多種氣體高速監(jiān)測(cè)

介紹

雙光梳光譜是一種強(qiáng)大的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際應(yīng)用。它在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、大氣研究、燃燒分析和許多其他領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過(guò)測(cè)量光分子和氣體分子之間的相互作用，光譜學(xué)提供了有關(guān)氣體成分、濃度和其他特性的寶貴見(jiàn)解。

寬帶方法，例如傅里葉變換光譜，通常用于氣體光譜。傅里葉變換光譜法利用干涉儀來(lái)測(cè)量光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。這種方法可同時(shí)捕獲整個(gè)光譜，從而可以在一次測(cè)量中分析多種氣體。

主要挑戰(zhàn)：傅里葉變換光譜法中的光學(xué)延遲掃描

傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜在實(shí)現(xiàn)高分辨率和快速更新速率方面面臨挑戰(zhàn)。光譜分辨率受干涉儀臂長(zhǎng)差異的限制，這可能需要不切實(shí)際的光延遲路徑差異。此外，傅里葉變換光譜中使用的機(jī)械掃描機(jī)制通常會(huì)在速度、靈敏度和可靠性方面帶來(lái)限制。這些限制推動(dòng)了對(duì)替代方法的需求，這些方法可以克服這些挑戰(zhàn)，并在氣體光譜應(yīng)用中提供更高的性能。

雙光梳光譜

雙電梳光譜法是一種優(yōu)異技術(shù)，它利用頻率電梳的優(yōu)異特性來(lái)實(shí)現(xiàn)具有快速更新速率的高分辨率氣體光譜。與傳統(tǒng)的光譜方法不同，雙光梳光譜不依賴(lài)于機(jī)械掃描或移動(dòng)部件。相反，它利用兩個(gè)精確控制的頻率梳來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定且相干的時(shí)間干涉圖樣，通過(guò)簡(jiǎn)單的傅里葉變換即可從中提取光譜信息。

此外，雙光梳光譜提供快速更新速率，允許實(shí)時(shí)和連續(xù)監(jiān)測(cè)氣體樣品。使用簡(jiǎn)單的光電二極管，可以快速捕獲整個(gè)氣體光譜，無(wú)需機(jī)械掃描并實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。這種快速更新速率對(duì)于實(shí)時(shí)測(cè)量至關(guān)重要的動(dòng)態(tài)氣體分析和過(guò)程控制應(yīng)用特別有價(jià)值。

由單腔雙梳激光器驅(qū)動(dòng)的THz-TDS系統(tǒng)中的光學(xué)延遲掃描參數(shù)的圖示。長(zhǎng)度為1/frep的光學(xué)延遲掃描每1/Δfrep重復(fù)一次，由兩個(gè)梳狀重復(fù)率frep的失諧Δfrep給出

使用單腔雙光梳激光器的雙光梳光譜

在雙光梳光譜學(xué)領(lǐng)域，單腔雙光梳激光器為實(shí)現(xiàn)高分辨率氣體分析提供了一種特別的方法。然而，在單腔配置中，由于兩個(gè)光梳通常是自由運(yùn)行的，它們之間的相干時(shí)間有限，這就帶來(lái)了一個(gè)常見(jiàn)的挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，主要采用兩種策略：快速測(cè)量或進(jìn)行額外的處理步驟以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期相干平均。在快速測(cè)量的情況下，必須高速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便在有限的相干時(shí)間內(nèi)捕獲所需信息。這種方法允許對(duì)氣體樣本進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，但可能會(huì)對(duì)某些應(yīng)用造成限制。

或者，在單腔雙光梳光譜學(xué)中，可以采用額外的處理步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期相干平均。一種方法是引入一個(gè)輔助連續(xù)波（cw）激光器，用于跟蹤光梳之間相對(duì)相位的變化。這個(gè)輔助激光器為相干平均提供了參考，無(wú)需外部穩(wěn)定電子設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定測(cè)量。

另一種技術(shù)是使光梳以較高的重復(fù)頻率差運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)自洽的相對(duì)光相位采樣。在這種情況下，可以在無(wú)限長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間內(nèi)獲得梳齒線(xiàn)分辨測(cè)量結(jié)果。這種方法無(wú)需穩(wěn)定電子設(shè)備，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的氣體分析。

這兩種策略都增強(qiáng)了單腔雙光梳光譜學(xué)的能力，使其能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高分辨率氣體測(cè)量。單腔雙光梳激光器無(wú)需依賴(lài)穩(wěn)定電子設(shè)備就能獲得梳齒線(xiàn)分辨測(cè)量結(jié)果，為氣體傳感和過(guò)程控制應(yīng)用提供了一種更易于實(shí)現(xiàn)且實(shí)用的解決方案。

K2 Photonics 在高分辨率傅里葉變換光譜中的優(yōu)勢(shì)

• 掃描速度快

單腔雙光梳激光器能夠以?xún)?yōu)異的更新速率進(jìn)行高分辨率測(cè)量，速度高達(dá) 100 kHz，在特殊情況下甚至接近 1 MHz。

• 精度高

雙光梳光譜提供較高的測(cè)量分辨率，能夠?qū)怏w吸收特征進(jìn)行精確采樣。使用 K2-1000 系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)出色的 1 GHz 分辨率，非常適合在環(huán)境空氣條件下進(jìn)行氣體傳感。

• 體積小

無(wú)需長(zhǎng)而復(fù)雜的機(jī)械延遲線(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了高性能傅里葉變換光譜設(shè)置的實(shí)現(xiàn)。

• 靈敏性高

鎖模固態(tài)激光器在高頻下產(chǎn)生具有超低噪聲（RIN 和定時(shí)）的激光，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、散粒噪聲受限的測(cè)量。