CN103091283A - 一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***。它由无纵模宽带中波红外激光源、气体吸收池和超高分辨率的光谱仪构成；无纵模宽带中波红外激光源经由光学***在空间上直接入射到气体吸收池，并从气体吸收池出射后入射到超高分辨率的光谱仪后获得待测量的气体吸收光谱。采用无纵模宽带中波红外激光源使得入射光源具有光谱成分连续、在不同激光脉冲之间光谱稳定的特点，使得超高分辨率光谱仪的光谱测量不会受到模式跳变的影响。因此，本发明具有极高光谱分辨率的同时，能测量气体吸收光谱的微弱变化，适用于痕量气体的测量。

Description

一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***

技术领域

本发明涉及中波红外光谱测量***，尤其涉及一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***。

背景技术

中波红外波段是很多气体分子的特征吸收波段，在该波段，对应的气体吸收峰锐度高、吸收系数大，因此具有测量灵敏度高、相互干扰小的特点，是微量气体成分测量的理想波段。

在中波红外波段，各种气体的特征吸收峰按波长分布排列，因此如能快速地实现对一段宽光谱范围的高分辨率光谱测量，将有望实现各种微量气体成分的实时准确测量。

目前为实现中波红外光谱测量的主要技术手段是红外傅里叶光谱仪，作为一种成熟的商品化技术已经在各种生产与科研领域获得广泛的应用。但是，傅里叶光谱仪的分辨率较为有限，目前比较高端的仪器其分辨率在0.05cm-1,且价格昂贵。傅里叶光谱仪可望实现的最高的分辨率也限于0.005cm-1，此时干涉臂的长度将非常大，这使得在很多应用领域中不能发挥作用。

与此不同，近年来随着中波红外激光技术的不断发展，已经出现了一些实验室中的新技术，可以获得超高的光谱分辨率。一种结构上相对简单且比较实用的技术方法是利用可调谐单频激光器的波长（或频率）扫描，结合气体吸收池和单元光电探测器的技术，可望获得极高的光谱分辨率。在中波红外波段，针对某种气体的单一吸收峰测量可以采用此类技术。但是，由于可调谐激光的波长调谐范围限制，其测量的谱段很窄；因为测量时涉及激光波长扫描，时间上也无法做到实时测量。因此应用上受到较大限制。

目前国际上正在研究的一种超高分辨率光谱测量主流技术是光梳扫描测量技术。通过研制一个（或一组）频率锁定的激光光梳，并利用二维光谱仪或者二个对应光梳（梳频率略有差异）的干涉可望获得超高分辨率的光谱测量能力。但是，由于光梳的控制非常复杂，***结构涉及激光参考基准和多种光频转换构成的锁频***，整个***过于庞大，目前仅限于在实验室中的应用。

发明内容

本发明的目的是克服其他光谱测量技术的不足，提供一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***。

超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***由无纵模宽带中波红外激光源、气体吸收池和超高分辨率的光谱仪构成；无纵模宽带中波红外激光源经由光学***在空间上直接入射到气体吸收池，并从气体吸收池出射后入射到超高分辨率的光谱仪后获得待测量的气体吸收光谱。

所述的宽带中波红外激光光源为无纵模特性的宽带中波红外激光光源；其波段位于2.7～4.5微米，光谱半高宽大于100nm。

所采用的超高分辨率光谱仪具有超过100MHz的光谱分辨率。

本发明采用了无纵模的宽带中波红外激光源和高分辨率的光谱仪两个核心部件。无纵模的宽带中波红外激光源通过自发的参量下转换原理或差频转换原理产生，光谱中不同频率的光谱成分连续分布，不存在由于谐振腔所导致的纵模。因为没有纵模，该激光源的光谱强度随波长（或频率）连续变化，将不存在常见的激光跳模问题。正是由于这一点，***后端的高分辨率光谱仪在按光谱进行分光测量过程中，测量信号将非常稳定，不会受到模式跳变的影响。因此，本发明所公开的超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***在具有极高光谱分辨率的同时，能测量气体吸收光谱的极微弱变化，非常适用于痕量气体的测量。

附图说明

图1是超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***的结构示意图；

图2是本发明的一种宽带无纵模中波红外激光光源的原理结构示意图；

图3是本发明的另一种宽带无纵模中波红外激光光源的原理结构示意图；

图4是本发明的高分辨率光谱仪的原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***由无纵模宽带中波红外激光源1、气体吸收池2和超高分辨率的光谱仪3构成；无纵模宽带中波红外激光源1，经由光学***在空间上直接入射到气体吸收池2，并从气体吸收池2出射后入射到超高分辨率的光谱仪3后获得待测量的气体吸收光谱。

所述的宽带中波红外激光光源1为无纵模特性的宽带中波红外激光光源，光谱半高宽大于100nm、平均功率大于1毫瓦，其波段位于2.7～4.5微米。

所采用的超高分辨率光谱仪3具有超过100MHz的光谱分辨率，光谱带宽大于100nm。

如图2所示，超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***包含的一种无纵模宽光谱中波红外激光源由锁模光纤激光器4、超辐射宽光源5、二向色性分光镜6和啁啾周期的周期性畴极化掺镁铌酸锂晶体（PPMgLN）7组成。锁模光纤激光器4发射高重复频率的脉冲激光，其波长范围为1.03微米到1.10微米，其脉冲重复频率范围为10kHz到1GHz，其脉冲宽度为100fs到5ns；超辐射宽光谱光源5发射连续或脉冲的低功率宽带光谱激光，其光谱范围在1.4微米至1.80微米之间，光谱半宽度超过100nm，该宽光谱发射光源具有无纵模特性，其光谱功率密度按波长（或频率）连续分布；二向色性分光镜6是一种镀介质膜的光学反射镜，可以透射（或反射）1.03微米到1.1微米的激光，但对于1.4微米到1.8微米的激光反射（或透射）；啁啾周期的周期性畴极化掺镁铌酸锂晶体（PPMgLN）7是一种畴周期在28微米到32微米之间连续变化的、畴向交替排列的人工晶体，可以满足宽光谱波段内激光光频转换时的相位匹配关系。从锁模光纤激光器4发射的高重复频率脉冲激光，和从超辐射宽光源5发射的连续或脉冲的低功率宽带光谱激光，经过二向色性分光镜6合束后，同时进入啁啾周期的周期性畴极化掺镁铌酸锂晶体（PPMgLN）7，可以获得中波红外波段的无纵模宽光谱激光输出。调整PPMgLN晶体的啁啾参数，可以获得不同波段的激光输出。

如图3所示，超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***包含的另一种无纵模宽光谱中波红外激光源也可以仅由锁模光纤激光器4、啁啾周期的周期性畴极化掺镁铌酸锂晶体（PPMgLN）7组成。锁模光纤激光器4发射高重复频率的脉冲激光，其波长范围为1.03微米到1.10微米，其脉冲重复频率范围为10kHz到1GHz，其脉冲宽度为100fs到5ns；啁啾周期的周期性畴极化掺镁铌酸锂晶体（PPMgLN）7是一种畴周期在28微米到32微米之间连续变化的畴向交替排列的人工晶体，可以满足宽光谱波段激光光频转换时的相位匹配关系。从锁模光纤激光器4发射的高重复频率脉冲激光，进入啁啾周期的周期性畴极化掺镁铌酸锂晶体（PPMgLN）7，可以获得中波红外波段的无纵模宽光谱激光输出。调整PPMgLN晶体的啁啾参数，可以获得不同波段的激光输出。

超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***包含的一种高分辨率光谱仪，是一种具有超高光谱分辨率、能实时测量宽带中波红外光谱的新型光谱仪。该光谱仪的结构如图4所示。该光谱仪包含一个二维阵列的光电探测器9、一个平面闪耀光栅10（或凹面反射光栅）、一个虚像阵列分光器件（VIPA）11，其光谱分辨率达到1GHz以上；在需要获得更高光谱分辨率的情况下，可以在二维光谱仪之前引入一个可调谐珐波里—珀罗滤波器8。可调谐珐波里—珀罗滤波器8由外加电压控制，可以将连续的无纵模激光变成梳状激光输出，其梳状激光输出的准确波长位置由电压控制，可以随所加的电压变化而扫描。二维光谱仪结合可调谐珐波里—珀罗滤波器的结构可使得光谱仪拥有高于100MHz的光谱分辨率。

超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***包含的气体吸收池是一种常规的单通或多通气体吸收池。单通的气体吸收池结构简单，但气体吸收光路较短，适合于气体浓度较高的应用场合。多通的气体吸收池可以有效地增加气体吸收光路长度，使得微量气体的吸收可以在光谱上得到反映。

Claims (3)

1.一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***，其特征在于它由无纵模宽带中波红外激光源（1）、气体吸收池（2）和超高光谱分辨率的光谱仪（3）构成；无纵模宽带中波红外激光源（1）经由光学***在空间上直接入射到气体吸收池（2），并从气体吸收池（2）出射后入射到超高分辨率的光谱仪（3）后获得待测量的气体吸收光谱。

2.根据权利要求1所述的一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***，其特征在于所述的宽带中波红外激光光源(1)为无纵模特性的宽带中波红外激光光源；其波段位于2.7～4.5微米，光谱半高宽大于100nm。

3.根据权利要求1所述的一种超高光谱分辨率气体中波红外光谱测量***，其特征在于所采用的超高分辨率光谱仪(3)具有超过100MHz的光谱分辨率。

Images