一种基于双光梳系统测定气体流速的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，实施该方法用到的系统包括锁定模块、双光梳系统模块、合束模块、流速探测模块、平衡探测模块以及数字信号采集处理模块；双光梳系统模块将光信号输入锁定模块，以锁定重复频率和载波包络相位；双光梳系统模块输出的光信号通过空间光路或光纤光路进入合束模块，以空间光路形式进入流速探测模块；光信号被平衡探测模块采集转化为电信号，传输给数字信号处理模块，还原光谱信息，测定气体流速。本发明专利技术的优点：该方法测量精度高，可实现近实时光谱检测，具有实用性，可在测量气体流动速度的同时分析气体组分，具备更宽的流速测量范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双光梳系统测定气体流速的方法
本专利技术属于超快光学
，具体涉及一种基于双光梳系统测定气体流速的方法。
技术介绍
自激光器专利技术以来，一直以高相干性、高强度、方向性好著称。初始，科学家们利用激光的方向性测定实际物体反射延时，确定不同时刻物体相对于激光源的位置，获取物体平均速度信息。激光的高相干性启发着人们：基于多普勒频移效应测定物体速度。激光相干多普勒测速技术通过测定连续激光的多普勒频移，由多普勒频移公式，可获得目标物体运动信息，激光相干多普勒测速具有相当广泛的应用。然而，该技术对移动粒子的速度测量局限为高速粒子，测量误差在几十米每秒已经可以算作高精度了。相较于目前距离测定精度已经达到纳米量级来说，测速精度是远远不够的。同时，上述技术常使用相干连续激光器作为光源，光谱范围极窄，需要多次测量平均以减小误差，测量周期较长，无法实现瞬时速度的测量。光学频率梳作为一种基于超快脉冲激光技术的新兴测量工具，近几年正飞速发展，并衍生了诸如光学频率钟、光梳光谱学等技术。其中，双光梳光谱学技术以光谱范围宽、分辨率高、灵敏度高等优势，在气体吸收光谱方面有着广泛的应用。双光梳光谱探测流动气体的吸收光谱，速度信息表现为吸收光谱上附加的多普勒频移。双光梳光谱技术的宽光谱特性可实现多个吸收谱线的同时测量，单次光谱测量采集的速度信息即可多次平均，提供了一种高速、高精度测量气体物质信息（扩散速度）的探测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，该方法可通过探测气体成分的吸收光谱以分析流速信息。本专利技术目的实现由以下技术方案完成：一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）依次设置锁定模块、双光梳系统模块、合束模块、流速探测模块、平衡探测模块以及数字信号采集处理模块；（2）通过所述锁定模块锁定所述双光梳系统模块中的两台光梳的重复频率和载波包络相位；（3）两台所述光梳发出的飞秒脉冲激光经所述合束模块合束，分为两路探测光，一路所述探测光直接入射至所述流速探测模块中的流动气体样品池，另一路所述探测光改变光路后反向入射到所述流速探测模块中的所述流动气体样品池内，由所述平衡探测模块采集两路所述探测光的信号传输至所述数字信号采集处理模块以进行光谱信息采集处理，从而测定气体流速。两台所述光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模、非线性环形反射镜锁模、半导体可饱和吸收镜锁模方式中的一种。两台所述光梳的光谱的中心波长相同，两台所述光梳的工作波长在紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围内。两台所述光梳以重复频率差的倒数1/Δfr为周期作外差扫描探测，以实现光谱信息的探测，两台所述光梳的重复频率分别为fr1和fr2，Δfr为两台所述光梳的重复频率差，Δfr=fr1-fr2。所述光谱信息采集处理的方法为：两台所述光梳外差干涉实现了吸收光谱光频到射频的转换，其转换系数为，对采集的时域信号进行快速傅里叶变换，通过转换系数还原光谱吸收信息，通过光谱吸收谱线的频移分析气体的流动速度信息。本专利技术的优点是：（1）该方法采用了双光梳光谱探测技术，通过将两台重复频率略有差异的光学频率梳作为相干光源，实现外差探测，有效取代了传统傅里叶变换光谱仪或色散光谱仪，测量精度和速度不再受限于分光元件或机械臂的扫描速度和有效距离，可实现近实时光谱检测；（2）采用双光梳光谱探测技术，光谱采样速度由重复频率差Δfr决定，通过改变Δfr可提高采样速度，重复频率差已由赫兹量级提高到千赫兹量级，若使用GHz量级的超高重复频率光学频率梳，可以获得MHz量级的采样频率，实现瞬时速度的精确测量；（3）该方法中两台光梳的工作波长在紫外、可见光、近红外、中红外的波长范围内，可做波长拓展，具有实用性；（4）采用平衡探测模块，通过巧妙的对向光路设计避免了流速不均匀引起的噪声问题，极大地提升了信噪比，提高了光谱测量的精度；（5）该方法基于鉴定气体吸收光谱的多普勒频移效应来测量气体流动速度，可同时检测气体吸收光谱和速度相关多普勒频移，对比分子指纹光谱，可在测量气体流动速度的同时分析气体组分；（6）采用光梳作为光源，光谱范围宽，具备检测多个吸收光谱谱线的能力，流动气体的吸收谱线都附加了相同速度引起的多普勒频移，单次光谱测量可实现速度信息的多次平均；（7）双光梳光谱技术具有高分辨率特性，可精确分辨吸收谱线的微小多普勒频移，精确测量低速运动（自由扩散）气体分子的流速，具备更宽的流速测量范围；（8）该方法中的光学频率梳的光源是非线性偏振旋转锁模脉冲光纤激光器，脉冲重复频率可调，灵活性高，结构稳定；（9）该基于双光梳光谱探测技术测量气体流速的方法，相关探测模块可做到光纤化，具有稳定性高、可移植性好的特性。附图说明图1为本专利技术的基于双光梳系统测定气体流速的测量系统的模块化框图；图2为本专利技术中实施例1的结构示意图；图3为本专利技术中实施例2的结构示意图；图4为本专利技术中实施例3的结构示意图。具体实施方式以下结合附图通过实施例对本专利技术的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：如图1-4，图中各标记分别为：双光梳系统模块1、合束模块2、流速探测模块3、平衡探测模块4、数字信号采集处理模块5、锁定模块6、第一光梳101、第二光梳102、第一反射镜201、合束片202、光纤跳线头203、光纤准直器204、耦合器205、光纤环形器206、第一准直器207、第二准直器208、第一光纤209、光纤环形器210、第三准直器211、第二光纤212、第四准直器213、分束片301、流动气体样品池302、二向色镜303、第一高反镜304、第二高反镜305、第二反射镜306、第一光电探测器401、第二光电探测器402、平衡探测器501、计算机502、自参考反馈锁定载波包络相位系统601、重复频率探测锁定系统602、标准信号603。如图1-4所示，本专利技术涉及一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，该方法所采用的测量系统结构包括以下模块：锁定模块6、双光梳系统模块1、合束模块2、流速探测模块3、平衡探测模块4以及数字信号采集处理模块5。其中，锁定模块6由自参考反馈锁定载波包络相位系统601、重复频率探测锁定系统602和标准信号603组成；双光梳系统模块1由两台光梳组成，记为第一光梳101和第二光梳102。两台光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模、非线性环形反射镜锁模、半导体可饱和吸收镜锁模方式中的一种。两台光梳的光谱的中心波长相同，两台光梳的工作波长在紫外、可见光、近红外或中红外的波长范围内。两台光梳以重复频率差的倒数1/Δfr为周期作外差扫描探测，以实现光谱信息的探测，两台光梳的重复频率分别为fr1和fr2，Δfr为两台所述光梳的重复频率差，Δfr=fr1-fr2。平衡探测模块4由第一光电探测器401和第二光电探测器402组成；数字信号采集处理模块5由平衡探测器501和计算机502组成。双光梳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）依次设置锁定模块、双光梳系统模块、合束模块、流速探测模块、平衡探测模块以及数字信号采集处理模块；（2）通过所述锁定模块锁定所述双光梳系统模块中的两台光梳的重复频率和载波包络相位；（3）两台所述光梳发出的飞秒脉冲激光经所述合束模块合束，分为两路探测光，一路所述探测光直接入射至所述流速探测模块中的流动气体样品池，另一路所述探测光改变光路后反向入射到所述流速探测模块中的所述流动气体样品池内，由所述平衡探测模块采集两路所述探测光的信号传输至所述数字信号采集处理模块以进行光谱信息采集处理，从而测定气体流速。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）依次设置锁定模块、双光梳系统模块、合束模块、流速探测模块、平衡探测模块以及数字信号采集处理模块；（2）通过所述锁定模块锁定所述双光梳系统模块中的两台光梳的重复频率和载波包络相位；（3）两台所述光梳发出的飞秒脉冲激光经所述合束模块合束，分为两路探测光，一路所述探测光直接入射至所述流速探测模块中的流动气体样品池，另一路所述探测光改变光路后反向入射到所述流速探测模块中的所述流动气体样品池内，由所述平衡探测模块采集两路所述探测光的信号传输至所述数字信号采集处理模块以进行光谱信息采集处理，从而测定气体流速。


2.根据权利要求1所述的一种基于双光梳系统测定气体流速的方法，其特征在于两台所述光梳产生飞秒脉冲激光的方式为非线性偏振旋转锁模、非线性环形反射镜锁模、半导体可饱和吸收镜锁模方式中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭道旺，顾澄琳，李文雪，刘洋，罗大平，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31