專利名稱：一種超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)，尤其涉及一種超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
中波紅外波段是很多氣體分子的特征吸收波段，在該波段，對(duì)應(yīng)的氣體吸收峰銳度高、吸收系數(shù)大，因此具有測(cè)量靈敏度高、相互干擾小的特點(diǎn)，是微量氣體成分測(cè)量的理想波段。在中波紅外波段，各種氣體的特征吸收峰按波長(zhǎng)分布排列，因此如能快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)一段寬光譜范圍的高分辨率光譜測(cè)量，將有望實(shí)現(xiàn)各種微量氣體成分的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。目前為實(shí)現(xiàn)中波紅外光譜測(cè)量的主要技術(shù)手段是紅外傅里葉光譜儀，作為一種成熟的商品化技術(shù)已經(jīng)在各種生產(chǎn)與科研領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。但是，傅里葉光譜儀的分辨率較為有限，目前比較高端的儀器其分辨率在0.05cm-l，且價(jià)格昂貴。傅里葉光譜儀可望實(shí)現(xiàn)的最高的分辨率也限于0.005cm-l，此時(shí)干涉臂的長(zhǎng)度將非常大，這使得在很多應(yīng)用領(lǐng)域中不能發(fā)揮作用。與此不同，近年來隨著中波紅外激光技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了一些實(shí)驗(yàn)室中的新技術(shù)，可以獲得超高的光譜分辨率。一種結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單且比較實(shí)用的技術(shù)方法是利用可調(diào)諧單頻激光器的波長(zhǎng)(或頻率)掃描，結(jié)合氣體吸收池和單元光電探測(cè)器的技術(shù)，可望獲得極高的光譜分辨率。在中波紅外波段，針對(duì)某種氣體的單一吸收峰測(cè)量可以采用此類技術(shù)。但是，由于可調(diào)諧激光的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍限制，其測(cè)量的譜段很窄；因?yàn)闇y(cè)量時(shí)涉及激光波長(zhǎng)掃描，時(shí)間上也無法做到實(shí)時(shí)測(cè)量。因此應(yīng)用上受到較大限制。目前國(guó)際上正在研究的一種超高分辨率光譜測(cè)量主流技術(shù)是光梳掃描測(cè)量技術(shù)。通過研制一個(gè)(或一組)頻率鎖定的激光光梳，并利用二維光譜儀或者二個(gè)對(duì)應(yīng)光梳(梳頻率略有差異)的干涉可望獲得超高分辨率的光譜測(cè)量能力。但是，由于光梳的控制非常復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涉及激光參考基準(zhǔn)和多種光頻轉(zhuǎn)換構(gòu)成的鎖頻系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)過于龐大，目前僅限于在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服其他光譜測(cè)量技術(shù)的不足，提供一種超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)。超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)由無縱模寬帶中波紅外激光源、氣體吸收池和超高分辨率的光譜儀構(gòu)成；無縱模寬帶中波紅外激光源經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)在空間上直接入射到氣體吸收池，并從氣體吸收池出射后入射到超高分辨率的光譜儀后獲得待測(cè)量的氣體吸收光譜。所述的寬帶中波紅外激光光源為無縱模特性的寬帶中波紅外激光光源；其波段位于2.7 4.5微米，光譜半高寬大于lOOnm。
所采用的超高分辨率光譜儀具有超過IOOMHz的光譜分辨率。本發(fā)明采用了無縱模的寬帶中波紅外激光源和高分辨率的光譜儀兩個(gè)核心部件。無縱模的寬帶中波紅外激光源通過自發(fā)的參量下轉(zhuǎn)換原理或差頻轉(zhuǎn)換原理產(chǎn)生，光譜中不同頻率的光譜成分連續(xù)分布，不存在由于諧振腔所導(dǎo)致的縱模。因?yàn)闆]有縱模，該激光源的光譜強(qiáng)度隨波長(zhǎng)(或頻率)連續(xù)變化，將不存在常見的激光跳模問題。正是由于這一點(diǎn)，系統(tǒng)后端的高分辨率光譜儀在按光譜進(jìn)行分光測(cè)量過程中，測(cè)量信號(hào)將非常穩(wěn)定，不會(huì)受到模式跳變的影響。因此，本發(fā)明所公開的超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)在具有極高光譜分辨率的同時(shí)，能測(cè)量氣體吸收光譜的極微弱變化，非常適用于痕量氣體的測(cè)量。
圖1是超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的一種寬帶無縱模中波紅外激光光源的原理結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明的另一種寬帶無縱模中波紅外激光光源的原理結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明的高分辨率光譜儀的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。如圖1所示，超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)由無縱模寬帶中波紅外激光源1、氣體吸收池2和超高分辨率的光譜儀3構(gòu)成；無縱模寬帶中波紅外激光源1，經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)在空間上直接入射到氣體吸收池2，并從氣體吸收池2出射后入射到超高分辨率的光譜儀3后獲得待測(cè)量的氣體吸收光譜。所述的寬帶中波紅外激光光源I為無縱模特性的寬帶中波紅外激光光源，光譜半高寬大于lOOnm、平均功率大于I毫瓦，其波段位于2.7 4.5微米。所采用的超高分辨率光譜儀3具有超過IOOMHz的光譜分辨率，光譜帶寬大于IOOnm0如圖2所示，超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)包含的一種無縱模寬光譜中波紅外激光源由鎖模光纖激光器4、超輻射寬光源5、二向色性分光鏡6和啁啾周期的周期性疇極化摻鎂鈮酸鋰晶體(PPMgLN)7組成。鎖模光纖激光器4發(fā)射高重復(fù)頻率的脈沖激光，其波長(zhǎng)范圍為1.03微米到1.10微米，其脈沖重復(fù)頻率范圍為IOkHz到1GHz，其脈沖寬度為IOOfs到5ns ;超輻射寬光譜光源5發(fā)射連續(xù)或脈沖的低功率寬帶光譜激光，其光譜范圍在1.4微米至1.80微米之間，光譜半寬度超過lOOnm，該寬光譜發(fā)射光源具有無縱模特性，其光譜功率密度按波長(zhǎng)(或頻率)連續(xù)分布；二向色性分光鏡6是一種鍍介質(zhì)膜的光學(xué)反射鏡，可以透射(或反射)1.03微米到1.1微米的激光，但對(duì)于1.4微米到1.8微米的激光反射(或透射)；啁啾周期的周期性疇極化摻鎂鈮酸鋰晶體(PPMgLN) 7是一種疇周期在28微米到32微米之間連續(xù)變化的、疇向交替排列的人工晶體，可以滿足寬光譜波段內(nèi)激光光頻轉(zhuǎn)換時(shí)的相位匹配關(guān)系。從鎖模光纖激光器4發(fā)射的高重復(fù)頻率脈沖激光，和從超輻射寬光源5發(fā)射的連續(xù)或脈沖的低功率寬帶光譜激光，經(jīng)過二向色性分光鏡6合束后，同時(shí)進(jìn)入啁啾周期的周期性疇極化摻鎂鈮酸鋰晶體(PPMgLN) 7，可以獲得中波紅外波段的無縱模寬光譜激光輸出。調(diào)整PPMgLN晶體的啁啾參數(shù)，可以獲得不同波段的激光輸出。
如圖3所示，超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)包含的另一種無縱模寬光譜中波紅外激光源也可以僅由鎖模光纖激光器4、啁啾周期的周期性疇極化摻鎂鈮酸鋰晶體(PPMgLN)7組成。鎖模光纖激光器4發(fā)射高重復(fù)頻率的脈沖激光，其波長(zhǎng)范圍為1.03微米到1.10微米，其脈沖重復(fù)頻率范圍為IOkHz到1GHz，其脈沖寬度為IOOfs到5ns ;啁啾周期的周期性疇極化摻鎂鈮酸鋰晶體(PPMgLN) 7是一種疇周期在28微米到32微米之間連續(xù)變化的疇向交替排列的人工晶體，可以滿足寬光譜波段激光光頻轉(zhuǎn)換時(shí)的相位匹配關(guān)系。從鎖模光纖激光器4發(fā)射的高重復(fù)頻率脈沖激光，進(jìn)入啁啾周期的周期性疇極化摻鎂鈮酸鋰晶體(PPMgLN) 7，可以獲得中波紅外波段的無縱模寬光譜激光輸出。調(diào)整PPMgLN晶體的啁啾參數(shù)，可以獲得不同波段的激光輸出。超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)包含的一種高分辨率光譜儀，是一種具有超高光譜分辨率、能實(shí)時(shí)測(cè)量寬帶中波紅外光譜的新型光譜儀。該光譜儀的結(jié)構(gòu)如圖4所示。該光譜儀包含一個(gè)二維陣列的光電探測(cè)器9、一個(gè)平面閃耀光柵10(或凹面反射光柵)、一個(gè)虛像陣列分光器件(VIPA)ll，其光譜分辨率達(dá)到IGHz以上；在需要獲得更高光譜分辨率的情況下，可以在二維光譜儀之前引入一個(gè)可調(diào)諧琺波里一珀羅濾波器8?？烧{(diào)諧琺波里一珀羅濾波器8由外加電壓控制，可以將連續(xù)的無縱模激光變成梳狀激光輸出，其梳狀激光輸出的準(zhǔn)確波長(zhǎng)位置由電壓控制，可以隨所加的電壓變化而掃描。二維光譜儀結(jié)合可調(diào)諧琺波里一珀羅濾波器的結(jié)構(gòu)可使得光譜儀擁有高于IOOMHz的光譜分辨率。超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)包含的氣體吸收池是一種常規(guī)的單通或多通氣體吸收池。單通的氣體吸收池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但氣體吸收光路較短，適合于氣體濃度較高的應(yīng)用場(chǎng)合。多通的氣體吸收池可以有效地增加氣體吸收光路長(zhǎng)度，使得微量氣體的吸收可以在光譜上得到反映。
權(quán)利要求
1.一種超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于它由無縱模寬帶中波紅外激光源(I)、氣體吸收池(2)和超高光譜分辨率的光譜儀(3)構(gòu)成；無縱模寬帶中波紅外激光源(I)經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)在空間上直接入射到氣體吸收池(2)，并從氣體吸收池(2)出射后入射到超高分辨率的光譜儀(3)后獲得待測(cè)量的氣體吸收光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的寬帶中波紅外激光光源(I)為無縱模特性的寬帶中波紅外激光光源；其波段位于2.7 4.5微米，光譜半高寬大于lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所采用的超高分辨率光譜儀(3)具有超過IOOMHz的光譜分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高光譜分辨率氣體中波紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)。它由無縱模寬帶中波紅外激光源、氣體吸收池和超高分辨率的光譜儀構(gòu)成；無縱模寬帶中波紅外激光源經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)在空間上直接入射到氣體吸收池，并從氣體吸收池出射后入射到超高分辨率的光譜儀后獲得待測(cè)量的氣體吸收光譜。采用無縱模寬帶中波紅外激光源使得入射光源具有光譜成分連續(xù)、在不同激光脈沖之間光譜穩(wěn)定的特點(diǎn)，使得超高分辨率光譜儀的光譜測(cè)量不會(huì)受到模式跳變的影響。因此，本發(fā)明具有極高光譜分辨率的同時(shí)，能測(cè)量氣體吸收光譜的微弱變化，適用于痕量氣體的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/35GK103091283SQ201310059699
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者沈永行, 吳波, 姜培培, 陳滔, 楊丁中 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)