CN116337777B - 一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统及方法，该系统包括光频梳光源、宽带声频调制模块、光声检测单元、数据采集与处理模块；光频梳光源用于输出宽带探测光信号；宽带声频调制模块，通过光纤激光相位差扫描干涉机制，对宽带探测光信号中各个离散的光频载波分别进行不同声学频率的强度调制，产生宽频带调制探测光；光声检测单元，用于通过宽频带调制探测光与待测样品发生相互作用，产生与被待测样品吸收的光频载波的调制频率相对应的声学振动，进而输出声频电信号；数据采集与处理模块，用于利用声频电信号计算频谱以获得声学振动的频域强度分布，进而完成光声吸收光谱测量。
Description
技术领域
本申请涉及光声光谱技术领域，尤其涉及一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统及方法。
背景技术
光声光谱技术基于光声效应，利用物质样品吸收调制光信号所产生的声频机械波，测量物质的光谱学、热学、弹性和几何等特征，具有无背景、不受光散射和反射干扰的特点；另外，针对一些弱吸收样品，可以加强探测光辐照功率来线性提升光声信号的信噪比，从而提升测量灵敏度。该技术从本质上解决了传统吸收光谱难以检测强散射、弱吸收、不透明等特殊物质的问题，被广泛应用于痕量气体传感、溶液大分子测量、生物组织成像等领域。
可调谐激光光声光谱、非相干宽带光声光谱是两类主要的光声光谱测量手段。可调谐激光光声光谱通过对半导体激光器、量子级联激光器等连续波光源施加波长扫描和强度调制，产生含窄带宽光谱吸收信息的光声信号，无法获取宽带光谱特征，在多种物质、多光谱分辨检测中应用受限；利用多个窄线宽光源时分复用或频分复用，提升可调谐激光光声光谱的宽带光谱探测能力，虽然一定程度上拓展了该技术在多光谱检测中的应用，但其系统相对复杂，仍面临复用光谱有限、时效性差、探测效率低等问题。非相干宽带光声光谱采用机械斩波器或电光调制材料对宽谱探测光进行外部开关调制，并引入滤光片选择探测波长区间，由区间内的积分吸收激发光声信号，不具备精细光谱特征分辨能力，且非相干光的低功率密度和短传播距离严重限制了灵敏度的提升。由此可见，现有的光声光谱技术，存在测量带宽和光谱分辨率上的局限，限制了系统的探测效率和面向多种物质的探测能力。
光频梳作为宽带、多模式紧密排布的高相干激光，理论上可以提供多个光频吸收信息向多个声频的多重同尺度映射，通过对应的宽频带光声信号的探测，有望实现高灵敏、高分辨、宽带吸收光谱测量。然而，傅里叶频率转换、双光梳多外差拍频两种光频梳宽带频率下转换方法，分别涉及长距离移动部件精密控制、光源相位相干锁定机制，离不开长光程差扫描空间光路、射频信号监测与误差补偿、高精细激光锁模等复杂的机械、电子、光学系统开发，成本高昂且实用性差。目前，尚缺少高效率、低成本、稳定可靠的光频梳宽带调制方案，限制了其在光声光谱中的应用。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统及方法，以解决现有光声光谱测量带宽窄、光谱分辨率低的缺陷，以及新型光频梳宽带光声光谱系统复杂、难以实现和应用的问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统，包括光频梳光源、宽带声频调制模块、光声检测单元、数据采集与处理模块；
所述光频梳光源用于输出宽带探测光信号；
所述宽带声频调制模块，通过光纤激光相位差扫描干涉机制，对所述宽带探测光信号中各个离散的光频载波分别进行不同声学频率的强度调制，产生宽频带调制探测光；
所述光声检测单元，用于通过所述宽频带调制探测光与待测样品发生相互作用，产生与被所述待测样品吸收的光频载波的调制频率相对应的声学振动，完成宽带光谱吸收信息由载波光频段至调制声频段的频率下转换映射，进而输出声频电信号；
所述数据采集与处理模块，用于产生光纤相位差扫描控制信号，驱动所述宽带声频调制模块进行相位差扫描干涉；并利用所述声频电信号计算频谱以获得所述声学振动的频域强度分布，进而基于载波光频与调制声频的映射关系还原所述待测样品在载波光频域的吸收强度分布，完成光声吸收光谱测量。
进一步地，所述宽带探测光信号由若干以等频率间隔密集分布的窄线宽激光模式所组成。
进一步地，所述宽带声频调制模块包括光纤相位参考臂、光纤相位差扫描臂、光信号分离及合成器件，所述光信号分离及合成器件将所述宽带探测光信号分成能量相等的两路光信号分别通过所述光纤相位参考臂和光纤相位差扫描臂进行传输后，两路光信号通过所述光信号分离及合成器件合成一路，从而由光程差连续变化导致的相位交错干涉引起光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光，其中所述光纤相位参考臂和光纤相位差扫描臂的光程差通过拉伸光纤长度进行控制。
进一步地，所述宽带声频调制模块还包括PZT光纤拉伸器和PZT驱动器，所述光信号分离及合成器件包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器；
所述第一光纤耦合器用于将所述宽带探测光信号平均分成两路光信号，分别通过所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂传输；
所述光纤相位参考臂设有固定长度的单模光纤，所述光纤相位差扫描臂设有均匀缠绕在所述PZT光纤拉伸器侧表面的单模光纤；
所述PZT驱动器接收所述数据采集与处理模块产生的光纤拉伸控制信号并放大，用于驱动所述PZT光纤拉伸器扫描光纤长度，由此引起所述两路光信号光程差的连续变化，两路光信号在所述第二光纤耦合器处合并，由相位交错干涉而造成光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光。
进一步地，所述宽带声频调制模块还包括PZT光纤拉伸器、PZT驱动器，所述光信号分离及合成器件包括第一光纤耦合器、第一法拉第旋光镜、第二法拉第旋光镜和光纤隔离器；
所述第一光纤耦合器用于将所述宽带探测光信号平均分成两路光信号，分别通过所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂传输；
所述第一法拉第旋光镜和第二法拉第旋光镜分别用于所述两路光信号的反射，同时将激光偏振方向旋转90度，以保证两束反射光信号的互相干性；
所述光纤相位参考臂设有固定长度的单模光纤，所述光纤相位差扫描臂设有均匀缠绕在所述PZT光纤拉伸器侧表面的单模光纤；
所述PZT驱动器接收所述数据采集与处理模块产生的光纤拉伸控制信号并放大，用于驱动所述PZT光纤拉伸器扫描光纤长度，由此引起所述两束反射光信号光程差的连续变化，两束反射光信号在所述第一光纤耦合器合并，由相位交错干涉而造成光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光；
所述光纤隔离器用于阻隔所述第一光纤耦合器的另一反射光分量进入所述光频梳光源。
进一步地，所述光声检测单元包含光声样品池和声信号探测器；
在所述光声样品池中，所述待测样品在特定指纹吸收谱线处对特定光频载波产生吸收形成局域热膨胀，激发与被吸收载波的调制频率相对应的声学振动；
所述声信号探测器响应所述声学振动，将其转换为声频电信号。
进一步地，所述声信号探测器具有宽频带响应，从而探测所述宽频带调制探测光被吸收所产生的多频率声学振动。
进一步地，所述数据采集与处理模块包括数据采集卡和上位机；所述数据采集卡接收所述上位机发出的信号，输出光纤相位差扫描控制信号至所述宽带声频调制模块，用于光路相位差扫描，并采集所述声频电信号并转换为数字信号传输至所述上位机；所述上位机用于数字化声频电信号的频谱计算、声频至光频转换和光谱归一化处理，实现所述待测样品的吸收光谱测量。
进一步地，所述数据采集与处理模块还包括光电探测器，所述光电探测器接收所述光频梳光源发出的脉冲激光，将其转换为电脉冲信号输出至所述数据采集卡，用于所述声频电信号的采样触发。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量方法，包括：
（1）光频梳光源发出具有宽带离散光谱特性的激光脉冲，作为宽带探测光信号，传输至宽带声频调制模块；
（2）数据采集与处理模块产生光纤相位差扫描控制信号，驱动宽带声频调制模块进行所述宽带探测光信号中离散光频载波的光纤相位差扫描干涉，完成强度调制，得到宽频带调制探测光；
（3）光声检测单元将所述宽频带调制探测光与待测样品发生作用时产生的频率与被所述待测样品吸收光频的调制频率相同的声学振动转换为声频电信号；
（4）数据采集卡采样所述声频电信号，得到数字化的声频电信号，传输至上位机；
（5）上位机变换得到所述声频电信号的频谱，并根据所述宽带声频调制模块的相位差扫描速度确定载波光频与调制声频的映射关系，完成声频谱至光频区的反映射，得到待测样品吸收所产生的特异性光声光谱信号，利用事先测量并存储的所述光频梳光源的输出光谱分布以及所述光声检测单元中的声信号探测器的频率响应曲线，对所述特异性光声光谱信号进行归一化处理，得到样品的绝对吸收光谱。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
（1）本申请提出了针对光频梳光源的宽带声频调制方法，基于非平衡相位扫描干涉机制，通过单次光程差扫描，完成以不同频率对光频梳不同光载波的调制；再通过声频信号探测和频谱计算，完成宽带光声光谱测量；相比现有光声光谱系统中面向宽带探测所采用的多光源时分复用或频分复用调制解调的方式，具有测量效率高、实时性强、系统简单易实现的特点；
（2）本申请中所述的宽带声频调制模块，采用光纤非平衡干涉结构，可实现大范围光程差扫描，保证了高调制频率分辨率，相比于传统傅里叶变换光谱方法中的空间光路和长距离空间移动部件的扫描方式，具有稳定性好、扫描速度快、实现成本低的特点；
（3）本申请公开的光声光谱探测系统利用光频梳宽带离散光谱、高相干性的特点，克服了现有可调谐激光光声光谱的窄带宽和非相干宽带光声光谱的低灵敏度、弱分辨能力问题，具有大带宽、高光谱分辨率、高灵敏度以及可检测多种物质的优势。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例示出的一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统的示意图；
图2为本申请实施例示出的两种基于不同宽带声频调制结构的宽带声频调制模块示意图；
图3为本申请实施例示出的面向气态物质光谱分析的光声检测单元示意图；
图4为本申请实施例示出的宽带探测光调制与光声吸收光谱测量过程的原理示意图；
图5为本申请实施例示出的基于单光梳的宽频带光声光谱测量方法的流程示意图；
图6为本申请实施例示出的光频梳光谱范围内二氧化碳、一氧化碳组合气体的仿真模拟光声吸收光谱。
附图标记有：1、光频梳光源；2、宽带声频调制模块；21、第一光纤耦合器；22、第二光纤耦合器；23、PZT光纤拉伸器；24、PZT驱动器；25、第一法拉第旋光镜；26、第二法拉第旋光镜；27、光纤隔离器；3、光声检测单元；31、光声样品池；311、进气孔；312、出气孔；313、窗口片；32、声信号探测器；4、数据采集与处理模块；41、数据采集卡；42、上位机；43、光电探测器。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
如图1所示，本申请提供的一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统，包括光频梳光源1、宽带声频调制模块2、光声检测单元3、数据采集与处理模块4；所述光频梳光源1用于输出宽带探测光信号；所述宽带声频调制模块2，通过光纤激光相位差扫描干涉机制，对所述宽带探测光信号中各个离散的光频载波分别进行不同声学频率的强度调制，产生宽频带调制探测光；所述光声检测单元3，用于通过所述宽频带调制探测光与待测样品发生相互作用，产生与被所述待测样品吸收的光频载波的调制频率相对应的声学振动，完成宽带光谱吸收信息由载波光频段至调制声频段的频率下转换映射，进而输出声频电信号；所述数据采集与处理模块4，用于产生光纤相位差扫描控制信号，驱动所述宽带声频调制模块2进行相位差扫描干涉；并利用所述声频电信号计算频谱以获得所述声学振动的频域强度分布，进而基于载波光频与调制声频的映射关系还原所述待测样品在载波光频域的吸收强度分布，完成光声吸收光谱测量。
由上述实施例可知，本申请提出了针对光频梳光源的宽带声频调制方法，基于非平衡相位扫描干涉机制，通过单次光程差扫描，完成以不同频率对光频梳不同光载波的调制；再通过声频信号探测和频谱计算，完成宽带光声光谱测量；相比现有光声光谱系统中面向宽带探测所采用的多光源时分复用或频分复用调制解调的方式，具有测量效率高、实时性强、系统简单易实现的特点；本申请中所述的宽带声频调制模块2，采用光纤非平衡干涉结构，可实现大范围光程差扫描，保证了高调制频率分辨率，相比于传统傅里叶变换光谱方法中的空间光路和长距离空间移动部件的扫描方式，具有稳定性好、扫描速度快、实现成本低的特点；本申请公开的光声光谱探测系统利用光频梳宽带离散光谱、高相干性的特点，克服了现有可调谐激光光声光谱的窄带宽和非相干宽带光声光谱的低灵敏度、弱分辨能力问题，具有大带宽、高光谱分辨率、高灵敏度以及可检测多种物质的优势。
具体地，所述宽带探测光信号由若干以等频率间隔密集分布的窄线宽激光模式所组成。在具体实施中，所述光频梳光源1通过多个不同频率激光模式之间的严格相位锁定，产生时域上以频率重复出现的超短激光脉冲，作为宽带探测光信号。其内含的激光模式在频域上按照等频率间隔/>排列，组成梳状宽带光谱。其中第n支激光“梳齿”的绝对频率/>表示为/>，/>代表由激光腔内色散引起的载波——包络相位偏移频率。此类光源谱宽可覆盖几十至几百纳米，用于多种物质的特征吸收光谱测量，当测量方法可以实现单个“梳齿”分辨时，光谱分辨率由/>决定。
一实施例中，所述光频梳光源1的光谱覆盖范围在1540 ~ 1580 nm之间，脉冲重复频率为250 MHz，即最高可以250 MHz的分辨率探测1540 ~ 1580 nm波段的物质吸收光谱特征。
具体地，所述宽带声频调制模块2包括光纤相位参考臂、光纤相位差扫描臂、光信号分离及合成器件，所述光信号分离及合成器件将所述宽带探测光信号分成能量相等的两路光信号分别通过所述光纤相位参考臂和光纤相位差扫描臂进行传输后，两路光信号通过所述光信号分离及合成器件合成一路，从而由光程差连续变化导致的相位交错干涉引起光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光，其中所述光纤相位参考臂和光纤相位差扫描臂的光程差通过拉伸光纤长度进行控制。
参考图2给出了所述宽带声频调制模块2可选的两种宽带声频调制结构：图2中的（a）为Mach-Zehnder干涉结构；图2中的（b）为Michelson干涉结构。两种结构以及其他任何符合本申请中所述宽带声频调制模块2工作原理与实现功能的宽带声频调制结构，可根据实际应用需求任意调整，这里不做任何限定。
在一可选的实施方式中，所述宽带声频调制模块2基于Mach-Zehnder干涉结构，还包括PZT光纤拉伸器23和PZT驱动器24，所述光信号分离及合成器件包括第一光纤耦合器21和第二光纤耦合器22；所述第一光纤耦合器21用于将所述宽带探测光信号平均分成两路光信号，分别通过所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂传输；所述光纤相位参考臂设有固定长度的单模光纤，所述光纤相位差扫描臂设有均匀缠绕在所述PZT光纤拉伸器23侧表面的单模光纤；所述PZT驱动器24接收所述数据采集与处理模块4产生的光纤拉伸控制信号并放大，用于驱动所述PZT光纤拉伸器23扫描光纤长度，由此引起所述两路光信号光程差的连续变化，两路光信号在所述第二光纤耦合器22处合并，由相位交错干涉而造成光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光。
假设PZT光纤拉伸器23可以为原始长度为L的光纤提供0~的拉伸应变，其中/>由拉伸器的工作方式和光纤材料的应变承受能力决定，从而PZT光纤拉伸器23可以为所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂提供/>的最大光程差，其中/>为光纤中的有效折射率。当某一频率为/>的单频激光模式输入所述宽带声频调制模块2时，所述PZT光纤拉伸器23连续调谐光纤长度，令所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂的光程差在0 ~/>之间连续变化，光纤长度的扫描速度为/>，则单次扫描用时为/>。期间所述两路光信号之间的相对相位在0 ~/>之间连续变化，二者发生干涉将引起光强的次振荡，c代表真空中的光速。根据扫描时间/>，可得出扫描过程所引入的强度调制频率为/>。而对于所述光频梳光源1，任一载波频率/>均可被施加频率为的独立强度调制，等效于尺度为/>的全频带频率下转换，且转换尺度可通过光程差扫描速度灵活设置。需要说明的是，所述宽带声频调制模块2的标称调制频率分辨率为/>，即最大光程差越大，调制频率分辨率越高。进一步由载波光频至调制声频的下转换系数/>，推导出上述宽带声频调制过程可实现的光信号载波频率分辨率为。
在另一可选的实施方式中，所述宽带声频调制模块2基于Michelson干涉结构，还包括PZT光纤拉伸器23、PZT驱动器24，所述光信号分离及合成器件包括第一光纤耦合器21、第一法拉第旋光镜25、第二法拉第旋光镜26和光纤隔离器27；所述第一光纤耦合器21用于将所述宽带探测光信号平均分成两路光信号，分别通过所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂传输；所述第一法拉第旋光镜25和第二法拉第旋光镜26分别用于所述两路光信号的反射，同时将激光偏振方向旋转90度，以保证两束反射光信号的互相干性；所述光纤相位参考臂设有固定长度的单模光纤，所述光纤相位差扫描臂设有均匀缠绕在所述PZT光纤拉伸器23侧表面的单模光纤；所述PZT驱动器24接收所述数据采集与处理模块4产生的光纤拉伸控制信号并放大，用于驱动所述PZT光纤拉伸器23扫描光纤长度，由此引起所述两束反射光信号光程差的连续变化，两束反射光信号在所述第一光纤耦合器21合并，由相位交错干涉而造成光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光；所述光纤隔离器27用于阻隔所述第一光纤耦合器21的另一反射光分量进入所述光频梳光源1。在该情况下，当所述PZT光纤拉伸器23对光纤施加最大的拉伸应变，可为所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂提供/>的最大光程差。类比的，可为频率为/>的单频激光模式施加频率为/>的强度调制，即频率下转换尺度为/>。
本申请中所述的宽带声频调制模块2，采用全光纤非平衡干涉结构，通过PZT对长距离光纤的拉伸，进行干涉臂中光信号光程的灵活控制，在保证低传输损耗、模块小型化、简单易操作、光路不受空间环境干扰、光程连续调谐稳定性好的前提下，可实现两条干涉臂之间的大范围光程差扫描。
在本实施例中，所述宽带声频调制模块2采用如图1所示的Mach-Zehnder干涉结构。所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂各设有1 km长的单模光纤，以保证光传输损耗的一致性。所述PZT光纤拉伸器23为直径80 mm的PZT拼接型圆盘，可在120 V的驱动电压下为缠绕在圆盘侧壁的光纤提供最大336 μm的单圈形变量。因此均匀缠绕在所述PZT光纤拉伸器23上的1 km光纤最大可以被拉伸约1.34 m，根据公式得出对应的标称光载波频率分辨率约150 MHz，可实现所述光频梳光源1（“梳齿”间隔250 MHz）的单个“梳齿”分辨。
具体地，所述光声检测单元3包含光声样品池31和声信号探测器32；所述光声样品池31提供探测光与待测样品作用的场所，在所述光声样品池31中，所述待测样品在特定指纹吸收谱线处对特定光频载波产生吸收形成局域热膨胀，激发与被吸收载波的调制频率相对应的声学振动；所述声信号探测器32响应所述声学振动，将其转换为声频电信号。
具体地，所述声信号探测器32具有宽频带响应，从而探测所述宽频带调制探测光被吸收所产生的多频率声学振动。更具体地，所述声信号探测器32为宽频响探测器，以测量由宽频带调制探测光被吸收所产生的宽频带声学振动。
如图3所示，此实施例中，选择气态物质作为分析样品，所述光声样品池31为单通式微型化气体吸收池，上部开有进气孔311和出气孔312，内部充有由二氧化碳、一氧化碳、氮气组成的混合气体（即二氧化碳、一氧化碳组合气体），池体相对的两个侧壁装有窗口片313用于通光。所述声信号探测器32为微音器，安装在气体吸收池内壁，频率响应为2.5 Hz~ 100 kHz（± 0.2 dB）。
需要说明的是，此处光声样品池为针对气态物质所采用的密闭式容器设计，目的是盛装气体样品并保持其纯洁性，并不对所述光声样品池的结构、样式、大小、物质分析方式作限制。如待测样品为溶液等液态物质，或生物组织等固态物质，所述光声样品池可以设计为密闭式、开放式、半开放式等结构，只需采用所述宽频带探测光照射待测样品，并在待测样品附近设置所述声信号探测器接收由吸收产生的声学振动，即满足本申请的宽频带光声光谱检测流程。
具体地，所述数据采集与处理模块4包括数据采集卡41和上位机42；所述数据采集卡41接收所述上位机42发出的信号，输出光纤相位差扫描控制信号至所述宽带声频调制模块2，用于光路相位差扫描，并采集所述声频电信号并转换为数字信号传输至所述上位机42；所述上位机42用于数字化声频电信号的频谱计算、声频至光频转换和光谱归一化处理，实现所述待测样品的吸收光谱测量。
进一步地，所述数据采集与处理模块4还包括光电探测器43，所述光电探测器43接收所述光频梳光源1发出的脉冲激光，将其转换为电脉冲信号输出至所述数据采集卡41，用于所述声频电信号的采样触发，以保证由脉冲激光干涉所产生声频信号的频谱计算准确度。
此实施例中，所述数据采集卡41为基于PXIe总线的双通道8位采样数字化仪，单通道采样速率最高可达1 GSa/s，支持外部信号边沿触发采样；所述上位机42为与所述数据采集卡41通过PXIe总线连接的台式计算机，软件接口基于LabVIEW编写，用于所述声频电信号采样数据的处理和计算，以及所述光纤拉伸控制信号的数字化数据生成和系统运行时序控制；所述光电探测器43为雪崩光电二极管，带宽1 GHz。
图4示出了根据以上系统描述所涉及的宽带探测光调制与光声吸收光谱测量过程的原理示意图。如图4所示，在频域上，所述宽带探测光信号被分成的两路光信号，在经所述光纤相位参考臂和光纤相位差扫描臂传输后，光谱分别表现为所述光频梳光源1的原光谱（即相位参考臂光谱）、由光程差扫描造成了多普勒频移的等效光谱（即相位差扫描臂等效光谱）；所述两路光信号合并后，由光纤相位参考臂光谱和光纤相位差扫描臂等效光谱中的激光模式两两拍频，形成了光频载波的频率为/>的周期性强度变化，组成光频载波的离散调制声频谱，即所述宽频带调制探测光；所述宽频带调制探测光与待测样品发生作用，特定光频载波被吸收而产生衰减，衰减的光能量转换成样品周围的局部热膨胀而被释放，由于光频载波被施加了强度调制而导致所述热膨胀也为周期性变化，从而产生频率与被所述待测样品吸收的光频载波的调制频率相同的声学振动，表现为吸收激发的声信号频谱，其中频率成分的强度与所述待测样品的光吸收强度成正比；进而对所述吸收激发的声信号频谱进行光谱反映射及归一化处理，即得到所述待测样品的绝对吸收光谱。
本申请还提供一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量方法，应用于上述的系统，包括：
（1）光频梳光源1发出具有宽带离散光谱特性的激光脉冲，作为宽带探测光信号，传输至宽带声频调制模块2；
具体地，在此步骤中，所述光频梳光源1发出的宽带探测光信号利用分束器分出小部分光能量传输至所述光电探测器43用于信号采集触发，剩余光能量传输至所述宽带声频调制模块2；
（2）数据采集与处理模块4根据目标光频至声频映射关系确定扫描速度，根据目标调制频率分辨率确定扫描最大光程差，从而产生光纤相位差扫描控制信号，驱动宽带声频调制模块2进行所述宽带探测光信号中离散光频载波的光纤相位差扫描干涉，完成强度调制，得到宽频带调制探测光；
（3）光声检测单元3将所述宽频带调制探测光与待测样品发生作用时产生的频率与被所述待测样品吸收光频的调制频率相同的声学振动转换为声频电信号；
（4）数据采集与处理模块4采样所述声频电信号，得到数字化的声频电信号；
具体地，在所述光纤拉伸控制信号的扫描时间内，以所述光电探测器43输出的电脉冲信号作为采样触发，通过所述数据采集卡41采样所述声频电信号，得到数字化的声频电信号，传输至所述上位机42。
（5）数据采集与处理模块4变换所述数字化声频电信号的频谱，并根据所述宽带声频调制模块2的相位差扫描速度确定载波光频与调制声频的映射关系，完成声频谱至光频区的反映射，得到待测样品吸收所产生的特异性光声光谱信号，利用事先测量并存储的所述光频梳光源1的输出光谱分布以及所述光声检测单元3中的声信号探测器32的频率响应曲线，对所述特异性光声光谱信号进行归一化处理，得到样品的绝对吸收光谱；
在具体实施中，光频梳的光谱通过光谱分析仪测得，声信号探测器的频响曲线是出厂附带的，是产品的基础参数，“对所述特异性光声光谱信号进行归一化处理，得到样品的绝对吸收光谱”为本领域的常规技术手段，本申请中不作赘述。
进一步地，如图5所示，该测量方法应用于本实施例中二氧化碳、一氧化碳组合气体吸收光谱测量的流程包括如下步骤：
步骤S01：光频梳光源1输出光谱覆盖1540 ~ 1580 nm、平均功率约25 mW的脉冲激光，经99：1光纤分束器分束，其中1%分量被光电探测器43接收并完成光电脉冲转换，输出电脉冲信号；99%分量作为宽带探测光信号输出至宽带声频调制模块2；
步骤S02：上位机42根据声信号探测器32的频响范围，以及针对样品二氧化碳、一氧化碳组合气体吸收光谱的目标光频范围，计算出可测量的调制频率映射关系，确定光纤长度扫描速度，同时根据所需调制频率分辨率，确定扫描最大光程差/>；上位机42控制数据采集卡41输出周期为/>的锯齿波光纤拉伸控制信号，经PZT驱动器24驱动PZT光纤拉伸器23，使宽带声频调制模块2为宽带探测光信号分束后的两路光信号提供0 ~/>的光程差连续扫描，并合束后输出宽频带调制探测光至光声检测单元3；
步骤S03：宽频带调制探测光在光声样品池31中与二氧化碳、一氧化碳分子发生作用，光频载波被吸收并由光声效应产生对应于其调制频率/>的声学振动，振动幅度与原始载波强度、光吸收强度成正比；光声样品池31中由样品吸收探测光所产生的声学振动，被声信号探测器32接收并转换成声频电信号，输出至数据采集卡41；
步骤S04：上位机42控制数据采集卡41，在锯齿波光纤拉伸控制信号的单次周期内，以光电探测器输出的电脉冲信号上升沿作为采样触发，采集声频电信号作为一次光声信号测量，并完成模数转换暂存至上位机42；
步骤S05：上位机42计算采集的声频电信号频谱，进而根据光程差扫描速度决定的载波光频与调制声频映射系数，将声频电信号频谱反映射至光频，获得样品吸收所产生的特异性光声光谱信号，其中不发生吸收的光频载波处无信号，具有无背景的特点；由于特异性光声光谱信号还与原始光频载波强度成正比，又受声信号探测器32的频响分布不均匀影响，上位机42利用事先测量并存储的光频梳光源1输出光谱、声信号探测器32频响的光频映射，对特异性光声光谱信号进行归一化处理，获得绝对吸收光谱。
其中，在步骤S04中，可根据需求选择是否执行声频电信号的多帧采集和平均，以提高测量信噪比，即在锯齿波光纤拉伸控制信号的多个相邻周期内，重复采集声频电信号并将获得的多帧声频电信号相加平均，再继续执行模数转换暂存至上位机42的操作。
根据上述基于单光梳的宽频带光声光谱测量流程，单次光谱测量所需时间取决于所设定的光纤长度扫描速度和最大光程差/>。即，当目标探测波长范围一定时，测量时间由声信号探测器频响范围和所需调制频率分辨率决定。此实施例中，实现光频梳光源1“梳齿”分辨所需的光载波频率分辨率至少为250 MHz，对应最大光纤长度差/>为0.8 m；可实现1560 ~ 1580 nm频段完整测量的条件是，将1560 nm对应的约192307692307 kHz光频载波调制至声信号探测器32最高频响100 kHz以下，计算得出光纤长度扫描速度/>应小于0.1 m/s，则此时完成一次光谱测量需要8 s。根据计算，高效的宽带高分辨率光谱测量可以通过单次扫描实现，并且扫描时间可通过系统参数设置灵活调整。
参考图6给出了1560 ~ 1580 nm范围内，当光载波频率分辨率为250 MHz时，计算所得的体积分数各为1%的二氧化碳、一氧化碳组合气体模拟光声吸收光谱。可以看出上述方法由于进行了光频梳宽带离散光载波的独立调制，而高效实现了物质宽带吸收光谱采集和精细光谱特征分辨。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (7)
1.一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量系统，其特征在于，包括光频梳光源、宽带声频调制模块、光声检测单元、数据采集与处理模块；
所述光频梳光源用于输出宽带探测光信号；
所述宽带声频调制模块，通过光纤激光相位差扫描干涉机制，对所述宽带探测光信号中各个离散的光频载波分别进行不同声学频率的强度调制，产生宽频带调制探测光；
所述光声检测单元，用于通过所述宽频带调制探测光与待测样品发生相互作用，产生与被所述待测样品吸收的光频载波的调制频率相对应的声学振动，完成宽带光谱吸收信息由载波光频段至调制声频段的频率下转换映射，进而输出声频电信号；
所述数据采集与处理模块，用于产生光纤相位差扫描控制信号，驱动所述宽带声频调制模块进行相位差扫描干涉；并利用所述声频电信号计算频谱以获得所述声学振动的频域强度分布，进而基于载波光频与调制声频的映射关系还原所述待测样品在载波光频域的吸收强度分布，完成光声吸收光谱测量；
其中，所述宽带声频调制模块包括光纤相位参考臂、光纤相位差扫描臂、光信号分离及合成器件，所述光信号分离及合成器件将所述宽带探测光信号分成能量相等的两路光信号分别通过所述光纤相位参考臂和光纤相位差扫描臂进行传输后，两路光信号通过所述光信号分离及合成器件合成一路，从而由光程差连续变化导致的相位交错干涉引起光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光，其中所述光纤相位参考臂和光纤相位差扫描臂的光程差通过拉伸光纤长度进行控制；
所述宽带声频调制模块还包括PZT光纤拉伸器和PZT驱动器，所述光信号分离及合成器件包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器；
所述第一光纤耦合器用于将所述宽带探测光信号平均分成两路光信号，分别通过所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂传输；
所述光纤相位参考臂设有固定长度的单模光纤，所述光纤相位差扫描臂设有均匀缠绕在所述PZT光纤拉伸器侧表面的单模光纤；
所述PZT驱动器接收所述数据采集与处理模块产生的光纤拉伸控制信号并放大，用于驱动所述PZT光纤拉伸器扫描光纤长度，由此引起所述两路光信号光程差的连续变化，两路光信号在所述第二光纤耦合器处合并，由相位交错干涉而造成光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光；
或者，所述宽带声频调制模块还包括PZT光纤拉伸器、PZT驱动器，所述光信号分离及合成器件包括第一光纤耦合器、第一法拉第旋光镜、第二法拉第旋光镜和光纤隔离器；
所述第一光纤耦合器用于将所述宽带探测光信号平均分成两路光信号，分别通过所述光纤相位参考臂和所述光纤相位差扫描臂传输；
所述第一法拉第旋光镜和第二法拉第旋光镜分别用于所述两路光信号的反射，同时将激光偏振方向旋转90度，以保证两束反射光信号的互相干性；
所述光纤相位参考臂设有固定长度的单模光纤，所述光纤相位差扫描臂设有均匀缠绕在所述PZT光纤拉伸器侧表面的单模光纤；
所述PZT驱动器接收所述数据采集与处理模块产生的光纤拉伸控制信号并放大，用于驱动所述PZT光纤拉伸器扫描光纤长度，由此引起所述两束反射光信号光程差的连续变化，两束反射光信号在所述第一光纤耦合器合并，由相位交错干涉而造成光强度的周期性变化，作为强度调制，从而产生宽频带调制探测光；
所述光纤隔离器用于阻隔所述第一光纤耦合器的另一反射光分量进入所述光频梳光源。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述宽带探测光信号由若干以等频率间隔密集分布的窄线宽激光模式所组成。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光声检测单元包含光声样品池和声信号探测器；
在所述光声样品池中，所述待测样品在特定指纹吸收谱线处对特定光频载波产生吸收形成局域热膨胀，激发与被吸收载波的调制频率相对应的声学振动；
所述声信号探测器响应所述声学振动，将其转换为声频电信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述声信号探测器具有宽频带响应，从而探测所述宽频带调制探测光被吸收所产生的多频率声学振动。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集与处理模块包括数据采集卡和上位机；所述数据采集卡接收所述上位机发出的信号，输出光纤相位差扫描控制信号至所述宽带声频调制模块，用于光路相位差扫描，并采集所述声频电信号并转换为数字信号传输至所述上位机；所述上位机用于数字化声频电信号的频谱计算、声频至光频转换和光谱归一化处理，实现所述待测样品的吸收光谱测量。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据采集与处理模块还包括光电探测器，所述光电探测器接收所述光频梳光源发出的脉冲激光，将其转换为电脉冲信号输出至所述数据采集卡，用于所述声频电信号的采样触发。
7.一种基于单光梳的宽频带光声光谱测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任一项所述的系统，包括：
（1）光频梳光源发出具有宽带离散光谱特性的激光脉冲，作为宽带探测光信号，传输至宽带声频调制模块；
（2）数据采集与处理模块产生光纤相位差扫描控制信号，驱动宽带声频调制模块进行所述宽带探测光信号中离散光频载波的光纤相位差扫描干涉，完成强度调制，得到宽频带调制探测光；
（3）光声检测单元将所述宽频带调制探测光与待测样品发生作用时产生的频率与被所述待测样品吸收光频的调制频率相同的声学振动转换为声频电信号；
（4）数据采集卡采样所述声频电信号，得到数字化的声频电信号，传输至上位机；
（5）上位机变换得到所述声频电信号的频谱，并根据所述宽带声频调制模块的相位差扫描速度确定载波光频与调制声频的映射关系，完成声频谱至光频区的反映射，得到待测样品吸收所产生的特异性光声光谱信号，利用事先测量并存储的所述光频梳光源的输出光谱分布以及所述光声检测单元中的声信号探测器的频率响应曲线，对所述特异性光声光谱信号进行归一化处理，得到样品的绝对吸收光谱。
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