本發(fā)明一般涉及將寬帶聲學諧振腔和光學諧振腔結(jié)合到光聲光譜中，以實現(xiàn)對多組分濃度的高靈敏度、定量且快速的測量。特別地，公開了一種使用雙光梳作為泵浦光的可同時放大聲波和光波強度的裝置。

背景技術：

1、光聲光譜(pas)得益于其高選擇性和高靈敏度成為氣體傳感中應用最廣泛的光譜技術之一。pas檢測的是吸收光子后，由被激發(fā)分子的非輻射碰撞弛豫在氣體介質(zhì)中引起的聲波幅值，而不是使用基于光電探測器的直接吸收光譜來直接檢測因氣體吸收誘發(fā)的激光強度衰減。pas中使用的代表性的聲換能器包括麥克風、石英音叉和懸臂梁。為了增強pas的靈敏度，使用聲學諧振腔來放大在氣體介質(zhì)中生成的微弱聲波。

2、傳統(tǒng)上，聲學諧振腔被設計成具有高品質(zhì)因子，從而在其單個諧振基頻處實現(xiàn)最大的聲學增強和最窄的帶寬。因此，聲學諧振腔通常配置有單頻激光器，以便僅檢測一個或兩個氣體組分。由于pas信號的幅值與激光器功率成比例，美國專利第7263871號公開了一種集成了法布里-珀羅(f-p)光學諧振腔以放大單頻激光器的功率的方法[1]。

3、對于基于pas的多組分檢測，已經(jīng)證明光頻梳是生成一系列聲波的理想泵浦源[2]。然而，光頻梳的寬帶特性受到聲換能器/諧振器的窄帶寬限制，該窄帶寬范圍包括幾赫茲到幾十赫茲[3]。因此，超出諧振范圍的聲波被顯著衰減。

4、鑒于這些約束，歐洲專利第3?865?851號公開了一種光聲雙光梳光譜儀，并且重復頻率的差異需要匹配聲波探測器的窄帶寬[4]。除了窄諧振帶寬外，光頻梳齒的低功率是提高pas靈敏度的另一個限制因素[5]。

5、因此，將寬帶光學諧振腔和聲學諧振腔組合起來以克服多組分高靈敏度pas檢測的局限性的需求變得非常迫切。f-p光學諧振腔在其諧振點處累積光子，這些諧振點對應于一系列由自由光譜范圍(fsr)分隔的光頻率。當光學諧振腔的重復頻率等于其fsr的整數(shù)倍時，光學諧振腔用作光頻梳的優(yōu)良光放大器。美國專利第7538881號描述了一種將單頻梳與光學諧振腔耦合的方法[6]。然而，對于基于雙光梳光譜(dcs)的光聲檢測，必須將重復頻率稍有不同的兩個光頻梳同時耦合到光學諧振腔中。然而，缺乏雙光梳-光學諧振腔的。

6、作為對這一挑戰(zhàn)的響應，寬帶聲學諧振腔和光學諧振腔增強雙光梳技術的結(jié)合為基于寬帶光聲放大方法的高靈敏多組分檢測提供了現(xiàn)實可行的解決方案。

7、自二十年前的第一次演示[1-4]以來，dcs經(jīng)歷了實質(zhì)性的演變，隨后作為一種強大的工具出現(xiàn)在各種領域，例如光譜學和顯微鏡學[5-9]、精密計量學[10,11]、光譜激光雷達[12,13]、環(huán)境監(jiān)測[14,15]以及高光譜全息和成像[16,17]。值得注意的是，dcs在現(xiàn)代高精度和寬帶分子光譜學中起著關鍵作用，在不使用任何移動部件的情況下能夠快速執(zhí)行傅立葉變換光譜學。

8、在該方法中，一個光頻梳穿過待分析的氣體樣本，并且在光電探測器上與第二個具有略微不同重復頻率的光頻梳發(fā)生拍頻。梳齒對之間的多外差拍頻生成干涉測量信號，該干涉測量信號可由射頻(rf)電子設備獲取，并且可進行傅立葉變換以揭示樣品的頻譜。值得注意的是，dcs能夠充分利用不同類型梳狀源的頻率分辨率和精度、寬帶寬和高重復頻率，實現(xiàn)高速、超高分辨率的寬帶光譜測量[6,7,18-22]。

9、傳統(tǒng)dcs通過使用快速光電探測器精確測量透射的梳狀光強度來實現(xiàn)。然而，從大背景信號中準確地提取吸收光譜是一項非同小可的任務，尤其是對于弱吸光度而言。與直接吸收測量相反，dcs也可以結(jié)合各種光譜技術，諸如光聲檢測和光熱檢測[23-25]。這些間接的吸收測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)無背景的分子光譜檢測，其中只有被氣體介質(zhì)吸收的梳齒才能產(chǎn)生光聲/熱多外差拍頻信號。

10、例如，pas通常使用麥克風檢測聲波，該聲波是由分子吸收調(diào)制光后的非輻射碰撞弛豫產(chǎn)生的。sadiek等人報告了首次使用光頻梳進行pas測量，并實現(xiàn)了使用傅立葉變換光譜儀(fts)來調(diào)制光頻梳的強度[26]。為了消除fts中對機械部件的需求，最近開發(fā)了用于測量氣態(tài)乙炔(c2h2)[23]和聚合物膜[24]的光聲dcs。然而，必須注意的是，在這些概念驗證實驗中，檢測靈敏度仍然是一個問題。具體地，在1000s的記錄時間內(nèi)，c2h2檢測的最小檢測限(mdl)達到了10ppm[23]。

11、通過將麥克風替換為具有高品質(zhì)因子的石英音叉(qtf)，開發(fā)了基于qtf的光聲dcs，從而將mdl提高到8.3ppb?c2h2[27]。然而，所生成的rf梳齒位于qtf的極窄諧振帶寬(幾hz)內(nèi)，顯著限制了檢測帶寬。因此，由于缺乏用于激勵光聲效應的高功率光頻梳光源和用于有效放大所有產(chǎn)生的聲波的寬帶聲學諧振腔，光聲dcs的高靈敏度和寬帶寬測量的能力受到阻礙。

技術實現(xiàn)思路

1、本主題發(fā)明實施例涉及一種將寬帶聲學諧振腔和光學諧振腔結(jié)合到光聲光譜學中用于高靈敏度、定量且快速地測量多種組分的濃度的系統(tǒng)和方法。

2、根據(jù)本主題發(fā)明實施例，一種用于高靈敏度多組分檢測的寬帶放大光聲光譜系統(tǒng)包括：光源，用于生成波長覆蓋目標氣態(tài)待測樣品的吸收線的光束；控制器，用于控制該光束的波長和功率；聲學諧振腔，用于形成聲學駐波以放大聲波信號；聲換能器，用于檢測所生成的聲波；加法電路，用于將來自該聲換能器的電信號相加；光學諧振腔，用于增強該光束的功率；氣室，用于提供絕對頻率標準；第一鎖定環(huán)路，用于通過參考分子吸收線穩(wěn)定光源的絕對波長；第二鎖定環(huán)路，用于通過參考所穩(wěn)定的光源來穩(wěn)定該光學諧振腔的縱模；第三鎖定環(huán)路，用于維持該光學諧振腔的穩(wěn)定功率增強；第一光電探測器，用于檢測來自該氣室的透射光，以將該光源鎖定到該氣室中填充的氣體的吸收線；第二光電探測器，用于檢測來自該光學諧振腔的反射光，以將該光源鎖定到該光學諧振腔的縱模；光耦合器，用于組合兩個光源；透鏡，用于將該光束的橫模與該光學諧振腔的橫模進行匹配；偏振分束器(pbs)與四分之一波片(qwp)的組合，用于將該光學諧振腔的前鏡反射的光與入射光分離；電分路器，用于對該電信號進行分路，以生成不同的誤差信號；三個pound-drever-hall(pdh)模塊，用于提取該誤差信號，并且用于為該三個鎖定環(huán)路生成反饋信號；和壓電(pzt)致動器，附接到該光學諧振腔的后鏡，以精細調(diào)整該光學諧振腔長度。由該控制器控制的該光源通常進行波長調(diào)制或強度調(diào)制，從而在與氣態(tài)待測樣品相互作用后生成聲波。在寬頻率范圍內(nèi)放大聲波信號的該聲學諧振腔包括縱向諧振器，該縱向諧振器由一對緩沖器和一對帶孔的蓋子夾在中間，用于獲得加寬的頻率響應。在這個演示中，聲學諧振腔安裝了幾個聲學換能器來檢測聲波，聲學換能器是麥克風。該加法電路通過將該聲換能器生成的電信號求和來提高該聲信號的強度，并且在寬頻率范圍上使該頻率響應平坦化。另外，該光源為單波長光源或具有寬光譜的光源，包括光頻梳。用于生成聲波的該光源的功率由光學諧振腔增強。該光學諧振腔是用于增強該光功率的法布里-珀羅光學腔、蝴蝶結(jié)型光學腔或其他類型的光學腔。進一步地，該光源的該絕對波長是基于pdh鎖定的頻率鎖定方法或一次諧波鎖定方法，通過參考分子吸收線來穩(wěn)定的。該光學諧振腔的該縱模是經(jīng)由pdh鎖定通過參考所穩(wěn)定的光源來穩(wěn)定的。通過以pdh鎖定來維持該光源與該光學諧振腔之間的諧振，從而實現(xiàn)該光學諧振腔中的穩(wěn)定的光功率增強以進行光聲檢測。該耦合器用于實現(xiàn)兩個光束一起進入該光學諧振腔，以實現(xiàn)該光學諧振腔中的穩(wěn)定功率增強。該透鏡用于調(diào)整該光束的該橫模以與該光學諧振腔支持的該橫模匹配，使得耦合效率最大化，并在該光學諧振腔中達到最大功率。此外，pbs與qwp的該組合用于在該反射光與該入射光重疊時提取出該反射光。該電分路器用于對來自該光電探測器的該電信號進行分路用于不同鎖定環(huán)路。該pdh模塊集成調(diào)制和解調(diào)，其中將調(diào)制信號發(fā)送至該控制器或附加調(diào)制器以生成邊帶來實現(xiàn)pdh鎖定。該pzt致動器附接到該光學諧振腔的該后鏡，以響應來自該pdh模塊的反饋信號來穩(wěn)定該光學諧振腔的該縱模。

3、在本主題發(fā)明的另一實施例中，提供了一種用于超高靈敏度的寬帶高分辨率的腔增強光聲雙光梳光譜(dcs)方法。該方法包括：生成種子光；將該種子光分成兩個分支，每個分支并聯(lián)連接到不同程度地改變光頻率的聲光調(diào)制器(aom)；通過電光調(diào)制器(eom)對該兩個分支進行強度調(diào)制，生成兩列光頻梳；通過摻鉺光纖放大器(edfa)放大該兩列光頻梳的功率；將該兩列光頻梳對向發(fā)射到單條色散補償光纖中；以及將該兩個光頻梳混合后形成雙光梳并通過光纖耦合器將該雙光梳分成兩個光束，分別用于光聲檢測和功率歸一化。另外，所生成的兩列光頻梳共用同一載波頻率。第一列該光頻梳具有重復頻率fr,1，將種子光(fc)鎖定到置于氣室中的法布里-珀羅腔中，并通過pdh方法實現(xiàn)中心梳齒與一個腔模式之間的重疊。第二列該光頻梳通過調(diào)諧fr,1耦合到該腔，使得其與該光學腔的自由光譜范圍完全匹配。