本發(fā)明涉及飛秒吸收光譜技術(shù)，具體為一種測量氣體吸收光譜的裝置及方法。
背景技術(shù)：
光譜技術(shù)是現(xiàn)代生產(chǎn)、環(huán)境保護、生物醫(yī)學(xué)及科學(xué)研究中非常重要的工具，光譜線的波長、強度和線寬反映了原子或分子豐富的信息，是人們洞察原子和分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律以及物化特性的窗口。從光譜中提取到的信息量主要依賴于測量可達到的光譜分辨和探測靈敏度。激光具有很高的亮度和單色性，與物質(zhì)相互作用將產(chǎn)生飽和吸收、雙光子和多光子吸收以及偏振效應(yīng)等各種非線性現(xiàn)象，利用這些光學(xué)現(xiàn)象可以顯著地提高光譜分辨率。飽和吸收光譜是利用激光在物質(zhì)中產(chǎn)生的飽和吸收現(xiàn)象，獲得亞多普勒寬度的光譜線，但是由于受到飽和光束強度和二階多普勒效應(yīng)存在引起的譜線加寬，它的光譜分辨率在1010左右。雙光子吸收光譜是基于雙光子吸收現(xiàn)象建立的一種應(yīng)用比較廣泛的高分辨光譜技術(shù)，光譜分辨率可以達到1017左右。偏振光譜是根據(jù)光的偏振特性的變化量獲取光譜信息，能夠消除的光譜本底噪聲，光譜的分辨率可以提高到1018。光譜技術(shù)的探測靈敏度主要受系統(tǒng)噪聲的限制，目前主要通過頻率調(diào)制和波長調(diào)制等技術(shù)，將待測樣品的信息編碼到高頻段并進行高頻探測，從而抑制系統(tǒng)中的低頻噪聲。但是它們的探測靈敏度受殘余幅度調(diào)制所引起的背景噪聲的抑制，靈敏度在10-5～10-6量級，響應(yīng)速度較慢。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的氣體吸收光譜測量技術(shù)靈敏度低、測量速度慢、多種氣體分子探測受限制的技術(shù)問題，提供一種測量氣體吸收光譜的裝置及方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種測量氣體吸收光譜的裝置，包括飛秒激光器、濾光片、第一平面反射鏡、法布里-珀羅共振腔、壓電陶瓷、樣品池、第一凸透鏡、第二凸透鏡、第二平面反射鏡、柱形透鏡、玻璃板、光柵、曲面反射鏡、電荷耦合器件、電腦和高壓電源；所述濾光片和第一平面反射鏡依次設(shè)在飛秒激光器的出射光路上；所述法布里-珀羅共振腔、樣品池、第一凸透鏡、第二凸透鏡和第二平面反射鏡依次設(shè)在第一平面反射鏡的反射光路上，所述壓電陶瓷設(shè)在法布里-珀羅共振腔的一側(cè)面上，壓電陶瓷通過同軸電纜線和高壓電源連接；所述柱形透鏡、玻璃板和光柵依次設(shè)在第二平面反射鏡的反射光路上，所述玻璃板相對于其入射光路成布儒斯特角；所述曲面反射鏡設(shè)在光柵的反射光路上，所述電荷耦合器件設(shè)在曲面反射鏡的反射光路上，所述電荷耦合器件的信號輸出端與電腦的信號輸入端過數(shù)據(jù)采集線連接。
進一步地，所述樣品池的入射窗口和出射窗口均為鍍有高增透膜的布儒斯特窗口。
一種基于上述測量氣體吸收光譜的裝置的方法，包括如下步驟：
1)飛秒激光器輸出的寬帶飛秒激光進入濾光片選擇波長，再經(jīng)第一平面反射鏡反射后進入法布里-珀羅共振腔選擇模式；
2)選擇波長和模式后的飛秒激光入射并穿過樣品池，從樣品池透射出的攜帶氣體吸收信息的飛秒激光經(jīng)過第一凸透鏡和第二凸透鏡進行擴束，擴束后的飛秒激光經(jīng)第二平面反射鏡進入柱形透鏡被整形為橢圓光束，然后進入玻璃板，在玻璃板內(nèi)多次反射，輸出攜帶氣體信息的光陣列，再經(jīng)光柵，在兩個正交方向上對光束進行分光；
3)分光后的飛秒激光經(jīng)曲面反射鏡反射后進入電荷耦合器件成像為二維點陣列，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號后輸入至電腦處理分析氣體的吸收特性。
本發(fā)明的有益效果是：
1)本發(fā)明利用寬帶飛秒激光作為光源和氣體相互作用，利用玻璃板和光柵組成的光譜分析儀將氣體吸收信號分光，通過電荷耦合器件(ccd)探測吸收信號二維陣列，實現(xiàn)寬帶、高速、靈敏的多重探測氣體吸收光譜，整個裝置可以小型化設(shè)計，攜帶方便；
2)本發(fā)明利用寬帶飛秒激光具有寬的波長范圍(500nm-1000nm)、脈寬窄(小于100fs)和頻率穩(wěn)定高的特點，可根據(jù)待測氣體需要選擇不同的濾光片，不需更換激光光源，實現(xiàn)在500nm到1000nm范圍內(nèi)研究不同氣體的分子光譜；
3)本發(fā)明通過玻璃板和光柵組合實現(xiàn)氣體吸收信號在兩個正交方向上的分光，獲取吸收信息信號二維陣列，極大地提高探測靈敏度，且探測時間短，可以實時監(jiān)測氣體成分和濃度。
4)本發(fā)明具有測量速度快、探測靈敏度高、光譜分辨率高等優(yōu)點，可以廣泛地應(yīng)用于環(huán)境保護、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)及科學(xué)研究等各個領(lǐng)域。
附圖說明
圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖中：1-飛秒激光器，2-濾光片，3-第一平面反射鏡，4-法布里-珀羅共振腔，5-壓電陶瓷，6-樣品池，7-第一凸透鏡，8-第二凸透鏡，9-第二平面反射鏡，10-柱形透鏡，11-玻璃板，12-光柵，13-曲面反射鏡，14-電荷耦合器件，15-電腦，16-高壓電源。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步說明。
如圖1所示，本實施例中的一種測量氣體吸收光譜的裝置，包括飛秒激光器1、濾光片2、第一平面反射鏡3、法布里-珀羅共振腔4、壓電陶瓷5、樣品池6、第一凸透鏡7、第二凸透鏡8、第二平面反射鏡9、柱形透鏡10、玻璃板11、光柵12、曲面反射鏡13、電荷耦合器件14、電腦15和高壓電源16；所述濾光片2和第一平面反射鏡3依次設(shè)在飛秒激光器1的出射光路上；所述法布里-珀羅共振腔4、樣品池6、第一凸透鏡7、第二凸透鏡8和第二平面反射鏡9依次設(shè)在第一平面反射鏡3的反射光路上，所述樣品池6的入射窗口和出射窗口均為鍍有高增透膜的布儒斯特窗口；所述壓電陶瓷5設(shè)在法布里-珀羅共振腔4的一側(cè)面上，壓電陶瓷5通過同軸電纜線和高壓電源16連接；所述柱形透鏡10、玻璃板11和光柵12依次設(shè)在第二平面反射鏡9的反射光路上，所述玻璃板11相對于其入射光路成布儒斯特角；所述曲面反射鏡13設(shè)在光柵12的反射光路上，所述電荷耦合器件14設(shè)在曲面反射鏡13的反射光路上，所述電荷耦合器件14的信號輸出端與電腦15的信號輸入端過數(shù)據(jù)采集線連接。
基于上述實施例中測量氣體吸收光譜的裝置的方法，包括如下步驟：
1)飛秒激光器1輸出的寬帶飛秒激光進入濾光片2選擇波長，再經(jīng)第一平面反射鏡3反射后進入法布里-珀羅共振腔4選擇模式；
2)選擇波長和模式后的飛秒激光入射并穿過樣品池6，從樣品池6透射出的攜帶氣體吸收信息的飛秒激光經(jīng)過第一凸透鏡7和第二凸透鏡8進行擴束，擴束后的飛秒激光經(jīng)第二平面反射鏡9進入柱形透鏡10被整形為橢圓光束，然后進入玻璃板11，在玻璃板11內(nèi)多次反射，輸出攜帶氣體信息的的光陣列，再經(jīng)光柵12，在兩個正交方向上對光束進行分光；
3)分光后的飛秒激光經(jīng)曲面反射鏡13反射后進入電荷耦合器件14成像為二維點陣列，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號后輸入至電腦15處理分析氣體的吸收特性。
所述玻璃板11的入射面除入射窗口區(qū)域鍍增透膜(ar)外，均鍍反射率為100％的高反膜，出射面鍍反射率為95％-98％的高反膜。
本實施例中的飛秒激光器1是德國menlosystem公司生產(chǎn)的商用化鎖模激光器。所述樣品池6是石英玻璃制做的，它的入射及出射窗口均為布儒斯特角窗口。所述第一平面反鏡3、第二平面反射鏡9和曲面反射鏡13均為鍍銀反射鏡。所述法布里-珀羅共振腔4和高壓電源16均為山西太原宇光公司生產(chǎn)。電荷耦合器件14由thorlabs公司生產(chǎn)。