中红外光的全谱测量方法和相应的装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种中红外光的全谱测量方法，包括如下步骤：步骤一：使中红外光与泵浦光同时投射到至少两个上转换晶体上发生和频，将所述中红外光上转换为可见光，其中，所述至少两个上转换晶体的上转换波段的总和覆盖所述中红外光的全谱；步骤二：对转换后的可见光进行探测；以及步骤三：基于所述可见光的探测结果得到所述中红外光的全谱。本发明专利技术的中红外光的全谱测量方法分辨率高、信噪比高、读取速度快、灵敏度高并且成本低。

Full Spectrum Measurement of Mid-Infrared Light and Corresponding Devices

The invention provides a full spectrum measurement method for mid-infrared light, which includes the following steps: first, the sum frequency of mid-infrared light and pump light is simultaneously projected onto at least two up-conversion crystals, and the mid-infrared light is up-converted into visible light, in which the sum of the up-conversion bands of at least two up-conversion crystals covers the full spectrum of mid-infrared light; Then, the visible light is detected; and step 3: Based on the detection results of the visible light, the full spectrum of the mid-infrared light is obtained. The full spectrum measurement method of the middle infrared light of the invention has high resolution, high signal-to-noise ratio, fast reading speed, high sensitivity and low cost.

【技术实现步骤摘要】
中红外光的全谱测量方法和相应的装置
本专利技术属于光探测领域，尤其涉及一种中红外光的全谱测量方法和相应的装置。
技术介绍
通过红外特征吸收峰鉴别物质的种类是物理、化学、生物和医药领域中非常重要的分析手段，其原理是通过红外光谱的振动峰反映物质的化学成分构成。红外光谱的探测方法主要是采用红外探测器。目前，红外探测器根据探测机理主要分为热探测器和光子探测器两大类，其中，光子探测器由于其灵敏度高、响应时间短而在光谱测量中得到比较广泛的应用，而商业化的高灵敏度光子探测器主要有致冷型的光子单元探测器和焦平面阵列探测器两类。在运用光子单元探测器测量光谱时，主要通过光谱仪转动光栅而对光谱的不同成分进行扫描，依次得到不同频率的光强，尽管此方法可以得到关于频率和光强的光谱曲线，但是由于测量过程中需要光栅的机械转动，耗费时间比较长，并且测到的信号抖动性很大，造成所测光谱的信噪比较低。另外，例如由多个像素点组成的碲镉汞(MCT)焦平面阵列探测器能够快速地对中红外光谱进行一次性全谱测量，但是为了降低探测器材料的暗电流效应，探测器需要在77K的低温下运行，并且每一个像素点都要连接相应的信号放大设备对信号进行放大，从而使得这种中红外多通道探测器体积庞大并且价格昂贵(大于80万人民币)。当前的碲镉汞(MCT)阵列探测器像素点数目较低，并且各像素点的成像质量不均匀，这限制了信号的分辨率。同时MCT阵列探测器像素点数目少，导致单次摄谱范围较窄，对于宽带光谱的探测需要多个窗口拼接，从而使得其实际应用受到很大限制。因此，有必要开发一种高分辨率、高信噪比、高读取速率、低成本的中红外光全谱探测技术。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种中红外光的全谱测量方法，包括如下步骤：步骤一：使中红外光与泵浦光同时投射到至少两个上转换晶体上发生和频，将所述中红外光上转换为可见光，其中，所述至少两个上转换晶体的上转换波段的总和覆盖所述中红外光的全谱；步骤二：对转换后的可见光进行探测；以及步骤三：基于所述可见光的探测结果得到所述中红外光的全谱。根据本专利技术的中红外光的全谱测量方法，优选地，所述中红外光的全谱波段为3μm～10μm。根据本专利技术的中红外光的全谱测量方法，优选地，所述至少两个上转换晶体中的一个为MgO:LiNbO3晶体，另一个为AgGaGeS4晶体。根据本专利技术的中红外光的全谱测量方法，优选地，在步骤二中，采用线阵CMOS探测器对转换后的可见光进行探测。根据本专利技术的中红外光的全谱测量方法，优选地，所述步骤二包括如下子步骤：2-1：将所述可见光进行分光；以及2-2：分光后的可见光通过所述线阵CMOS探测器，从而得到可见光的光强Isignal随像素点P的变化关系。根据本专利技术的中红外光的全谱测量方法，优选地，所述步骤三包括如下子步骤：3-1：利用中红外光的频率窗口中的至少两个特征吸收标准样拟合中红外光的波长λMIR与像素点P的函数关系；3-2：根据可见光的光强Isignal随像素点P的变化关系以及中红外光的波长λMIR与像素点P的函数关系得到中红外光的光强IMIR与中红外光的波长λMIR的关系。根据本专利技术的中红外光的全谱测量方法，优选地，所述函数关系为线性函数关系或二次函数关系。本专利技术还提供了一种中红外光的全谱测量装置，包括：上转换部件，其包括至少两个上转换晶体，所述至少两个上转换晶体的上转换波段的总和覆盖中红外光的全谱，其中，中红外光与泵浦光同时投射到所述至少两个上转换晶体上发生和频，将所述中红外光上转换为可见光；可见光探测部件，其包括光谱仪和可见光探测器，其中，所述可见光探测器包括可见光探测模块和转换模块，所述可见光探测模块用于探测被所述光谱仪分束的可见光，所述转换模块用于将所述可见光探测模块的输出转化为中红外光的光谱。根据本专利技术的中红外光的全谱测量装置，优选地，所述可见光探测模块的输出为可见光的光强Isignal随像素点P的变化关系。根据本专利技术的中红外光的全谱测量装置，优选地，所述转换模块还包括拟合模块，用于拟合中红外光的波长与像素点的函数关系。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：利用可见光探测器对中红外光谱进行全谱测量，分辨率高、信噪比高、读取速度快、灵敏度高并且成本低。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中：图1为根据本专利技术实施例的实现中红外光的全谱测量的光路示意图；图2为根据本专利技术的上转换原理示意图；图3为利用特征吸收的标准样进行频率定标的原理图；图4示出根据本专利技术通过可见光探测器得到的中红外光谱与单通道扫描得到的中红外光谱的对比图；图5为六羰基钨在环戊烷溶液中的时间分辨中红外光谱；以及图6A和图6B分别为利用单通道中红外探测和利用本专利技术的可见多通道探测得到的叠氮化钠的二维红外光谱。具体实施方式为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参见图1详细说明本专利技术的中红外光的全谱测量方法，图1为根据本专利技术实施例的实现中红外光的全谱测量的光路示意图。一、获取中红外光和泵浦光参见图1，飞秒激光器系统1产生的中心波长为800nm激光脉冲被反射镜M1反射后入射至分束片BS1，分束片BS1将光分为透射的用于产生泵浦光的第一激光束B1和反射的用于产生中红外光的第二激光束B2。在该实施例中，分束片的透射率为70％。第一激光束B1经过反射镜M2入射至固定在电动平移台上的中空反射镜Rf1，以此来调整光程，目的是为了使最终获得的泵浦光和中红外光同步到达上转换晶体。中空反射镜Rf1的出射光依次经过反射镜M3、M4，然后入射至以一定俯角放置的1800g/mm光栅G1，被光栅散射后不同的频率成分经过焦距为500nm的球面镜CM1汇聚在其焦平面上。在焦平面上放置一宽度可调狭缝，用于获得半高宽0.2nm(对应上转换分辨率3cm-1)的极限窄带泵浦光，通过调节狭缝，可以改变泵浦光的中心波长和带宽。另外，为节约空间和加强系统的稳定性，在焦平面处的狭缝后面放置一反射镜M5，使反射光按与原光路竖直方向成一定夹角的方式返回并最终以展宽的方式到达上转换晶体。具体地，极限窄带泵浦光被反射镜M5反射回球面镜，然后到达衍射光栅，被衍射光栅反射后依次通过反射镜M6、透镜L1，然后通过半透半反分束片BS2分束后分别到达上转换晶体C1和C2。同样参见图1，前面通过分束片BS1获得的第二激光束B2经反射镜M7导入光参量放大器2，根据需要产生中心波长可调的中红外光谱(约300cm-1带宽)，不同中心波长的中红外光谱叠加得到中红外光的全谱，或者直接经过空气打丝过程，产生宽带中红外光谱(3μm～10μm)。二、利用中红外光和泵浦光的和频，将中红外光上转换为可见光。具体地，继续参见图1，中红外光依次经过反射镜M8和聚焦透镜L2(CaF2，焦距＝200mm)到达半透半反分束片BS3分为两束，一束依次通过反射镜M9和半透半反分束片BS2到达上转换晶体C1(MgO：LiNbO3)，另一束依次通过反射镜M11、M12和镀800nm高反膜的氟化钙片M13到达上转换晶体C2(AgGaGeS4)。分别到达上转换晶体C1和C2上中红外光和泵浦光发生和频。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中红外光的全谱测量方法，包括如下步骤：步骤一：使中红外光与泵浦光同时投射到至少两个上转换晶体上发生和频，将所述中红外光上转换为可见光，其中，所述至少两个上转换晶体的上转换波段的总和覆盖所述中红外光的全谱；步骤二：对转换后的可见光进行探测；以及步骤三：基于所述可见光的探测结果得到所述中红外光的全谱。

【技术特征摘要】
1.一种中红外光的全谱测量方法，包括如下步骤：步骤一：使中红外光与泵浦光同时投射到至少两个上转换晶体上发生和频，将所述中红外光上转换为可见光，其中，所述至少两个上转换晶体的上转换波段的总和覆盖所述中红外光的全谱；步骤二：对转换后的可见光进行探测；以及步骤三：基于所述可见光的探测结果得到所述中红外光的全谱。2.根据权利要求1所述的中红外光的全谱测量方法，其中，所述中红外光的全谱波段为3μm～10μm。3.根据权利要求1所述的中红外光的全谱测量方法，其中，所述至少两个上转换晶体中的一个为MgO:LiNbO3晶体，另一个为AgGaGeS4晶体。4.根据权利要求3所述的中红外光的全谱测量方法，其中，在步骤二中，采用线阵CMOS探测器对转换后的可见光进行探测。5.根据权利要求4所述的中红外光的全谱测量方法，其中，所述步骤二包括如下子步骤：2-1：将所述可见光进行分光；以及2-2：分光后的可见光通过所述线阵CMOS探测器，从而得到可见光的光强Isignal随像素点P的变化关系。6.根据权利要求5所述的中红外光的全谱测量方法，其中，所述步骤三包括如下子步骤：3-1：利用中红外光的频率窗口中的至少两个特征吸收...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳，朱江瑞，李刚，李运良，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11