光谱分析方法和系统的利记博彩app
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及光谱分析领域，具体地涉及基于法布里佩罗量子级联激光器外差法的中红外光谱分析技术。
【背景技术】
[0002]中红外波段(3微米?30微米)是光子与许多气体分子相互作用最强的震动/旋转基态能级的波长区间。爆炸物分子(如TNT等)以及生物医学里碳氢化合物分子的特征吸收谱区较宽，对于这些大分子的中红外分析探测，需要光源的调谐覆盖范围大于50CHT1。另一方面，为了有效区分一些小分子的窄带吸收谱，又需要光源的频率分辨能力很强(频率解析度〈0.1cnT1)。因此，开发出一种既能实现宽谱覆盖，又具备高频谱分辨率，小体积，低成本，稳定可靠的中红外光谱气体分子分析技术，对于环境保护，医疗，工业排放/过程监控，防爆反恐，国家安全等方面都具有十分重要的现实意义。
[0003]傅立叶变换红外光谱分析技术(FourierTransform Infrared Spectroscopy,或FTIR)，是一种目前在化学分析，传感领域最常用的中红外光谱分析技术。FTIR的原理是基于迈克尔逊干涉原理。以宽带光源为起始，此光源含所有波长的光谱，傅里叶转换光谱就是利用此光来进行测量。光线射到了迈克尔逊干涉仪——由一定组态的镜子所构成，其中一面镜子会以马达促使其移动。当镜子移动时，光束中每个波长的光会借由干涉仪产生相干干涉，形成周期性的干涉条纹。不同的波长组分，由于样品的吸收，会有不同强度的干涉条纹，所以在每个镜子的移动时刻，光束在通过干涉仪后都会产生不同的光谱。如同先前所提，计算机处理是需要将原始的干涉数据(在每个镜位的吸光值)转变为所预期的结果(在每个波长下的吸光值)。此过程中所需的转换是一种常见的算法，称为傅立叶转换(因此命名为"傅立叶变换红外光谱")，而原始的数据也被称为〃干涉图"。
[0004]对于傅立叶变换红外光谱技术，主要存在以下缺点:
[0005]1.由于所用的光源为黑体辐射产生的非相干光，光谱强度较低。
[0006]2.由于仪器体积的限制，常用的光谱分辨率并不太高(?0.1cnT1)。因为光谱分辨率与迈克尔逊干涉仪的干涉臂长度成反比关系。若想得到更高的光谱分辨率，需要更大而笨重的仪器，限制了仪器的便携性。
[0007]3.数据获取，处理时间较长。无法实时监测快速变化的光谱信息。
[0008]4.仪器中有活动的机械部件(干涉仪镜片)，可靠性不高。
[0009]5.仪器成本非常高。
[0010]量子级联激光器(quantum cascade laser or QCL)的发明及发展,为中红外光谱分析与传感技术注入新鲜的血液。QCL是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极激光光源。通过量子阱能带设计，QCL的输出波长可以被随意设计，使其覆盖中红外波段任意气体分子的特征吸收谱线。近年来，QCL光源研究领域的快速进展，使得它具有室温下连续激射，体积小，光束质量高，寿命长等优点。这些优点，大大加速了基于中红外波段光谱分析技术的气体传感器的开发与商用化。以QCL为光源发展出了多种中红外波段的光谱分析与传感技术。这些技术摆脱了液氮制冷，大体积，寿命短，操作复杂等实验室条件的束缚，迅速走向实际应用领域。
[0011]基于QCL的光谱分析技术，一般都需要QCL的输出为单纵模，通过对单纵模在频率范围内的调谐，实现对分子吸收谱的连续扫描。目前实现单纵模输出的主要技术有两种，一种是在QCL有源区的波导顶部外延生长出一条分布反馈光栅(Distributed FeedBack或DFB)，通过空间光栅的周期耦合来选择激光器的输出波长；另一种是利用外置的光栅形成激光器增益反馈端面，法布里佩罗(Fabry-Perot或FP_) QCL激光器作为增益介质，通过调整光栅角度来选择激光器的输出波长，这种技术也被称为外腔(External Cavity，或EC_)QCL。最终对分子吸收光谱的分析，需要结合光电探测器，通过调谐以上两种QCL的输出波长，分析探测器信号，得到一定频率范围内的吸收光谱。
[0012]DFB-QCL光源具有窄线宽，体积小，可靠性高等特点，然而它的主要缺点是调谐波长有限。由于分布反馈光栅为半导体工艺制成，光栅空间周期不可调。DFB-QCL的波长最大仅可调谐1cnT1范围。无法满足对大分子宽光谱的特征分析。EC-QCL没有预先生长好的分布反馈光栅，输出波长是通过调整外腔光栅的角度来实现，因此可以更为有效的利用整个QCL的增益谱区，波长调谐范围大大增加。但是EC-QCL也具有活动的机械部件(转动光栅)，仪器可靠性较差，抗震动能力不强。另外，EC-QCL是相对复杂的光学机械系统，实现成本较高。
[0013]因此需要一种可靠性高、频率解析度高、体积小以及成本低的光谱分析技术。
【发明内容】
[0014]本发明专利针对传统的中红外光谱分析技术的缺点，提出一种能够增强光谱分析系统可靠性、提高频率解析度、降低仪器体积以及成本的光谱分析方法和系统。
[0015]根据一个发明，本发明提供了一种光谱分析方法，包括:使第一光束通过待测气体池；将通过待测气体池后的第一光束与第二光束合并成一个光束，其中第二光束的各个纵模的频率与第一光束的相应的各个纵模的频率接近，且第二光束的纵模间距与第一光束的纵模间距不同，以使得第二光束的各个纵模与第一光束的相应的频率接近的各个纵模之间能够产生至少一个差频信号；通过光电转换将所述合并的光束转换成电信号；以及分析所述电信号的电频谱，以通过所述差频信号的电频谱获得待测气体的吸收光谱信息。
[0016]根据一个发明，本发明提供了一种光谱分析系统，包括:两个法布里佩罗量子级联激光器，分别发出第一光束和第二光束，其中第二光束的各个纵模的频率与第一光束的相应的各个纵模的频率接近，且第二光束的纵模间距与第一光束的纵模间距不同，以使得第二光束的各个纵模与第一光束的相应的频率接近的各个纵模之间产生至少一个差频信号；待测气体池，所述第一光束通过该待测气体池；第一透镜组件，将通过待测气体池后的第一光束与第二光束合并成一个光束；光电探测器，将所述合并的光束转换成电信号；以及电频谱分析仪，分析所述电信号的电频谱，以通过所述差频信号的电频谱获得待测气体的吸收光谱信息。
【附图说明】
[0017]通过下面的结合附图对本发明进行的详细说明，可以更全面地理解本发明，其中:
[0018]图1示出了本发明的原理图；
[0019]图2示出了根据一个实施例的实现本发明的系统图；
[0020]图3示出了根据一个实施例的通过光谱仪和电谱分析仪得到的激光器的输出光束的光谱图以及差频信号电谱图；
[0021]图4示出了根据一个实施例的通过光谱仪和电谱分析仪对氨气(NH3)进行分析得到的结果图；
[0022]图5示出了根据一个实施例的对一氧化二氮(N2O)分子的吸收谱进行分析的结果图；以及
[0023]图6示出了根据一个实施例的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]现在将对本发明的特定实施例详细做出参考。在附图中示出了这些特定实施例的示例。虽然结合这些特定实施例描述本发明，但是应当理解，不预期将本发明限制到描述的实施例。相反地，意图涵盖可以被包括在如附加权利要求书所定义的本发明的精神和范围之内的替换、修改和变化。在下面说明书中，阐述细节以便提供对本发明的更彻底的理解。在没有某些或所有这些细节的情况下可以实践本发明。此外，公知的特征可以不被详细描述以避免不必要地模糊本发明。
[0025]首先参考图1说明本发明的基本原理。
[0026]选取两只普通的FP-QCL和一只中红外光电探测器，所述中红外光电探测器优选是宽带的。
[0027]在选用FP-QCL光源时，优选地选择两只FP-QCL均为多纵模输出，且FP-QCL的输出波长尽量重叠，例如可以是在一个晶片上相邻的两只芯片。但两只激光器的纵模间距或自由谱区(Free Spectral Range or FSR)要有一定的差异。这可以通过使得两个激光器的波导脊宽和激光器腔长中的至少一个不同来实现。
[0028]如图1所示，一个激光器的自由谱区宽度为FSR1，另一个为FSR2，二者之差为Af=FSR2-FSR10当两路激光的输出光合束并入射到一个光电探测器上时，由于外差原理，每一对纵模信号会产生一个差频(拍频)信号，而每一对纵模所产生的差频信号频率，都会由于他们FSR的微小差别，处于不同的电频率范围。如图1所示，这一系列的差频信号的频率间隔就是两只激光器的自由谱区之差Af。每一个差频信号均携带有对应的一对纵模在光频率上的幅度以及相位信息，通过电频谱仪对光电探测器在电频域内的分析，即可复原光频域内的气体吸收光谱信息。
[0029]由于本技术所采用的FP-QCL是没有经过任何复杂工艺，直接由晶片上切割得到的，而FP-QCL的多模特性决定了其在中红外波段本来就覆盖一定的频率范围，因此理论上来讲，只要光电探测器的带宽能够收集所有的外差频率信号，这一技术可以复原FP-QCL的整个输出波长范围内的光谱信息。
[0030]下面描述利用一对FP-QCL光源和一个1.2GHz带宽的締镉萊探测器为例实现的实施例。但是，本领域技术人员应当清楚地理解，碲镉汞探测器的带宽可以为任意的，例如小于1.2GHz或大于1.2GHz，只要大于两个激光器的纵模间距之差即可。
[0031]如图2所示，两只同一个晶片上取得的1.23mm长的FP-QCL被固定在一个散热器上，例如铜质热沉上，热沉的温度被温度控制单元，例如半导体制冷器精确控制在1.25 V。一个FP-QCL的波导脊宽为3 μ m,另一个脊宽为5 μ m。不同的脊宽会形成稍有差异的FSR。这里的具体数值均为示例，本领域技术人员可以容易地想到其他实施方式，例如一个FP-QCL的波导脊宽为4 μ m，另一个脊宽为6 μ m，只要两个激光器的纵模间距之差小于探测器的带宽即可。两只QCL的输出波长都处在约8.4μπι范围内。它们的偏置电流由两只不同的激光器电流源(WavelengthElectronics QCL500 / 1000)独立驱动，因此可以独立控制任意一个激光器的输出波长。
[0032]由于两个激光器位置的不同，它们的输出光通过透镜组件，例如一只锗透镜，准直后，会在空间上分离。通过反射镜调整，可以使一路作为信号光去通过气体样品池形成光谱吸收。另一路不形成任何光谱吸收，因此作为本振参考光。当两路光重新通合束后，通过另一个透镜组件将其聚焦在一个带宽为1.2GHz的碲镉汞光探测器(VIGO systemPV1-3TE-10.6/VPAC-1000F)上。光探测器的输出信号在一台