一种飞秒激光气体吸收光谱监测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及分析检测领域。更具体地，涉及一种飞秒激光气体吸收光谱监测装置、系统及方法。

背景技术

目前关于大气污染监测的问题受到社会各界高度重视，传统的气体传感器可检测气体种类单一，需要固定在特定位置进行采样，缺乏机动性。而红外光谱测量则是当前高精度气体成分定性定量分析的主要方法，然而现有的气体吸收光谱测量技术面临着诸多挑战，例如缺乏机动性，无法满足在长距离、大范围空间内实现超高速、高光谱分辨率测量的严格要求，难以实现对特定区域内气体污染物动态空间分布的实时监测。针对无组织排放气体污染源监管、有毒有害气体实时监测及溯源等问题，研究飞秒激光气体红外吸收光谱监测技术具有重要意义。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种飞秒激光气体吸收光谱监测装置、方法。现场实时高精度有害气体浓度监测技术，特别涉及远距离、高精度定性、定量的快速、非接触式测试，从而同时监测特定区域内有害气体的种类及分布。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种飞秒激光气体吸收光谱监测装置，其特征在于，包括：第一飞秒光频梳、第二飞秒光频梳、第一光谱扩展单元、第二光谱扩展单元、发射接收模块、回射器、分光镜和数据监控单元；

所述第一光谱扩展单元，用于将第一飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第一路脉冲；

所述第二光谱扩展单元，用于将第二飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第二路脉冲，所述第一飞秒光频梳和第二飞秒光频梳的重复频率具有固定差值；

所述分光镜，用于将第一路脉冲和第二路脉冲合束；

所述发射接收模块，用于发射合束后出射脉冲光和接收回射器反射的反射脉冲光并对反射脉冲光指向进行伺服控制；

所述回射器，用于反射所述出射脉冲光至发射接收模块；

所述数据监控单元，用于采集回射器反射的反射脉冲光，根据异步光学采样方法获取气体吸收光谱。

优选地，所述第一路脉冲和第二路脉冲分别为中红外脉冲。

优选地，所述第一光谱扩展单元包括：第一二向色镜、第一透镜、第一准直器、第二准直器、第一周期极化铌酸锂晶体、第一掺铒光纤放大器和第一掺镱光纤放大器；

所述第二光谱扩展单元包括：第二二向色镜、第二透镜、第三准直器、第四准直器、第二周期极化铌酸锂晶体、第二掺铒光纤放大器和第二掺镱光纤放大器。

优选地，所述发射接收模块包括：薄膜分束器、四象限探测器、PID反馈控制单元和压控反射镜。

优选地，所述第一光谱扩展单元包括：所述第一飞秒光频梳产生的飞秒脉冲，被所述光纤耦合器分为第一路光束和第二路光束，

所述第一路光束通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤进行光谱扩展产生超连续光谱，进入掺镱光纤放大器生成1070nm光；

所述第二路通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤进行光谱扩展产生超连续光谱，生成1350～1400nm超连续光；

所述生成的1070nm光和生成的1350～1400nm超连续光，经二向色镜及透镜后入射至周期极化铌酸锂晶体产生差频，生成4500nm～4900nm的中红外脉冲。

优选地，所述第二光谱扩展单元包括：所述第二飞秒光频梳产生的飞秒脉冲，被所述光纤耦合器分为第一路光束和第二路光束，

所述第一路光束通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤进行光谱扩展产生超连续光谱，进入掺镱光纤放大器生成1070nm光；

所述第二路通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤进行光谱扩展产生超连续光谱，生成1350～1400nm超连续光；

所述生成的1070nm光和生成的1350～1400nm超连续光，经二向色镜及透镜后入射至周期极化铌酸锂晶体产生差频，生成4500nm～4900nm的中红外脉冲。

优选地，所述对反射脉冲光指向进行伺服控制，包括：

所述反射脉冲光到达薄膜分束器，一部分光束经其透射与准直器进行耦合，另一部分光束经反射被四象限探测器接收并转化为二维定向光电流，通过PID控制模块进行电流-电压转换，得到四象限探测器探测面上光斑的二维坐标信息，并与预先设置位置进行比较，进行负反馈伺服控制实时驱动压控透镜对脉冲光束指向进行调整。

一种飞秒激光气体吸收光谱监测系统，包括：走航车和根据上述所述的飞秒激光气体吸收光谱监测装置，其中

发射接收模块安装于走航车的顶部；

合束后脉冲光InF

回射器放置于走航车外接收发射模块光路方向；

数据监控单元装于走航车内，通过InF3光纤与高速光电探测器相连；所述高速光电探测器通过InF3光纤与安装于走航车外部的发射接收模块相连。

一种飞秒激光气体吸收光谱监测方法，利用上述所述的飞秒激光气体吸收光谱监测系统，包括：

设定第一飞秒光频梳和第二飞秒光频梳重复频率的固定差值；所述第一光谱扩展单元将第一飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第一路脉冲；所述第二光谱扩展将第二飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第二路脉冲，所述分光镜将第一路脉冲和第二路脉冲合束；合束后脉冲光通过所述发射接收模块，出射脉冲光经自由空间至回射器；回射器反射的反射脉冲光沿原光路方向入射至发射接收模块，所述高速光电探测器采集回射器反射的反射脉冲光，通过InF3光纤传输给所述监测单元，所述监测单元根据异步光学采样方法获取气体吸收数据，通过对气体吸收数据进行解算，获取气体吸收光谱。

本发明的有益效果如下：

本发明对近红外光频梳的光谱进行拓展，并构建可移动式监测系统能够现场实时高精度、快速和非接触式监测远距离气体浓度，同时监测特定区域内有害气体的种类及分布。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明装置结构示意图。

图2示出本发明中红外脉冲模块原理示意图。

图3示出本发明发射接收模块原理示意图。

图4示出光频梳的时频特性示意图。

图5示出异步光学采样原理示意图。

图6示出飞秒激光气体吸收光谱原理示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图1-6对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

一种中红外飞秒激光气体吸收光谱监测装置，包括：第一飞秒光频梳、第二飞秒光频梳、第一光谱扩展单元、第二光谱扩展单元、发射接收模块、回射器、分光镜和数据监控单元如图1所示；

所述第一光谱扩展单元，用于将第一飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第一路脉冲；

所述第二光谱扩展单元，用于将第二飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第二路脉冲，所述第一飞秒光频梳和第二飞秒光频梳的重复频率具有固定差值；

所述分光镜，用于将第一路脉冲和第二路脉冲合束；

所述发射接收模块，用于发射合束后出射脉冲光和接收回射器反射的反射脉冲光并对反射脉冲光指向进行伺服控制；

所述回射器，用于反射所述出射脉冲光至发射接收模块；

所述数据监控单元，用于采集回射器反射的反射脉冲光，根据异步光学采样方法获取气体吸收光谱。

本发明中红外飞秒激光气体吸收光谱监测装置，实现高速、高精度动态监测区域内多种气体中红外吸收光谱，所述两台具有重频差的飞秒光频梳输出的飞秒脉冲在时域内产生多外差干涉，将瞬态过程转化为缓变采集过程，兼具高分辨率、高灵敏度、快速遥测的特点。

优选地，所述第一路脉冲和第二路脉冲分别为中红外脉冲。

优选地，所述第一光谱扩展单元包括：第一二向色镜、第一透镜、第一准直器、第二准直器、第一周期极化铌酸锂晶体、第一掺铒光纤放大器和第一掺镱光纤放大器；

所述第二光谱扩展单元包括：第二二向色镜、第二透镜、第三准直器、第四准直器、第二周期极化铌酸锂晶体、第二掺铒光纤放大器和第二掺镱光纤放大器。

优选地，所述发射接收模块包括：薄膜分束器、四象限探测器、PID反馈控制单元和压控反射镜。

如图2所示，所述第一光谱扩展单元包括：所述第一飞秒光频梳产生的飞秒脉冲，被所述光纤耦合器分为第一路光束和第二路光束，

所述第一路光束通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤(HNLF)进行光谱扩展产生超连续光谱，进入掺镱光纤放大器生成1070nm光；

所述第二路通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤(HNLF)进行光谱扩展产生超连续光谱，生成1350～1400nm超连续光；

所述生成的1070nm光和生成的1350～1400nm超连续光，经二向色镜及透镜后入射至周期极化铌酸锂晶体产生差频，生成4500nm～4900nm的中红外脉冲。

优选地，所述第二光谱扩展单元包括：所述第二飞秒光频梳产生的飞秒脉冲，被所述光纤耦合器分为第一路光束和第二路光束，

所述第一路光束通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤进行光谱扩展产生超连续光谱，进入掺镱光纤放大器生成1070nm光；

所述第二路通过所述掺铒光纤放大器放大，进入高非线性光纤(HNLF)进行光谱扩展产生超连续光谱，生成1350～1400nm超连续光；

所述生成的1070nm光和生成的1350～1400nm超连续光，经二向色镜及透镜后入射至周期极化铌酸锂晶体产生差频，生成4500nm～4900nm的中红外脉冲。

本发明对近红外光频梳的光谱进行拓展实现了高精度监测区域内多种气体中红外吸收光谱。

如图3所示，大气湍流会造成光束的抖动，降低光束与准直器的耦合效率，从而降低接收信号的稳定性，因此对脉冲光束指向进行伺服控制，当脉冲光束到达薄膜分束器时，一部分光束经其透射与准直器进行耦合，另一部分光束经反射被四象限探测器接收并转化为二维定向光电流，通过PID控制模块进行电流-电压转换，得到四象限探测器探测面上光斑的二维坐标信息，并与预先设置位置进行比较，并进行负反馈伺服控制实时驱动压控透镜对脉冲光束指向进行调整，保证脉冲光束的耦合。

一种中红外飞秒激光气体吸收光谱监测系统，其特征在于，包括走航车和根据上述所述的中红外飞秒激光气体吸收光谱监测装置，其中

发射接收模块安装于走航车的顶部；

合束后脉冲光InF

回射器放置于走航车外接收发射模块光路方向；

数据监控单元装于走航车内，通过InF3光纤与高速光电探测器相连；所述高速光电探测器通过InF3光纤与安装于走航车外部的发射接收模块相连。本发明构建的中红外飞秒激光气体吸收光谱监测系统，机动性较强，实现远距离动态监测特定区域内多种有害气体(如N

具体的一个实施例，一种中红外飞秒激光气体吸收光谱监测方法，利用上述所述的中红外飞秒激光气体吸收光谱监测系统，

将走航车固定在检测区，回射器放置于接收发射模块的水平方向，设定第一飞秒光频梳和第二飞秒光频梳重复频率的固定差值；所述第一光谱扩展单元将第一飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第一路脉冲；所述第二光谱扩展将第二飞秒光频梳产生的飞秒脉冲生成非线性差频的第二路脉冲，所述分光镜将第一路脉冲和第二路脉冲合束；合束后脉冲光通过所述发射接收模块，出射脉冲光经自由空间至回射器；回射器反射的反射脉冲光沿原光路方向入射至发射接收模块，所述高速光电探测器采集回射器反射的反射脉冲光，通过InF3光纤传输给所述监测单元，所述监测单元根据异步光学采样方法获取气体吸收数据，通过对气体吸收数据进行解算，获取气体吸收光谱。

本发明中红外飞秒激光气体吸收光谱监测方法，实现了远距离、高速、高精度动态监测区域内多种气体中红外吸收光谱。

如图4所示，光频梳实质上是一种频率可受伺服控制的锁模激光器，时域上表现为等时间间隔T的飞秒激光脉冲序列，时域经快速傅里叶变换(FFT)后，在频域中则表现为一系列等频率间隔f

如图5所示，两台光梳重复频率分别为f

如图6所示，飞秒激光气体吸收光谱原理示意图，两台光梳重复频率分别为f

本发明对近红外光频梳的光谱进行拓展，并构建可移动式监测系统，目的在于提供一种机动性较强，可实现远距离、高速、高精度动态监测区域内多种气体中红外吸收光谱的技术。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。