[发明专利]一种基于异步迭代频移的红外高分辨光谱测量方法

说明书

本发明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。本发明的优点在于：本发明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f_AOM，而f_AOM通常为100～200MHz在之间，因此，本发明可以保证多普勒极限下的高分辨红外光谱测量。

技术领域

本发明涉及激光光谱技术领域，具体涉及的是高分辨红外光谱测量与光外差检测技术。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明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高功率连续激光器、双色镜、高反镜、第一耦合输入镜、红外声光调制器、第一耦合输出腔镜和气体样品池，所述第一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高功率连续激光器、双色镜、非线性晶体、高反镜、第二耦合输入镜、红外声光调制器和第二耦合输出腔镜，所述第二耦合输入镜与分束镜光路连接，所述第二耦合输出腔镜与合束器光路连接。