CN117074351A - 一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置及方法。该装置包括光参量振荡器和检测装置，光参量振荡器包括：泵浦激光源、泵浦聚焦镜、非线性晶体和谐振腔，检测装置包括：闲频准直镜和傅里叶变换红外光谱仪；谐振腔包括曲面镜M1、曲面镜M2、介质镜和输出耦合镜；谐振腔为折叠式谐振腔，移动介质镜调谐谐振腔的腔长，以使谐振腔与泵浦激光源的腔长同步；泵浦聚焦镜将泵浦光聚焦到非线性晶体转换成信号光和闲频光；信号光在腔内振荡；闲频光从曲面镜M2输出；傅里叶变换红外光谱仪获取经过待测气体的闲频光，生成相应的光谱图，以分析气体分子的种类和浓度。实现了装置小型化，系统配置简单，输出稳定性高，调谐范围大，适用范围广的优点。
Description
技术领域
本发明属于光参量振荡器领域，更具体地，涉及一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置及方法。
背景技术
光参量振荡器(简称OPO)作为一种利用非线性晶体实现频率转换的光学器件，能够高效地输出中红外激光，由于具有输出激光波长不受材料能级结构限制的输出特性，使其可以覆盖整个3-5微米的中红外波段。在光谱学领域，这一波段常常被称为“分子的光谱学指纹区”[Optical 5,727(2018)]，在这个波段内，众多的分子会形成各种各样的特征吸收峰。因此这一波段的激光可以充当标尺的作用，对气体分子实现高灵敏度的探测和标定。近年来，研究人员利用光参量振荡器产生中红外激光，完成了对水分子，甲烷[Opt.Express27,21358(2019)],一氧化二氮[Opt.Lett.41,2541(2016)]等气体分子的探测。此外，也已经有实验证实了通过使用准相位匹配的磷化镓(OP-GaP)晶体，可以使得光参量输出波段拓展到12微米[Opt.Lett.41,4261(2016)]，进一步扩大了应用范围。
一般地，光谱学气体检测装置需要有激光光源，气体吸收腔，光谱仪三个部分组成，激光光源可以是光参量振荡器，气体吸收腔在实验室中可以采用多通气体吸收池，但在实际应用中只能是自由传输光路，后者会加大探测难度。光谱仪可以选用光栅光谱仪[Applied Physics B 119,327(2014)]或者傅里叶变换红外光谱仪[J.Opt.Soc.Am.B 30,631(2013)]。
现有的探测装置大都在一个相对稳定的环境下进行测试，并且存在着如下缺点：(1)光参量振荡器工作时需要与泵浦源激光器达到腔长同步，泵浦源激光器重复频率大都低于100MHz，这就使得光参量振荡器腔长通常需要达到几米，这就使得系统体积较大；(2)对于气体分子检测装置，更够进一步推广意义重大，因此整个系统的输出稳定性指标尤为重要，光参量振荡器易受外界因素干扰，例如温度，大气湍流，自身机械结构稳定性等。
因此，现有技术中的光参量振荡器的系统稳定性不足、体积大以及适用范围较小的问题。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置及方法，旨在解决现有技术中的光参量振荡器的系统稳定性不足、体积大以及适用范围较小的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置，包括光参量振荡器、闲频准直镜和红外光谱仪，所述光参量振荡器包括：泵浦激光源、泵浦聚焦镜、非线性晶体和谐振腔；所述谐振腔包括曲面镜M1、曲面镜M2、介质镜和输出耦合镜；
所述谐振腔为折叠式谐振腔，所述泵浦激光源的腔长为所述折叠式谐振腔的腔长的N倍，N为正整数；通过移动所述介质镜调谐所述谐振腔的腔长，以使所述谐振腔与泵浦激光源的腔长同步；
所述泵浦聚焦镜将泵浦光通过曲面镜M1聚焦到位于谐振腔内的非线性晶体的中心，所述非线性晶体将泵浦光转换成闲频光和信号光；所述闲频光通过曲面镜M2透射至所述闲频准直镜输出，所述信号光在谐振腔中振荡；
所述曲面镜M1和介质镜之间设置硒化锌晶体，所述硒化锌晶体和非线性晶体为所述谐振腔提供足够的色散；
所述红外光谱仪获取从所述闲频准直镜输出后经过待测气体的闲频光，并生成相应的光谱图，以分析所述待测气体的种类和浓度。
可选的，所述曲面镜M1、曲面镜M2、介质镜对信号脉冲具有高反射率，对泵浦脉冲和闲频脉冲具有高透过滤。
可选的，所述信号光经曲面镜M2反射至输出耦合镜，部分信号光输出，剩余信号光反射回所述曲面镜M2，并依次反射经过曲面镜M1、硒化锌晶体、介质镜、硒化锌晶体、曲面镜M1，再次达到曲面镜M2，沿光路在在谐振腔中反复振荡。
可选的，所述信号光的重复频率与所述泵浦光的重复频率比值为N。
可选的，所述非线性晶体的极化周期依据泵浦光和所需的闲频光的波段确定，所需的闲频光的波段为3-5um。
可选的，所述检测装置还包括银镜，所述银镜沿光路设置于所述闲频准直镜后方，构成长距离自由传输光路。
第二方面，本发明还提供了一种基于谐波光参量振荡器的分子检测方法，包括：
泵浦激光源产生的泵浦光；
泵浦光经过光参量振荡器的非线性晶体转换成信号光和闲频光，信号光在谐振腔中反复振荡，闲频光输出；
红外光谱仪获取准直后经过长距离自由传输的闲频光，得到高分辨率光谱图像，并识别闲频光光谱上产生的特征吸收峰，反推出闲频光传输过程中穿过的待测气体种类和的浓度。
可选的，在所述泵浦激光源产生的泵浦光之后，还包括：
调节所述光参量振荡器的谐振腔中的非线性晶体极化周期，以调节产生的闲频光波段，以使其满足待测气体的吸收波段。
可选的，所述电探测器获取准直后经过长距离自由传输的闲频光，得到高分辨率光谱图像，并识别闲频光光谱上产生的特征吸收峰，反推出闲频光传输过程中穿过的待测气体种类和的浓度，包括：
获取所述光参量振荡器输出的闲频光长距离传输后的光谱图；
根据所述光谱图中的特征吸收峰的测量结果反推出所述闲频光传输过程中经过的待测气体种类；
根据所述待测气体种类确定吸收系数，基于Lambert-Beer定律，通过所述吸收系数和吸收长度计算得到待测气体的浓度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够实现如下
有益效果：
1、本发明提供的一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置，为基于光参量振荡器产生高稳定性的中红外激光提供了可行方案，在通常的超短脉冲形成过程中，较大的色散效应的作用会使脉冲具有一个较大的频率啁啾。而本发明提供的方法，通过人为增大色散效应，使得腔内谐振光的波长稳定性得到大幅度提高，从而获得高稳定性的中红外激光源(闲频光)，同时也通过设置折叠腔降低装置的体积。该检测装置具有系统配置简单，输出稳定性高，调谐范围大等特性。
2、本发明提供的一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置，通过将同步泵浦结构改为谐波泵浦结构，可以在不影响中红外激光输出状态的情况下，将光参量振荡器谐振腔腔长缩短为泵浦源腔长的整数倍，实现了光参量振荡器的小型化，使得适用范围更广。
3、本发明提供的一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置，通过调节晶体极化周期来调节闲频光输出波段，可在多个波段下实现稳定的中红外激光输出，使用宽调谐的激光源，可以支持多种气体分子的检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例对应的红外光光谱调谐试验参数图；
图3是本发明一个实施例中红外光谱仪测量到的特征吸收峰的示意图；
图4是本发明另一个实施例中红外光谱仪测量到的特征吸收峰的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置，包括光参量振荡器、闲频准直镜和红外光谱仪，所述光参量振荡器包括：泵浦激光源、泵浦聚焦镜、非线性晶体和谐振腔；所述谐振腔包括曲面镜M1、曲面镜M2、介质镜M3和输出耦合镜M4；
所述谐振腔为折叠式谐振腔，所述泵浦激光源的腔长为所述折叠式谐振腔的腔长的N倍，N为正整数；通过移动所述介质镜调谐所述谐振腔的腔长，以使所述谐振腔与泵浦激光源的腔长同步；
所述泵浦聚焦镜将泵浦光通过曲面镜M1聚焦到位于谐振腔内的非线性晶体的中心，所述非线性晶体将泵浦光转换成闲频光和信号光；所述闲频光通过曲面镜M2透射至所述闲频准直镜输出，所述信号光在谐振腔中振荡；
所述曲面镜M1和介质镜之间设置硒化锌晶体，所述硒化锌晶体和非线性晶体为所述谐振腔提供足够的色散；
所述红外光谱仪获取从所述闲频准直镜输出后经过待测气体的所述闲频光，并生成相应的光谱图，以分析所述待测气体的种类和浓度。
对本实施例提供的基于谐波光参量振荡器高稳定性输出的原理，给出相关理论分析如下：
要想使得光参量振荡器输出的中红外激光(闲频光)处于一个高稳定的状态，需要两个条件：1、高稳定的泵浦激光源，本实例中使用的是光纤锁模激光器，输出功率在十分钟时间内的均方根误差(RMS值)为0.20％；2、稳定的信号光(谐振光)，谐振光的稳定性是由谐振腔的特性决定的，因此要仔细地设计谐振腔的相关参数。其中，谐振光中心波长的稳定性与色散的关系可以描述为：
Δλ＝λ2ΔL/(2πc2β2)
式中，Δλ为谐振光中心波长，λ为谐振光中心波长，ΔL为腔长波动长度，β2为腔内二阶色散参数，c为光速；
根据上式可知，对于给定的外界干扰，腔内色散越大，波长偏移量越小，相应的，输出功率稳定性也越高，也可以说，高色散的谐振腔系统可以抵御更大的环境波动干扰。
泵浦光腔长通常较长，本实施例提供的分子检测装置，通过折叠光参量振荡器腔长为泵浦光腔长的整数分之一，本实施例中为N分之一，使得信号光重复频率变为泵浦光整数倍，本实施例中为N倍；谐振腔腔长变为泵浦激光器腔长N分之一，大大降低光参量振荡器体积；信号光重复频率变为泵浦光重复频率的N倍，即信号光在腔内振荡次数为N，振荡次数越大，色散效应越大，系统稳定性越高。腔内高色散效应可以抑制谐振光波长的偏移，在相同的外界干扰下，腔内色散越大，谐振光的波长偏移量就越小，同理地，功率变化越小，稳定性越高。此时，如果谐振腔内色散量足够大，则系统能够保持较高的稳定性；光参量振荡器的谐振腔内的色散完全由非线性晶体提供，若不能完全由非线性晶体提供，则需要在谐振腔内额外插入色散功能元件引入色散，使腔内色散足够大来提高系统稳定性。本实施例中，为了保证谐振腔的色散足够，采用硒化锌晶体和非线性晶体共同为谐振腔提供色散。其中，非线性晶体依据泵浦光和所需的闲频中红外光波段确定。本实施采用的红外光谱仪为傅里叶变换红外光谱仪。由于绝大部分气体都可以在3-5um范围内找到吸收峰，因此将所需的闲频光的波段设定为3-5um，检测装置可满足绝大多数气体检测需求；本实施例提供的光参量振荡器具有宽调谐性特点，在宽范围内扫描，检测装置能够找到待测气体吸收峰，根据特征吸收峰结果分析输过程中穿过的待测气体的种类和浓度。
在一具体实施例中，采用透射式的谐波泵浦结构，腔内的曲面镜M1、曲面镜M2、介质镜M3对信号脉冲具有高反射率，对泵浦脉冲和闲频脉冲具有高透过滤，输出耦合镜M4设计成对信号脉冲的反射率为98.5％。信号光在谐振腔内的传输路线为：信号光经曲面镜M2反射至输出耦合镜，1.5％信号光输出，98.5％信号光反射回所述曲面镜M2，并依次反射经过曲面镜M1、硒化锌晶体、介质镜、硒化锌晶体、曲面镜M1，再次达到曲面镜M2，沿光路在在谐振腔中反复振荡。
如图1所示，本实施例提供的泵浦激光源的腔长为折叠式谐振腔的腔长的3倍，因此，信号光的重复频率为泵浦光的重复频率的3倍。介质镜M3安装在手动位移平台上用以调节谐振腔长，以使满足谐振腔与泵浦激光源的腔长同步。腔内用以提供增益的非线性晶体为一块长度为3mm，极化周期27.58μm-31.5μm的周期性极化铌酸锂晶体。如图2所示，测量得到的闲频光输出光谱调谐图，蓝色实线代表此时闲频光的功率。本实例中选择的极化周期为31.02μm，其增益带宽可覆盖1530～1630nm约100nm的信号光增益波段，以此实现一定的波长调谐范围。泵浦脉冲为基于掺镱锁模激光器的放大系统，其中心波长为1064nm，时域脉宽为200fs，平均功率为2W，重频约80MHz。其中，在谐振腔内加入硒化锌晶体，硒化锌晶体设置于所述曲面镜M1和介质镜之间；硒化锌晶体和非线性晶体用以在腔内提供足够大的色散量以提高谐振腔的稳定性。
检测装置还包括银镜，银镜沿光路设置于所述闲频准直镜后方，构成长距离自由传输光路。基于谐波光学参量振荡器的一种自由空间光谱测量结果显示如图3所示，光参量振荡器输出的中红外激光在自由空间中传输约27.5m后被中红外探测器接收，经过一系列数据处理，定量得到此时光谱中对应的气体吸收峰，如图3所示，中红外光谱波段为3185-3275nm，测量得到的特征吸收峰，包括水分子和甲烷，如图3所示，测量得到的特征吸收峰，包括水分子和甲烷，上半部分是实际测量结果，下半部分是标准仿真结果，底层附图为两者之间的残差。
从图中可知，本实施例提供的光参量振荡器具有高稳定性，在15分钟的测量时间内，光参量振荡器输出光相对强度噪声(RIN)为0.22％，输出光谱中心波长漂移低于0.1nm。
进一步的，谐振光参量振荡器的工作波长由非线性晶体的极化周期决定，腔内额外色散功能元件需要考虑到腔内谐振光的具体波长。工作时，通过调节晶体极化周期来调节闲频光输出波段，使该装置可以对甲烷、一氧化二氮等多种微量气体分子进行测量，采集经过傅里叶变换红外光谱仪调制后的信号，傅里叶变换后得到测量光谱，定量分析气体种类和浓度。光参量振荡器通过调谐输出的闲频光，使其可以覆盖大气中绝大多数气体分子的振转跃迁吸收波段，以此达到一个测量装置可以同时对多种微量气体分子测量的目的。
在另一实施例中，光参量振荡器的腔折叠倍数为3，即是说谐振光重复频率是泵浦光的3倍。晶体极化周期为27.58μm，因此其对应的闲频光中心波长约为4500nm，可以对一氧化二氮，一氧化碳等微量气体分子进行探测，从上述实施例中可以体现，基于谐波光参量振荡器的气体分子探测系统可以很方便地调谐输出波长，可以很方便地测量大气中含有的多种气体分子含量。
基于谐波光学参量振荡器的一种自由空间光谱测量结果显示如图4所示，光参量振荡器输出的中红外激光在自由空间中传输约27.5m后被中红外探测器接收，经过一系列数据处理，定量得到此时光谱中对应的气体吸收峰，如图4所示的中红外光谱波段为4400nm-4490nm，测量得到的特征吸收峰，包括二氧化碳(碳13同位素)和一氧化二氮，如图4所示，测量得到的特征吸收峰，包括二氧化碳(碳13同位素)和一氧化二氮，上半部分是实际测量结果，下半部分是标准仿真结果，底层附图为两者之间的残差。从图3图4可知，本专利实施例提供的方法可以方便地对大气中存在的绝大多数微量气体分子进行高精度探测，相比于现有的探测装置，本专利给出的方案具有更高的灵敏度，信噪比，同时可以支持更复杂环境的探测任务。
本发明实施例中通过折叠光参量振荡器腔长以此获得很短的光参量振荡器谐振腔长，实现飞秒光学参量振荡器的小型化，通过振荡腔内非线性晶体和硒化锌晶体提供足够大的色散，使得腔内谐振光的波长稳定性得到大幅度提高，从而获得高稳定性的中红外激光源，并通过调节晶体极化周期来调节闲频光输出波段，实现对多种气体分子的检测；解决了现有技术中的光参量振荡器的系统稳定性不足，系统复杂度高和体积大，适用范围较小的技术问题，实现了系统配置简单，可重复性高，输出稳定性高，调谐范围大的特点，且光参量振荡器实现小型化，使得适用范围更广。
实施例二
本发明还提供了一种基于谐波光参量振荡器的分子检测方法，包括：
泵浦激光源产生的泵浦光；
泵浦光经过光参量振荡器的非线性晶体转换成信号光和闲频光，信号光在谐振腔中反复振荡，闲频光输出；
红外光谱仪获取准直后经过长距离自由传输的闲频光，得到高分辨率光谱图像，并识别闲频光光谱上产生的特征吸收峰，反推出闲频光传输过程中穿过的待测气体种类和的浓度。
可选的，在所述泵浦激光源产生的泵浦光之后，还包括：
调节所述光参量振荡器的谐振腔中的非线性晶体极化周期，以调节产生的闲频光波段，以使其满足待测气体的吸收波段。
可选的，所述电探测器获取准直后经过长距离自由传输的闲频光，得到高分辨率光谱图像，并识别闲频光光谱上产生的特征吸收峰，反推出闲频光传输过程中穿过的待测气体种类和的浓度，包括：
获取所述光参量振荡器输出的闲频光长距离传输后的光谱图；
根据所述光谱图中的特征吸收峰的测量结果反推出所述闲频光传输过程中经过的待测气体种类；
根据所述待测气体种类确定吸收系数，基于Lambert-Beer定律，通过所述吸收系数和吸收长度计算得到待测气体的浓度。
本发明实施例所提供的一种基于谐波光参量振荡器的分子检测方法应用于本发明任意实施例所提供的一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置中，具备执行装置相应的功能模块和有益效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置，其特征在于，包括光参量振荡器、闲频准直镜和红外光谱仪，所述光参量振荡器包括：泵浦激光源、泵浦聚焦镜、非线性晶体和谐振腔；所述谐振腔包括曲面镜M1、曲面镜M2、介质镜和输出耦合镜；
所述谐振腔为折叠式谐振腔，所述泵浦激光源的腔长为所述折叠式谐振腔的腔长的N倍，N为正整数；通过移动所述介质镜调谐所述谐振腔的腔长，以使所述谐振腔与泵浦激光源的腔长同步；
所述泵浦聚焦镜将泵浦光通过曲面镜M1聚焦到位于谐振腔内的非线性晶体的中心，所述非线性晶体将泵浦光转换成闲频光和信号光；所述闲频光通过曲面镜M2透射至所述闲频准直镜输出，所述信号光在谐振腔中振荡；
所述曲面镜M1和介质镜之间设置硒化锌晶体，所述硒化锌晶体和非线性晶体为所述谐振腔提供足够的色散；
所述红外光谱仪获取从所述闲频准直镜输出后经过待测气体的闲频光，并生成相应的光谱图，以分析所述待测气体的种类和浓度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述曲面镜M1、曲面镜M2、介质镜对信号脉冲具有高反射率，对泵浦脉冲和闲频脉冲具有高透过滤。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号光经曲面镜M2反射至输出耦合镜，部分信号光输出，剩余信号光反射回所述曲面镜M2，并依次反射经过曲面镜M1、硒化锌晶体、介质镜、硒化锌晶体、曲面镜M1，再次达到曲面镜M2，沿光路在在谐振腔中反复振荡。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号光的重复频率与所述泵浦光的重复频率比值为N。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非线性晶体的极化周期依据泵浦光和所需的闲频光的波段确定，所需的闲频光的波段为3-5um。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测装置还包括银镜，所述银镜沿光路设置于所述闲频准直镜后方，构成长距离自由传输光路。
7.一种采用权利要求1至6任一项所述的装置实现的基于谐波光参量振荡器的分子检测方法，其特征在于，包括：
泵浦激光源产生的泵浦光；
泵浦光经过光参量振荡器的非线性晶体转换成信号光和闲频光，信号光在谐振腔中反复振荡，闲频光输出；
红外光谱仪获取准直后经过长距离自由传输的闲频光，得到高分辨率光谱图像，并识别闲频光光谱上产生的特征吸收峰，反推出闲频光传输过程中穿过的待测气体种类和的浓度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述泵浦激光源产生的泵浦光之后，还包括：
调节所述光参量振荡器的谐振腔中的非线性晶体极化周期，以调节产生的闲频光波段，以使其满足待测气体的吸收波段。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电探测器获取准直后经过长距离自由传输的闲频光，得到高分辨率光谱图像，并识别闲频光光谱上产生的特征吸收峰，反推出闲频光传输过程中穿过的待测气体种类和的浓度，包括：
获取所述光参量振荡器输出的闲频光长距离传输后的光谱图；
根据所述光谱图中的特征吸收峰的测量结果反推出所述闲频光传输过程中经过的待测气体种类；
根据所述待测气体种类确定吸收系数，基于Lambert-Beer定律，通过所述吸收系数和吸收长度计算得到待测气体的浓度。
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| CN202311089006.6A CN117074351A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种基于谐波光参量振荡器的分子检测装置及方法 |
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- 2023-08-28 CN CN202311089006.6A patent/CN117074351A/zh active Pending
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