[发明专利]基于群时延谱的光谱分析方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于群时延谱的光谱分析方法，根据待测物的光谱信息对待测物进行分析；所述光谱信息包括群时延谱。本发明还公开了一种基于群时延谱的光谱分析装置。本发明首次提供了解析重叠光谱的直接方法，填补了光谱分析领域直接解析重叠光谱的空白；本发明无需从外部引入扰动或非线性，也无需对待测物进行多次测量和大量计算，一次测量即可直接获取重叠特征谱线的频率或波长，大幅度提高了测量效率和准确率，且能对待测物进行实时测量；另外，在群时延谱中，弱吸收峰不会被强吸收峰淹没，此特性可用于检测痕量元素；类似于广泛应用的幅度谱和相位谱，群时延谱可以从现有光谱方法可测量的任何样品中提取，并应用于现有的光谱分析技术中。

技术领域

本发明涉及一种光谱分析方法，尤其涉及一种能够直接解析重叠光谱的光谱分析方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

近半个世纪以来，光谱分析在物理、化学、生物、考古学、天文学等领域都得到了广泛的应用。不同种类的原子具有不同波长的特征谱线，这些特征谱线可用来鉴别物质的化学组成和物理结构。然而，在各种因素的影响下，特征谱线会被加宽。相邻的特征谱线在加宽后往往会连接成一条更宽的谱线，造成重叠光谱。重叠的光谱难以直接区分，为物质的鉴别带来了巨大的困难。特别是复杂分子和分子混合物，常常拥有大量相邻的特征谱线，重叠光谱的问题更加严重，甚至会形成带状光谱。因此，解析重叠光谱是光谱分析技术中的重大基础问题。

在现有光谱分析技术中，幅度谱和相位谱作为基础的分析手段被广泛应用。然而这两种光谱信息都没有解析重叠光谱的能力。为了解析重叠光谱，人们提出了多维相干光谱分析技术和数据分析等间接方法，而直接解析重叠光谱的方法至今仍处空白。多维相干光谱分析技术[Lomsadze, B., Cundiff, S. T., Frequency combs enable rapid andhigh-resolution multidimensional coherent spectroscopy. Science 357, 1389–1391 (2017)]需要从外部引入扰动或非线性来获取不同源产生的响应，从而区分重叠的吸收峰。其中，引入的扰动或非线性需要多次调节，且每次调节后均需重复测量，整个过程需要大量的测量和较长的采集时间。因此，此类间接方法不能用于实时测量。另一方面，数据分析方法可以帮助识别重叠的吸收谱线，但是在测量未知分析物时会引入严重且难以估计的误差。研究人员们尝试通过部分重叠的光谱来解析混合的分析物，但是采用不同的数据库作为初始数据却获得了截然不同的结果[Kapitanov, V. A., Osipov, K. Y.,Protasevich, A. E., Ponomarev, Y. N. Collisional parameters of N2 broadenedmethane lines in the R9 multiplet of the 2ν3 band. Multispectrum fittings ofthe overlapping spectral lines. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 113,1985-1992 (2012)]。这意味着数据分析方法相较于实际测量存在着较大的误差和不确定性。

因此，急需能够直接解析重叠光谱的光谱分析方法，以提高解析重叠光谱的效率和正确率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服幅度谱和相位谱无法解析重叠光谱，而间接解析重叠光谱方法无法实现实时测量的不足，提供一种基于群时延谱的光谱分析方法，可对重叠光谱进行高效、精确的直接解析。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于群时延谱的光谱分析方法，根据待测物的光谱信息对待测物进行分析；所述光谱信息包括群时延谱。

进一步地，所述光谱信息还包括幅度谱和/或相位谱。

优选地，所述群时延谱由相位谱对频率求导得到。

基于相同的发明构思还可以得到以下技术方案：