CN117147470A - 高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法及系统，涉及气体吸收谱探测技术领域；该方法包括：锁定第一光学频率梳以及第二光学频率梳的频率；第一光学频率梳分束得到第一光束和第二光束；第一光束和第二光束同时射入待测气体；将第二光学频率梳与第二光束进行合束，得到目标光束，并得到待测气体的气体吸收谱线；通过将乙炔、氰化氢等分子气体作为待测气体填充到空心光纤内，减小了气压展宽及碰撞展宽对吸收线线宽的影响；泵浦探测技术结合双光梳技术，将光频域不能观测到的气体吸收线线宽转换到可观测的射频域，实现了气体吸收线的高分辨率探测，同时可以在低气压下观测到多条无多普勒展宽气体吸收谱线。
Description
技术领域
本发明涉及气体吸收谱探测技术领域，具体而言，涉及高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法及系统。
背景技术
光谱技术是人类认识物质世界的工具，为人类科技与物质文明的发展奉献着力量；经典光谱技术的光谱分辨率和测量灵敏度有限，而激光技术的出现加快了光谱技术的工程化、实用化，开始真正走进人们的日常生产和生活中，利用激光进行气体探测的技术有很多，比如腔衰荡技术、激光拉曼光谱技术、激光光声光谱技术等；而双光梳光谱技术是具有高分辨率、高灵敏度以及高测量速度于一体的工具，在高精度大范围绝对距离测量、光谱测量、人体健康检测等各个领域都有着巨大的潜力。
双光梳光谱技术是在传统傅里叶变换光谱技术的基础上发展而来，傅里叶变换光谱技术主要是利用干涉仪实现类似双光梳的效果，例如迈克尔逊干涉仪，由于动臂上动镜以一定速度运动，所以在光电探测器上接收到来自动臂的频率会由于多普勒效应而发生频移；而静臂一端的光频率没有发生变化；利用这一现象，将光学频率梳与迈克尔逊干涉仪结合能够产生双光梳，但是由于迈克尔逊干涉仪仪动臂的机械移动速度有限，其分辨率受到限制，所以诞生了双光梳光谱技术；双光梳光谱技术是基于两台重复频率相差很小的光学频率梳，即用一台光学频率梳取代了传统傅里叶变换光谱技术中的动臂。
气体吸收谱线的线宽由于自然展宽、气压展宽、多普勒展宽等的影响会干扰气体吸收谱的分析，其中多普勒展宽是影响实际谱线宽度的主要原因；因此，如果能消除多普勒展宽，就可以得到无多普勒气体吸收线宽，泵浦探测技术的出现，解决了这一问题，利用相向传输的两束光，其中能量较高的光作为泵浦光，而能量较低的光作为探测光，对待测气体进行激发和探测，即实现了消除多普勒展宽可饱和气体吸收谱。
目前，利用连续激光器探测无多普勒展宽气体吸收线做频率稳定或者双光子光谱探测分子气体吸收谱线的研究很多，连续激光器探测消除多普勒展宽的吸收线宽已经做到百kHz量级，但是在光频域，光谱仪的分辨率在0.02nm(2.5GHz)，气体线宽是不可直接观测的；利用光学频率梳探测无多普勒展宽可饱和气体吸收线宽的实验主要是针对氦、铯、铷等原子气体，2013年，提出利用双光梳光谱技术实现了氦原子气体无多普勒吸收线，在射频域观测到线宽为5MHz吸收线，2016年，利用基于电光梳的光谱技术，在3.2GHz光谱带宽、2μs时间分辨率和10MHz频率采样下对铯原子蒸汽进行连续观测；然而对于乙炔、氰化氢等分子气体，基于双光梳光谱技术实现无多普勒气体吸收谱的实验鲜有报道，因此提出一种用于对乙炔、氰化氢等分子气体的高分辨率的无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于提供高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法及系统，以解决上述背景技术中存在的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供了高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法，包括以下步骤：
S1，将第一光学频率梳和第二光学频率梳作为光源，并锁定第一光学频率梳以及第二光学频率梳的频率；
S2，对第一光学频率梳进行分束处理，得到第一光束和第二光束；
S3，将第一光束和第二光束同时射入待测气体；
S4，将第二光学频率梳与穿透待测气体的第二光束进行合束，得到目标光束，对目标光束进行过滤和转换，得到待测气体的气体吸收谱线。
本发明的有益效果是：利用泵浦探测技术，在结合双光梳光谱技术的前提下，进行无多普勒展宽气体吸收谱探测的实验用得较多的是氦原子、铯原子、铷原子等一类稳定的气体，目前像乙炔、氰化氢等分子气体鲜有报道，所以我们将乙炔、氰化氢等分子气体作为待测气体填充到空心光纤内，减小了气压展宽及碰撞展宽对吸收线谱宽的影响，增加了光与分子相互作用距离与吸收截面，也可以提高光信号的检测灵敏度，而且不需要利用液氨一类的毒性气体进行冷却来降低气体压强，泵浦探测技术结合双光梳光谱技术高分辨率的特点，将光频域不能直接观测的气体吸收线的线宽转换到可观测的射频域，即使是分辨率较低的频谱仪也可以通过设置重复频率差来获得光谱上的高分辨率，同时又可以在低气压下观测到多条无多普勒展宽气体吸收谱线。
第二方面，本申请实施例提供了高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，应用于第一方面中的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法，包括双光梳装置、第一光纤耦合器、循环器、空心光纤、第二光纤耦合器和线谱分析组件，空心光纤内填充有待测气体；
双光梳装置，用于生成频率锁定的第一光学频率梳和第二光学频率梳，并将第一光学频率梳传输至第一光纤耦合器，将第二光学频率梳传输至第二光纤耦合器，第一光学频率梳和第二光学频率梳锁定的频率包括重复频率和拍频频率；
第一光纤耦合器，用于将第一光学频率梳进行分束，得第一光束和第二光束，并将第一光束传输至循环器以及将第二光束传输至空心光纤的一端口；
循环器，用于将第一光束射入空心光纤的另一个端口；其中循环器将第一光束射入空心光纤的另一个端口的时间与第一光纤耦合器将第二光束传输至空心光纤的一端口的时间一致；
循环器，还用于将空心光纤中穿透待测气体的第二光束射入第二耦合器；
第二光纤耦合器，用于将接收到的第二光束与第二光学频率梳进行合束，得到目标光束，并将目标光束传输至线谱分析组件；
线谱分析组件，用于根据接收到的目标光束进行过滤和转换，得到待测气体的气体吸收谱线。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，上述双光梳装置的第一输出端连接第一光纤耦合器的输入端，第一光纤耦合器的第一输出端连接循环器的第1端口，第一光纤耦合器的第二输出端连接空心光纤的一端，空心光纤的另一端连接循环器的第2端口，循环器的第3端口和双光梳装置的第二输出端均连接第二光纤耦合器的输入端，第二光纤耦合器的输出端连接线谱分析组件。
进一步，上述双光梳装置的第一输出端和第一光纤耦合器之间设置有第一放大器，双光梳装置的第二输出端和第二光纤耦合器之间设置有第二放大器；
第一放大器，用于将第一光学频率梳的梳齿能量进行放大；
第二放大器，用于将第二光学频率梳的梳齿能量进行放大。
进一步，上述线谱分析组件包括依次连接的带通滤波器、光电探测器和信号分析设备，带通滤波器的输入端连接第二光纤耦合器的输出端；
带通滤波器，用于从目标光束中过滤出包含待测气体的光谱信息的过滤光束，并将过滤光束传输至光电探测器；
光电探测器，用于将接收到的光信号形式的过滤光束转化为电信号形式的线谱信号，并将线谱信号传输至信号分析设备；
信号分析设备，接收电信号形式的线谱信号，根据线谱信号分析获得待测气体的气体吸收谱线。
进一步，上述还包括锁定在气体吸收线的窄线宽激光器，窄线宽激光器与双光梳装置连接；
窄线宽激光器，用于获取与第一光学频率梳和第二光学频率梳的拍频频率。
进一步，上述还包括频率反馈装置，频率反馈装置与双光梳装置连接；
频率反馈装置，用于锁定第一光学频率梳和第二光学频率梳的重复频率和拍频。
进一步，上述双光梳系统的光谱分辨率通过第一公式表示，第一公式为：
式中，RES表示双光梳系统的光谱分辨率，T表示采样时间，fr1表示第一光学频率梳的重复频率，Δfr表示第一光学频率梳和第二光学频率梳之间的重复频率差。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现第一方面中的方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面中的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中分子气体吸收谱测量系统的连接示意图；
图2为本发明实施例中分子气体吸收谱测量方法的方法流程图；
图3为本发明实施例中无多普勒展宽的气体吸收谱线的示意图；
图4为本发明实施例中电子设备的连接示意图；
图5为本发明实施例中光谱分辨率与影响因素的关系示意图；
图6为本发明实施例中设置双光梳参数的示例图。
图标：1、双光梳装置；3、第一放大器；4、第二放大器；5、第一光纤耦合器；6、第二光纤耦合器；7、循环器；8、准直器；10、反射镜组；12、空心光纤；13、带通滤波器；14、光电探测器；15、信号分析设备；16、频率反馈装置、18、窄线宽激光器。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例
第一方面，本申请实施例提供了高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法，包括以下步骤：
S1，将第一光学频率梳和第二光学频率梳作为光源，并锁定第一光学频率梳以及第二光学频率梳的频率；
S2，对第一光学频率梳进行分束处理，得到第一光束和第二光束；
S3，将第一光束和第二光束同时射入待测气体；
S4，将第二光学频率梳与穿透待测气体的第二光束进行合束，得到目标光束，对目标光束进行过滤和转换，得到待测气体的气体吸收谱线。
其中，通过上述的S1-S4的方式获得待测气体对应的气体吸收谱线时，具有以下的优势：
1.连续激光器利用泵浦探测技术实现无多普勒展宽气体吸收谱探测已经十分成熟，在结合双光梳光谱技术的前提下，进行无多普勒展宽气体吸收谱探测的实验用得较多的是氦原子、铯原子、铷原子等一类稳定的气体，目前像乙炔、氰化氢等分子气体鲜有报道，所以我们将乙炔、氰化氢等分子气体作为待测气体填充到空心光纤12内，减小了气压展宽及碰撞展宽对吸收线谱宽的影响，增加了光与分子相互作用距离与吸收截面，也可以提高光信号的检测灵敏度，而且不需要利用液氨一类的毒性气体进行冷却来降低气体压强，可以在低气压下实现多条无多普勒展宽气体吸收谱线的探测。
2.频谱分辨率与光谱分辨率之间存在一个倍数关系，即转换因子α。低的频谱分辨率影响实验观测，限制光谱分辨率，所以相应的增大重复频率差可以实现高分辨率探测，并可以降低实验难度。在接下来的叙述中，频谱分辨率足以分辨所给出线宽，例如，第一光学频率梳的重复频率为100MHz，第一光学频率梳和第二光学频率梳之间的重复频率差为1kHz，没有消除多普勒展宽的光谱吸收线宽在GHz量级，则射频吸收线宽在百kHz量级；若消除多普勒展宽的光谱吸收线宽在MHz量级，则射频吸收线宽为kHz量级以下，即理论上实现更窄的高分辨率线宽；但是如果百kHz量级对实验是适用的，则重复频率差理论上可选择为100kHz，可将消除多普勒展宽的MHz量级光谱吸收线宽转换到射频上的百kHz。也就是可以选择一个合适且较大的重复频率差值，这对于搭建两台光学频率梳来说是相对容易的，并且在分辨率上得到保证。
3.基于全保偏光纤搭建的九字腔激光器作为双光梳光谱技术的光源，全保偏光纤结构不仅可以保证其在实验室内稳定运行，同时也适应于实验室之外的场景，具有很好的环境适应性和稳定性。
4.双光梳光谱技术的分辨率可达到MHz量级以下，光谱采样速度由重复频率差决定，通过改变可提高采样速度，重复频率差已由Hz量级提高到kHz量级，与泵浦探测技术的结合，可以观测到多条高分辨率分子气体的无多普勒展宽的吸收谱线。光谱高分辨率理论示意图如图5，图5中三张图分别示意了不同采样时间，不同重频及不同光谱宽度下的光谱分辨率，理论上可以通过降低重频或者增加重频差及采样时间来获得高分辨率，对于百兆重频，理论上可以得到MHz-kHz量级的光谱分辨率，对应射频为kHz-Hz量级分辨率。
第二方面，本申请实施例提供了高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，应用于第一方面中的无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法，包括双光梳装置1、第一光纤耦合器5、循环器7、空心光纤12、第二光纤耦合器6和线谱分析组件，空心光纤12内填充有待测气体。
可选的，上述双光梳装置1的第一输出端连接第一光纤耦合器5的输入端，第一光纤耦合器5的第一输出端连接循环器7的第1端口，第一光纤耦合器5的第二输出端连接空心光纤12的一端，空心光纤12的另一端连接循环器7的第2端口，循环器7的第3端口和双光梳装置1的第二输出端均连接第二光纤耦合器6的输入端，第二光纤耦合器6的输出端连接线谱分析组件，如图1所示。
具体地，图1为分子气体吸收谱测量系统的连接示意图，在图1中，图标2与图标1同为双光梳装置1，图标16与图标17同为频率反馈装置16；如图1所示，在空心光纤12的两端均设置有准直器8和反射镜组10，准直器8为图标8和图标9，反射镜组10为图标10和图标11，其中，直器8的目的是将经循环器7的第一束光与第二光束分别准直并射入反射镜组10，反射镜组10的目的是将第一光纤耦合器5、循环器7中的光束反射到空心光纤12内，并将空心光纤内的携带分子气体吸收谱线信息的第二光束反射到循环器7。
双光梳装置1，用于生成频率锁定的第一光学频率梳和第二光学频率梳，并将第一光学频率梳传输至第一光纤耦合器5，将第二光学频率梳传输至第二光纤耦合器6，第一光学频率梳和第二光学频率梳锁定的频率包括重复频率和拍频频率；
第一光纤耦合器5，用于将第一光学频率梳进行分束，得第一光束和第二光束，并将第一光束传输至循环器7以及将第二光束传输至空心光纤12的一端口；
循环器7，用于将第一光束射入空心光纤12的另一个端口；其中循环器7将第一光束射入空心光纤12的另一个端口的时间与第一光纤耦合器5将第二光束传输至空心光纤12的一端口的时间一致；
循环器7，还用于将空心光纤12中穿透待测气体的第二光束射入第二耦合；
第二光纤耦合器6，用于将接收到的第二光束与第二光学频率梳进行合束，得到目标光束，并将目标光束传输至线谱分析组件；
线谱分析组件，用于根据接收到的目标光束进行过滤和转换，得到待测气体的气体吸收谱线。
可选的，上述线谱分析组件包括依次连接的带通滤波器13、光电探测器14和信号分析设备15，带通滤波器13的输入端连接第二光纤耦合器6的输出端；
带通滤波器13，用于从目标光束中过滤出包含待测气体的光谱信息的过滤光束，并将过滤光束传输至光电探测器14；
光电探测器14，用于将接收到的光信号形式的过滤光束转化为电信号形式的线谱信号，并将线谱信号传输至信号分析设备15；
信号分析设备15，接收电信号形式的线谱信号，根据线谱信号分析获得待测气体的气体吸收谱线。
可选的，上述双光梳装置1的第一输出端和第一光纤耦合器5之间设置有第一放大器3，双光梳装置1的第二输出端和第二光纤耦合器6之间设置有第二放大器4；
第一放大器3，用于将第一光学频率梳的梳齿能量进行放大；
第二放大器4，用于将第二光学频率梳的梳齿能量进行放大。
可选的，上述还包括锁定在气体吸收线的窄线宽激光器18，窄线宽激光器18与双光梳装置1连接；
锁定在气体吸收线的窄线宽激光器18，用于获取其与第一光学频率梳和第二光学频率梳的拍频频率。
可选的，上述还包括频率反馈装置16，频率反馈装置16与双光梳装置1连接；
频率反馈装置16，用于锁定第一光学频率梳和第二光学频率梳的重复频率和拍频。
可选的，上述还包括双通道数据采集卡，本申请实施例中将通过带通滤波器的探测信号接入双通道数据采集卡，该数据采集卡具有重频范围内的全功率带宽，且双通道采集时同步采样率设置为重复频率的两倍，同时数据采集卡接入铷钟信号进行时钟同步可以提高数据分析的准确性。
可选的，上述双光梳系统的光谱分辨率通过第一公式表示，第一公式为：
式中，RES表示双光梳系统的光谱分辨率，T表示采样时间，fr1表示第一光学频率梳的重复频率，Δfr表示第一光学频率梳和第二光学频率梳之间的重复频率差。
其中，双光梳装置1生成第一光学频率梳和第二光学频率梳的重复频率和载波包络相位漂移频率分别为fr1和f01以及fr2和f02，且第一光学频率梳和第二光学频率梳的重复频率fr1≈fr2，因此，频率差Δfr＝fr1-fr2＜＜fr1，2(射频)；采用光谱范围有重叠的两台光学频率梳通过拍频可以将光学频率梳转换为射频梳，第一光学频率梳和第二光学频率梳的重复频率fr1和fr2，射频梳频率间隔为Δfr；分析可知原来在光频频率上携带的气体吸收谱信号会以确定频率转换关系转换到射频频率上，光频频率与射频频率之间的转换因子为：
由于重复频率差Δfr的存在，时域脉冲之间自发地出现了一个周期性变化的时间延迟，脉冲的延迟周期τ为：
因此，双光梳装置1的时延由重复频率差来决定，就意味着脉冲间的间隔可以突破传统傅里叶变换光谱机械结构运动极限的限制，从而得到更高的分辨率；所以，光谱分辨率由采样时间T、重复频率fr和重复频率差Δfr来确定，所以理论光谱分辨率公式如下：由此来获取高分辨率的气体吸收谱线。
具体地，本申请是基于双光梳光谱技术与泵浦探测技术，双光梳光谱技术具有高分辨率、高测量速度和高灵敏度的优势，而对于一般的气体吸收谱线探测，谱线宽度一般会受到气压、多普勒效应、碰撞展宽等因素的限制，而其中多普勒效应对于谱线展宽影响最大，因此，利用泵浦探测技术来消除多普勒效应，如下：
首先，将双光梳光谱技术中的光源通过频率锁定进行稳定，将重复频率fr和锁定在气体吸收线上的窄线宽激光器与光学频率梳梳齿的拍频fb锁定在射频参考源高精度铷钟上，其中，重复频率fr由反馈系统驱动压电陶瓷(PZT，Piezo-Electric Actuator)对激光器腔长进行调节；窄线宽激光器与光学频率梳的梳齿进行拍频，然后基于获取的相关信号通过搭建的电路反馈系统控制泵浦电流，使得光学频率梳系统稳定运行，其中，第一光学频率梳和第二光学频率梳是利用同一台窄线宽激光器进行拍频频率的锁定。
其次，将待测气体填充到空心光纤12中，第一光学频率梳经过第一放大器3，第一光学频率梳的梳齿能量得到放大，再由1*2的第一光纤耦合器5分成两束光，其中一束称为Pump光(第一光束)，由光纤循环器7的第1端口输入，参见图1，再通过第一准直器8耦合到空心光纤12中，其中一个准直器8位于循环器7的第2端口和空心光纤12之间；另一束称为Probe光(第二光束)，利用另一准直器9将Probe光耦合到空心光纤12的另一端，当Pump光与大部分待测气体相互作用后，再将通过空心光纤12的Probe光耦合到循环器7的第2端口，经循环器7的第3端口接入1*2的第二光纤耦合器6的输入端，并与第二光学频率梳合束，然后经过带通滤波器13将包含被测气体信息的光谱过滤出来，最后再将光信号输入光电探测器14中。
最后，光电探测器14将探测到的光信号转换为电信号，再通过信号分析设备15，其中信号分析设备15可以包括频谱仪和示波器；通过频谱仪可以观测到该信号包含的频率成分，通过示波器可以观测到消除多普勒效应的吸收谱线，同时根据已知气体吸收谱线的信息进行数据分析。
其中，当光学频率梳第n根梳齿的频率在分子气体吸收线范围内时，该频率的光子就会被待测气体分子吸收，分子进入振动能级的高激发态，其振动频率就是激发光频率；不同的吸收峰有着不同的频率及吸收强度，其中，第一光学频率梳分束后的Pump光输入空心光纤12中与分子气体相互作用消除多普勒展宽，而Probe光携带无多普勒展宽的气体吸收谱线信息；将Probe光与第二光学频率梳合束以后送入光电探测器14，相互拍频后可以得到射频域的吸收谱线，通过分析获取到相应的光频吸收谱线，并可以得到吸收线对应的相位信息，如图3所示，图3中即为消除多普勒展宽的气体吸收谱线示意图，其中，放大的插图为无多普勒展宽吸收线与相位示意图。同时，由于激光和分子被束缚在空心光纤12内，增加了光与分子相互作用距离与吸收截面，也可以提高光信号的检测灵敏度。
具体地，第一光学频率梳和第二光学频率梳的重复频率可以分别为fr1＝100MHz、fr2＝fr1+Δfr，其中，重复频率差为2kHz，光谱宽度为20nm(1560±10nm)，对应频率范围是191.1-193.5THz，其中1560nm为中心波长。
具体地，空心光纤12内填充为乙炔气体时，可以通过实验可以获得P(32)-P(40)线(v1+v3)，考虑到气体吸收线宽会受到多因素影响，所以给出示意图如图3，每一条消除多普勒展宽的吸收线都会有对应的相位变化，图3中放大的插图显示了对应的示意图；频谱宽度根据光谱宽度以及转换因子α计算为48MHz，此数值在理论上是符合的；基于本发明的方法以及现有技术的发展，一般可将百MHz-GHz的吸收线宽缩小至数十MHz量级，转换到倍数关系大约在20-100倍之间。
其中，我们实验室利用连续激光器的泵浦探测技术得到气体吸收线的光信号，最后通过一个光纤环形腔的自由光谱程(FSR≈16.5MHz)测量到约为17MHz的光频域吸收线宽，如图6所示，现举例说明，选择重复频率为100MHz，在光谱宽度为2.5THz，重复频率差选择范围为(0，2]kHz；若采样时间为20ms，光谱分辨率可实现2.5MHz以上。针对17MHz的线宽，重频差设置为[0.2，2]kHz中任意值时，可以实现对17MHz线宽的测量，对应的光谱分辨率为[1.25，12.5]MHz。基于双光梳系统，可将光频域气体吸收线宽转换到射频域，从而直接被观测到，并且转换到射频的分辨率达到Hz量级。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现第一方面中的方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面中的方法。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将第一光学频率梳和第二光学频率梳作为光源，并锁定所述第一光学频率梳以及所述第二光学频率梳的频率；
S2，对所述第一光学频率梳进行分束处理，得到第一光束和第二光束；
S3，将所述第一光束和所述第二光束同时射入所述待测气体；
S4，将所述第二光学频率梳与穿透待测气体的所述第二光束进行合束，得到目标光束，对目标光束进行过滤和转换，得到所述待测气体的气体吸收谱线。
2.高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，应用于权利要求1所述的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法，其特征在于，包括双光梳装置、第一光纤耦合器、循环器、空心光纤、第二光纤耦合器和线谱分析组件，所述空心光纤内填充有待测气体；
所述双光梳装置，用于生成频率锁定的第一光学频率梳和第二光学频率梳，并将所述第一光学频率梳传输至第一光纤耦合器，将所述第二光学频率梳传输至第二光纤耦合器，所述第一光学频率梳和所述第二光学频率梳锁定的频率包括重复频率和拍频频率；
所述第一光纤耦合器，用于将所述第一光学频率梳进行分束，得第一光束和第二光束，并将所述第一光束传输至循环器以及将第二光束传输至空心光纤的一端口；
所述循环器，用于将所述第一光束射入所述空心光纤的另一个端口；其中所述循环器将所述第一光束射入所述空心光纤的另一个端口的时间与所述第一光纤耦合器将第二光束传输至空心光纤的一端口的时间一致；
所述循环器，还用于将所述空心光纤中穿透待测气体的所述第二光束射入所述第二耦合器；
所述第二光纤耦合器，用于将接收到的所述第二光束与所述第二光学频率梳进行合束，得到目标光束，并将目标光束传输至线谱分析组件；
所述线谱分析组件，用于根据接收到的目标光束进行过滤和转换，得到所述待测气体的气体吸收谱线。
3.根据权利要求2所述的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，其特征在于，所述双光梳装置的第一输出端连接所述第一光纤耦合器的输入端，所述第一光纤耦合器的第一输出端连接所述循环器的第1端口，所述第一光纤耦合器的第二输出端连接所述空心光纤的一端，所述空心光纤的另一端连接所述循环器的第2端口，所述循环器的第3端口和所述双光梳装置的第二输出端均连接所述第二光纤耦合器的输入端，所述第二光纤耦合器的输出端连接所述线谱分析组件。
4.根据权利要求3所述的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，其特征在于，所述双光梳装置的第一输出端和所述第一光纤耦合器之间设置有第一放大器，所述双光梳装置的第二输出端和所述第二光纤耦合器之间设置有第二放大器；
所述第一放大器，用于将所述第一光学频率梳的梳齿能量进行放大；
所述第二放大器，用于将所述第二光学频率梳的梳齿能量进行放大。
5.根据权利要求2-4任一项所述的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，其特征在于，所述线谱分析组件包括依次连接的带通滤波器、光电探测器和信号分析设备，所述带通滤波器的输入端连接所述第二光纤耦合器的输出端；
所述带通滤波器，用于从所述目标光束中过滤出包含待测气体的光谱信息的过滤光束，并将所述过滤光束传输至所述光电探测器；
所述光电探测器，用于将接收到的光信号形式的所述过滤光束转化为电信号形式的线谱信号，并将所述线谱信号传输至所述信号分析设备；
所述信号分析设备，接收电信号形式的所述线谱信号，根据所述线谱信号分析获得所述待测气体的气体吸收谱线。
6.根据权利要求2所述的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，其特征在于，还包括锁定在气体吸收线的窄线宽激光器，所述窄线宽激光器与所述双光梳装置连接；
所述窄线宽激光器，用于获取与所述第一光学频率梳和所述第二光学频率梳的拍频频率。
7.根据权利要求2所述的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，其特征在于，还包括频率反馈装置，所述频率反馈装置与所述双光梳装置连接；
所述频率反馈装置，用于锁定所述第一光学频率梳和所述第二光学频率梳的重复频率和拍频。
8.根据权利要求2所述的高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量系统，其特征在于，所述双光梳系统的光谱分辨率通过第一公式表示，所述第一公式为：
式中，RES表示双光梳系统的光谱分辨率，T表示采样时间，fr1表示第一光学频率梳的重复频率，Δfr表示第一光学频率梳和第二光学频率梳之间的重复频率差。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现权利要求1中所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行权利要求1中所述的方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310879967.0A CN117147470A (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 高分辨率无多普勒展宽的分子气体吸收谱测量方法及系统 |
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