一种中红外离散时间拉伸光谱方法技术

本发明专利技术公开了一种中红外离散时间拉伸光谱方法，其特点是该方法包括：1）制备重复频率略有差别的双色脉冲光源；2）对脉冲光源1输出脉冲进行波长展宽与时间拉伸为非线性差频的信号光，对脉冲光源2输出脉冲进行功率放大，为非线性差频的泵浦光；3）泵浦光脉冲对信号光的时域展宽光谱光学取样，获得中红外离散时间拉伸的脉冲序列；4）中红外离散啁啾脉冲经待测样品，通过低带宽中红外探测器测量吸收光谱信息。本发明专利技术与现有技术相比具有宽波段、高速度、高分辨优点，借助低带宽的单点探测器完成中红外光谱的测量，无需色散分光元件和机械扫描装置，解决了中红外波段缺乏时间、高色散时域拉伸介质的难题，拓展了时间拉伸技术在中红外波段应用。段应用。段应用。

【技术实现步骤摘要】
一种中红外离散时间拉伸光谱方法


[0001]本专利技术涉及中红外光谱
，尤其是一种中红外离散时间拉伸光谱方法。

技术介绍

[0002]中红外波段位于分子的指纹光谱区，覆盖了众多分子的振转能级跃迁谱线，能够提供被测样品显著的红外吸收特征，为定性或定量提取分子的组成成分以及结构信息提供了重要手段，已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具，被广泛应用于物理、生物、化学等各个领域。中红外光谱技术对样品的适用性相当广泛，能够用于表征固态、液态或气态样品，尤其在无机、有机、高分子化合物检测方面更是表现出优异性能，如测试迅速、操作方便、重复性好、灵敏度高及试样用量少等特点。发展高速率中红外光谱技术一直以来是该领域的前沿热点，对于测量快速变化的动态光谱具有重要意义，如研究气体燃烧或蛋白质构象变化等随机或非重复现象。此外，高帧频中红外光谱技术能够提供高通量的光谱信息获取与分析手段，在物质检测、大气遥感、环境监测等领域也具有举足轻重的作用。
[0003]然而，现有的中红外光谱测量技术受限于工作机制或器件性能，长期面临着光谱测量速率不足的困境。如常见的色散型光谱仪，其借助光栅、棱镜等分光器件，将待测光谱在空间展开，然后利用线阵或者面阵探测器捕获所形成的空间啁啾光束，通过单次曝光即可获得光谱信息。为了保证光谱测量的分辨率，所采用的线阵或面阵探测器一般要求具有足够的像素个数，导致中红外多像素探测器的帧频普遍不高，严重制约了中红外光谱测量的刷新率。傅里叶红外光谱仪作为另一种广泛使用的光谱测量工具，以迈克尔逊干涉仪为核心，通过扫描干涉仪两臂的光程差获取被测光场的干涉图，进行傅里叶变换操作后即可还原出被测光源的光谱信息，具有光通量大、分辨率高等优势。尽管傅里叶红外光谱仪借助单点探测器即可完成干涉图测量，但采集过程却不可避免地依赖于机械扫描，极大限制了光谱刷新速率。
[0004]近年来，新兴的时间拉伸光谱技术应运而生，为高速红外光谱测量提供了一条有效途径，其基于光场时空二象性的基本原理，通过色散傅里叶变换过程将脉冲光谱信息映射到时域，利用单像素探测器测量时变强度信息，即可还原出待测光谱，最终实现超高速的单发脉冲光谱测量。通常，时间拉伸光谱测量技术需要引入很大的群速度色散延迟(一般需要达到0.1ns/nm)，从而满足远场衍射条件，实现频谱在时间轴上一一对应的关系。此外，为了获得较高的光谱分辨率，该技术还对探测与采集系统的带宽提出了很高要求(一般需要达到10G Hz以上)。鉴于上述两个严格条件，时间拉伸光谱技术目前大部分工作在近红外波段。相对而言，中红外波段缺乏低损耗、高色散的传输介质，传统玻璃光纤在中红外具有严重的吸收损耗，同时该波段光电探测器的带宽受限，通常仅为GHz以下。因此，缺乏高效时间拉伸介质以及高速红外探测器件是制约时间拉伸技术往中红外波段拓展的主要障碍。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种中红外离散时间拉伸光谱方法，利用离散时间拉伸效应，有效降低了中红外探测与采集系统的带宽限制，通过低带宽单像素探测器即可实现高速率、高分辨的中红外光谱测量。通过异步光学采样的非线性差频过程，直接制备了时域啁啾的中红外脉冲序列，规避了在中红外波段缺乏低损耗、高色散时域拉伸介质的困境。该方法无需任何色散分光元件和机械扫描装置，借助单点探测器即可实现中红外拉伸光谱测量，具有结构简单、系统稳定、易于操作的优点，可以较好的解决中红外波段缺乏高色散时域拉伸介质的难题，进一步拓展了时间拉伸技术在中红外波段的应用，为物质检测、大气遥感、环境监测等领域应用提供有力支撑。
[0006]实现本专利技术目的具体技术方案是：一种中红外离散时间拉伸光谱方法，其特点是该方法具体包括下述步骤：
[0007]1)制备重复频率略有差别的双色脉冲光源：脉冲光源1的中心波长为1550nm，重频频率为fr1，脉冲光源2的中心波长为1030nm，重频频率为fr＝fr
‑
Δfr，其中Δfr为两台激光器的重复频率差。
[0008]2)控制双色光源的脉冲输出特性：对脉冲光源1输出脉冲进行波长展宽与时间拉伸，作为后续非线性差频的信号光，对脉冲光源2输出脉冲进行功率放大，作为后续非线性差频的泵浦光。
[0009]3)异步光学取样的非线性差频：泵浦光脉冲对信号光时域展宽光谱进行高速光学取样，产生中心波长随时间变化的中红外闲频光，即获得中红外离散时间拉伸的脉冲序列。
[0010]4)测量中红外吸收光谱：中红外离散啁啾脉冲经过待测样品后，各光谱成分的吸收程度将直接映射在中红外脉冲序列的时域包络上，通过低带宽中红外探测器即可快捷方便地测量吸收光谱信息。
[0011]所述非线性异步光学采样，其泵浦脉冲可对时域拉伸的信号脉冲进行高精度的波长扫描，使得产生的中红外啁啾光谱在时域上放大了N倍(N＝fr/Δfr)，利用低带宽的探测器即可获得高精度的光谱分辨率，极大降低了高精度光谱测量对于探测带宽的要求。
[0012]本专利技术与现有技术相比具有以下显著的技术效果和进步：
[0013]1)通过异步光学取样的非线性差频，产生了中红外啁啾脉冲序列，获得了中红外时间拉伸离散光谱。该技术突破了传统时间拉伸光谱技术长期难以拓展到中红外波段的技术瓶颈，为实现宽波段、高速率、高分辨的中红外光谱测量提供了新方法。
[0014]2)利用低带宽的探测器即可获得高精度的光谱分辨率，极大降低了高精度光谱测量对于探测带宽的要求。
[0015]3)通过非线性异步光学采样技术，使得产生的中红外啁啾光谱在时域上放大了N倍(N＝fr/Δfr)，该技术无需任何分光元件和机械扫描装置，具有结构简单、系统稳定、易于操作的优点。
附图说明
[0016]图1为本专利技术构建的光谱探测系统结构示意图；
[0017]图2为中红外离散时间拉伸光谱测量示意图；
[0018]图3为中红外离散时间拉伸光谱分辨率与影响因素的关系图；
[0019]图4为实施例1的光谱探测系统结构示意图。
具体实施方式
[0020]参阅图1，本专利技术基于异步光学取样的非线性差频过程，直接制备时域啁啾的中红外脉冲序列，该方法主要包括如下几个步骤：
[0021]1)制备重复频率略有差别的双色脉冲光源：脉冲光源1的中心波长为1550nm，重频频率为fr，脉冲光源2的中心波长为1030nm，重频频率为fr＝fr
‑
Δfr，其中Δfr为两台激光器的重复频率差。
[0022]2)控制双色光源的脉冲输出特性：对脉冲光源1输出脉冲进行波长展宽与时间拉伸，作为后续非线性差频的信号光；对脉冲光源2输出脉冲进行功率放大，作为后续非线性差频的泵浦光。
[0023]3)异步光学取样的非线性差频：泵浦光脉冲对信号光的时域展宽光谱进行高速光学取样，产生中心波长随时间变化的中红外闲频光，即获得中红外离散时间拉伸的脉冲序列。
[0024]4)测量中红外吸收光谱：中红外离散啁啾脉冲经过待测样品后，各光谱成分的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中红外离散时间拉伸光谱方法，其特征在于，该方法具体包括下述步骤：1)制备异步双色脉冲光源制备一脉冲光源的中心波长为1550nm，重复频率为fr1；另一脉冲光源的中心波长为1030nm，重复频率为fr2＝fr1‑
Δfr，其中Δfr为两台激光器的重复频率差；2)控制双色光源的脉冲输出特性对一脉冲光源的输出脉冲进行波长展宽与时间拉伸，作为后续非线性差频的信号光，对另一脉冲光源的输出脉冲进行功率放大，作为后续非线性差频的泵浦光；3)异步光学取样的非线性差频使用泵浦光脉冲对信号光时域展宽光谱进行非...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄坤，曾和平，于婷婷，
申请(专利权)人：华东师范大学重庆研究院，
类型：发明
国别省市：