[发明专利]一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统及其测量方法

权利要求书

1.一种基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括：皮秒激光光源、光学参量产生器、扩束透镜组、时间延迟线、合束光楔、贝塞尔光束产生系统、长通滤波片、分束镜、消色差物镜、第一平移台、第四透镜、CCD相机、收集透镜、带通滤波片、光谱仪、湍流产生系统和玻片；其中，基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统包括光路调整阶段和光谱采集阶段，在光路调整阶段，玻片位于消色差物镜的焦点上，在分束镜的反射方向上依次设置第四透镜和CCD相机，在光谱采集阶段，样品位于消色差物镜的焦点上；扩束透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜放置在第一平移台上；皮秒激光光源产生泵浦光，倍频后输入至光学参量产生器作为光学参量产生器的泵浦；光学参量产生器输出的闲频光为斯托克斯光，斯托克斯光的波长大于泵浦光波长；斯托克斯光经过扩束透镜组扩束至合束光楔；皮秒激光光源产生的泵浦光经过时间延迟线后与斯托克斯光在合束光楔处合束；合束后的斯托克斯光和泵浦光经过长通滤波片滤除信号光波段的成分，经分束镜透射后通过贝塞尔光束产生系统，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束变为贝塞尔光束；在光路调整阶段，斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的玻片上；经玻片反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束镜，经分束镜反射后，经第四透镜聚焦，由CCD相机接收；通过CCD相机观察泵浦光和斯托克斯光在玻片上反射后成像至CCD相机上的光斑位置，通过调节合束光楔的倾角和位置，使两个光斑重合，证明泵浦光和斯托克斯光的空间位置大致重合，再通过光谱仪观察收集到的玻片产生的四波混频信号，同时再次微调合束光楔的倾角和位置，使光谱仪收集到的信号最强，此时泵浦光和斯托克斯光在横向上空间位置完全重合；保持泵浦光不动，通过第一平移台调节第二透镜与第一透镜之间的间距，对斯托克斯光最终经过消色差物镜形成的光斑大小进行微调，直到观察到CCD相机上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片前后移动时两光斑同步变大变小，证明泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置大致重合，进一步调节玻片的前后位置，在光谱仪中获得一个最大的信号，此时重新通过第一平移台微调第二透镜的位置，直到光谱仪的信号最大，此时泵浦光和斯托克斯光在纵向上空间位置完全重合，从而泵浦光和斯托克斯光在贝塞尔区完全重叠；在光谱采集阶段，斯托克斯光和泵浦光经消色差物镜聚焦后入射到位于焦点上的样品上；通过光学参量产生器的控制器调谐其输出的斯托克斯光波长，使得泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子的振动频率，由于共振作用，样品分子将会产生拉曼相干态，样品在高能级振动态上有大的粒子数布居，此时样品再吸收泵浦光子，产生反斯托克斯拉曼信号，作为信号光，信号光的波长小于泵浦光的波长；泵浦光和斯托克斯光在样品中的贝塞尔区完全重叠，此时这泵浦光和斯托克斯光的波矢完全满足相位匹配条件，产生的反斯托克斯拉曼信号最强，并且产生的反斯托克斯拉曼信号也满足贝塞尔光束形式，因而信号光从产生到传输均为抗散射，并且适用于湍流探测；湍流产生系统模拟真实情况下的湍流，施加在样品内部；在湍流扰动的环境下产生的信号光经过收集透镜聚焦，再通过带通滤波片只保留信号光成分，而后由光谱仪收集，得到相干反斯托克斯拉曼散射光谱。

2.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述第一平移台上采用手动线性位移台，用螺旋测微计驱动。

3.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述分束镜采用薄膜分束镜，透过率超过90％，不损失产生的信号光的强度。

4.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述时间延迟线包括第二平移台以及放置在第二平移台上的四个反射镜，用于在泵浦光光路中引入光程差，调节泵浦光和斯托克斯光的相对时间延迟。

5.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，所述贝塞尔光束产生系统由角锥镜和第三透镜组成。

6.如权利要求1所述的基于贝塞尔CARS的湍流光谱测量系统，其特征在于，还包括第三平移台，样品为流体盛放在比色皿的流体内，比色皿固定放置在第三平移台上，在光路调整阶段完成后，通过第三平移台，将样品推入光路放置在消色差物镜的焦点上。