[发明专利]用于对空芯光纤中的气体进行实时、高分辨率分子分析的受激拉曼光谱仪

权利要求书

1.一种受激拉曼散射(SRS)光谱仪，用于对气体样品中的一种或多种气体进行实时、高分辨率分子分析，所述SRS光谱仪被设计为测量所述气体样品中的所述一种或多种气体的浓度，其特征在于，包括：

A.激光源(10)，所述激光源包括被配置为产生高功率、短脉冲激光束(泵浦)的单个高功率激光器(15)和被设计为清洁所述单个高功率激光器(15)的光谱的一组光学操纵器(403)，以设置最终激光功率并将所述激光束(泵浦)引导至第一空芯光纤(420)的第一光学接口(410)；

B.分子气体分析子系统(40)，所述分子气体分析子系统(40)包括：

(a)所述第一光学接口(410)，所述第一光学接口(410)被配置为将所述激光束耦合至所述第一空芯光纤(420)中并使得能够用一种或多种高浓度静态气体预填充所述第一空芯光纤(420)，所述静态气体与被分析气体相同；

(b)所述第一空芯光纤(420)，所述第一空芯光纤(420)预填充有高浓度的所述静态气体，所述第一空芯光纤(420)是适用于生成和发射自激拉曼信号的“信号发生器”光纤，所述第一空芯光纤(420)与所述激光束(泵浦信号)作为组合光束(梳状信号)沿着所述第一空芯光纤(420)共同传播至所述第一空芯光纤(420)的第二光学接口(430)；

(c)所述第二光学接口(430)，所述第二光学接口(430)被配置为执行所述组合光束的光谱滤波，对所述组合光束进行采样以用于强度参考，并将所述强度参考信号引导至接收器子系统(30)，以将所述组合光束引导至第二空芯光纤(450)，以出于维护目的而排出所述第一空芯光纤(420)，并为所述第二空芯光纤(450)中的所述分子分析提供所述气体样品；

(d)所述第二空芯光纤(450)，所述第二空芯光纤(450)包含所述气体样品，所述第二空芯光纤(450)是“样品分析”光纤，适用于从所述第二光学接口(430)接收所述组合光束并沿其空芯传输所述组合光束，其中，所述组合光束在所述第二空芯光纤(450)的所述空芯内部与所述气体样品中的目标气体分子相互作用，从而通过对所述气体样品中被分析的每种气体的所述分子进行受激拉曼散射来放大所述组合光束中的所述拉曼信号，所述放大是用包含在所述第一空芯光纤(420)中生成的所述组合光束中的所述泵浦信号(激光束)和所述拉曼信号的特定梳执行的，并导致放大对应的所述拉曼信号的强度(产生受激拉曼增益)；以及

(e)第三光学接口(460)，所述第三光学接口(460)被配置为从所述第二空芯光纤(450)接收放大的所述拉曼信号的所述梳，将放大的所述拉曼信号经由光纤或通过自由空间光学件引导至所述接收器子系统(30)以进行光谱分析，阻挡所述泵浦信号(激光束)，并排出所述第二空芯光纤(450)；以及

C.所述接收器子系统(30)，所述接收器子系统(30)被设计为从所述第三光学接口(460)接收放大的所述拉曼信号，从所述第二光学接口(430)接收所述强度参考信号，将所述接收到的信号(所述拉曼信号和所述强度参考信号)中的每一者光谱分离至其对应于所述目标气体的单独拉曼线，将光学信号转换为电子信号，通过针对每个波长比较所述强度参考信号的强度与放大的所述拉曼信号的强度来在每个波长下提取所述受激拉曼增益(SRG)，并从此SRG比较计算每种气体的浓度，所述接收器子系统(30)包括：

(a)光学前端(32)，所述光学前端(32)被配置为通过选择对应于某个拉曼谱线的波长的单个波长来执行所述光谱分离，并在使用光电二极管来将光学信号转换为电子信号之前控制所述光学信号的强度；

(b)至少一个光电转换装置(326、327)，所述至少一个光电转换装置(326、327)被配置为捕获所述激光脉冲(光学信号)并将所述光学信号转换为所述电子信号；

(c)模拟前端(34)，所述模拟前端(34)被配置为放大所述SRG信号并为数字接收器(36)生成定时触发；

(d)数字接收器(36)，所述数字接收器(36)被配置为将模拟信号转换为数字样品，执行时间选通采集以提高信噪比，并存储单一气体的重复所述SRG样品的块；以及

(e)电子处理单元(20)，所述电子处理单元被配置为读取所述SRG样品的所述块，使用数字信号处理算法来进一步提高所述SRG信号的信噪比，在每个所述波长下提取所述SRG并计算所述样品中每种所述气体的浓度。