CN115684118A - 一种增强气体荧光的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种增强气体荧光的系统和方法，属于气体荧光辐射增强技术。该系统使用阶跃型相位板产生光丝矩阵，跃型相位板相邻之间的相位差为π，可以产生互相独立稳定的光丝阵列，可有效增强激光诱导荧光光谱强度。该方法不但可增强荧光，还可用于增强可见光、近红外、中红外、远红外、太赫兹波辐射，是一种简单有效的提升方法。
Description
技术领域
本发明属于气体荧光辐射增强技术，涉及强场激光物理，通过使用阶跃型相位板对入射激光进行空间分光，在焦点位置产生光丝阵列，从而提升光丝辐射的气体荧光信号。
背景技术
飞秒激光丝诱导击穿光谱技术是一种前沿的大气污染物遥感技术，这种技术被称为激光诱导荧光光谱(英文全称：Laser Filament Fluorescence Spectroscopy，简称LFFS)。通过测量飞秒激光诱导光丝的荧光光谱，利用指纹荧光光谱可以识别飞秒激光诱导光丝中的化学成分。激光诱导荧光光谱可在距离数公里外实现对多种组分、多种类的化学物质，包括卤代烃等气态物质、金属、陶瓷釉等固体物质、液体样品等的检测，从而引起了多个研究领域研究者的关注。而在实际应用中，激光诱导荧光光谱仍在提高灵敏度、扩大检测距离和获得稳定荧光信号三个重要问题。研究发现，提高激光能量饱和点后，激光光丝荧光随入射激光能量呈指数增长，显著提高传感灵敏度和探测距离，因此，有效增强激光诱导荧光光谱强度，是解决这些问题的关键。
发明内容
为实现复杂环境下大气污染物成分的远程探测，荧光信号的强度对探测灵敏度有至关重要的影响。经过研究，飞秒激光经过相位板后可以形成稳定的光丝阵列，在激光强度足够突破单根光丝的钳制光强，使相位板后子光丝均达到自己的钳制光强时，其辐射的荧光信号强度与光丝数量成正比，可以大大提高入射激光能量的利用率，同时大幅提升光丝辐射荧光信号的强度，进而提升气体荧光信号检测的灵敏度。
本发明提供的光丝阵列增强荧光辐射的方法，包括如下步骤：
第一步、飞秒光经过n分之一阶跃型相位板后，平均分成n等分；
第二部、平均分成n等分的飞秒光经透镜组聚焦后在焦点位置处成丝，产生稳定的光丝矩阵；
第三部、荧光信号经透镜收集聚焦，采用光纤耦合器将荧光耦合进光纤中；
第四部、使用光谱仪探测荧光信号。
根据公开实施例的一方面，提供了一种阶跃型相位板，阶跃型相位板相邻区域之间的相位差为π。相位板用湿法刻蚀，工艺简单易制备，石英基底损伤阈值高，适用于高能量激光。
根据公开实施例的另一方面，还可以使用透镜矩阵、轴锥镜、振幅板产生光丝阵列。
根据公开实施例的一方面，光丝阵列不仅可增强背向荧光光谱，还可以增强前向荧光光谱。
根据公开实施例的一方面，光丝阵列不仅可用于增强气体荧光光谱信号，还可以增强可见光、近红外、中红外、太赫兹。
根据公开实施例的一方面，光丝阵列不仅可以应用于空气中增强荧光光谱，还可以应用于气溶胶、液体、固体中增强荧光光谱信号。
根据公开实施例的一方面，提供了一种阶跃型相位板，相位差为π的相位板可以分为二分之一、四分之一、六分之一、八分之一，甚至更多，形成的光丝数量与相位板分割数量相同，辐射的荧光信号与光丝数目成正比。相比于单丝辐射的荧光信号，可以在相同入射激光能量的情况下，使光丝辐射的荧光信号强度提升至原来的2倍、四倍、八倍……，增强光丝辐射荧光信号的同时提高了入射激光能量的利用率。
根据公开实施例的一方面，激光器为飞秒激光器，激光器的波长可以为800nm、1063nm、1550nm。
本发明采用上述技术方案的有益效果在于：
在相同入射激光能量下，采用π相位板在透镜的几何焦点附近会产生若干平行等离子体光丝，产生光丝阵列，在有效克服饱和点对荧光信号的限制时，可成倍提升气体荧光辐射强度。利用相位板产生光丝阵列重新分配入射激光的能量的方式，可以充分地利用入射激光的能量。
附图说明
图1、背向荧光光谱采集实验装置；
图2、图1中四份之一阶跃型相位板；
图3、气体荧光光谱信号；
图4、前向荧光光谱采集实验装置。
附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理，在附图中：1-1、2-1为n分之一阶跃型相位板；1-2、2-2为焦距-75mm透镜；1-3、2-3为800nm介质膜反射镜；1-4、2-4为焦距500mm透镜；1-5、2-6为光纤耦合器；1-6、2-7为石英光纤；1-7、2-8为光谱仪；1-9、2-10为组合透镜焦点；1-10、2-11为阵列光丝；1-11、2-12为气体荧光信号。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
为了能更加清楚地理解本发明的技术特征、目的和效果，现参照附图说明本发明的具体实施方式。显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
如图1所示，为本发明背向荧光光谱采集实验装置：所使用器件包含n分之一阶跃型相位板1-1；焦距-75mm透镜1-2；800nm介质膜反射镜1-3；焦距500mm透镜1-4；光纤耦合器1-5；石英光纤1-6；光谱仪1-7；800nm飞秒激光1-8；组合透镜焦点1-9；阵列光丝1-10；气体荧光信号1-11。
如图2所示，为本发明前向荧光光谱采集实验装置：所使用器件包含n分之一阶跃型相位板2-1；焦距-75mm透镜2-2；800nm介质膜反射镜2-3；焦距500mm透镜2-4；焦距500mm透镜2-5；光纤耦合器2-6；石英光纤2-7；光谱仪2-8；800nm飞秒激光2-9；组合透镜焦点2-10；阵列光丝2-11；气体荧光信号2-12。
下面通过实施例对本发明技术方案做出说明，实施例中所使用的相位板以四分之一阶跃型相位板为例。
实施例一：
图1是根据本公开一些实施例的实验装置示意图；图2是四分之一阶跃型相位板的相位分布；图3是图中使用四分之一阶跃型相位板1-1与不适用四分之一阶跃型相位板1-1收集到的背向荧光信号光谱图。
实验室内压力为常温常压101kPa、温度20℃，相对湿度为60％左右，氮气与空气体积比为78％。如图1所示，空气中，800nm飞秒激光1-8经过四份之一阶跃型相位板1-1在组合透镜(焦距-75mm透镜1-2、焦距500mm透镜1-4)的组合透镜焦点1-9附近形成阵列光丝1-10，产生背向辐射的气体荧光信号1-11，气体荧光信号1-11由焦距500mm透镜1-4进行收集，收集的气体荧光信号1-11通过光纤耦合器1-5耦合进石英光纤1-6中，从光谱仪1-7中探测背向气体荧光光谱，荧光光谱数据如图3中黑色实线所示。
基于此，同时测量了图1实验装置中未装置四份之一阶跃型相位板1-1的荧光光谱数据，荧光光谱数据如图3中灰色实线所示。通过实测结果可知，通过加四分之一相位板形成四根光丝，可以在相同入射激光能量下获得4倍的单丝产生的荧光信号强度，该方法仅通过在光路中插入四分之一相位板，便可实现有效利用激光能量的同时提高气体荧光信号强度的效果。
如图2所示，本实施例中使用四份之一阶跃型相位板产生光丝阵列，四份之一阶跃型相位板使用湿法刻蚀制造，直径为10mm、厚度为1.6mm，相位板中每个相邻部分的相位差为π(相对于800nm的飞秒激光)，厚度差为400nm、1200nm……。在激光入射总功率高出多丝成丝阈值之和情况下，使用相位板可整倍提升荧光光谱信号强度。
实施例二：
图4是根据本公开一些实施例的实验装置示意图；图2是本实施例使用的四分之一阶跃型相位板的相位分布；
实验室内压力为常温常压101kPa、温度20℃，相对湿度为60％左右，氮气与空气体积比为78％。如图4所示，空气中，800nm飞秒激光2-9经过四份之一阶跃型相位板2-1在组合透镜(焦距-75mm透镜2-2、焦距500mm透镜2-4)的组合透镜焦点2-10附近形成阵列光丝2-11，产生前向辐射的气体荧光信号2-12，气体荧光信号2-12由焦距500mm透镜2-5进行收集，收集的气体荧光信号2-12通过光纤耦合器2-6耦合进石英光纤2-7中，从光谱仪2-8中探测前向气体荧光光谱。
本实施例中，通过增加四分之一阶跃型相位板1-1，取得了与实施例1相同的技术效果。
需要进一步说明的是，本发明阶跃型相位板相位差为π的相位板，实施例中的相位板采用四分之一阶跃型相位板，但不限于实施例中所述，该相位板同时可以分为二分之一、四分之一、六分之一、八分之一，甚至更多，形成的光丝数量与相位板分割数量相同，辐射的荧光信号与光丝数目成正比，均可适用于本发明的装置和方法。同时，对于属于本发明技术构思，而仅仅是显而易见的调整及改进，均应属于本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强气体荧光的系统，其特征是：包括n分之一阶跃型相位板、焦距-75mm透镜、800nm介质膜反射镜、焦距500mm透镜、光纤耦合器、石英光纤、光谱仪，其中焦距-75mm透镜和焦距500mm透镜形成组合透镜，所述的800nm介质膜反射镜设置在焦距-75mm透镜和焦距500mm透镜的垂直光路上，800nm飞秒激光经过n分之一阶跃型相位板及组合透镜后，在组合透镜焦点附近形成阵列光丝，产生的气体荧光信号经收集后，通过光纤耦合器耦合进石英光纤中，由光谱仪探测气体荧光光谱。
2.根据权利要求1所述的增强气体荧光的系统，其特征是：光丝阵列用于增强背向荧光光谱，或增强前向荧光光谱；增强背向荧光光谱系统中，光纤耦合器、石英光纤、光谱仪设置在阵列光丝的背向光路上，增强前向荧光光谱系统中，光纤耦合器、石英光纤、光谱仪设置在阵列光丝的前向光路上。
3.根据权利要求2所述的增强气体荧光的系统，其特征是：增强背向气体荧光的系统包括n分之一阶跃型相位板(1-1)；焦距-75mm透镜(1-2)；800nm介质膜反射镜(1-3)；焦距500mm透镜(1-4)；光纤耦合器(1-5)；石英光纤(1-6)；光谱仪(1-7)，800nm飞秒激光(1-8)经过n份之一阶跃型相位板(1-1)在组合透镜焦距-75mm透镜(1-2)和焦距500mm透镜(1-4)的组合透镜焦点(1-9)附近形成阵列光丝(1-10)，产生背向辐射的气体荧光信号(1-11)，气体荧光信号(1-11)由焦距500mm透镜(1-4)进行收集，收集的气体荧光信号(1-11)通过光纤准直透镜(1-5)耦合进石英光纤(1-6)中，从光谱仪(1-7)中探测背向气体荧光光谱。
4.根据权利要求2所述的增强气体荧光的系统，其特征是：增强前向气体荧光的系统包括n分之一阶跃型相位板(2-1)；焦距-75mm透镜(2-2)；800nm介质膜反射镜(2-3)；焦距500mm透镜(2-4)；焦距500mm透镜(2-5)；光纤耦合器(2-6)；石英光纤(2-7)；光谱仪(2-8)；800nm飞秒激光(2-9)；组合透镜焦点(2-10)；阵列光丝(2-11)；气体荧光信号(2-12)，800nm飞秒激光(2-9)经过n份之一阶跃型相位板(2-1)在组合透镜焦距-75mm透镜(2-2)和焦距500mm透镜(2-4)的组合透镜焦点(2-10)附近形成阵列光丝(2-11)，产生前向辐射的气体荧光信号(2-12)，气体荧光信号(2-12)由焦距500mm透镜(2-5)进行收集，收集的气体荧光信号(2-12)通过光纤耦合器(2-6)耦合进石英光纤(2-7)中，从光谱仪(2-8)中探测前向气体荧光光谱。
5.根据权利要求1或2所述的增强气体荧光的系统，其特征在于：n分之一阶跃型相位板相邻之间的相位差为π；相位板至少分为二分之一，形成的光丝数量与相位板分割数量相同，辐射的荧光信号与光丝数目成正比。
6.根据权利要求1或3或4所述的增强气体荧光的系统，其特征在于：激光器为飞秒激光器，可选波长有800nm、1063nm、1550nm的飞秒激光器；相应的，所述的800nm介质膜反射镜选择800nm、1063nm、1550nm介质膜反射镜，或者选择金属膜反射镜。
7.一种光丝阵列增强荧光辐射的方法，通过权利要求1-6任一项所述的系统，实现光丝阵列增强背向或前向荧光辐射，其特征是包括如下步骤：
第一步、飞秒光经过n分之一阶跃型相位板后，平均分成n等分；
第二步、平均分成n等分的飞秒光经透镜组聚焦后在焦点位置处成丝，产生光丝矩阵；
第三步、背向或前向荧光信号经透镜收集聚焦，采用光纤耦合器将荧光耦合进光纤中；
第四步、使用光谱仪探测背向或前向荧光信号。
8.根据权利要求7所述的光丝阵列增强荧光辐射的方法，其特征是：光丝阵列应用于空气中增强荧光光谱，或应用于气溶胶、液体、固体中增强荧光光谱信号。
9.根据权利要求7所述的光丝阵列增强荧光辐射的方法，其特征是：光丝阵列应用于增强荧光光谱信号，或用于增强可见光、近红外、中红外、远红外、太赫兹信号。
10.根据权利要求7所述的光丝阵列增强荧光辐射的方法，光丝阵列使用阶跃型相位板产生，或使用透镜矩阵、轴锥镜、振幅板产生。
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