FBG 产生动态应变所产生。使用激励光输入FBG，经其反射后生成的信号光经过 耦合器1分光后再分别使用耦合器2与耦合器3与采样光1与采样光2进行 合束，并分别被平衡探测器1与平衡探测器2检测，使信号光分别被采样光 1与采样光2进行周期性采样。经过模数转换采集卡，将周期性电信号采集 下来，并进行后续处理，得到待测系统的动态光谱信息。

本实例中，三波长脉冲光源为一个三波长锁模脉冲激光器，是多光频梳的 一种实现方式。该激光器只包括一个谐振腔，由于激光器内存在滤波效应， 可以同时生成三个波长的光脉冲，由于三个脉冲光的光谱中心波长不同，由 于光谐振腔具有色度色散，所以三个脉冲光的重复频率不同。本实例中，三 波长脉冲激光器结构如图3所示，激光器由泵浦激光管、波分复用器、光隔 离器、掺铒光纤、碳纳米管饱和吸收体、带保偏尾纤的在线起偏器、光耦合 器、偏振控制器组成。其中器件连接顺序可以改变。在双波长脉冲激光器中， 碳纳米管饱和吸收体为锁模器件，实现被动锁模；偏振控制器和在线起偏器 可以实现周期性滤波，所以可以实现三波长的脉冲输出。

本实例中，三波长脉冲激光器同时生成的三个具有不同重频的脉冲光的光 谱如图4所示。三个脉冲光的中心波长分别为λ₁＝1531.49nm， λ₀＝1548.59nm，λ₂＝1564.88nm，三个脉冲光的谱宽分别为BW₁＝2.8nm， BW₀＝2.6nm，和BW₂＝1.8nm中心波长差的绝对值分别为Δλ₁₀＝17.1nm，Δλ₂₀＝ 16.29nm，Δλ₁₂＝33.39nm。设光谱上中心波长为λ₁的峰对应的脉冲光的重复 频率是f₁，中心波长为λ₀的峰对应的脉冲光的重复频率是f₀，中心波长为λ₂的峰对应的脉冲光的重复频率是f₂。在本实例中，三波长脉冲激光器谐振腔 内的总色散为反常色散，有f₁<f₀<f₂。采用光电探测器和频谱仪观测到的激光 器输出光的频谱如图5所示，三个不同波长对应的脉冲光的重复频率分别为 f₁＝50.752286MHz，f₀＝50.749815MHz，f₂＝50.747355MHz，重复频率差分别 为Δf₁₀＝2471Hz，Δf₂₀＝2459Hz。通过光功率的放大和光谱展宽，光梳之间的 产生光谱交叠。

平衡探测器探测得到的周期性采样信号如图6所示，本实例中使用重频 为f₀的脉冲光作为激励光，重频为f₂的脉冲光作为采样光1，重频为f₁的脉 冲光作为采样光2，因此使用模数转换采集卡得到的两组周期性干涉信号的 周期分别为T₁＝406.577μs，T₂＝404.541μs，分别对应重频差1/Δf₂₀与1/Δf₁₀， 分别将两组周期性采样信号中的时域干涉图样(图6中的放大部分)进行分 段切片，并对切片后的每个时域干涉图样进行快速傅里叶变化即可得到FBG 在不同时刻的反射光谱特性。由于每一个时域干涉图样可以计算得到一个光谱数据，也就是说这两组双光梳光谱测量分别对应的光谱刷新率为Δf₂₀和 Δf₁₀。根据FBG在不同时刻的反射光谱即可得到在该段时间FBG的动态光谱 变化。如图7(a)(b)所示为在20ms的时间内FBG处于静态时的光谱变化， 图7(c)(d)所示为在20ms的时间内FBG被施加了高频振动时的动态光谱。 可以根据图7(c)(d)中光谱中心波长的变化频率与Δf₁₀和Δf₂₀的值计算得 到FBG的实际振动频率为100.1kHz。根据计算结果可以看出，多光梳的光 谱测量系统能够测量的动态光谱的变化频率远高于双光梳光谱测量方法能够 达到的刷新率。

如果待测系统由多个反射光谱波长相同的FBG在光纤上通过串联或者 并联的方式构成，可以根据不同FBG的时间延时不同从而实现对不同FBG 的光谱响应特性的探测；如果待测系统由多个时间延迟相同但是反射光谱波 长不同的FBG构成，则可以通过FBG的光谱不同从而实现对不同FBG的 分辨。对周期性时域干涉信号进行频域或时频域联合分析时，分析方法可以 是快速卷积、傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特变换、希尔伯特-黄变换中的一种或多种方法，将不同FBG的信号在频域或时域进行 分离，然后通过分离后信号的时域或频域分布获得相关信息，从而实现对多 个FBG动态光谱的同时测量。

在实例中多光频梳光源可以是由一个或多个激光器、由一个或多个激 光器与一个或多个光调制器级联、由一个或多个光学微谐振腔构成，或者 上述光源与频谱转换器件共同构成。

实例中的激励光与采样光的波长可以为紫外、可见、红外、X光、太赫兹以 及电磁波频段，实例中的激励脉冲光经过待测系统，形成包含待测系统实 际动态光谱信息的信号光，待测系统光谱的动态变化可以由应力、折射率、 浓度、温度、湿度、加速度、光强度、压强与位移等物理量的一种或多种 引起。

实例2

采用1个双重频脉冲激光器与1个脉冲激光器作为多光频梳光源分别 生成三个重频不相同的脉冲光实现对待测系统中折射率分布变化的反射式 检测如图8所示。双重频脉冲激光器输出两个波长接近，但具有正交偏振 的双重频脉冲，由于激光腔内存在具有双折射的器件，所以具有正交偏振 的两个脉冲光具有不同的重复频率。双重频脉冲光经过偏振分束器分开后 的光脉冲经过偏振分光器件后分开，其中一个脉冲光作为激励脉冲光入射到待测系统中通过反射形成信号光，由于待测系统中的折射率的变化使得 信号光的光谱发生变化，信号光经过耦合器分开后再分别通过耦合器与采 样脉冲光1，采样脉冲光2耦合在一起，共同入射到探测器得到周期性采 样信号。经过数据采集处理单元，可以得到不同时刻下折射率不同情况下 的反射光谱，根据反射光谱的变化可以实现对折射率变化的测量。

在实例2中激励脉冲光脉冲可以为紫外脉冲光、可见脉冲光、红外脉冲 光、太赫兹脉冲光或上述脉冲光种类的组合。其中太赫兹脉冲的产生可以是 由光电导产生、光整流、激光气体等离子体、非线性晶体、光学混频、量子 级联等方式方法产生。太赫兹的探测可以是PIN探测器、APD探测器、太赫 兹光电导天线、非线性光学晶体、超导探测器等。

实例3

采用三个具有不同重复频率的主动锁模光纤激光器作为多光频梳光源 实现对待测系统中甲烷气体浓度变化速率的检测，系统结构如图9所示。 三个具有不同重复频率的主动锁模光纤激光器中其中一个激光器发出的脉 冲光作为激励脉冲光，另外两个激光器发出的脉冲光分别作为采样脉冲光 1与采样脉冲光2。激励脉冲光发射到待测系统中，待测系统中的甲烷气体 浓度随时间发生变化，使激励脉冲光在对应位置的吸收峰的深度会发生变 化形成信号光，信号光经过耦合器分光后，再分别与采样脉冲光1与采样 脉冲光2通过耦合器进行合光，然后分别入射到两个探测器中得到两组周 期性采样信号。经过数据采集处理单元，可以得到待测系统中甲烷浓度随 时间的快速变化，这是由于不同浓度的甲烷气体所对应的吸收峰吸收深度 不相同，因此所得到的周期性采样信号中不同位置的时域干涉图样所对应 的中心频率的幅值反映了不同时刻甲烷气体的浓度。对周期信号中的干涉 信号进行分段傅里叶变换就可以获得系统不同时刻的甲烷浓度。

在实例3中多频梳光源可以是固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、 气体激光器、液体激光器、微腔激光器、自由电子激光器、碟片激光器中的 一种或几种相互组合的方式。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。 任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改 变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多光频梳动态光谱检测系统，其特征在于，所述的多光频梳动态光谱检测系统包括多光频梳光源、待测系统、分光器件、合光器件1、合光器件2、光探测器1、光探测器2、数据采集处理单元；多光频梳光源产生具有重复频率f₁的采样光1、具有重复频率f₀的激励光与具有重复频率f₂的采样光2，且采样光1与激励光重复频率差的绝对值Δf₁₀＝|f₁-f₀|与采样光2与激励光重复频率差的绝对值Δf₂₀＝|f₂-f₀|不相等；激励光经过待测系统，形成包含待测系统的动态光谱信息的信号光；分光器件将信号光分为两路，其中一路与采样光1通过合光器件1进行合光，另一路与采样光2通过合光器件2进行合光；光探测器1对合光器件1的输出进行互相关检测，光探测器2对合光器件2的输出进行互相关检测，同时获得对待测系统的动态光谱信息的两组采样信号；数据采集处理单元对两组采样信号进行采集，通过处理获得待测系统的动态光谱的特性。

2.如权利要求1所述的一种多光频梳动态光谱检测系统，其特征在于，多光频梳光源是由一个或多个激光器、由一个或多个激光器与一个或多个光调制器级联、由一个或多个光学微谐振腔构成，或者上述光源与频谱转换器件共同构成。

3.如权利要求1所述的一种多光频梳动态光谱检测系统，其特征在于，激励光与采样光的波长可以为紫外、可见、红外、X光、太赫兹以及电磁波频段。

4.如权利要求1所述的一种多光频梳动态光谱的检测系统，其特征在于，多频梳光源是固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器、液体激光器、微腔激光器、自由电子激光器、碟片激光器中的一种或几种的组合。

5.如权利要求1所述的一种多光频梳动态光谱检测系统，其特征在于，分光器件将信号光分开，分光器件是光纤耦合器、分光棱镜、偏振分束器或分光镜。

6.如权利要求1所述的一种多光频梳动态光谱检测系统，其特征在于，合光器件1和合光器件2将采样光和信号光耦合在一起，合光器件1和合光器件2包括光纤耦合器、分光棱镜和分光镜。

7.一种多光频梳动态光谱检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、多光频梳光源产生具有重复频率f₁的采样光1、具有重复频率f₀的激励光与具有重复频率f₂的采样光2，且采样光1与激励光重复频率差的绝对值Δf₁₀＝|f₁-f₀|与采样光2与激励光重复频率差的绝对值Δf₂₀＝|f₂-f₀|不相等；

步骤2、激励光经过待测系统，形成包含待测系统的动态光谱信息的信号光；

步骤3、分光器件将信号光分为两路，其中一路与采样光1通过合光器件1进行合光，另一路与采样光2通过合光器件2进行合光；

步骤4、光探测器1对合光器件1的输出进行互相关检测，同时光探测器2对合光器件2的输出进行互相关检测，同时获得对待测系统的动态光谱信息的两组采样信号；

步骤5、数据采集处理单元对两组采样信号进行采集，通过处理获得待测系统的动态光谱信息的特性。

8.如权利要求7所述的一种多光频梳动态光谱检测方法，其特征在于，步骤2中，激励光经过待测系统，形成包含待测系统动态光谱信息的信号光，信号光中产生的频谱变化可以通过反射、透射、散射、滤波、非线性光学过程，或者是不同方式的组合来实现。

9.如权利要求7所述的一种多光频梳动态光谱检测方法，其特征在于，步骤4中，通过功率放大、功率控制、脉冲波形变换、偏振控制、光束分路或通过非线性光学过程进行光谱变换的光学处理方法，保证信号光与采样光产生拍频信号，且被光探测器所探测。

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