[发明专利]一种红外光谱高速测量系统及方法

摘要

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。

主权项

1.一种红外光谱高速测量系统，其特征在于：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；/n光频率梳源模块，包含光源梳和本振梳，被配置为用于产生光源梳信号光和本振梳信号光；/n光源梳本振梳，被配置为用于产生待测样品的红外光谱测量所需的光源梳信号光；/n本振梳，被配置为用于产生本振梳信号光，以与光源梳信号光产生多外差拍频信号，完成待测样品的红外光谱测量；/n光学模块，包含第一准直透镜、第一分束镜、第一反射镜、第一合束镜、第二反射镜、第一中性衰减片、第一会聚透镜、样品室、第二准直透镜、第二分束镜、第二合束镜、第二中性衰减片、第二会聚透镜，被配置为用于将输入的光源梳信号光和本振梳信号光，经过包括准直、分束、合束在内的处理，产生两路多外差拍频信号光，将其中一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路多外差拍频光作为参考光不经过待测样品，并将测量光和参考光分别会聚到具备相同结构的两个独立探测链路上；/n第一准直透镜，被配置为用于进行光源梳信号光的准直，产生准直光；/n第一分束镜，被配置为用于将经准直的光源梳信号光，均分为两束相同的准直光源梳信号光；/n第一反射镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的其中一束光源梳信号光，反射到第一合束镜；/n第一合束镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的其中一束光源梳信号光，与第二分束镜均分产生的其中一束本振梳信号光合束，产生多外差拍频信号光，用作待测样品红外光谱测量的参考光；/n第二反射镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的另外一束光源梳信号光，反射到样品室，并经过待测样品后，出射到第二合束镜，从而携带待测样品的吸收谱/透过谱信息；/n第一中性衰减片，被配置为用于对第一合束镜产生的、用作参考光的多外差拍频信号光，进行光强度衰减和宽带光谱滤波，以将参考光的功率调整到探测器工作范围内；/n第一会聚透镜，被配置为用于将经过第一中性衰减片、用作参考光的多外差拍频信号光，会聚到第一探测链路的红外探测器上，以完成光电转换；/n样品室，被配置为用于放置待测样品，并允许第二反射镜反射的光源梳信号光，经过样品室后，携带待测样品的吸收谱/透过谱信息，到达第二合束镜；/n第二准直透镜，被配置为用于本振梳信号光的准直，产生准直光；/n第二分束镜，被配置为用于将经准直的本振梳信号光，均分为两束相同的准直本振梳信号光；/n第二合束镜，被配置为用于将第一分束镜均分产生的另外一束光源梳信号光，与第二分束镜均分产生的另外一束本振梳信号光合束，产生多外差拍频信号光，用作样品红外光谱测量的测量光；/n第二中性衰减片，被配置为用于对第二合束镜产生的、用作测量光的多外差拍频信号光，进行光强度衰减和宽带光谱滤波，以将测量光的功率调整到探测器工作范围内；/n第二会聚透镜，被配置为用于将经过第二中性衰减片、用作测量光的多外差拍频信号光，会聚到第二探测链路的红外探测器上，以完成光电转换；/n探测与数据采集模块，含第一探测链路和第二探测链路，被配置为用于将包含待测样品信息作为测量光和参考光的多外差拍频信号光转换为电子学数字采样数据；/n第一探测链路，被配置为用于将作为参考光的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；/n第二探测链路，被配置为用于将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光，转换为电子学数字采样数据；/n数据处理模块，被配置为将用作测量光、包含待测样品信息的多外差拍频光的电子学数字采样数据，以及作为参考光的多外差拍频光的电子学数字采样数据，分别经包括小波分析在内的处理，反演得到包含待测样品信息的测量光谱数据以及参考光谱数据，并依据郎伯-比尔定理，将测量光谱数据和参考光谱数据进行包括相除在内的处理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的信息，并进行后续处理；/n控制模块，被配置为用于控制整个光谱分析系统的工作；/n采用两个存在频差Δf的光频率梳，其中一个光频率梳作为本振梳，另一个光频率梳作为测量的光源梳；本振梳和光源梳的输出信号，经包括准直、分束、合束在内的光学元件的处理，产生两路相同的多外差拍频光，并让一路多外差拍频光作为测量光经过待测样品，另一路作为参考光多外差拍频不经过待测样品，分别进入对应的探测链路；探测链路输出的一路测量多外差拍频采样数据和一路参考多外差拍频采样数据，经包括小波变换在内的处理，反演得到包含待测样品光谱信息的测量光谱数据和参考光谱数据，然后根据郎伯-比尔定理，得到待测样品的包括吸收谱/透过谱在内的光谱信息，用于后续处理。/n