[发明专利]一种红外光谱高速测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种红外光谱高速测量系统及方法，属于红外光谱分析领域，该测量系统包括光频率梳源模块、光学模块、探测与数据采集模块、数据处理模块和控制模块。本发明具备非常宽的光谱测量范围，同时兼顾了测量时间和光谱分辨率，可满足时间分辨率光谱分析的应用需求；可通过更换为太赫兹工作波段的光频率梳源、光路器件、探测器等，实现太赫兹波段的时间分辨光谱测量；无需运动部件或调谐处理等手段实现光谱分光，直接采用双频率梳拍频方式的光学光谱扫描方式，单次即可获取全波段的超高分辨率光谱信息，天生具备超高测量速度的优势，采用本发明技术的光谱分析系统的测量速度，主要受到电子学探测链路等的影响。

技术领域

本发明属于红外光谱分析领域，具体涉及一种红外光谱高速测量系统及方法。

背景技术

红外光谱又称分子振动光谱，属于分子吸收光谱。当一束连续波长的红外光照射物质时，物质会吸收一部分光能来实现自己转动或振动能级的跃迁，不同的基团，跃迁需要的能量不同，所以被吸收的波段通过一定的手段记录下来，得到红外光谱，通过与标准谱图比较，通过官能团与波长的一一对应关系，可实现物质的定量与定性分析，如用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法等。

超高速红外光谱测量技术，又称时间分辨率光谱测量，是在传统光谱学的基础上由光脉冲技术和微弱、瞬变光信号检测方法相结合而发展起来的一个新兴领域。时间分辨光谱的基本任务是实时检测分子在某些物理、化学过程或特定的生命活动中所呈现的瞬间结构、状态及其运动变化的微观步骤，从而在分子水平上揭示相关物质体系的各种物理性能、化学行为以及生命现象的奥秘，进而为寻求调节或控制这些分子过程的有效途径提供科学启示和实验依据。它能够在微秒至毫秒，或更短的时间范围内，完成一次红外光谱测量。通过记录到的光谱随时间的变化，了解在瞬时过程中的发生的事件和过程，从而得到普通光谱(积分光谱)中无法得到的信息。它是一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱，主要用于满足化学、生物、集成芯片材料、特种功能新材料等领域的瞬变态过程及瞬变产物研究。

现有的超高红外光谱测量技术，大致可分为三类：可调谐红外激光测量技术、色散红外测量技术、傅里叶变换红外光谱测量技术。色散红外测量技术需要通过多次重复测量，才能得到包含不同波长的系列测量数据。该技术很难兼顾测量时间和光谱分辨率；可调谐红外激光测量技术，随着可调谐激光器技术的发展，可实现5μm～10μm波段的测量，并且与傅里叶和色散测量技术相比，具备更高的信噪比。测量特定波长数据，采用该技术优势明显。该技术也存在难以兼顾测量时间和光谱分辨率的问题；目前使用较多的是从20世纪70年代开展研究，到80年代才付诸实际应用的时间分辨率傅里叶变换红外光谱技术。目前投入使用的大概可以分为三类：第一类是采用传统的傅里叶变换红外光谱测量技术，可实现秒级的测量速度，只能满足很少的应用需求；第二类是采用快速扫描技术的傅里叶变换红外光谱测量技术，可实现最快毫秒量级的测量速度。第三类是采用步进扫描技术的傅里叶变换红外光谱测量技术，通过不断重复试验过程，通过非常多次的重复测量重构干涉图，测量过程十分繁琐复杂，极易引入各种测量缺陷，测量可靠性比较差，目前，交流耦合的傅里叶变换红外光谱测量技术可实现最快10纳秒的时间分辨率，直流耦合的傅里叶变换红外光谱测量技术可实现最快3微秒的时间分辨率，采用此种技术时，光谱分辨率降低很多。但受其工作原理和光源的限制，傅里叶变换中红外光谱仪存在时间分辨率低、高光谱分辨率时信噪比低、测量过程繁琐且极易出错等缺点。这极大的限制了中外光谱仪在反应动力学、光催化、蛋白质折叠等学科的应用。如采用步进扫描方式，实现超高速红外光谱测试时，光谱分辨率只有16cm^-1或更低，难以达到低速测量时的0.4cm^-1以及0.15cm^-1的光谱分辨率，这就限制了很多研究工作的开展。

因此，现有超高红外光谱测量技术存在难以兼顾测量时间和光谱分辨率、测量范围受限、测量信噪比低等问题，这就限制了化学、生物、集成芯片材料、特种功能新材料等领域的瞬变态过程及瞬变产物等领域研究工作的开展。

发明内容