CN117368148A - 时间分辨腔衰荡光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，该时间分辨腔衰荡光谱测量装置包括：激光光源模块，适用于产生连续波激光；第一脉冲延迟发生器，适用于提供外部调制信号的时间零点；第二脉冲延迟发生器，适用于根据时间零点对外部调制信号的脉冲宽度和延迟进行调节，并获得时序信号；半导体光学放大器，适用于利用时序信号对激光进行脉冲化得到脉冲激光；波长计，适用于获得脉冲激光的波长；光学谐振腔，适用于接收待检测脉冲等离子源产生的脉冲等离子体，其中，脉冲激光在光学谐振腔内多次反射以提高脉冲等离子体对脉冲激光的吸收以及光电探测器，适用于接收光学谐振腔出射的光信号，并将光信号转换为电信号，获得脉冲激光在光学谐振腔内的衰荡时间。

Description

时间分辨腔衰荡光谱测量装置

技术领域

本公开涉及光谱测量领域，具体涉及一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置。

背景技术

分子吸收光谱技术是一种测量待测目标气体分子浓度的技术，其被广泛应用于大气痕量气体、自由基及同位素的探测与研究。近年来，随着激光技术的快速发展，基于连续波窄线宽激光的腔增强技术受到了人们的广泛关注。

目前，人们为了解决连续波窄线宽激光与光学谐振腔的模式匹配问题，作了一系列有益的尝试和努力，如专利文献CN 110160989 A《一种痕量气体的探测方法及探测装置》，该专利文献中提出一套反馈控制装置，通过实时调整光学谐振腔的长度，以调节所述光学谐振腔的纵模频率，用于控制激光频率与所述光学谐振腔的纵模频率匹配。但该方法仅适用于连续流体系的探测，无法实现脉冲体系中的时间分辨谱学研究的开展。

又如专利文献CN 114279996 A《基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统》，该专利文献中提出一种解决连续波窄线宽激光与光学谐振腔的模式匹配问题的技术方案，其通过调节激光入射光学谐振腔的角度，实现激光的离轴入射激发光学谐振腔更多的高阶横模，以实现激光连续的注入光学谐振腔，但是激光的离轴入射将高能基模中的能量分摊给密集的高阶横模中，这无疑会使输出激光的光强大幅降低。为此美国专利文献US20140319352提出一种提高离轴积分腔透过光强的技术方案，通过在光学谐振腔前再加一前级光腔，将离轴入射光学谐振腔的激光被高反射镜反射回的部分通过前级光腔来回反射实现多次进入光学谐振腔，以增强最终透射光的光强。同时，高频白噪声调制激光器电流以增加激光线宽的方法也被提出用来解决腔模式匹配问题。现有时间分辨光谱的技术主要有门控和时间相关单光子计数(Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC)。

在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：现有技术中连续波激光与光学谐振腔耦合效果较差；时间分辨光谱采集速度较低，无法实现连续波激光与脉冲等离子源时序匹配，光谱测量灵敏度较低等问题。

发明内容

为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，能够增大光学谐振腔内待测样品的吸收程，实现脉冲等离子体源体系的光谱测量，提高时间分辨光谱的分辨率。

根据本公开的一个方面，提供了一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，包括：

激光光源模块，适用于产生连续波激光；

第一脉冲延迟发生器，适用于提供外部调制信号的时间零点；

第二脉冲延迟发生器，适用于根据上述时间零点对上述外部调制信号的脉冲宽度和延迟进行调节，并获得时序信号；

半导体光学放大器，适用于利用上述时序信号对上述激光进行脉冲化得到脉冲激光；

波长计，适用于获得上述脉冲激光的波长；

光学谐振腔，适用于接收待检测脉冲等离子源产生的脉冲等离子体，其中，上述脉冲激光在上述光学谐振腔内多次反射以提高上述脉冲等离子体对上述脉冲激光的吸收，以及

光电探测器，适用于接收上述光学谐振腔出射的光信号，并将上述光信号转换为电信号，获得上述脉冲激光在上述光学谐振腔内的衰荡时间；

其中，上述脉冲激光与上述脉冲等离子体时序匹配，利用上述脉冲激光的波长和上述衰荡时间，获得上述脉冲等离子体的吸收光谱。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括离轴及再入射模块，上述离轴及再入射模块包括：

第一反射镜，设置在上述光学谐振腔之前，上述第一反射镜用于将上述脉冲激光离轴入射至上述光学谐振腔内；以及

带孔反射镜，设置在上述第一反射镜和上述光学谐振腔之间，上述带孔反射镜适用于将上述光学谐振腔反射回来的脉冲激光再次反射注入上述光学谐振腔内；

其中，利用上述第一反射镜与上述带孔反射镜，将上述脉冲激光与上述光学谐振腔反射回来的脉冲激光注入至上述光学谐振腔内。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括：

示波器，用于显示上述光学谐振腔输出的透射光光强随时间变化的波形；

其中，根据上述光学谐振腔输出的透射光光强随时间变化的波形调节上述时序信号，以保证上述脉冲激光与上述脉冲等离子体时序匹配。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述时序信号为双脉冲信号，上述脉冲激光为双脉冲激光，上述双脉冲激光包括：

第一脉冲激光，在上述光学谐振腔内来回反射，部分第一脉冲激光与上述脉冲等离子体发生相互作用，获得第一衰荡时间，以及

第二脉冲激光，在移除上述脉冲等离子体源的上述光学谐振腔内来回反射，获得第二衰荡时间；

其中，根据上述第一衰荡时间、上述第二衰荡时间和上述光学谐振腔的腔长获得待检测脉冲等离子源的光吸收率。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述激光光源模块包括：

可调谐半导体激光器，被构造成根据调节上述可调谐半导体激光器的谐振腔长度改变上述连续波激光的波长。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述激光光源模块还包括：

信号发生器，适用于产生调制波形信号，上述信号发生器根据上述调制波形信号调节上述激光的线宽，以降低上述脉冲激光在上述光学谐振腔内的腔模式噪声。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述激光的连续单模扫描范围大于10cm^-1，输出功率大于100mW，波长调谐范围为980nm-1550nm。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，

上述光学谐振腔包括：

真空实验腔体；

两片高反射镜，平行地设置于上述真空实验腔体的两端，两片上述高反射镜适用于实现上述脉冲激光的来回反射。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，上述两片高反射镜的镜片直径的范围为0.5-5inch，中心波长处反射率大于99.9％，上述两片高反射镜之间的距离小于1m。

根据本公开的实施例，上述时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括：

聚焦透镜，设置在上述光学谐振腔与上述光电探测器之间，适用于收束聚焦上述光学谐振腔输出的透射光，以保证上述脉冲激光尽可能被上述光电探测器收集。

根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，通过设置激光光源模块产生连续激光，设置第一脉冲延迟发生器提供外部调制信号的时间零点，第二脉冲延迟器根据时间零点调节外部调制信号脉宽和延迟，获得时序信号，半导体光学放大器通过时序信号将激光脉冲化，脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配，进而增大光学谐振腔内脉冲激光与脉冲等离子体的有效吸收程，即谐振腔内激光与样品相互作用的有效长度，提高了时间分辨光谱的分辨率，实现了脉冲等离子体源体系的光谱测量。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示意性示出了根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置的各部分组成框图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置的工作流程框图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置在有待测脉冲等离子源情况下双脉冲激光在光学谐振腔内的衰荡曲线图；以及

图4示意性示出了时间分辨腔衰荡光谱测量装置的待测脉冲等离子源的吸收光谱测量部分模块的时序图；

图5示意性示出了时间分辨腔衰荡光谱测量装置的待测脉冲等离子源的吸收光谱测量图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-激光光源模块；

11-可调谐半导体激光器；

111-半导体增益芯片及控制器；

112-反射式衍射光栅；

113-激光器反射镜；

12-光学隔离器；

13-光纤端口耦合器；

14-激光器电源；

15-直流偏置电路；

16-信号发生器；

2-光学开关模块；

21-半导体光学放大器；

22-非球面透镜准直器；

23-双色镜；

24-波长计；

3-光学谐振腔；

31-真空实验腔体；

32-高反射镜；

321-第一高反射镜；

322-第二高反射镜；

33-脉冲等离子体源；

4-离轴及再入射模块；

41-第一反射镜；

42-带孔反射镜；

5-光电探测及数据采集模块；

51-聚焦透镜；

52-光电探测器；

53-电脑；

6-时序控制模块；

61-第一脉冲延迟发生器；

62-第二脉冲延迟发生器。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

现有时间分辨光谱中门控技术需多次测量不同的延时窗口，时间分辨光谱的采集速度较低，无法实现连续波激光与脉冲等离子源时序匹配，光谱测量分辨率较低，时间相关单光子计数进行多光子探测时，探测器只探测第一个光子，而忽视其他光子，光谱测量灵敏度较低；并且现有技术连续的激光与光学谐振腔耦合效果较差，无法有效解决连续波激光与光学谐振腔的模式匹配问题。

有鉴于此，本公开提供了一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，通过激光光源模块产生连续激光，配合两个脉冲延迟发生器分别提供调制信号的时间零点以及调制信号脉宽和延迟，获得时序信号，利用半导体光学放大器通过时序信号将激光脉冲化，脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配，进而增大光学谐振腔内脉冲等离子体的吸收程，即光学谐振腔内激光与样品(即脉冲等离子体)相互作用的有效长度，提高了时间分辨光谱的分辨率，实现了脉冲等离子体源体系的光谱测量。

图1示意性示出了根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置的各部分组成框图；图2示意性示出了根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置的工作流程框图。

本公开的实施例提供了一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，如图1和图2所示，包括：激光光源模块1、第一脉冲延迟发生器61、第二脉冲延迟发生器62、半导体光学放大器21、波长计24、光学谐振腔3以及光电探测器52，激光光源模块1适用于产生连续波激光；第一脉冲延迟发生器61适用于提供外部调制信号的时间零点；第二脉冲延迟发生器62适用于根据时间零点对外部调制信号的脉冲宽度和延迟进行调节，并获得时序信号；半导体光学放大器21适用于利用时序信号对激光进行脉冲化得到脉冲激光；波长计24，适用于获得脉冲激光的波长；光学谐振腔3适用于接收待检测脉冲等离子源33产生的脉冲等离子体，其中，脉冲激光在光学谐振腔3内多次反射以提高脉冲等离子体对脉冲激光的吸收，以及光电探测器52，适用于接收光学谐振腔3出射的光信号，并将光信号转换为电信号，获得脉冲激光在光学谐振腔3内的衰荡时间；脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配，利用脉冲激光的波长和衰荡时间，获得脉冲等离子体的吸收光谱。

在本实施例中，通过设置激光光源模块1产生连续激光，设置第一脉冲延迟发生器61提供外部调制信号的时间零点，第二脉冲延迟器62根据时间零点调节外部调制信号脉宽和延迟，获得时序信号，半导体光学放大器21通过时序信号将激光脉冲化，脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配，进而增大光学谐振腔3内脉冲等离子体的吸收程，即光学谐振腔3内激光与样品(即脉冲等离子体)相互作用的有效长度，提高了时间分辨光谱的分辨率。

根据本公开的一些实施例，如图1所示，时间分辨腔衰荡光谱测量装置包括：激光光源模块1、光学开关模块2、光学谐振腔3、离轴及再入射模块4、光电探测及数据采集模块5以及时序控制模块6。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，光学开关模块2包括半导体光学放大器21以及波长计24，时序控制模块6包括第一脉冲延迟发生器61以及第二脉冲延迟发生器62。

根据本公开可选的一些实施例，光学开关模块2还包括非球面透镜准直器22以及双色镜23。非球面透镜准直器22，与半导体光学放大器21通过光纤相连接，非球面透镜准直器22适用于准直从光纤出射的脉冲激光，即保持脉冲激光光线平行，经非球面透镜准直器22准直的脉冲激光一部分经双色镜23反射至波长计24，波长计24对激光波长的实时在线测量，另一部分透射至第一反射镜41。

根据本公开的可选的一些实施例，波长计24的波长探测范围为330nm-1180nm，波长计24的测量绝对精度优于60MHz。在波长1000nm附近，60MHz对应0.0002nm波长，例如：某次波长计24测量的波长为800.0000nm，则激光实际波长应为800.0000±0.0002nm。

根据本公开的一些实施例，半导体光学放大器21可将激光光源模块1输出的连续波激光的光强实现数倍增益，显著增强了弱光强信号的增益效果，且半导体光学放大器21可根据时序信号实现连续波激光的脉冲化获得一系列脉冲激光串，脉冲激光的脉宽及延迟可通过时序信号进行调节。

根据本公开的一些实施例，第一脉冲延迟发生器61可同步控制脉冲等离子体源33、第二脉冲发生器62以及光电探测及数据采集模块5的时序匹配；第二脉冲发生器62根据第一脉冲发生器61提供的时间零点，调节外部调制信号的脉冲和延迟，产生时序信号控制半导体光学放大器21。

根据本公开可选的一些实施例，半导体光学放大器21可作为一个高速光开关，其典型的上升/下降沿的时间参数约为3μs，半导体光学放大器21根据时序信号进行激光的开启和关断，实现连续波激光的脉冲化，可提高时间分辨光谱的采集速度，提高时间分辨光谱的分辨率，实现脉冲等离子体源33体系的光谱测量。

根据本公开的一些实施例，衰荡时间定义为脉冲激光光强在光学谐振腔3内指数衰减至脉冲激光初始光强的1/e所需要的时间，其是通过对光强衰减信号进行指数拟合获得。

根据本公开的一些实施例，如图1和图2所示，时间分辨腔衰荡光谱测量装置还包括离轴及再入射模块4，离轴及再入射模块4包括：第一反射镜41以及带孔反射镜42，第一反射镜41设置在光学谐振腔3之前，第一反射镜41用于将脉冲激光离轴入射至光学谐振腔3内；带孔反射镜42，设置在第一反射镜41和光学谐振腔3之间，带孔反射镜42适用于将光学谐振腔3反射回来的脉冲激光再次反射注入光学谐振腔3内，利用第一反射镜41与带孔反射镜42，将脉冲激光与光学谐振腔3反射回来的脉冲激光注入至光学谐振腔3内。

在本实施例中，通过设置第一反射镜41将脉冲激光离轴入射至光学谐振腔3内，设置带孔反射镜42将光学谐振腔3反射回来的脉冲激光再次反射注入光学谐振腔3内，第一反射镜41与带孔反射镜42共同构成离轴及再入射模块4，离轴及再入射模块4的设置有效降低了窄线宽连续波激光与光学谐振腔3的腔模式噪声，同时增强了激光与光学谐振腔3的耦合效果。

根据本公开的一些实施例，通过离轴及再入射模块4实现连续波激光连续注入光学谐振腔3以增加连续波激光入射光学谐振腔3时的入射光强，可降低光学谐振腔3的腔模式噪声，提高激光的出射光强以及稳定性，增强连续激光与光学谐振腔3的耦合效果，提高光谱测量的分辨率。

根据本公开的一些实施例，离轴是指脉冲激光入射方向与谐振腔中心轴的方向呈一定的角度，通过调整第一反射镜41的位置和角度以调节脉冲激光入射方向与光学谐振腔3之间的夹角，实现激光离轴注入光学谐振腔3，通过不断调整离轴入射角度来最大化透射光强同时最小化光强的起伏，以有效激发光学谐振腔3内的高阶横模从而压制光学谐振腔3的腔模式结构，可实现近十阶横模被有效激发，光学谐振腔3模式间隔减小近一个量级。

根据本公开可选的一些实施例，带孔反射镜42的镜片直径为1inch，偏离镜片中心有一个3.0mm的孔，通过调整带孔反射镜42的位置和角度，可实现多次将光学谐振腔3反射回的脉冲激光再次注入至光学谐振腔3，激发光学谐振腔3更多的高阶横模，成倍增加光学谐振腔3透射的脉冲激光光强，从而进一步降低光学谐振腔3透射的脉冲激光光强的起伏。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，激光光源模块1产生连续波激光，连续波激光经光学隔离器12和光纤端口耦合器13进入半导体光学放大器21，半导体光学放大器21由第二脉冲延迟发生器62提供的时序信号实现连续波激光的脉冲化，获得脉冲激光，脉冲激光经过非球面透镜准直器22准直，双色镜23反射部分准直后的脉冲激光至波长计24，波长计24对激光波长的实时在线测量，另一部分准直后的脉冲激光透射至离轴及再入射模块4的第一反射镜41。通过调整第一反射镜41的位置及俯仰角，以增大激光入射光学谐振腔3的角度，然后调整带孔反射镜42的位置和角度以实现将光学谐振腔3反射回的激光再次注入光学谐振腔3内以成倍增加入射光学谐振腔3的脉冲激光光强，脉冲激光在光学谐振腔3内来回反射，增大待测脉冲等离子体源33的吸收程，光学谐振腔3的出射光强逐渐累积。关闭半导体光学放大器21，此时没有脉冲激光注入光学谐振腔3，光学谐振腔3的出射光强将呈单指数衰减，通过光电探测及数据采集模块5接收出射光强信号并指数拟合，获得脉冲激光在光学谐振腔3内的衰荡时间τ，衰荡时间τ可表示为公式(1)：

其中，L为光学谐振腔3中两片高反射镜32之间的距离，α为待测脉冲等离子体源33的吸收系数，d为待测脉冲等离子体源33单次吸收程，c为光速，R为两片高反射镜32的反射率。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，时间分辨腔衰荡光谱测量装置还包括示波器，示波器用于显示光学谐振腔3输出的透射光光强随时间变化的波形，根据光学谐振腔3输出的透射光光强随时间变化的波形调节时序信号，以保证脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配。

在本实施例中，通过设置示波器实时显示光学谐振腔3输出的透射光光强随时间变化的波形，可根据示波器显示的波形实时调节时序信号，保证脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配。

根据本公开可选的一些实施例，例如，在1s的时间里，脉冲等离子体出现的时间为20μs，而脉冲激光进入谐振腔后的衰荡时间为100μs，因此需保证脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配，保证脉冲等离子体出现的时间范围正好处在测量衰荡时间的范围内，增大光学谐振腔3内激光与样品(即脉冲等离子体)相互作用的有效长度，提高时间分辨光谱的探测灵敏度。

根据本公开的一些实施例，脉冲激光与脉冲等离子体时序匹配是指控制时序信号，以使得脉冲等离子体存在的时间范围正好处在测量衰荡时间τ的位置处，增大光学谐振腔3内脉冲等离子体的吸收程，即谐振腔内激光与样品相互作用的有效长度，提高时间分辨光谱的探测灵敏度。

根据本公开的一些实施例，时序信号为双脉冲信号，脉冲激光为双脉冲激光，双脉冲激光包括：第一脉冲激光以及第二脉冲激光，第一脉冲激光在光学谐振腔3内来回反射，部分第一脉冲激光与脉冲等离子体发生相互作用，获得第一衰荡时间τ₁；第二脉冲激光，在移除脉冲等离子体源33的光学谐振腔3内来回反射，获得第二衰荡时间τ₂；根据第一衰荡时间τ₁、第二衰荡时间τ₂和光学谐振腔3的腔长获得待检测脉冲等离子源33的光吸收率。

在本实施例中，通过将时序信号设置为双脉冲，进而产生双脉冲激光，分别在第一脉冲激光与第二脉冲激光有无待测脉冲等离子体源33的情况下获得第一衰荡时间τ₁和第二衰荡时间τ₂。

图3示意性示出了根据本公开实施例的时间分辨腔衰荡光谱测量装置在有待测脉冲等离子源33情况下双脉冲激光在光学谐振腔3内的衰荡曲线图。

如图3所示，图3中横坐标为一次数据采集中记录的时间，单位为μs，纵坐标为光电探测及数据采集模块5记录的经光学谐振腔3透射激光的出射光强，图3中阴影区域表示脉冲等离子体存在的时间。图3中a区域为双脉冲激光中的第一脉冲激光在光学谐振腔3内的光强衰减曲线，对图3中a区域进行指数拟合获得第一衰荡时间τ₁；图3中b区域为第二脉冲激光在光学谐振腔3内的光强衰减曲线，对图3中b区域进行指数拟合获得第二衰荡时间τ₂。通过图3可以看出，脉冲等离子存在的时间范围落入到测量第一衰荡时间τ₁的范围内，验证了脉冲激光与脉冲等离子体的时序匹配。在有待测脉冲等离子体源33的情况下，部分脉冲激光被待测脉冲等离子体源33吸收，其衰荡时间较无待测脉冲等离子体源33时小，即第一衰荡时间τ₁小于第二衰荡时间τ₂。

根据本公开的一些实施例，由第一脉冲延迟发生器61和第二脉冲延迟发生器62产生一个双脉冲时序信号，半导体光学放大器21根据双脉冲时序信号将连续波激光脉冲化为双脉冲激光，控制第一脉冲激光在光学谐振腔3内来回反射时与待测脉冲等离子体源33的时序匹配，第一脉冲激光在光学谐振腔3内与待测脉冲等离子体源33存在相互作用，获得第一衰荡时间τ₁；移除待测脉冲等离子体源33，第二脉冲激光在光学谐振腔3内来回反射，获得第二衰荡时间τ₂。

根据本公开的一些实施例，根据第一衰荡时间τ₁、第二衰荡时间τ₂和光学谐振腔3的腔长，获得待检测脉冲等离子源33的光吸收率Abs.，可表示为公式(2)：

其中，Abs.为待测脉冲等离子源33的光吸收率，是一个无量纲的物理量，α为待测脉冲等离子体源33的吸收系数，d为待测脉冲等离子体源33单次吸收程，L为光学谐振腔3中两片高反射镜32之间的距离，c为光速，τ₁为第一衰荡时间、τ₂为第二衰荡时间。

根据本公开可选的一些实施例，在中心波长附近且无待测脉冲等离子体源33的条件下，脉冲激光在光学谐振腔3内的衰荡时间为80μs。

根据本公开的一些实施例，根据待测脉冲等离子体源33的光吸收率Abs.以及波长计24获得的激光波长，获得待测脉冲等离子体源33的吸收光谱信息。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，激光光源模块1包括可调谐半导体激光器11，可调谐半导体激光器11被构造成根据调节可调谐半导体激光器11的谐振腔长度改变连续波激光的波长。

在本实施例中，通过设置可调谐半导体激光器11，连续波激光的波长可通过调节可调谐半导体激光器11的谐振腔长度来改变，从而实现激光波长的连续调谐。

根据本公开的一些实施例，可调谐半导体激光器11为外腔式可调谐半导体激光器、超稳窄线宽可调谐激光器以及大范围可调谐分布反馈式激光器中的任一种。

根据本公开可选的一些实施例，可调谐半导体激光器11为Littman/Metcalf型外腔式可调谐半导体激光器。

根据本公开可选的一些实施例，如图2所示，可调谐半导体激光器11包括：半导体增益芯片及控制器111，反射式衍射光栅112以及激光器反射镜113。

在本实施例中，半导体增益芯片及控制器111适用于增大激光的光信号，提高传输光信号的稳定性；反射式衍射光栅112适用于对半导体增益芯片发出的光进行分光，光栅一阶衍射光在谐振腔内振荡放大，零阶衍射输出激光；激光器反射镜113用于反射经反射式衍射光栅112分出的一阶衍射光。

根据本公开的一些实施例，通过细调反射式衍射光栅112和激光器反射镜113的俯仰角，可实现单频激光的输出。通过调节激光器反射镜113位置即Littman/Metcalf型外腔式可调谐半导体激光器的腔长以实现激光波长的连续调谐。

在本实施例中，在激光波长1060nm附近，Littman/Metcalf型外腔式可调谐半导体激光器的总腔长为15cm。

根据本公开的一些实施例，激光器反射镜113的形状为方形、圆形中的任一种。

根据本公开可替换的一些实施例，在半导体增益芯片及控制器111高增益的波长区域，反射式衍射光栅112替换为刻线光栅；在半导体增益芯片及控制器111低增益的波长区域，反射式衍射光栅112替换为全息光栅，以实现更长的连续单纵模扫描范围。

在本实施例中，刻线光栅为光栅效率较低的，闪耀波长为400nm，刻线密度为1200g/mm的刻线光栅，全息光栅为可见全息光栅，刻线密度为1200g/mm，光栅效率较高，降低激光强度的损失。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，激光光源模块1还包括信号发生器16，信号发生器16适用于产生调制波形信号，信号发生器16根据调制波形信号调节激光的线宽，以降低脉冲激光在光学谐振腔3内的腔模式噪声。

在本实施例中，通过设置信号发生器16，产生能够调节激光线宽的调制波形信号，以降低脉冲激光在光学谐振腔3内的腔模式噪声，即降低光学谐振腔3输出的透射光光强的起伏变化。

根据本公开的一些实施例，腔模式噪声是指当连续波窄线宽激光入射光学谐振腔3时，激光会在谐振腔内来回反射，往返光束会在腔内相互重合从而引起激光的干涉效应，造成出射光强的起伏。

根据本公开的一些实施例，腔模式噪声的降低，会实现近乎连续的激光输出，使得光学谐振腔3输出的透射光的光强起伏变化较小，提高激光的出射光强以及稳定性，增大待测脉冲等离子源对脉冲激光的吸收，提高光谱测量的分辨率。

根据本公开的一些实施例，信号发生器16可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲波、白噪声等波形调制信号，同时可以对波形调制信号的频率、振幅等进行实时调节。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，激光光源模块1还包括：光学隔离器12、光纤端口耦合器13、激光器电源14以及直流偏置(Bias-T)电路15。

根据本公开的一些实施例，光学隔离器12限制激光仅能在某个方向通过，阻止激光背向反射进入可调谐半导体激光器11，以避免高强度的背向反射光造成整个装置不稳定，避免损伤光学器件；光纤端口耦合器13适用于将自由空间的激光耦合至光纤中进行传输；激光器电源14适用于向可调谐半导体激光放大器11提供电流及温度控制；直流偏置(Bias-T)电路15，适用于在信号发生器16产生的波形调制信号基础上添加直流偏置信号，对其他信号和元件不产生影响。

根据本公开可选的一些实施例，信号发生器16产生射频(RF)高斯白噪声波形调制信号，实现对激光器电源14产生电流的高频调制，调节激光的线宽的大小。

在本实施例中，通过调节波形调制信号的振幅调节激光线宽的展宽大小，波形调制信号的振幅越大，激光线宽越大；反之，波形调制信号的振幅越小，激光线宽越小。

根据本公开可选的一些实施例，激光线宽小于1MHz。

根据本公开的一些实施例，激光的连续单模扫描范围大于10cm^-1，输出功率大于100mW，波长调谐范围为980nm-1550nm，例如，调谐后的波长包括：980nm、1000nm、1150nm、1300nm、1450nm、1550nm。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，光学谐振腔3包括：真空实验腔体31以及两片高反射镜32，两片高反射镜32，平行地设置于真空实验腔体31的两端，两片高反射镜32适用于实现脉冲激光的来回反射。

在本实施例中，通过设置光学谐振腔3，使得脉冲激光在光学谐振腔3内来回反射，保证待测脉冲等离子体对脉冲激光的吸收，提高信号探测的灵敏度。

根据本公开的一些实施例，两片高反射镜32包括第一高反射镜321以及第二高反射镜322，光学谐振腔3可实现微弱信号的探测，提高了信号探测的灵敏度。

根据本公开的一些实施例，真空实验腔体31通过一个涡轮分子泵和一个机械泵持续工作来维持，机械泵的主要作用是为涡轮分子泵的启动提供必要的前级真空，即维持涡轮分子泵的前级压力低于其临界值。

在本实施例中，可选的，涡轮分子泵的转速为(1200L/s)，机械泵的气体流速为28m³/h，光学谐振腔3的真空度小于0.1Pa。

根据本公开的一些实施例，脉冲等离子体源33设置在真空实验腔体31内，脉冲等离子体源33适用于产生脉冲等离子体。

在本实施例中，脉冲等离子体源33通过一个脉冲阀产生高分子数密度的气体束流，在脉冲阀出口处通过高压放电诱导气体击穿形成脉冲等离子体，产生的脉冲等离子体飞行至谐振腔内被探测。

根据本公开的一些实施例，两片高反射镜32的镜片直径的范围为0.5-5inch，中心波长处反射率大于99.9％，两片高反射镜32之间的距离小于1m。

根据本公开可选的一些实施例，第一高反射镜321和第二高反射镜322的镜片规格相同，两片高反射镜32的镜片直径均为0.5inch，中心波长处反射率99.9％，两片高反射镜32之间的距离L为68cm。

在本实施例中，由于两片高反射镜32之间的距离以及镜片尺寸限制，导致脉冲激光离轴入射至光学谐振腔3内的角度最大为0.6°。

根据本公开的一些实施例，如图2所示，时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括聚焦透镜51，聚焦透镜51设置在光学谐振腔3与光电探测器52之间，适用于收束聚焦光学谐振腔3输出的透射光，以保证脉冲激光尽可能被光电探测器52收集。

在本实施例中，通过设置聚焦透镜51，对光学谐振腔3输出的透射光进行收束聚焦，保证脉冲激光尽可能被光电探测器52收集。

根据本公开的一些实施例，如图1和图2所示，光电探测及数据采集模块5包括：聚焦透镜51、光电探测器52、电脑53以及示波器。

根据本公开的一些实施例，光电探测器52适用于收集经聚焦透镜51聚焦的激光，通过内置电路将接收到的光信号转化为电信号进行探测；电脑53适用于通过自编的Labview程序对接收到的电信号进行指数拟合，并获得脉冲激光在光学谐振腔3内的衰荡时间τ；电脑53之前还设置有示波器，示波器适用于接收光电探测器52传输的电信号，将电信号传输至电脑53。

根据本公开可选的一些实施例，光电探测器52可为InGaAs光电探测器。

图4示意性示出了时间分辨腔衰荡光谱测量装置的待测脉冲等离子源33的吸收光谱测量部分模块的时序图。

根据本公开可选的一些实施例，待测脉冲等离子体源33为C₂自由基分子，所用的样品气为1.0％C₂H₂/Ar混合气，C₂自由基分子由脉冲射流放电技术制备，进行吸收光谱测量实验并记录不同时刻激光波长以及衰荡时间τ等重要信息。如图4所示，展示了各模块的时序控制图：脉冲等离子源33时序图、光学开关模块2时序图和电脑53及示波器时序图，其中Δt表示光学开关模块2与脉冲等离子体源33之间的时间差。通过控制时序信号中Δt的值，以使得脉冲等离子体存在的时间范围正好处在测量衰荡时间τ的位置处，增大光学谐振腔3内脉冲等离子体的吸收程，即谐振腔内激光与样品相互作用的有效长度，提高时间分辨光谱的探测灵敏度。

图5示意性示出了时间分辨腔衰荡光谱测量装置的待测脉冲等离子源33的吸收光谱测量图。

如图5所示，图5中横坐标为波长计24获得的激光波长，单位为nm，纵坐标为待测样品的光吸收率Abs.。图5中记录了C₂自由基分子的电子振动带的部分跃迁光谱(R(2)和R(3)对应¹³C¹³C自由基，q(9)对应¹²C¹³C自由基)。

图5中的插入图表示图5中虚线框部分的放大图，如图5插图所示，本公开可以完成对于脉冲等离子体源33中的痕量自由基¹²C¹³C和¹³C¹³C自由基的探测，并提高了探测的灵敏度。通过对光谱基线进行分析，获得其探测限(即能够测得待测脉冲等离子源33最小信号测量值的量)为0.5×10^-6，可以实现脉冲等离子体源33的有效探测。通过对实测光谱谱线的高斯线型拟合，可以得到谱线的半高全宽与脉冲射流体系中的多普勒展宽相近，说明本公开可以满足对于脉冲等离子源33的时间分辨光谱探测，并提高了时间分辨光谱的分辨率。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种时间分辨腔衰荡光谱测量装置，包括：

激光光源模块，适用于产生连续波激光；

第一脉冲延迟发生器，适用于提供外部调制信号的时间零点；

第二脉冲延迟发生器，适用于根据所述时间零点对所述外部调制信号的脉冲宽度和延迟进行调节，并获得时序信号；

半导体光学放大器，适用于利用所述时序信号对所述激光进行脉冲化得到脉冲激光；

波长计，适用于获得所述脉冲激光的波长；

光学谐振腔，适用于接收待检测脉冲等离子源产生的脉冲等离子体，其中，所述脉冲激光在所述光学谐振腔内多次反射以提高所述脉冲等离子体对所述脉冲激光的吸收，以及

光电探测器，适用于接收所述光学谐振腔出射的光信号，并将所述光信号转换为电信号，获得所述脉冲激光在所述光学谐振腔内的衰荡时间；

其中，所述脉冲激光与所述脉冲等离子体时序匹配，利用所述脉冲激光的波长和所述衰荡时间，获得所述脉冲等离子体的吸收光谱。

2.根据权利要求1所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括离轴及再入射模块，所述离轴及再入射模块包括：

第一反射镜，设置在所述光学谐振腔之前，所述第一反射镜用于将所述脉冲激光离轴入射至所述光学谐振腔内；以及

带孔反射镜，设置在所述第一反射镜和所述光学谐振腔之间，所述带孔反射镜适用于将所述光学谐振腔反射回来的脉冲激光再次反射注入所述光学谐振腔内；

其中，利用所述第一反射镜与所述带孔反射镜，将所述脉冲激光与所述光学谐振腔反射回来的脉冲激光注入至所述光学谐振腔内。

3.根据权利要求1所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括：

示波器，用于显示所述光学谐振腔输出的透射光光强随时间变化的波形；

其中，根据所述光学谐振腔输出的透射光光强随时间变化的波形调节所述时序信号，以保证所述脉冲激光与所述脉冲等离子体时序匹配。

4.根据权利要求1所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，所述时序信号为双脉冲信号，所述脉冲激光为双脉冲激光，所述双脉冲激光包括：

第一脉冲激光，在所述光学谐振腔内来回反射，部分第一脉冲激光与所述脉冲等离子体发生相互作用，获得第一衰荡时间，以及

第二脉冲激光，在移除所述脉冲等离子体源的所述光学谐振腔内来回反射，获得第二衰荡时间；

其中，根据所述第一衰荡时间、所述第二衰荡时间和所述光学谐振腔的腔长获得待检测脉冲等离子源的光吸收率。

5.根据权利要求1所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，所述激光光源模块包括：

可调谐半导体激光器，被构造成根据调节所述可调谐半导体激光器的谐振腔长度改变所述连续波激光的波长。

6.根据权利要求5所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，所述激光光源模块1还包括：

信号发生器，适用于产生调制波形信号，所述信号发生器根据所述调制波形信号调节所述激光的线宽，以降低所述脉冲激光在所述光学谐振腔内的腔模式噪声。

7.根据权利要求6所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，所述激光的连续单模扫描范围大于10cm^-1，输出功率大于100mW，波长调谐范围为980nm-1550nm。

8.根据权利要求7所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，所述光学谐振腔包括：

真空实验腔体；

两片高反射镜，平行地设置于所述真空实验腔体的两端，两片所述高反射镜适用于实现所述脉冲激光的来回反射。

9.根据权利要求8所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，其中，所述两片高反射镜的镜片直径的范围为0.5-5inch，中心波长处反射率大于99.9％，所述两片高反射镜之间的距离小于1m。

10.根据权利要求9所述的时间分辨腔衰荡光谱测量装置，还包括：

聚焦透镜，设置在所述光学谐振腔与所述光电探测器之间，适用于收束聚焦所述光学谐振腔输出的透射光，以保证所述脉冲激光尽可能被所述光电探测器收集。