CN212207093U - 一种双频梳产生装置及具有其的气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光谱分析检测技术领域，具体涉及一种双频梳产生装置及具有其的气体检测系统。一种双频梳产生装置，包括：光源模块；光分路器，将传输至此的所述光源模块提供的光源分为两束后，分别输入至第一波导和第二波导中；第一谐振环和第二谐振环，分别靠近所述第一波导和第二波导的输入端设置，用于分别接收所述光分路器输出的两束光源；加热结构，靠近所述第一谐振环设置，用于对耦合进入所述第一谐振环中的光源进行加热；第一波导的输出端和第二波导的输出端，用于分别输出所述第一谐振环中加热后的第一光频梳和所述第二谐振环中的第二光频梳。本实用新型提供了一种拍频可调，使用范围广的双频梳产生装置及具有其的气体检测系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱分析检测技术领域，具体涉及一种双频梳产生装置及具有其的气体检测系统。
背景技术
光谱学作为一种重要的学科技术，已广泛运用在农业、化工、军工等重要国民领域之中。由于光子与物质之间发生的相互作用，处于基态的原子或分子吸收某一特定波长的光跃迁到激发态并形成吸收光谱，由于吸收光谱包含了物质所携带的特有信息，分析这些信息可以实现对物质种类的检测。此外，在分子指纹区的红外光谱范围内吸收峰特性强，对一些分子结构变化敏感，而指纹区又落于中红外波段范围内，如H2O、HCN、CH4、SO2、HCl、CH2O、HBr、CO2、N2O、H2O、NO等典型气体在3－5μm的中红外波段均具有很强的吸收峰，因此中红外光谱分析技术在研究分析一些特定气体成分方面具有重要的应用价值。
但是，传统的中红外光谱仪不仅体积大，而且精度低、反应慢，随着科技的不断发展，尤其是在危险痕量气体检测等方面的强烈需求，传统中红外光谱仪及中红外光谱分析技术需要加以改进。光频梳是具有等距时间间隔的光脉冲，由于这个特性，光频梳在光谱分析领域成为一个强有力的工具，而国内在使用光频梳进行光谱测量的技术并不多，且对于在同一台设备上如何实现更广范围的光谱测量目前还没有相关的具体方法。
实用新型内容
因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的双光频梳产生的拍频不可调，使用范围受限的缺陷，从而提供一种拍频可调，使用范围广的双频梳产生装置及具有其的气体检测系统。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种双频梳产生装置，包括：
光源模块；
光分路器，将传输至此的所述光源模块提供的光源分为两束后，分别输入至第一波导和第二波导中；
第一谐振环和第二谐振环，分别靠近所述第一波导和第二波导的输入端设置，用于分别接收所述光分路器输出的两束光源；
加热结构，靠近所述第一谐振环设置，用于对耦合进入所述第一谐振环中的光源进行加热；
第一波导的输出端和第二波导的输出端，用于分别输出所述第一谐振环中加热后的第一光频梳和所述第二谐振环中的第二光频梳。
所述的双频梳产生装置，所述加热结构为设置在所述第一谐振环上方或下方的环形加热器。
所述的双频梳产生装置，还包括与所述环形加热器相连的电压线。
所述的双频梳产生装置，所述电压线的输入电压为0－30V。
所述的双频梳产生装置，所述双频梳产生装置集成于硅基芯片上。
还提供了一种双频梳产生方法，包括以下步骤：
光源经分束后分别进入第一谐振环和第二谐振环进行谐振，其中，进入所述第一谐振环中的部分光源被加热后输出，进入所述第二谐振环中的另一部分光源直接输出。
还提供了一种气体检测系统，包括所述的双频梳产生装置，还包括与所述双频梳产生装置连接的外接光源和拍频产生装置、与所述拍频产生装置连接的气体采样模块和检测信号光电探测器、以及同时与所述气体采样模块和所述检测信号光电探测器连接的信号处理模块。
所述的气体检测系统，所述外接光源为扫频窄线宽光源。
所述的气体检测系统，所述气体采样模块包括气体腔室、分设于所述气体腔室的进口端及出口端的两组平面镜，和设于所述气体腔室的出口端的样品光电探测器，两组所述平面镜相互平行且倾斜设置。
所述的气体检测系统，所述平面镜的两面分别镀有高透膜与半反膜。
所述的气体检测系统，所述拍频产生装置包括两组并列设置的扩束透镜和准直透镜、分别与两组所述准直透镜连接的第一反射镜和光学分束镜，以及设于所述光学分束镜输出端的第二反射镜，所述第二光频梳穿过一组扩束透镜和准直透镜后经所述第一反射镜进入所述光学分束镜中，与穿过另一组扩束透镜和准直透镜的所述第一光频梳在所述光学分束镜中合频后分别传输至气体采样模块与所述检测信号光电探测器。
本实用新型技术方案，具有如下优点：
1.本实用新型提供的双频梳产生装置，通过对耦合进入第一谐振环中的光源进行加热，获得频率发生一定变化的第一光频梳，第一光频梳与同一光源输出的第二光频梳合频，从而实现了通过调整加热温度即可调整第一光频梳的频率，进而合频后产生不同的拍频，实现了更广的光谱测量范围。
2.本实用新型提供的双频梳产生装置，环形加热器使得加热更加均匀，光源输出更加稳定。
3.本实用新型提供的双频梳产生装置，电压线的输入电压为0－30V，实现了将双频梳产生的拍频由光学波段调谐至微波波段，使其适用于中红外光谱分析。
4.本实用新型提供的双频梳产生装置集成于硅基芯片上，在实际制作中易于大规模生产，具有体积小、灵活性高的优点。
5.本实用新型提供的气体检测系统，由于热光效应两个谐振环产生的光频梳存在微小频率差，该微小频率差使两光频梳产生的拍频能够从光学波段调谐至微波波段，从而广泛运用于微量气体检测的中红外光谱测量分析，且适用范围广。
6.本实用新型提供的气体检测系统，两组平面镜相互平行且倾斜设置，使得检测光信号进入气体腔室后，能够与样品气体充分接触，保证检测结果的准确性。
7.本实用新型提供的气体检测系统，平面镜两面分别镀有高透膜与半反膜，使得检测光信号在气体腔室内不断反射与气体充分接触，增强包含气体信息的出射光强度，提高了检测的精度和灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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的附图。
图1为本实用新型提供的双频梳产生装置的示意图；
图2为本实用新型提供的气体检测系统的示意图。
附图标记说明：
1、硅基芯片；2、光源模块；3、光分路器；4、第一谐振环；5、第二谐振环；6、第一波导；7、第二波导；8、加热结构；9、第一光频梳；10、第二光频梳；11、电压线；12、检测信号光电探测器；13、信号处理模块；14、扩束透镜；15、准直透镜；16、第一反射镜；17、光学分束镜；18、第二反射镜；19、气体腔室；20、平面镜；21、样品光电探测器；22、高透膜；23、半反膜；24、样品气体分子；25、外接光源；26、电压控制器。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示的双频梳产生装置的一种具体实施方式，所述双频梳产生装置集成于硅基芯片1上，包括沿光源传输方向依次设置的光源模块2、光分路器3、两路波导和分设于两路波导输入端的第一谐振环4和第二谐振环5。
光源模块2为设于硅基芯片1一端的片上光源，包括一个激光光源输入模块，激光光源输入模块将外接光源25输入的扫频窄线宽光源通过激光光源输入模块耦合至芯片内产生芯片输入光源，该扫频窄线宽光源的工作波长范围为0.3－3μm，能实现窄线宽、宽光谱范围的光源。光分路器3将传输至此的所述光源模块提供的光源分为两束，分别输入至第一波导6和第二波导7中。第一波导6中的光源耦合进入第一谐振环4中，经靠近第一谐振环4设置的加热结构8加热后从第一波导6的输出端输出第一光频梳9。第二波导7中的光源耦合进入第二谐振环5中，从第二波导7的输出端输出第二光频梳10。工作时，由于片上光学器件的热光效应，被加热的第一谐振环4的光学性质发生变化，使其产生的第一光频梳9与未加热的第二谐振环5产生的第二光频梳10具有一定的微小频率差。
具体的，所述加热结构8为设置在所述第一谐振环4上方的环形加热器，所述环形加热器一侧连接电压线11，电压线11与电压控制器26连接，电压控制器26控制所述电压线11的输入电压为0－30V。
硅基芯片1可使用硅、二氧化硅、氮化硅和铌酸锂薄膜等。
外接光源25与硅基芯片1的耦合方式包括但不仅限于使用光纤与光栅耦合器、端面耦合器进行耦合的方式。
作为替代，环形加热器还可设置在第一谐振环4的下方。
如图2所示的气体检测系统的一种具体实施方式，可用于痕量气体的检测，包括所述的双频梳产生装置，还包括与所述双频梳产生装置连接的外接光源25和拍频产生装置、与所述拍频产生装置连接的气体采样模块和检测信号光电探测器12、以及同时与所述气体采样模块和所述检测信号光电探测器12连接的信号处理模块13。拍频产生装置用于将第一光频梳9和第二光频梳10合频后产生拍频，气体采样模块用于采集待测气体样本，样品光电探测器21用于对拍频信号通过待检测样品后的光信号进行采集，信号处理模块13用于对检测信号光电探测器12和样品光电探测器21输出的信号进行分析、处理。
所述拍频产生装置包括两组并列设置的扩束透镜14和准直透镜15、分别与两组所述准直透镜15连接的第一反射镜16和光学分束镜17，以及设于所述光学分束镜17输出端的第二反射镜18。第一反射镜16和光学分束镜17相连，光学分束镜17还与检测信号光电探测器12相连。
所述气体采样模块包括气体腔室19、分设于所述气体腔室19的进口端及出口端的两组平面镜20，和设于所述气体腔室的出口端的样品光电探测器21，两组所述平面镜20相互平行且倾斜设置，且所述平面镜20的两面分别镀有高透膜22与半反膜23。
高透膜22以氟化镁、二氧化钛、硫化锌和硒化锌中的任意一种为具有高透膜器件的介质层，根据频率梳的工作波长和产生拍频的波长选择合适的介质膜厚度，使用物理气相沉积法(真空蒸镀)或化学气相沉积法将高透膜均匀的沉积在光学镜片表面。
半反膜23以铝膜为半反膜光学元器件的介质层，根据频率梳的工作波长和产生拍频的波长选择合适的介质膜厚度，使用物理气相沉积法(真空蒸镀)或化学气相沉积法将半反膜均匀的沉积在光学镜片表面。
气体检测的具体方法为：
外接光源25输入的扫频窄线宽光源耦合至硅基芯片1内的光源模块2中产生芯片输入光源，该芯片输入光源经光分路器3分为两束后分别传输至第一波导6和第二波导7中，第一波导6和第二波导7中的光源经耦合分别进入第一谐振环4和第二谐振环5中，调节第一谐振环4上方的环形加热器的输入电压，使得从第一波导6中输出的第一光频梳9的频率与从第二波导7中输出的第二光频梳10的频率具有一定的差别。第一光频梳9和第二光频梳10分别依次穿过相应的扩束透镜14和准直透镜15，所述第二光频梳10穿过一组扩束透镜14和准直透镜15后经所述第一反射镜16进入所述光学分束镜17中，与穿过另一组扩束透镜14和准直透镜15的所述第一光频梳9在所述光学分束镜17中合频，合频产生的拍频检测信号经光学分束镜17作用，一束传输至所述检测信号光电探测器12，另一束经第二反射镜18传输至气体腔室19。传输至气体腔室19的光信号在镀有高透膜22和半反膜23的两组平面镜20作用下，以一个略微倾斜的角度不断反射，并与样品气体分子24充分接触后输出至样品光电探测器21。样品光电探测器21和检测信号光电探测器12的探测信号均传输至信号处理模块13进行傅里叶变换，得到样本对应频域光谱，并获得关于样本气体的种类及摩尔浓度等信息，实现气体的光谱检测。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种双频梳产生装置，其特征在于，包括：
光源模块(2)；
光分路器(3)，将传输至此的所述光源模块提供的光源分为两束后，分别输入至第一波导(6)和第二波导(7)中；
第一谐振环(4)和第二谐振环(5)，分别靠近所述第一波导(6)和第二波导(7)的输入端设置，用于分别接收所述光分路器(3)输出的两束光源；
加热结构(8)，靠近所述第一谐振环(4)设置，用于对耦合进入所述第一谐振环(4)中的光源进行加热；
第一波导(6)的输出端和第二波导(7)的输出端，用于分别输出所述第一谐振环(4)中加热后的第一光频梳(9)和所述第二谐振环(5)中的第二光频梳(10)。
2.根据权利要求1所述的双频梳产生装置，其特征在于，所述加热结构(8)为设置在所述第一谐振环(4)上方或下方的环形加热器。
3.根据权利要求2所述的双频梳产生装置，其特征在于，还包括与所述环形加热器相连的电压线(11)。
4.根据权利要求3所述的双频梳产生装置，其特征在于，所述电压线(11)的输入电压为0－30V。
5.根据权利要求1－4任一项所述的双频梳产生装置，其特征在于，所述双频梳产生装置集成于硅基芯片(1)上。
6.一种气体检测系统，其特征在于，包括权利要求1－5任一项所述的双频梳产生装置，还包括与所述双频梳产生装置连接的外接光源和拍频产生装置、与所述拍频产生装置连接的气体采样模块和检测信号光电探测器(12)、以及同时与所述气体采样模块和所述检测信号光电探测器(12)连接的信号处理模块(13)。
7.根据权利要求6所述的气体检测系统，其特征在于，所述外接光源为扫频窄线宽光源。
8.根据权利要求6所述的气体检测系统，其特征在于，所述气体采样模块包括气体腔室(19)、分设于所述气体腔室(19)的进口端及出口端的两组平面镜(20)，和设于所述气体腔室(19)的出口端的样品光电探测器(21)，两组所述平面镜(20)相互平行且倾斜设置。
9.根据权利要求8所述的气体检测系统，其特征在于，所述平面镜(20)的两面分别镀有高透膜(22)与半反膜(23)。
10.根据权利要求6-9任一项所述的气体检测系统，其特征在于，所述拍频产生装置包括两组并列设置的扩束透镜(14)和准直透镜(15)、分别与两组所述准直透镜(15)连接的第一反射镜(16)和光学分束镜(17)，以及设于所述光学分束镜(17)输出端的第二反射镜(18)，所述第二光频梳(10)穿过一组扩束透镜(14)和准直透镜(15)后经所述第一反射镜(16)进入所述光学分束镜(17)中，与穿过另一组扩束透镜(14)和准直透镜(15)的所述第一光频梳(9)在所述光学分束镜(17)中合频后分别传输至气体采样模块与所述检测信号光电探测器(12)。
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|---|---|---|---|
| CN202020321718.1U CN212207093U (zh) | 2020-03-13 | 2020-03-13 | 一种双频梳产生装置及具有其的气体检测系统 |
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| CN202020321718.1U CN212207093U (zh) | 2020-03-13 | 2020-03-13 | 一种双频梳产生装置及具有其的气体检测系统 |
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| CN212207093U true CN212207093U (zh) | 2020-12-22 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112751251A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-04 | 南京南辉智能光学感控研究院有限公司 | 一种双光学频率梳产生系统及产生方法 |
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2020
- 2020-03-13 CN CN202020321718.1U patent/CN212207093U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN112751251A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-04 | 南京南辉智能光学感控研究院有限公司 | 一种双光学频率梳产生系统及产生方法 |
| CN112751251B (zh) * | 2020-12-29 | 2022-07-29 | 南京南辉智能光学感控研究院有限公司 | 一种双光学频率梳产生系统及产生方法 |
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