[发明专利]一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统

说明书

本发明提出一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统，由激光发射模块、分光器、动镜、定镜、光电探测器和数据采集处理模块等构成，在进行测量时，激光发生模块发出一束标准波长的激光和一束频率变化的扫频激光，两束激光合束后，经准直透镜照射到迈克尔逊红外干涉系统的动镜和定镜上，在动镜移动的情况下，两束光分别产生干涉，干涉信号叠加后的光强被光电探测器接收。通过测量得到的非标准拍的包络与被调制周期信号的周期比，以标准波长的激光为参考，确定待测光的绝对波长，进而获得吸收光谱数据。本发明消除了传统傅里叶红外光谱仪动镜移动速度不均等因素导致的误差，可实现对气体吸收光谱的宽范围的高精度测量，具有广阔的应用前景。

(一)技术领域

本发明提出一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统，属于红外光谱测量领域，该方法可在迈克尔逊干涉系统中动镜非匀速移动情况下，实现吸收光谱的宽范围、高精度测量。

(二)背景技术

随着气体检测技术的发展，通过研究气体的吸收光谱，分析其吸收曲线，得到气体的成分、压强、温度、浓度等信息，在大气监测、疾病诊断、安全防卫、燃烧诊断等方面起着重要作用。而其中，气体吸收光谱的获取直接决定了检测结果的精确度，所以在气体检测技术领域占据重要位置。现有的气体吸收光谱测量方法，主要有光学频率梳和红外光谱仪探测法，近几年也不断出现一些傅里叶红外光谱仪与新技术相结合的方法。

光学频率梳(Optical Frequency Comb)是一种由许多分立且频率间隔相等的频率梳齿组成的宽带光源，其在时域上表现为等间距的激光脉冲序列，频域上表现为等间隔梳齿线，相邻梳齿间的间隔为脉冲重复频率，光学频率梳具有脉冲宽度窄、频率精度高、频率梳齿稳定以及相干性好等优良的时频域特性，因此常被用来做精密测量。2008年，Ganz等在《光通信》(Optics Communications)第281卷第3827页的文章《紧凑型频率梳傅里叶变换红外光谱仪》(Compact Frequency-comb Fourier-transform Infrared Spectrometer)中提出了一种基于光学频率梳的傅里叶变换红外光谱仪，该光谱仪由两束相干的梳频光束进行干涉，避免介质合成器的使用，最终使得仅使用单一非线性晶体的小型无色散傅里叶变换光谱仪成为可能，同时可以实现较宽的光谱宽度，适用于远程检测和成像。2018年5月，Wei-Peng等在《物理学报》(Acta Physica Sinica)第67卷第9期的文章《光频联双梳子吸收光谱测量》(Optical Frequency Linked Dual-comb Absorption Spectrum Measurement)中提出了一种光频域互相链接的双光梳光谱探测方案，文章将两台激光器的偏置频率同时锁定到一个窄线宽激光器上，有效地抑制了双光梳光谱采样时的抖动问题，实现了光谱探测性能的提升，为双光梳光谱测量的实际应用提供了一种高精度、低成本、易实现的解决方案。以上技术均是在傅里叶红外光谱仪的基础上，基于光学频率梳的原理实现的光谱测量，频率梳傅里叶变换光谱技术原理上是一种时域技术，该技术对梳状脉冲序列进行干涉，用不同重频的第二个脉冲序列进行采样，该方法能够在较宽的带宽范围实现快速、高灵敏度和高精度的测量，但是在光谱频率范围较窄、光谱分辨率要求较高的情况下，基于光频梳的测量方法对光源性能的要求也同步提高。

长期以来，气体吸收光谱检测大都是利用红外光谱仪实现，近红外光谱仪器主要由激光发射器件、分光器件、检测和取样器件、数据处理和记录显示器件几部分构成，近年来，在微机电技术的推动下，近红外光谱仪已成为一种广泛使用且具有高性价比的分析工具，主要可以分为色散型和调制变换型两大类，其主要区别在于分光方式的不同。