[发明专利]基于时频映射对乙炔燃烧过程的高精度超快探测

说明书

本发明公开了一种基于时频映射对乙炔燃烧过程的高精度超快探测方法，包括时域拉伸、时频映射和动态燃烧探测三个部分，利用单光学频率梳作为光源，经过色散元件和马赫曾德干涉仪后形成多种振荡频率的展宽脉冲，最终在示波器的单个脉冲周期内实现对乙炔气体动态燃烧过程的高精度探测，并通过时频映射曲线在频域中获得解析，有效解决了以往对快速高精度采集系统和双光梳光源高稳定性和互相干性等高要求问题。

技术领域

本发明属于气体检测领域，具体涉及一种基于时频映射对乙炔燃烧过程的高精度超快探测方法。

技术背景

超快光谱学是理解物质组成、分子演化和动力学的重要工具，不仅在物理、化学和生物医学等基础科学领域有着重要的作用，而且在气体追踪和泄漏预警等应用领域也扮演着重要的角色，近年来，光学频率梳凭借其超短的脉冲宽度、超快的重复频率和超高的峰值功率等优异特性不断成为了研究人员的焦点，也为超快光谱学测量提供了新的技术手段，例如以光频梳作为光源的腔衰荡技术、傅里叶变换法和多外差测量等，但往往受限于高精度的采集系统和双光梳光源的高稳定性和互相干性，因此为了解决上述有关探测采集、光源等问题，提出了一种基于时频映射对乙炔燃烧过程的高精度超快探测方法，利用单光学频率梳的高重复性和色散补偿光纤的时域拉伸特性，实现对瞬态现象的记录与解析。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的问题，提供一种基于时频映射对乙炔燃烧过程的高精度超快探测方法。利用单学光频率梳作为光源，避免了对双光频梳重复频率与偏移频率锁定的高要求，并且光频梳的高重复性可使探测速率达到纳秒级，利用色散补偿光纤对超短脉冲进行时域拉伸，周期的展宽降低了对光电探测器和示波器采集、分辨的需求，使解析记录在超短时间内的瞬态现象成为了可能，利用含有多种振荡频率的脉冲寻找时频映射曲线，实现了高精度测量。

本发明所采用的技术方案是：基于时频映射对乙炔燃烧过程的高精度超快探测，包括：

时域拉伸模块，所述时域拉伸模块用于将单光学频率梳发出飞秒脉冲展宽至纳秒级，包括光学频率梳、可调谐滤波器、色散补偿光纤和功率放大器；

时频映射模块，所述时频映射模块用于形成多种振荡频率的干涉条纹，寻找时频映射曲线，包括分束器、衰减器、电动光纤延时线和耦合器；

动态燃烧探测模块，所述动态燃烧探测模块用于得到乙炔气体燃烧的瞬态现象，包括整形器、乙炔-氧气燃烧池、光谱仪、光电探测器和示波器；

所述时域拉伸模块中光学频率梳依次与可调谐滤波器、色散补偿光纤和功率放大器连接，得到展宽脉冲，所述展宽脉冲进入时频映射模块，经分束器分为两路，一路经衰减器，一路经电动光纤延时线，在耦合器中合束得到探测光，所述探测光进入动态燃烧探测模块，经整形器和乙炔-氧气燃烧池后，先传入光谱仪得到频谱信息，后将光谱仪替换为光电探测器和示波器得到动态燃烧信息。

进一步地，所述色散补偿光纤将光学频率梳发出的飞秒脉冲展宽至重复周期，在一个周期内完整地记录乙炔气体燃烧的瞬态现象，从而实现了纳秒级的超快探测，并且降低了光电探测器和示波器采集分辨能力的需求。

进一步地，所述色散补偿光纤可以建模为线性时不变系统，将不同阶数的色散看做子系统，整体的传递函数即为各子系统传递函数的乘积：

其中β_n是n阶色散的模式传播函数，w是光脉冲的中心频率，L是色散补偿光纤的长度。

所述色散补偿光纤仅存在一阶色散和二阶色散时，频域和时域上的的输出分别为：

A₁(w)＝H1(w)A₀(w)          (2)