[发明专利]一种基于双光梳光谱技术的温度和浓度测量系统和方法

权利要求书

1.一种基于双光梳光谱技术的温度和浓度测量系统，包括两个重复频率差小于1MHz的光学频率梳、2×2光纤耦合器、光学带通滤波器、准直器、低通滤波器、光电探测器、数据采集卡、计算机；双光梳经2×2光纤耦合器耦合分束，一路作为测量光路，经过待测气体和光学带通滤波器后由光电探测器接收；一路作为参考光路，经过光学带通滤波器直接耦合到光电探测器；双光梳在光电探测器上产生的干涉信号经低通滤波器滤波后被数据采集卡采集；通过对测量光路和参考光路的干涉信号做傅里叶变换提取待测气体的吸收谱信息，利用光频梳的梳齿信息代替传统吸收光谱方法所用到的标准具提供波数信息，最后基于多色法和最小二乘法实现温度和浓度测量。

2.一种根据权利要求1所述的测量系统的基于双光梳光谱技术的温度和浓度测量方法，其特征在于温度和浓度测量时，利用双光梳激光器产生多外差干涉信号，采集包含吸收谱信息的测量光路光强数据和不包含吸收谱信息的参考光路光强数据，进行傅里叶变换获得吸收光谱，并结合光学频率梳的梳齿间隔信息，利用线型拟合的方式获得多个不同吸收谱线处的吸收面积，最后结合最小二乘方法，求得待测气体的温度和浓度；具体包括以下四个步骤：

步骤一、利用双光梳激光器产生参考光路和测量光路两路干涉信号并采集光强数据；

锁定到高稳时钟信号源的两个光频梳，其重复频率分别为f_r1、f_r2，其中f_r1f_r2，重频差f_rep＝f_r2-f_r1，通过2×2光纤耦合器111耦合后分成均等的两束，一路通过光学带通滤波器141直接耦合到光电探测器161，光电探测器161输出的电信号经低通滤波器171滤波后滤除高频激光脉冲信号得到不包含吸收谱信息的干涉信号S₁，重复频率f_rep；一路经准直器121准直，穿过待测气体131后，通过光学带通滤波器142后耦合到光电探测器162，光电探测器162输出的电信号经低通滤波器172滤波后滤除高频激光脉冲信号得到包含吸收谱信息的干涉信号S₂，重复频率f_rep；光学带通滤波器的带宽应小于f_r1²/f_rep，低通滤波器的带宽应小于f_r1/2；最后利用数据采集卡181同步采集干涉信号S₁和S₂，信号采样率为fr₁或fr₂，并上传到计算机；

步骤二、从参考光路干涉信号S₁和测量光路干涉信号S₂中提取吸收谱信息；

两个光学频率梳的光波电场是其不同纵模f_p的光波电场的叠加，位于光学带通滤波器141和142的通带范围内的电场分量表示为：

其中，E_p、f_p和分别是光学频率梳101中第p个纵模的电场强度、频率和初相位，E_q、f_q和分别是光学频率梳102中第q个纵模的电场强度、频率和初相位，t是时间，OW为光学带通滤波器141和142的通带范围，且所有满足光学带通滤波器通带范围的纵模序数p构成集合P，所有满足通带范围的纵模序数q构成集合Q，即

p∈P,q∈Q (3)

经过2×2光纤耦合器201后，耦合的双光学频率梳位于光学带通滤波器141和142的通带范围内的光波电场表示为：

不经过待测气体的激光信号经过光学带通滤波器141后被光电探测器151接收，其光强为：

干涉信号S₁经过带宽为f_r1/2的低通滤波器161滤除高频分量后，光强表示为：

同样地，通过待测气体的一路激光经过光学带通滤波器142后被光电探测器152接收，干涉信号S₂经过带宽为f_r1/2的低通滤波器162滤除高频分量后，光强表示为：

其中，α(f_p)和α(f_q)是气体分子在光频f_p和f_p处的吸收率，

f_p-f_q＝pf_r1-qf_r2+f_ceo1-f_ceo2 (8)

令

得

f_p-f_q＝pf_rep+Δpf_r2+Δf_ceo (10)

由于光学带通滤波器141和142，低通滤波器161和162的带宽限制，式(10)满足

0≤f_p-f_q＜f_r1/2,p∈P,q∈Q (11)

因此Δp为定值，从而f_p-f_q与p一一对应，决定了干涉信号S₁、S₂在射频域的频谱分量f_p-f_q与确定的纵模序数p、q一一对应，进而与确定的光学频率f_p和f_q一一对应，干涉信号S₁、S₂就是多外差干涉产生的各频率分量在时域上的加权体现；

对不包含吸收谱信息的干涉信号S₁和包含吸收谱信息的干涉信号S₂进行傅里叶变换分别得到其频谱的幅值谱信号I₁(f)、I₂(f)，f为射频范围内的频率，小于f_r1/2，其离散化后频率间隔为f_rep，

其中，δ为冲激函数，

根据吸收率的定义，光频梳发出的激光经过待测气体后的吸收率R(f)表示为：

此时得到的吸收率R(f)是随射频频率变化的，由于射频频率分量和光频频率分量的对应关系，吸收率R(f)对应为随激光波数v[cm^-1]变化的吸收率α(v)，即所覆盖光谱范围内的吸收谱；

步骤三、获取不同中心波长下的积分面积；

所选定的测量气体在波长v处的吸收率α(v)写为：

其中，P[atm]是总气压，L[cm]是吸收路径长度，X_abs(x)是被测气体的摩尔分数，S(T)[cm^-2atm^-1]是被测气体所限特征谱线的线强度，φ[cm]是线型函数，由于线型函数φ[cm]满足归一化条件对于第i条吸收谱线，吸收率α(ν_i)的积分面积为A_i[cm^-1]:

当待测区域的温度、气体浓度、压力保持一致时，式(17)写作：

吸收谱相邻离散点之间在光频上的频率间隔是精确已知的，即光频梳的重频fr₁，由频率f和波数v之间的关系f＝cv得吸收谱相邻离散点之间的波数间隔：

其中，c为光速；

由此得到吸收谱的相对波数信息，进而利用Voigt线型函数对各个谱线处的吸收峰分别进行拟合，即得到各个吸收谱线处的吸收面积A_i；

步骤四、利用多个吸收面积进行温度和浓度求解；

被测气体的吸收谱线的线强度S(T)[cm^-2atm^-1]是温度的单变量函数：

其中，h[J·s]为普朗克常数，c[cm/s]为光速，k[J/K]是玻尔兹曼常数，Q(T)是配分函数，v₀[cm^-1]为吸收峰中心处的波数，T₀[K]为参考温度，E″[cm^-1]为吸收跃迁的低能级能量；

任意两条不同吸收谱线的积分吸收率之比R是温度的函数：

推导得到：

得到各个不同吸收谱线处的吸收面积A_i后，以低能级能量E″为横坐标，ln(A/S(T₀))为纵坐标，由多个点所确定的直线的斜率即反映出路径的温度值，利用最小二乘方法拟合出的直线斜率为l_k，得到激光吸收路径上的温度：

求得激光吸收路径上的温度之后，则确定待测气体在该温度下的线强度S(T)，利用式(18)即解算出待测气体在激光吸收路径上的浓度X_abs。