CN215339483U - 气体分子吸收信号增强系统 - Google Patents

Abstract

本公开公开一种气体分子吸收信号增强系统。该气体分子吸收信号增强系统包括双光梳模块、合束模块、光学干涉仪模块、平衡探测器以及数据采集处理模块，光学干涉仪模块包括光学干涉仪，双光梳模块包括两台锁定在预定重复频率差和载波包络相位偏移频率的光学频率梳；合束模块，被配置为将两台光学频率梳输出的两束飞秒脉冲进行合束后进入光学干涉仪；平衡探测器，被配置为接收光学干涉仪输出的干涉信号，进行拍频探测；数据采集处理模块，被配置为对拍频后的射频信号做傅里叶变换以恢复光谱，以增强气体分子吸收信号。本公开基于双光梳光谱系统增强气体分子吸收信号，获得的光谱只存在分子吸收谱线，无多余的原光谱成分，具有极高的探测灵敏度。

Description

气体分子吸收信号增强系统

技术领域

本公开涉及超快激光技术领域，特别涉及一种气体分子吸收信号增强系统。

背景技术

光学频率梳是一种由成千上万根等间隔、窄线宽的梳齿构成的宽光谱光源。在时域上，光梳光源出射一系列固定重复频率、载波包络相位渐增的脉冲链。当光梳的重复频率和载波包络相位都较好的稳定在一种绝对频率参考上时，如原子钟、窄线宽激光器等，它的光谱就可以在测量光频区域时成为极其精确的标尺。至今，光梳光源已被应用到广泛的科学问题，如原子、离子跃迁的高分辨频率测量来回答相关的物理基本问题，搜寻太阳系外行星的微小多普勒位移和阿秒物理等应用领域。

光学频率梳最活跃的领域之一是宽带分子光谱探测，具有宽光谱特性的光梳光源为测量复杂分子指纹谱提供了高分辨率和高灵敏的工具。光梳光源最初被作为分析化学领域中迈克尔逊结构傅里叶变换光谱仪来替代传统宽带、非相干光源，在该方法中光梳产生的脉冲链入射至两路干涉臂，其中一路放置了机械扫描的移动镜，合束后的光梳再同时入射至样品池中进行采样。当机械臂扫描时，一系列拍频信号可以由单个探测器来记录，拍频信号的傅里叶变换结果即是高分辨率的光梳光谱图像。然而，该种结构的光谱仪因扫描镜位移速度的限制，扫描时间最高为赫兹量级，大大降低了光谱测量速度。

发明内容

相关技术双光梳光谱技术采用两台具有一定重复频率差的光梳光源替代上述的扫描机械臂，不仅继承了传统宽带光谱仪的优势，而且将测量速率提高至千赫兹量级，从而实现高速高分辨高精度的宽带光谱测量技术。

相关技术在使用双光梳光谱技术对开放式环境和化学反应进行光谱测量时，由于背景强度噪声的存在，高灵敏快速采集是一项十分有意义的研究热点。通常，研究人员会采用腔增强技术、长空芯光纤等方式提高样品采集的灵敏度，但往往这些技术系统复杂，需要精确控制谐振腔内的镜片角度、反射率，光路的调整精度和稳定度也要满足较高要求，同时空芯光纤也需要特殊设计，单一成本较高。相关技术高成本高要求的条件都为双光梳光谱精密测量技术的应用领域推广造成了巨大的限制作用。

鉴于以上技术问题，本公开提供了一种气体分子吸收信号增强系统，获得的光谱只存在分子吸收谱线，无多余的原光谱成分，具有极高的探测灵敏度。

根据本公开的一个方面，提供一种气体分子吸收信号增强系统，包括双光梳模块、合束模块、光学干涉仪模块、平衡探测器以及数据采集处理模块，光学干涉仪模块包括光学干涉仪，双光梳模块包括两台锁定在预定重复频率差和载波包络相位偏移频率的光学频率梳，其中：

合束模块，被配置为将两台光学频率梳输出的两束飞秒脉冲进行合束后进入光学干涉仪；

平衡探测器，被配置为接收光学干涉仪输出的干涉信号，进行拍频探测；

数据采集处理模块，被配置为对拍频后的射频信号做傅里叶变换以恢复光谱，以增强气体分子吸收信号。

在本公开的一些实施例中，光学干涉仪模块还包括光强控制设备和设置在光学干涉仪内的移动镜，其中：

平衡探测器，被配置为接收光学干涉仪输出的第一路干涉信号，进行拍频探测；

光强控制设备，被配置为接收光学干涉仪输出的第二路干涉信号，反馈控制移动镜使光学干涉仪的输出信号保持光强稳定。

在本公开的一些实施例中，光学干涉仪包括第一偏振无关分束镜、气体吸收池、光程补偿镜、第二反射镜、第二偏振无关分束镜和第三反射镜，其中：

第一偏振无关分束镜，被配置为将合束后的双光梳光源分成两路等光强的光束，第一光路通过气体吸收池再经移动镜从原第一光路返回，第二光路通过光程补偿镜和第二反射镜同样从原第二光路返回，其中，第一光路和第二光路的光程相同；

第二偏振无关分束镜，被配置为将光学干涉仪光路输出的干涉条纹分成两路，第一路干涉条纹通过第三反射镜输出到平衡探测器，第二路干涉条纹作为光强控制设备的输入信号。

在本公开的一些实施例中，光学干涉仪包括第一偏振无关分束镜、气体吸收池、光程补偿镜、第二反射镜、第二偏振无关分束镜和第三反射镜，其中：

第一偏振无关分束镜，被配置为将合束后的双光梳光源分成两路等光强的光束，第三光路通过气体吸收池再经移动镜反射至第二偏振无关分束镜，第四光路通过第二反射镜13使该反射光路与第三光路平行，再经过光程补偿镜后，到达第二偏振无关分束镜，产生干涉光斑；

第二偏振无关分束镜，被配置为将光学干涉仪光路输出的干涉条纹分成两路，第一路干涉条纹通过第三反射镜输出到平衡探测器，第二路干涉条纹作为光强控制设备的输入信号。

在本公开的一些实施例中，光学干涉仪包括第一光纤准直器、第一光纤耦合器、第二光纤准直器、气体吸收池、第三光纤准直器、第二光纤耦合器和第四光纤准直器，其中：

第一光纤准直器，被配置为对合束后的双光梳光源进行收光，使光梳光源在光纤中传输；

第一光纤耦合器与第二光纤准直器熔接，第一光纤耦合器输出两路光纤；

第一光纤耦合器输出的第一路光纤中的光源分别通过第二光纤准直器、气体吸收池、第三光纤准直器，再与第二光纤耦合器熔接；第一光纤耦合器输出的第二路光纤直接与第二光纤耦合器熔接，其中，第一路光纤的光程与第二路光纤的光程相同；

第三光纤准直器，被配置为通过调整第三光纤准直器的位置，使得在第四光纤准直器输出端观察到干涉最弱条纹；

平衡探测器，被配置为接收光学干涉仪输出的干涉信号，进行拍频探测。

在本公开的一些实施例中，光强控制设备包括光电探测器、第一低通滤波器和单片机，光学干涉仪包括移动镜，其中：

光电探测器，被配置为采集光学干涉仪输出的干涉信号；

第一低通滤波器，被配置为去除光电探测器采集的电信号中光学频率梳的重复频率和高次谐波；

单片机，被配置为根据第一低通滤波器的输出信号获得光强值，输出反馈信号，控制光学干涉仪内的移动镜的位移，使得光学干涉仪的输出光强保持在最小值。

在本公开的一些实施例中，数据采集处理模块包括第二低通滤波器、数据采集卡和计算机，其中：

第二低通滤波器，被配置为对平衡探测器输出的拍频信号进行滤波处理；

数据采集卡，被配置为采集第二低通滤波器滤波后的拍频信号；

计算机，被配置为对数据采集卡采集的拍频信号做数据处理和快速傅里叶变换，以实现气体分子吸收信号的增强。

在本公开的一些实施例中，双光梳模块包括参考光源光学频率梳、信号光源光学频率梳和外界标准参考装置，其中：

参考光源光学频率梳、信号光源光学频率梳的重复频率和载波包络相位偏移频率通过反馈元件同时锁定在外界标准参考装置上。

在本公开的一些实施例中，合束模块包括第一二分之一波片、第二二分之一波片、第一反射镜和偏振分束棱镜，其中：

第一二分之一波片，被配置为通过调节第一二分之一波片，将参考光源光学频率梳出射的参考光，全部透射到偏振分束棱镜；

第二二分之一波片，被配置为通过调节第二二分之一波片，将信号光源光学频率梳出射的信号光经第一反射镜反射后，全部反射通过偏振分束棱镜；

第一反射镜和偏振分束棱镜，被配置为通过调节第一反射镜和偏振分束棱镜，使双光梳光斑空间重合。

在本公开的一些实施例中，所述光学干涉仪为迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、光纤型干涉仪中的任一种。

在本公开的一些实施例中，所述移动镜为压电陶瓷装载的反射镜或电动平移台上装载的反射镜。

本公开气体分子吸收信号增强系统，基于双光梳光谱系统增强气体分子吸收信号，获得的光谱只存在分子吸收谱线，无多余的原光谱成分，具有极高的探测灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开气体分子吸收信号增强系统一些实施例的示意图。

图2为本公开气体分子吸收信号增强系统另一些实施例的示意图。

图3为本公开气体分子吸收信号增强系统又一些实施例的示意图。

图4为本公开气体分子吸收信号增强系统又一些实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

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讨论。

图1为本公开气体分子吸收信号增强系统一些实施例的示意图。如图1所示，本公开气体分子吸收信号增强系统可以包括双光梳模块1、合束模块2、光学干涉仪模块3、平衡探测器4以及数据采集处理模块5，光学干涉仪模块3包括光学干涉仪，其中：

双光梳模块1包括两台锁定在预定重复频率差和载波包络相位偏移频率的光学频率梳。

在本公开的一些实施例中，所述两台光学频率梳可以具有相同的光谱范围，所述光谱范围可以在中红外、近红外、可见光和紫外波段内。

合束模块2，被配置为将两台光学频率梳输出的两束飞秒脉冲进行合束后进入光学干涉仪模块3中的光学干涉仪。

在本公开的一些实施例中，所述光学干涉仪可以为迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、光纤型干涉仪等干涉仪中的任一种。

平衡探测器4，被配置为接收光学干涉仪输出的干涉信号，进行拍频探测。

数据采集处理模块5，被配置为对拍频后的射频信号做傅里叶变换以恢复光谱，以增强气体分子吸收信号。

在本公开的一些实施例中，如图1所示，双光梳模块1可以包括参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7和外界标准参考装置26，其中：

参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7的重复频率和载波包络相位偏移频率通过反馈元件同时锁定在外界标准参考装置26上。

在本公开的一些实施例中，参考光源光学频率梳6的第n根梳齿频率为fcomb1＝n×frep+fceo；信号光源光学频率梳7的第n根梳齿频率为fcomb2＝n×(frep+Δfrep)+f’ceo，其中：frep为参考光源光学频率梳6输出的飞秒脉冲的重复频率；Δfrep为两台所述光学频率梳之间的重复频率差；fceo为参考光源光学频率梳6的载波包络相位偏移频率；f’ceo为信号光源光学频率梳7的载波包络相位偏移频率。

在本公开的一些实施例中，所述平衡探测器收集所述光学干涉仪输出的干涉光，所述干涉光在所述平衡探测器中拍频后从光频区域下转换至射频区域，得到间隔为Δfrep的光谱信息，Δfrep为两台所述光学频率梳之间的重复频率差。

在本公开的一些实施例中，所述光学频率梳的重复频率的锁定方式为将所述光电探测器探测到的重复频率与射频参考信号混频后得到误差信号，由伺服系统控制所述光学频率梳的第一反馈元件对所述误差信号进行锁定。

在本公开的一些实施例中，所述第一反馈元件可以为压电陶瓷和电光调制晶体中等元件的一种。

在本公开的一些实施例中，所述光学频率梳的载波包络相位偏移频率的锁定方式为通过采用自参考拍频探测技术探测所述载波包络相位偏移频率，再通过第二反馈元件调节泵浦能量来实现载波包络相位偏移频率的锁定。

在本公开的一些实施例中，所述第二反馈元件可以为泵浦电流调制器、声光调制器、电光调制器、光光调制器和石墨烯等元件中的一种。

在本公开的一些实施例中，光学干涉仪模块3还可以包括光学干涉仪和光强控制设备，光学干涉仪包括移动镜，其中：

平衡探测器4，被配置为接收光学干涉仪输出的第一路干涉信号，进行拍频探测，所述拍频信号经过低通滤波后接入数据采集卡，对所述拍频信号作傅里叶变换以恢复光谱。

光强控制设备，被配置为接收光学干涉仪输出的第二路干涉信号，反馈控制移动镜使光学干涉仪的输出信号保持光强稳定。

在本公开的一些实施例中，所述移动镜可以为压电陶瓷装载的反射镜或电动平移台上装载的反射镜。

本公开上述实施例气体分子吸收信号增强系统可以基于双光梳光谱系统增强气体分子吸收信号，本公开上述实施例采用两台锁定在一定重复频率差且载波包络相位稳定的光学频率梳输出两束飞秒脉冲，两束飞秒脉冲合束后进入一台光学干涉仪，其输出的干涉信号一部分用于反馈控制光学干涉仪内的移动镜使输出信号保持光强稳定，另一部分干涉信号被平衡探测器接收进行拍频探测，拍频后的射频信号做傅里叶变换以恢复光谱，恢复的光谱不再包含原光谱信息，只余留气体分子吸收谱线，从而实现增强气体分子吸收信号的目的。

图2为本公开气体分子吸收信号增强系统另一些实施例的示意图。如图2所示，图1实施例的双光梳模块1可以包括参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7和外界标准参考装置26，其中：

参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7的重复频率和载波包络相位偏移频率通过反馈元件同时锁定在外界标准参考装置26上。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，图1实施例的合束模块2可以包括第一二分之一波片8、第二二分之一波片9、第一反射镜10和偏振分束棱镜33，其中：

第一二分之一波片8，被配置为通过调节第一二分之一波片8，将参考光源光学频率梳6出射的参考光，全部透射到偏振分束棱镜33。

第二二分之一波片9，被配置为通过调节第二二分之一波片9，将信号光源光学频率梳7出射的信号光经第一反射镜10反射后，全部反射通过偏振分束棱镜33。

第一反射镜10和偏振分束棱镜33，被配置为通过调节第一反射镜10和偏振分束棱镜33，使双光梳光斑空间重合。

在本公开的一些实施例中，图1实施例的光学干涉仪模块3可以包括光学干涉仪(光学干涉仪光路)和光强控制设备(光强控制电路)，其中：

在本公开的一些实施例中，如图2所示，光学干涉仪光路可以为迈克尔逊干涉光路。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，光学干涉仪包括第一偏振无关分束镜11、气体吸收池14、移动镜15、光程补偿镜12、第二反射镜13、第二偏振无关分束镜16和第三反射镜21，其中：

第一偏振无关分束镜11，被配置为将合束后的双光梳光源分成两路等光强的光束，第一光路通过气体吸收池14再经移动镜15从原第一光路返回，第二光路通过光程补偿镜12和第二反射镜13同样从原第二光路返回，其中，第一光路和第二光路的光程相同。

在本公开的一些实施例中，第一偏振无关分束镜11的分光比为5:5。

在本公开的一些实施例中，在保证两路光程大致相同的情况下，干涉光路的输出光斑可以明显观察到干涉条纹，微调光路使该干涉条纹调整至干涉最弱。

第二偏振无关分束镜16，被配置为将光学干涉仪光路输出的干涉条纹分成两路，第一路干涉条纹通过第三反射镜21输出到平衡探测器22，由平衡探测器22采集两台光学频率梳的拍频信号；第二路干涉条纹作为光强控制设备的输入信号。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，光强控制设备包括光电探测器17、第一低通滤波器18、单片机19和放大器20，其中：

光电探测器17，被配置为采集光学干涉仪输出的第二路干涉信号。

第一低通滤波器18，被配置为去除光电探测器17采集的电信号中光学频率梳的重复频率和高次谐波。

单片机19，被配置为根据第一低通滤波器18的输出信号获得数字化的光强值，根据预定算法确定反馈信号，输出反馈信号，经放大器20放大后，控制光学干涉仪内的移动镜15的位移，使得光学干涉仪的输出光强保持在最小值，使干涉条纹一直保持在干涉最弱处。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，图1实施例的数据采集处理模块5可以包括第二低通滤波器23、数据采集卡24和计算机25，其中：

第二低通滤波器23，被配置为对平衡探测器输出的拍频信号进行滤波处理。

数据采集卡24，被配置为采集第二低通滤波器23滤波后的拍频信号。

在本公开的一些实施例中，双光梳光谱测量系统数据采集卡24的采样率需大于参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7的重复频率，避免拍频信号采集失真；光谱采样范围需小于

避免混叠。

计算机25，被配置为对数据采集卡24采集的拍频信号做数据处理和快速傅里叶变换，以实现气体分子吸收信号的增强。

在本公开的一些实施例中，如图2所示的干涉仪采用迈克尔逊干涉仪结构，因为空气抖动、温度变化和外界振动等原因会导致输出的干涉条纹变化，从而造成采集的拍频信号抖动较大。为防止上述抖动，本公开上述实施例需要在光路中加入移动镜使光学干涉仪输出干涉条纹稳定，保证后续拍频信号采集信噪比不被破坏。

本公开上述实施例获得的光谱只存在分子吸收谱线，无多余的原光谱成分，具有极高的探测灵敏度，为将来实现量子极限探测提供了一种可行思路。

本公开上述实施例当入射至探测器的光强过高或数据采集卡的电信号强度较高时，信号超过动态范围会产生相应的噪声，从而影响光谱的信噪比。本公开上述实施例在经过光学干涉抑制后，大大减少了入射光功率，使得所需动态范围很低。

图3为本公开气体分子吸收信号增强系统又一些实施例的示意图。如图3所示，图1实施例的双光梳模块1可以包括参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7和外界标准参考装置26，其中：

参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7的重复频率和载波包络相位偏移频率通过反馈元件同时锁定在外界标准参考装置26上。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，图1实施例的合束模块2可以包括第一二分之一波片8、第二二分之一波片9、第一反射镜10和偏振分束棱镜33，其中：

第一二分之一波片8，被配置为通过调节第一二分之一波片8，将参考光源光学频率梳6出射的参考光，全部透射到偏振分束棱镜33。

第二二分之一波片9，被配置为通过调节第二二分之一波片9，将信号光源光学频率梳7出射的信号光经第一反射镜10反射后，全部反射通过偏振分束棱镜33。

第一反射镜10和偏振分束棱镜33，被配置为通过调节第一反射镜10和偏振分束棱镜33，使双光梳光斑空间重合。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，合束后的双光梳光源入射至光学干涉仪中。图1实施例的光学干涉仪模块3可以由光学干涉仪(光学干涉仪光路)和光强控制设备(光强控制电路)组成。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，光学干涉仪光路可以为马赫-曾德耳干涉光路。

在本公开的一些实施例中，光学干涉仪包括第一偏振无关分束镜11、气体吸收池14、光程补偿镜12、第二反射镜13、第二偏振无关分束镜16和第三反射镜21，其中：

第一偏振无关分束镜11，被配置为将合束后的双光梳光源分成两路等光强的光束，第三光路通过气体吸收池14再经移动镜15反射至第二偏振无关分束镜16，第四光路通过第二反射镜13使该反射光路与第三光路平行，再经过光程补偿镜12后，到达第二偏振无关分束镜16，产生干涉光斑。

在本公开的一些实施例中，第一偏振无关分束镜11的分光比为5:5。

在本公开的一些实施例中，粗调光路使两路平行光束光程相同，干涉光路的输出光斑可以明显观察到干涉条纹，微调该干涉条纹调整至干涉最弱。

第二偏振无关分束镜16，被配置为将光学干涉仪光路输出的干涉条纹分成两路，第一路干涉条纹通过第三反射镜21输出到平衡探测器22由平衡探测器22采集两台光学频率梳的拍频信号；第二路干涉条纹作为光强控制设备的输入信号。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，光强控制设备包括光电探测器17、第一低通滤波器18、单片机19和放大器20，其中：

光电探测器17，被配置为采集光学干涉仪输出的第二路干涉信号。

第一低通滤波器18，被配置为去除光电探测器17采集的电信号中光学频率梳的重复频率和高次谐波。

单片机19，被配置为根据第一低通滤波器18的输出信号获得数字化的光强值，根据预定算法确定反馈信号，输出反馈信号，经放大器20放大后，控制光学干涉仪内的移动镜15的位移，使得光学干涉仪的输出光强保持在最小值，使干涉条纹一直保持在干涉最弱处。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，图1实施例的数据采集处理模块5可以包括第二低通滤波器23、数据采集卡24和计算机25，其中：

第二低通滤波器23，被配置为对平衡探测器输出的拍频信号进行滤波处理。

数据采集卡24，被配置为采集第二低通滤波器23滤波后的拍频信号。

计算机25，被配置为对数据采集卡24采集的拍频信号做数据处理和快速傅里叶变换，以实现气体分子吸收信号的增强。

在本公开的一些实施例中，如图3所示的干涉仪采用马赫-曾德耳干涉仪结构，因为空气抖动、温度变化和外界振动等原因会导致输出的干涉条纹变化，从而造成采集的拍频信号抖动较大。本公开上述实施例为防止上述抖动，需要在光路中加入移动镜15使光学干涉仪输出干涉条纹稳定，保证后续拍频信号采集信噪比不被破坏。

本公开上述实施例可以通过在双光梳光谱测量系统的基础上，简单地加入光学干涉仪和光强控制设备即可采集高强度的分子吸收信号，系统简单、成本低、稳定度高。

本公开上述实施例对于双光梳光谱技术无干扰，刷新速度由重复频率差决定可达到kHz量级，光谱宽度取决于光学频率梳光源，一般可达到THz量级，测量精度由梳齿宽度决定，一般为kHz量级，保留了双光梳光谱测量技术的优势。

本公开上述实施例的器件选择只与光学频率梳光源相关，对中红外、近红外、可见光或紫外波段的光源只需更换对应波段器件即可工作。

图4为本公开气体分子吸收信号增强系统又一些实施例的示意图。如图4所示，图1实施例的双光梳模块1可以包括参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7和外界标准参考装置26，其中：

参考光源光学频率梳6、信号光源光学频率梳7的重复频率和载波包络相位偏移频率通过反馈元件同时锁定在外界标准参考装置26上。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，图1实施例的合束模块2可以包括第一二分之一波片8、第二二分之一波片9、第一反射镜10和偏振分束棱镜33，其中：

第一二分之一波片8，被配置为通过调节第一二分之一波片8，将参考光源光学频率梳6出射的参考光，全部透射到偏振分束棱镜33。

第二二分之一波片9，被配置为通过调节第二二分之一波片9，将信号光源光学频率梳7出射的信号光经第一反射镜10反射后，全部反射通过偏振分束棱镜33。

第一反射镜10和偏振分束棱镜33，被配置为通过调节第一反射镜10和偏振分束棱镜33，使双光梳光斑空间重合。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，光学干涉仪可以包括第一光纤准直器27、第一光纤耦合器28、第二光纤准直器29、气体吸收池14、第三光纤准直器30、第二光纤耦合器31和第四光纤准直器32，其中：

第一光纤准直器27，被配置为对合束后的双光梳光源进行收光，使光梳光源在光纤中传输。

第一光纤耦合器28与第二光纤准直器29熔接，第一光纤耦合器28输出两路光纤。

在本公开的一些实施例中，第一光纤耦合器28的分光比为5:5。

第一光纤耦合器28输出的第一路光纤中的光源分别通过第二光纤准直器29、气体吸收池14、第三光纤准直器30，再与第二光纤耦合器31熔接；第一光纤耦合器28输出的第二路光纤直接与第二光纤耦合器31熔接，其中，第一路光纤的光程与第二路光纤的光程相同。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，所述光学干涉仪可以为光纤型光学干涉仪。

在本公开的一些实施例中，第二光纤耦合器31的分光比为5:5。

第三光纤准直器30，被配置为通过调整第三光纤准直器30的位置，使得在第四光纤准直器32输出端观察到干涉最弱条纹。

在本公开的一些实施例中，第一路光纤的光程与第二路光纤的光程大致相同，再通过微调第三光纤准直器30的位置从而在第四光纤准直器32输出端观察到干涉最弱条纹。

平衡探测器22，被配置为接收光学干涉仪输出的干涉信号，进行拍频探测。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，图1实施例的数据采集处理模块5可以包括第二低通滤波器23、数据采集卡24和计算机25，其中：

第二低通滤波器23，被配置为对平衡探测器输出的拍频信号进行滤波处理。

数据采集卡24，被配置为采集第二低通滤波器23滤波后的拍频信号。

计算机25，被配置为对数据采集卡24采集的拍频信号做数据处理和快速傅里叶变换，以实现气体分子吸收信号的增强。

本公开上述实施例的分子吸收信息通常存在于时域拍频信号的尾部，且幅度远小于原光谱信息表现在时域上的信号幅度。本公开上述实施例中光学干涉抑制使原光谱时域信号消除，只保留了分子吸收信号，这使得同一个探测器在相同信号幅度下可获得高强度的分子吸收信号。

本公开上述实施例采用的光学干涉抑制原理可适用于多种宽带光谱技术，如传统非相干光源的傅里叶光谱仪、基于光学频率梳的傅里叶光谱仪和可调谐单频激光光谱仪等技术，皆可产生高强度的分子吸收信号。

至此，已经详细描述了本公开。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，包括双光梳模块、合束模块、光学干涉仪模块、平衡探测器以及数据采集处理模块，光学干涉仪模块包括光学干涉仪，双光梳模块包括两台锁定在预定重复频率差和载波包络相位偏移频率的光学频率梳，其中：

合束模块，被配置为将两台光学频率梳输出的两束飞秒脉冲进行合束后进入光学干涉仪；

平衡探测器，被配置为接收光学干涉仪输出的干涉信号，进行拍频探测；

数据采集处理模块，被配置为对拍频后的射频信号做傅里叶变换以恢复光谱，以增强气体分子吸收信号。

2.根据权利要求1所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，光学干涉仪模块还包括光强控制设备和设置在光学干涉仪内的移动镜，其中：

平衡探测器，被配置为接收光学干涉仪输出的第一路干涉信号，进行拍频探测；

光强控制设备，被配置为接收光学干涉仪输出的第二路干涉信号，反馈控制移动镜使光学干涉仪的输出信号保持光强稳定。

3.根据权利要求2所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，光学干涉仪包括第一偏振无关分束镜、气体吸收池、光程补偿镜、第二反射镜、第二偏振无关分束镜和第三反射镜，其中：

第一偏振无关分束镜，被配置为将合束后的双光梳光源分成两路等光强的光束，第一光路通过气体吸收池再经移动镜从原第一光路返回，第二光路通过光程补偿镜和第二反射镜同样从原第二光路返回，其中，第一光路和第二光路的光程相同；

第二偏振无关分束镜，被配置为将光学干涉仪光路输出的干涉条纹分成两路，第一路干涉条纹通过第三反射镜输出到平衡探测器，第二路干涉条纹作为光强控制设备的输入信号。

4.根据权利要求2所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，光学干涉仪包括第一偏振无关分束镜、气体吸收池、光程补偿镜、第二反射镜、第二偏振无关分束镜和第三反射镜，其中：

第一偏振无关分束镜，被配置为将合束后的双光梳光源分成两路等光强的光束，其中，第三光路通过气体吸收池再经移动镜反射至第二偏振无关分束镜，第四光路通过第二反射镜13使该反射光路与第三光路平行，再经过光程补偿镜后，到达第二偏振无关分束镜，产生干涉光斑；

第二偏振无关分束镜，被配置为将光学干涉仪光路输出的干涉条纹分成两路，第一路干涉条纹通过第三反射镜输出到平衡探测器，第二路干涉条纹作为光强控制设备的输入信号。

5.根据权利要求1所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，光学干涉仪包括第一光纤准直器、第一光纤耦合器、第二光纤准直器、气体吸收池、第三光纤准直器、第二光纤耦合器和第四光纤准直器，其中：

第一光纤准直器，被配置为对合束后的双光梳光源进行收光，使光梳光源在光纤中传输；

第一光纤耦合器与第二光纤准直器熔接，第一光纤耦合器输出两路光纤；

第一光纤耦合器输出的第一路光纤中的光源分别通过第二光纤准直器、气体吸收池、第三光纤准直器，再与第二光纤耦合器熔接；第一光纤耦合器输出的第二路光纤直接与第二光纤耦合器熔接，其中，第一路光纤的光程与第二路光纤的光程相同；

第三光纤准直器，被配置为通过调整第三光纤准直器的位置，使得在第四光纤准直器输出端观察到干涉最弱条纹；

平衡探测器，被配置为接收光学干涉仪输出的干涉信号，进行拍频探测。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，光强控制设备包括光电探测器、第一低通滤波器和单片机，光学干涉仪包括移动镜，其中：

光电探测器，被配置为采集光学干涉仪输出的干涉信号；

第一低通滤波器，被配置为去除光电探测器采集的电信号中光学频率梳的重复频率和高次谐波；

单片机，被配置为根据第一低通滤波器的输出信号获得光强值，输出反馈信号，控制光学干涉仪内的移动镜的位移，使得光学干涉仪的输出光强保持在最小值。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，数据采集处理模块包括第二低通滤波器、数据采集卡和计算机，其中：

第二低通滤波器，被配置为对平衡探测器输出的拍频信号进行滤波处理；

数据采集卡，被配置为采集第二低通滤波器滤波后的拍频信号；

计算机，被配置为对数据采集卡采集的拍频信号做数据处理和快速傅里叶变换，以实现气体分子吸收信号的增强。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，双光梳模块包括参考光源光学频率梳、信号光源光学频率梳和外界标准参考装置，其中：

参考光源光学频率梳、信号光源光学频率梳的重复频率和载波包络相位偏移频率通过反馈元件同时锁定在外界标准参考装置上。

9.根据权利要求8所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，合束模块包括第一二分之一波片、第二二分之一波片、第一反射镜和偏振分束棱镜，其中：

第一二分之一波片，被配置为通过调节第一二分之一波片，将参考光源光学频率梳出射的参考光，全部透射到偏振分束棱镜；

第二二分之一波片，被配置为通过调节第二二分之一波片，将信号光源光学频率梳出射的信号光经第一反射镜反射后，全部反射通过偏振分束棱镜；

第一反射镜和偏振分束棱镜，被配置为通过调节第一反射镜和偏振分束棱镜，使双光梳光斑空间重合。

10.根据权利要求2-4中任一项所述的气体分子吸收信号增强系统，其特征在于，

所述光学干涉仪为迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、光纤型干涉仪中的任一种；

和/或，

所述移动镜为压电陶瓷装载的反射镜或电动平移台上装载的反射镜。

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