一种微腔光频梳气体浓度传感测量方法技术

本发明专利技术涉及一种微腔光频梳气体浓度传感测量方法；包括步骤(一)：训练数据采集；步骤(二)：DNN神经网络传感数据检测模型训练；步骤(三)：测试数据采集；步骤(四)：DNN神经网络传感数据检测模型测试；本发明专利技术结合了微腔传感具有超高灵敏度的特点，又兼具光频梳谱宽带高频率分辨率的优点，提出研究微腔增强的光频梳传感方法；同时借助机器学习智能算法将多模传感信息进行有效融合，实现传感测量；该方法通过将气体采样通入微腔光频梳中增强光与物质相互作用，提高了传感灵敏度，针对其传感的复杂非线性机理，采用机器学习等方法进行传感测量，综合了多个频梳梳齿的传感信息，提高了传感灵敏度和容噪能力。感灵敏度和容噪能力。感灵敏度和容噪能力。

【技术实现步骤摘要】
一种微腔光频梳气体浓度传感测量方法


[0001]本专利技术属于回音壁光学微腔传感
，尤其涉及一种微腔光频梳气体浓度传感测量方法。

技术介绍

[0002]光频梳技术已经给光谱学，特别是分子光谱学领域带来革命性的发展。一个光频梳能够以很高频率稳定性的宽带激光谱线照射样品，每根谱线可用低廉的探测器阵列技术获得，这种方法能够获得普通频谱仪不能获得的高测量精度。用这种方法，像分子振动谐波等过程在频谱上任何小的改变都能被探测到。对中红外的频梳源可获得更好的探测效果，因为此时分子振动特征更强烈。中红外光频梳已经被证实可探测到十亿分率的气体浓度。
[0003]最近，用两个片上微腔实现的DCS(dual
‑
comb spectroscopy，双梳频谱)在频谱测量领域显示了重要应用(文献1：[24]I. Coddington，N.Newbury and W.Swann，“Dual
‑
comb spectroscopy，”Optica，2016，3(4)，pp.414
‑
426.即I.Coddington，N.Newbury and W.Swann，双频梳技术，光学，2011，78，pp.414
‑
426.)。DCS是通过采用两个具有微小重复频率差的光梳，再由这两个光梳输出相干脉冲序列之间的异步光取样来实现光谱分析测量，其基本原理与傅里叶变换光谱方法类似，但是无需采用傅里叶变换光谱方法中的动镜来实现光谱扫描，使得DCS可将任何传统光谱分析方法都无法同时获得的宽光谱覆盖、高检测灵敏度、高分辨率、快速测量等指标集于一身，加上光梳本身所具有的高频率精度，DCS展现出了无与伦比的综合性能。DCS技术由两个具有略微不同重复频率的光频梳在光电探测器中混频，产生一个射频频梳，该频梳梳齿为相邻光频梳梳齿混频形成的拍频。该射频拍梳包含了光频梳的相关频谱信息，且很容易可被射频电子设备探测。
[0004]然而DCS技术中的采样气体均设置在光频梳的照射光路中，光与物质相互作用不强。为继续提高光频梳测量技术的灵敏度，有研究者在探测人体呼吸气体成分时，由于需要大的频谱范围，高的频谱分辨率以及高灵敏度和快速的响应时间探测技术，将锁模激光形成的光频梳耦合进一个装有待测样品的FP腔，以增强光频梳与待测物质的相互作用(文献1：M.J.Thorpe，K.D.Moll，R.J.Jones，B.Safdi，J.Ye，
″
Broadband Cavity Ringdown Spectroscopy for Sensitive and Rapic Molecular Detection，
″
Science，2006，311，1595
‑
1599即M.J.Thorpe，K.D.Moll，R.J.Jones，B.Safdi，J.Ye，
″
灵敏和快速分子检测的宽带微腔振铃光谱，
″
科学杂志，2006，311，1595
‑
1599)。只有当频梳频率与腔模完全匹配，持续的激光脉冲相干的增加到腔内，才能提高腔内的光强和增强光与待测物质相互作用。将外界光频梳耦合进一个微腔且确保数目庞大的梳齿与腔的模式完全匹配是一个非常困难的问题。频梳的频率结构可以表达为v
n
＝nf
rep
+f
o
，这里n指的是频梳的第n个模式，f
rep
是频梳重复频率，f
o
是载波频率。为了匹配腔模，频梳的这两个参量必须进行单独控制。前者用微电机和压电陶瓷分别粗调和细调FP腔的腔长实现，后者则通过倾斜FP腔的高反射镜实现。以上仅仅是实现模式匹配的一个方面。另一方面在于腔内的色散(气体)使得腔模并非等频率间隔从而使得腔模与频梳频率并非严格匹配。因此研究者根据腔内气体的正色散特
点，用低色散和宽带反射镜构造了一种振铃微腔来产生负色散有效补偿了腔内的色散。
[0005]总之，微腔光频梳测量具有宽带和高频率分辨率的优点，但目前局限于测量气体样品的吸收谱，测量方式单调；而传统微腔传感中样品与微腔模场发生相互作用，具有较高敏度，但仅局限于单个或者有限几个模式进行探测。因此，为继续探索提高微腔光频梳测量的灵敏度，必须探索新的微腔光频梳气体浓度传感测量方法。
[0006]针对上述技术问题，故需要进行改进。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是实现一种基于机器学习算法的回音壁微腔光频梳气体浓度传感方法。
[0008]为了达到以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种微腔光频梳气体浓度传感测量方法，包括以下步骤：
[0009]步骤(一)：训练数据采集；首先，采取多组训练数据用于深度神经网络传感数据检测模型训练；每组训练数据由光频梳梳齿能量值以及与其对应的气体传感浓度值构成；将其分别作为深度神经网络的输入和目标输出值，对深度神经网络进行训练，以使神经网络建立两者之间的映射关系；当用连续光激发微腔光频梳时，用光谱仪采集光频梳出射频谱，从中提取对应气体浓度下的光频梳传感测量值，并将其与对应的气体浓度值作为一组训练数据；采集足够多组训练数据后，将采集到的光频梳梳齿能量值以及与其对应的气体传感浓度值进行归一化处理，将处理以后的数据集作为最终训练数据集；
[0010]步骤(二)：DNN神经网络传感数据检测模型训练；将经过步骤(一)处理以后的光频梳梳齿能量值作为输入数据，将经过步骤(一)归一化处理以后的气体浓度训练标签值作为输出数据；训练DNN神经网络传感数据检测模型，建立并保存光频梳梳齿能量值与其对应的训练标签值之间的映射关系；
[0011]步骤(三)：测试数据采集；将整个探测系统放置在测量环境中，在回音壁光学微腔中通入待检测浓度的气体采样，当用连续光激发微腔光频梳时，用光谱仪采集光频梳出射频谱，可得到光频梳梳齿能量值；将采集到的光频梳梳齿能量值进行归一化处理，将其作为测试数据集；
[0012]步骤(四)：DNN神经网络传感数据检测模型测试；将在步骤(三)中取得的测试数据，即光频梳梳齿能量值，输入到训练完成的DNN神经网络中，输出为对应待测气体浓度。
[0013]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(三)中，回音壁光学微腔包括微柱腔、微球腔、微瓶腔、微环芯腔和微盘腔。
[0014]作为一种特殊的光学谐振腔，回音壁光学微腔是指通过边界连续的全反射，将光子长时间的局域在微腔内形成回音壁模式的一类介质谐振腔。由于其特有的回音壁模式，使其具有超高Q值、极小的模式体积、超高的能量密度和极窄的线宽等优越特性，从而成为最典型的一类光子器件。与法布里
‑
珀罗腔，光子晶体谐振腔相比除了具有超高的Q值和极小的模式体积以外，回音壁模式谐振腔还具有容易制备，结构简单，能够通过光纤波导有效的激励和探测等优点。
[0015]基于微腔光频梳的物理机制，在一个微腔中同时实现光频梳产生和传感，重点是一个微腔内两种相互作用的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微腔光频梳气体浓度传感测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(一)：训练数据采集；首先，采取多组训练数据用于深度神经网络传感数据检测模型训练；每组训练数据由光频梳梳齿能量值以及与其对应的气体传感浓度值构成；将其分别作为深度神经网络的输入和目标输出值，对深度神经网络进行训练，以使神经网络建立两者之间的映射关系；当用连续光激发微腔光频梳时，用光谱仪采集光频梳出射频谱，从中提取对应气体浓度下的光频梳传感测量值，并将其与对应的气体浓度值作为一组训练数据；采集足够多组训练数据后，将采集到的光频梳梳齿能量值以及与其对应的气体传感浓度值进行归一化处理，将处理以后的数据集作为最终训练数据集；步骤(二)：DNN神经网络传感数据检测模型训练；将经过步骤(一)处理以后的光频梳梳齿能量值作为输入数据，将经过步骤(一)...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏炅，林程浩，卢瑾，任宏亮，李明，邹长铃，乐孜纯，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：