一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法技术

本发明专利技术提供了一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法，其包括如下步骤：利用非线性异步迭代频移的方式，获得两组重复频率有差异的中红外光学频率序列；将两组所述中红外光学频率序列在一个探测器上进行光外差拍频探测，输出的信号经过傅里叶变换后呈现出待测样品的吸收光谱信息。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术的优点是基于声光调制器的异步迭代频移可以直接形成相干性好的多纵模的光束，不需采用复杂的锁模激光器结构，即可获得具有光频梳特性的光源系统。同时，本发明专利技术可以在红外波段实现高速的光谱测量。由于这里光谱测量的分辨率为fAOM，而fAOM通常为100～200MHz在之间，因此，本发明专利技术可以保证多普勒极限下的高分辨红外光谱测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法
本专利技术涉及激光光谱
，具体涉及的是高分辨红外光谱测量与光外差检测技术。
技术介绍
红外高分辨光谱测量技术是光谱学以及分子原子物理学、化学的基础手段，在气体检测、环境监测、遥感等领域有着重要的应用价值。例如，在气体光谱检测中，气体的多普勒加宽为数百兆赫兹(MHz)量级(即皮米量级，pm)；大气压下的分子碰撞线型加宽至千兆赫量级。因此，要实现对气相分子光谱的解析，光谱分辨率需小于分子吸收峰线宽(一般在皮米/百兆赫兹量级)。这就对一般的红外光谱系统分辨能力提出了挑战。目前实现高分辨光谱测量的技术主要有以下几种。1)基于调谐连续激光器的频率扫描吸收光谱技术(即TDLAS)。该技术通过调谐激光器的波长(或频率)，逐次逐点测量分子在不同波长的吸收情况。其测量精度高、分辨率高，但是测量速度极慢，并且不能同时获取宽带光谱范围内的分子吸收峰信息。2)基于迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱技术(即FTIS)。该技术可以同时获取宽带光谱信息，但是该技术的分辨率受限于干涉仪的移动臂长和仪器的空间物理尺寸，一般分辨率在数百皮米量级；并且其动镜的扫描时间较长，存在着系统引入的仪器线型对分子吸收谱线的扭曲等问题。3)基于光学频率梳的双光梳光谱技术(DCS)。该技术利用两台重复频率不等的光学频率梳(光梳)，分别作为探测光和参考光。探测光与待测样品分子相互作用后，其光场受到吸收分子的调制。调制的探测光与参考光在高速探测器通过光外差过程产生干涉图样的电学信号。该电学信号经过傅里叶变化后，便可揭示分子的吸收光谱信息。该技术具有可以同时获取分子宽带光谱信息，无需机械扫描、快速成谱(毫秒量级)，分辨率和测量光谱精度高等特点。其中，该技术的分辨率取决于光梳的重复频率(通常在皮米量级以内)。但是该技术对复杂光源系统，即光频梳系统，依赖较大，并且对两个光源的相对相干性要求极高，因此会导致测量系统庞大、造价高的问题。综上所述，虽然高分辨光谱测量的实现方案很多，但是在测量速度、分辨率、系统复杂度上都或多或少地存在着技术不足和缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种基于异步迭代频移技术的高分辨红外激光光谱测量方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一方面，本专利技术提供了一种红外高分辨光谱测量装置，其包括中红外连续激光器、检测模块、参比模块、光电探测器和数据采集卡，所述检测模块和参比模块并联于中红外连续激光器和光电探测器之间，所述数据采集卡与光电探测器电连接或通讯连接；所述检测模块和参比模块中均包括分束器和合束器，且检测模块和参比模块共用分束器和合束器，所述分束器与中红外连续激光器光路连接，所述合束器与光电探测器光路连接，所述检测模块还包括沿光路方向依次设置的双色镜、高反镜、耦合输入镜、耦合输出腔镜和气体样品池，所述耦合输入镜与分束镜光路连接，所述气体样品池与合束镜光路连接，所述参比模块还包括光路方向依次设置的双色镜、高反镜、耦合输入镜和耦合输出腔镜，所述耦合输入镜与分束镜光路连接，所述耦合输出腔镜与合束器光路连接。作为优选方案，所述双色镜和高反镜之间设有非线性晶体，所述耦合输入镜和耦合输出腔镜之间设有红外声光调制器。作为优选方案，所述耦合输出腔镜为1％的耦合输出腔镜。另一方面，本专利技术提供了一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法，其包括如下步骤：利用非线性异步迭代频移的方式，获得两组重复频率有差异的中红外光学频率序列；将两组所述中红外光学频率序列在一个探测器上进行光外差拍频探测，输出的信号经过傅里叶变换后呈现出待测样品的吸收光谱信息。作为优选方案，所述非线性异步迭代频移是将一个红外连续激光作为种子光注入一个同时具有非线性红外光学增益效应和频率偏移效益的光学谐振腔内；所述种子光通过N次腔内振荡，将产生含有N+1个偏移频率量的纵模序列。作为优选方案，所述红外连续激光的频率为fcw。作为优选方案，所述非线性光学增益效应是指基于非线性光参量放大方式在谐振腔内对频移后的红外光信号进行光学功率放大；所述光学频率偏移效应是指在腔内放置一个调制频率为fAOM的红外声光调制器，对注入腔内的种子光产生声光频移效应，获得频率为fcw+fAOM或fcw-fAOM的输出光，且该输出光在谐振腔内循环振荡。作为优选方案，所述的光外差相干探测技术，是将经过样品后的探测光与参考光在红外光电探测器上产生拍频干涉图样的电信号；该电信号经过傅里叶变换后，可获得相应吸收光谱。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术的优点是基于声光调制器的异步迭代频移可以直接形成相干性好的多纵模的光束，不需采用复杂的锁模激光器结构，即可获得具有光频梳特性的光源系统。同时，本专利技术可以在红外波段实现高速的光谱测量。由于这里光谱测量的分辨率为fAOM，而fAOM通常为100～200MHz在之间，因此，本专利技术可以保证多普勒极限下的高分辨红外光谱测量。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为迭代频移光学频率梳工作框架图；图2为迭代频移光学频率梳原理图；图3为基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法原理图；图4为本专利技术的红外高分辨光谱测量装置的结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图4所示，本专利技术提供的一种红外高分辨光谱测量装置，其包括中红外连续激光器1、检测模块、参比模块、光电探测器10和数据采集卡11，检测模块和参比模块并联于中红外连续激光器1和光电探测器10之间，数据采集卡11与光电探测器10电连接或通讯连接；检测模块和参比模块中均包括分束器21和合束器22，且检测模块和参比模块共用分束器21和合束器22，分束器21与中红外连续激光器1光路连接，合束器22与光电探测器10光路连接，检测模块还包括沿光路方向依次设置的双色镜6、高反镜7、耦合输入镜3、耦合输出腔镜4和气体样品池9，耦合输入镜3与分束镜21光路连接，气体样品池9与合束镜22光路连接，参比模块还包括光路方向依次设置的双色镜6、高反镜7、耦合输入镜3和耦合输出腔镜5，耦合输入镜3与分束镜21光路连接，耦合输出腔镜5与合束器22光路连接。作为优选方案，双色镜6和高反镜7之间设有非线性晶体8，耦合输入镜3和耦合输出腔镜5之间设有红外声光调制器4。作为优选方案，耦合输出腔镜5为1％的耦合输出腔镜。本实施例所涉及的具体技术如下所述：首先是非线性红外异步迭代频移技术。如图1所示，一个红外连续激光(种子光)耦合进入一个带有增益和声光调制器(AOM)的环形腔。腔的输出光具有频率为fcw、fcw+1fAOM，fcw+2fAOM，…，fcw+NfAOM的多纵模特性。其中N为种子光在腔内的振荡次数，由腔内的增益与总损耗共同决定。图2解释了腔内光频率迭代的过程。一个频率为fcw的光，进过AOM后，产生频率为fcw和fcw+1fAOM的光，即完成一次迭代。其中新产生的光的1％由耦合输出腔镜输出。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外高分辨光谱测量装置，其特征在于，包括中红外连续激光器、检测模块、参比模块、光电探测器和数据采集卡，所述检测模块和参比模块并联于中红外连续激光器和光电探测器之间，所述数据采集卡与光电探测器电连接或通讯连接；所述检测模块和参比模块中均包括分束器和合束器，且检测模块和参比模块共用分束器和合束器，所述分束器与中红外连续激光器光路连接，所述合束器与光电探测器光路连接，所述检测模块还包括沿光路方向依次设置的双色镜、高反镜、耦合输入镜、耦合输出腔镜和气体样品池，所述耦合输入镜与分束镜光路连接，所述气体样品池与合束镜光路连接，所述参比模块还包括光路方向依次设置的双色镜、高反镜、耦合输入镜和耦合输出腔镜，所述耦合输入镜与分束镜光路连接，所述耦合输出腔镜与合束器光路连接。

【技术特征摘要】
1.一种红外高分辨光谱测量装置，其特征在于，包括中红外连续激光器、检测模块、参比模块、光电探测器和数据采集卡，所述检测模块和参比模块并联于中红外连续激光器和光电探测器之间，所述数据采集卡与光电探测器电连接或通讯连接；所述检测模块和参比模块中均包括分束器和合束器，且检测模块和参比模块共用分束器和合束器，所述分束器与中红外连续激光器光路连接，所述合束器与光电探测器光路连接，所述检测模块还包括沿光路方向依次设置的双色镜、高反镜、耦合输入镜、耦合输出腔镜和气体样品池，所述耦合输入镜与分束镜光路连接，所述气体样品池与合束镜光路连接，所述参比模块还包括光路方向依次设置的双色镜、高反镜、耦合输入镜和耦合输出腔镜，所述耦合输入镜与分束镜光路连接，所述耦合输出腔镜与合束器光路连接。2.如权利要求1所述的红外高分辨光谱测量装置，其特征在于，所述双色镜和高反镜之间设有非线性晶体，所述耦合输入镜和耦合输出腔镜之间设有红外声光调制器。3.如权利要求1或2所述的红外高分辨光谱测量装置，其特征在于，所述耦合输出腔镜为1％的耦合输出腔镜。4.一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法，其特征在于，包括如下步骤：利用非线性异步迭代频移的方式，获得两组重复频率有差异的中红外光学频率序列；将两...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，闫明，任心怡，
申请(专利权)人：上海朗研光电科技有限公司，华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31