一种基于时间分辨光频梳的大气吸收光谱测量系统及方法与流程

本发明涉及大气光谱测量技术和光频梳的产生技术，特别涉及一种基于时间分辨光频梳的大气吸收光谱测量系统及方法。

背景技术：

光频梳可以产生频率等间隔的激光输出，其高光谱分辨率的特性使其在气体探测领域有着重要的应用。然而现有的光频梳都是在锁模或连续条件下运行的，并且梳齿都是同时产生的，这使得梳齿在时域中不可区分。为了分辨梳齿，一种方法是在接收器中引入高度色散的元件或精细波长调谐装置，例如虚拟成像相控阵列、扫描f-p腔和高分辨率干涉仪，在光谱维度实现梳齿的分辨；另一种方案则是利用两个相干光频梳构成“双梳光谱”，通过分析探测光和参考光的拍频信号，再通过研究拍频的微波信号间接获得待测信号的光谱。这些方案虽然在一定程度上解决了梳齿的分辨问题，但是增加了系统的复杂度和能量损耗，也不能直观的得到结果。而基于光学频移回路产生的光频梳则是通过可调谐连续激光器作为种子激光，经过频移回路产生能量不一的梳齿，再通过光学滤波器滤波得到相对平坦的光频梳，虽然在一定程度上解决了上述问题，但是其光谱分辨率在100ghz，可以适用于液体及固体的光谱分析，但是大多数气相分子的吸收线宽在几ghz范围内，因此其不适用于高精度的气体光谱学；此外，这种光频梳在时间上所有梳齿均为连续输出，无法实现时间分辨。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于时间分辨光频梳的大气吸收光谱测量系统及方法，解决了现有光频梳梳齿直接同时产生而不能时间分辨、光谱分辨率不高和结果需要复杂计算的问题，可以通过简单的系统设置产生不同参数的光频梳，再通过激光非线性变换调整其频域范围，从而将光频梳应用于大气光谱测量，并且可以在时域上直接显示气体吸收谱。

本发明系统如图1所示，包括稳频分布反馈式激光二极管1、强度调制器2、3db保偏光纤耦合器3、保偏环形器4、光纤延迟线5、法拉第旋转镜6、掺铒保偏光纤放大器7、密集波分复用滤波器8、保偏频移器9、20db保偏光纤耦合器10、光电探测器11、频移器驱动控制系统12、掺铒保偏光纤放大器13、非线性变换晶体14、二向色镜15、挡板16、楔形采样器17、发射望远镜19、接收望远镜22、光电探测器23，计算机24；其中稳频分布反馈式激光二极管1作为种子激光，由保偏光纤耦合输出至强度调制器2调制成周期性脉冲，经保偏光纤传输至3db保偏光纤耦合器3，从而进入频移回路；频移回路中，激光从3db保偏光纤耦合器3输出至保偏环形器4，再注入长度可变的光纤延迟线5，其末端连接法拉第旋转镜6反射激光，之后，再经光纤延迟线5回到保偏环形器4，注入与保偏环形器4正交连接的掺铒光纤放大器7以保偏，再经密集波分复用滤波器8滤除杂光之后将脉冲导入保偏频移器9，与3db保偏光纤耦合器3连接形成完整回路，经多次循环之后输出光频梳；光频梳输出通过保偏光纤耦合输出至20db保偏光纤耦合器10，分出1％的输出光由光电探测器11采集作为反馈信号，调节频移器驱动控制系统12的驱动，以输出平坦的光频梳；20db保偏光纤耦合器10的主要输出耦合至掺铒保偏光纤激光放大器13，激光放大后输出至自由空间，聚焦在非线性晶体14中，通过二向色镜15后滤去基频光，由挡板16挡住，再插入楔形采样器17以对1％的二次谐波进行采样用于脉冲能量参考，其主要能量作为探测光经过发射望远镜19与远处待测大气20作用后，被硬目标21反射，由接收望远镜22收集反射信号，再由光电探测器23采集，经过计算机24采集比较探测信号与参考信号之后绘制气体吸收谱。

所述频移回路中，光纤延迟线(5)光纤长度应在0.1km-10km之间；

所述稳频连续分布反馈式激光二极管1输出连续光并由保偏光纤耦合输出；

所述系统中，强度调制器2可以是声光调制器、电光调制器和机械开关调制器。

该一种基于时间分辨光频梳的大气吸收光谱测量系统及方法的步骤如下：

1、时间分辨光频梳的产生

稳频分布反馈式激光二极管1作为种子激光，通过保偏光纤耦合并输出至强度调制器2，将种子激光调制成周期性脉冲输出，然后将其注入3db保偏光纤耦合器3，其脉冲能量的一半作为初始梳齿，另一半进入光学频移回路；回路中，先将激光通过保偏光纤耦合再注入保偏环形器4，然后进入长度可变的光纤延迟线5，使得脉冲在时间上产生延迟，由此实现时间分辨，再经法拉第旋转镜6反射，补偿在光纤延迟线5中造成的偏振退化，但是激光脉冲回到光纤延迟线5，再经保偏环形器4后会形成90°的偏振方向改变，所以保偏环形器4与保偏光纤放大器7正交连接以维持原有偏振，激光再注入密集波分复用滤波器8滤除杂光，然后通过保偏光纤耦合并输出至保偏频移器9，使其频率产生偏移，最后回到3db保偏光纤耦合器3，释放一半脉冲能量，剩余脉冲能量再经回路的时间延迟、放大、滤波和频移程序，多次循环之后形成频率梳齿，经3db保偏光纤耦合器3插入初始梳齿，构成光频梳；

2、光频梳梳齿高度调整

在回路产生了最后一个梳齿之后，关闭保偏频移器9以阻挡不需的后续梳齿，同时强度调制器2释放另一个初始梳齿以重新开始新一轮的光频梳生成过程；而由于每个梳齿的增益和损耗系数不同，输出脉冲能量在第一个周期中也不同，所以需将光频梳再经保偏光纤耦合并输出至20db保偏光纤耦合器10，将一部分光经过光电探测器11作为反馈信号，通过频移器驱动控制系统12调节保偏频移器8的时序驱动以及保偏光纤放大器7的放大功率，使得每个周期中的脉冲能量基本相同，得到平坦的光频梳，以便进行稳定的功率放大；

3、激光功率放大及非线性变换

将输出的光频梳注入保偏光纤放大器13中进行功率放大，输出至自由空间，然后聚焦至非线性晶体14，将光频梳变换至与所需探测大气相对应的频段，再通过二向色镜15滤去基频光，由挡板16遮挡；

4、大气吸收光谱测量

经过光学变换的光频梳通过楔形采样器17反射一部分光由光电探测器18采集作为脉冲能量参考信号，剩余能量由发射望远镜19发射向待测大气20，通过硬目标21的反射，由接收望远镜22收集反射信号，再由光电探测器23采集，最后经过计算机24分析比较参考信号与探测信号，即可直接得到时域上的气体吸收谱。

本发明基于时间分辨的光频梳实现了在时域上对大气光谱的精密测量，该方法通过在频移回路中增加光纤延迟线实现了光频梳的时间分辨，其原理是频移回路中不同梳齿经过延迟线形成了传播时间延迟，从而在时域上对梳齿进行分离；通过调整强度调制器2和保偏频移器9还可以方便的调整光频梳的梳齿周期和梳齿间隔，即覆盖带宽和光谱分辨率；整个过程使用保偏设置，输出线偏脉冲光频梳，可以方便的进行非线性变换，以应用于不同谱段的大气光谱测量，并在时域上快速得到大气吸收谱，再通过反演可以得到相应气体积分路径上的浓度、温度和压强等参数。

本发明的目的是提供一种基于时间分辨光频梳的大气光谱测量系统及方法，可以应用于不同的大气吸收谱测量，该发明的有益之处在于：

1)实现了光频梳梳齿的时间分辨；

2)提高了光频梳的分辨率，并且可以通过不同的设置实现不同分辨率的要求；

3)通过激光的非线性变换，可以对不同的大气光谱进行测量；

4)实现了基于光频梳的大气吸收谱的直接时域测量。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和一个氧气a带光谱测量实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明中所采用的主要器件描述如下：

1、种子激光1：为fitel公司，型号为frl-15dcwd-a81-19600-c的稳频分布反馈式激光二极管，其中心波长1529.55nm，线宽小于1mhz，由芯经9μm的保偏光纤耦合输出。

2、保偏光纤耦合器3、10：为ruik公司生产，型号分别为pmfc-1529-25041100和pmfc-1529-10141100。

3、光纤延迟线：保偏光纤环形器4，为ruik公司生产，型号为pmcir-1529-pb00-010；光纤延迟线5，长度为2km的普通单模光纤(smf28-e)；法拉第旋转镜6，ruik公司的frm-1529，可以补偿普通光纤的偏振退化，但是会在激光返回保偏环形器4时引入90°的偏振方向改变。

4、密集波分复用滤波器8：为ruik公司生产，型号为pmdwdm-60-21100，使用的是c60通道，通道宽度100ghz。

5、非线性晶体14：为定制的多通道周期性极化氧化镁掺杂的铌酸锂(ppmgln)倍频晶体，尺寸为15(l)×12(w)×1(t)mm³。

6、大气光谱测量：光电探测器10、18和23均为thorlabs公司生产，型号分别为det08c/m和det36a/m，探测波长分别对应于800-1700nm和350-1100nm；二向色镜选用thorlabs公司的dmsp950，截止波长950nm；楔形采样器选择throlabs公司的bsf2550分束板；

7、其他器件为自制器件。强度调制器2和保偏频移器9使用的是声光调制器，其驱动控制系统12主要部件为任意波形发生器(awg7122c,tektronix)；掺铒光纤激光放大器7和13由976nm的单模激光二极管泵浦，其增益光纤(pm-esf-7/125,neufern)长度为50cm；发射望远镜19为5mm口径的扩束准直镜，接收望远镜22为150mm口径的望远镜。

本发明方法示意图如图1所示。具体情况描述如下：

1、时间分辨的光频梳的产生

稳频分布反馈式激光二极管1作为种子激光，通过保偏光纤耦合并输出至强度调制器2，将种子激光调制成周期性脉冲输出，然后将其注入3db保偏光纤耦合器3，进入频移回路中，先将激光通过保偏光纤耦合再注入保偏环形器4，然后进入光纤延迟线5，再经法拉第旋转镜6反射，激光脉冲回到光纤延迟线5，再经保偏环形器4进入掺铒保偏光纤放大器7，保偏环形器4与掺铒保偏光纤放大器7正交连接以维持原有偏振，激光再注入密集波分复用滤波器8滤除杂光，然后通过保偏光纤耦合并输出至保偏频移器9，使其频率产生偏移，最后回到3db保偏光纤耦合器3，释放一半脉冲能量，剩余脉冲能量再经回路的时间延迟、放大、滤波和频移程序，多次循环之后形成频率梳齿，经3db保偏光纤耦合器3插入初始梳齿，构成光频梳；

2、光频梳梳齿高度调整

将光频梳输出经保偏光纤耦合进20db光纤耦合器10，将1％的光经过光电探测器11作为反馈信号，通过频移器驱动控制系统12调节保偏频移器8的时序驱动以及光纤放大器7的放大功率，使得每个周期中的脉冲能量基本相同；

3、激光功率放大及非线性变换

将光频梳通过保偏光纤耦合进掺铒保偏光纤放大器13中进行功率放大，输出至自由空间，然后聚焦至ppmgln晶体14中，再通过二向色镜15滤去基频光，得到波长位于764.75nm附近的倍频光频梳，最大平均功率151mw，同时，其梳齿间距和总带宽也经倍频过程加倍，即具有80个梳齿，覆盖带宽32ghz，频率间隔400mhz；；

4、大气吸收光谱测量。

经过光学变换的光频梳通过楔形采样器17反射1％光由光电探测器18采集作为脉冲能量参考信号，剩余能量由发射望远镜19发射向待测大气20，通过硬目标21的反射，由接收望远镜22收集反射信号，再由光电探测器23采集，最后经过计算机24分析比较参考信号与探测信号，即可直接得到时域上的气体吸收谱。

综上所述，该系统可以对氧气a带吸收谱进行高精度的测量。又因为本发明产生的光频梳参数易调，激光非线性变换可行，所以还可以很方便的通过不同的频域设置测量其它大气光谱。