一种实现近红外色散型光谱分析仪超高分辨率的方法技术

本发明专利技术公开了一种实现近红外色散型光谱分析仪超高分辨率的方法，所述方法包括以下步骤：采用处理后的多波长光源作为为光谱仪的光源，通过光移频对待测样品的透光特性曲线进行光谱扫描与取样；通过CCD探测器光谱数据读取和重排技术实现光谱的检测。通过本方法可以使得分辨率不依赖于光栅色散能力和探测器的像素个数以及尺寸大小；且可将光谱仪分辨率最少提高两个数量级(达到0.1pm量级)；除了上述精密移频技术之外，由于一般多波长光源产生技术得到的线宽较大，因此必须通过压窄多波长光源的线宽使之小于多波长光源最小移频量，从而在光源方面，保证光谱仪系统的分辨率能有两个数量级的提升。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，所述方法包括以下步骤：采用处理后的多波长光源作为为光谱仪的光源，通过光移频对待测样品的透光特性曲线进行光谱扫描与取样；通过CCD探测器光谱数据读取和重排技术实现光谱的检测。通过本方法可以使得分辨率不依赖于光栅色散能力和探测器的像素个数以及尺寸大小；且可将光谱仪分辨率最少提高两个数量级（达到0.lpm量级）；除了上述精密移频技术之外，由于一般多波长光源产生技术得到的线宽较大，因此必须通过压窄多波长光源的线宽使之小于多波长光源最小移频量，从而在光源方面，保证光谱仪系统的分辨率能有两个数量级的提升。【专利说明】
本专利技术涉及通信、仪器
，尤其涉及一种实现近红外色散型光谱分析仪超 高分辨率的方法。
技术介绍
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，通过测量物质的吸收光谱可 以确定其内部化学组成及其含量，在科学实验、生物医学、食品安全、环境、地质、国防等领 域一直有着广泛的应用 [11。 近年来，随着微电子、光学技术等学科的迅速发展与融合，近红外光谱分析技术由 于其仪器简单、分析速度快、高效、准确、分析成本低、不破坏样品、不消耗化学试剂、不污染 环境、几乎适合各类形态样品（液体、粘稠体、涂层、粉末和固体）分析、多组分多通道同时 测定等特点，受到越来越多人的关注。随着光谱仪的不断发展，光谱仪的接收系统也从最初 的目视系统发展成为光电系统，并且光电接收器也从单点接收器件发展成为阵列探测器， 光谱仪的性能指标、操作方法以及人机互动界面正一步步走向成熟和完善。 物质的吸收光谱在不同波段有不同的特征，在可见波段的吸收峰谱线属于原子或 离子能级，距离比较大，一般分辨率的色散型光谱仪就可以区分大部分物质的化学组成。近 红外光谱属于分子振动光谱，产生于共价化学键非简谐能级振动，是非简谐振动的倍频和 组合频，对于含氢基团，如含C-H、0-H、N-H的物质都会产生近红外光谱。由于近红外光谱 是倍频或组合频产生的吸收光谱，吸收信号弱，谱带重叠严重，普通的光谱仪无法分辨。因 此，近红外区光谱虽然是人们最早发现的非可见光区域，但是由于早期光谱分辨能力有限， 即使利用近红外光谱仪也无法将重叠的谱带完全分开，这使得近红外光谱曾经沉睡了许多 年。随着近红外仪器技术的发展，更加稳定的电源、信号放大器、更灵敏的光子探测器、微型 计算机等的发展使得近红外光谱区作为一段独立的且有独特信息特征的谱区得到了重视 和发展。人们通过后期化学计量学软件、模型以及有关配套设施完成对近红外光谱的分析。 到目前为止，近红外光谱技术被人们称为"分析的巨人" 。由此看来，光谱仪若能实现更高 的分辨率，就有可能帮助我们获得更多、更全面的样品信息，在科学研究领域，髙分辨率的 近红外光谱仪可以用来测量和分析各种具有精细结构的光谱。这或许能使人们对物质的研 究工作登上一个新的台阶。 从原理上说，近红外光谱仪可分为色散型光谱仪和傅里叶光谱仪两大类。分光 技术的不同导致了其分辨率受到不同因素的制约。色散型光谱仪测量的是真实光谱，分辨 率取决于色散元件（光栅或棱镜）的色散本领和作为光接收器的线阵CCD的分辨能力（像 素大小）的限制。与可见光波段相比，近红外光谱仪的分辨率要低很多，这一方面是因为 波长越长，光栅色散能力下降；另一方面是由于采用的光探测器不同，在可见光区域，采用 工艺比较成熟的Si探测器阵列，像素个数多（一般可达2048个），且像素尺寸可以做得很 小（几个微米），而近红外光谱仪中用到的InGaAs探测器阵列像素点比较少（一般为256 个），像素尺寸也比较大（几十个微米），对光的空间色散分辨能力下降，并且造价高昂。 目前，国外各公司生产的分辨率比较高的商用色散型光谱仪有：美国StellarNet 最新推出的DWARF-Star采用线阵InGaAs探测器，在900-1700nm范围内分辨率为1. 25nm。 荷兰Avantes公司的AvaSpec系列近红外光谱仪，测量范围在9〇〇-l75〇nm之间，使用 256像素探测器时分辨率最高为2nm，使用512像素探测器时分辨率最高为1. 5nm。法国 JobinYvon公司开发的MicroHR光谱仪，在0· 25nm分辨率下测量范围可达0-1500ηπ^美 国OceanOptics在推出覆盖紫外、可见、短波红外的光纤光谱仪后，又推出了 NIR QUEST系 列近红外光谱仪，最高分辨率可达0. 25nm。在实验室使用的高端色散型光谱仪的分辨能力 已经能达到〇. Olnm(lOpm)，如日本横河和美国的安捷伦都生产在C波段（1530- 1560nm) 波长分辨率可达O.OlnmdOpm)的色散型光谱分析仪。目前最高的分辨率记录是由法国 Resolution Spectra公司的ZOOM Spectra创造并保持的，光谱仪的检测分辨率是5pm。另 一家法国公司--APEX技术公司在2014年的光通信年会（0FC 2014)上展示了他们的光谱 仪最新成果，其分辨率可以达到40fm(5MHZ)，APEX公司声称他们采用的是干涉技术 。这 是目前世界上最高的光谱分辨率。 傅里叶光谱仪是测量时域信号，再通过计算得出频谱曲线，其分光技术是基于核 心部件迈克耳逊干涉仪，最高分辨率取决于干涉仪中动镜扫描的最大距离L，分辨率Λ u =l/(2L)m。目前，能够实现较高分辨率的千涉仪为空气轴承干涉仪和机械轴承干涉仪，其 光谱的最高分辨率可优于〇. lcnT1 (3GHz)，分辨率高于0. lcnT1以后，动镜在轴承上移动的距 离过长，（例如，分辨率为〇. OlcnT1的光谱仪，其动镜移动的最大距离就要达到50cm)，机械 加工精度要求极高，很难满足要求。因此，傅里叶光谱仪的分辨率受到干涉仪中动镜移动的 最大距离的限制。上文中所提到的APEX公司最新推出的分辨率可以达到40fm(5MHz)的光 谱仪，是一种以干涉技术为原理的光谱仪，具体细节没有公开，但是其原理一定有效的规避 了傅里叶光谱仪分辨率的限制因素。
技术实现思路
本专利技术提供了一种实现近红外色散型吸收光谱分析仪超高分辨率的方法，在拟研 究的光谱分析仪系统中（参见图1)，采用多波长光源（Multi-wavelength Source)，也称为 光频梳光源作为光谱仪的光源，采用掌握的精确光移频（光扫频，Frequency sweeping)技 术对待测样品（Sample to be tested)的透光特性曲线进行光谱扫描与取样，实现光谱仪 功能。光移频间隔最小可以达到或小于〇.lpm，使得光谱仪的分辨能力不再单纯受限于光色 散元件（光栅或棱镜）的色散能力，以及CCD接收器的分辨能力（像素单元的大小）的限 制，从而使光谱分辨能力提高两个数量级，或更高，详见下文描述： 一种实现近红外色散型吸收光谱分析仪超高分辨率的方法，包括以下步骤： (1)将普通多波长光源经过放大后，利用高非线性四波混频效应产生更多的波长， 使得多波长l〇dB范围可以更宽，范围约在30nm?60nm。多波长的波长间隔相等，并且可在 10GHz到50GHz的范围内变化。这样的光频梳连续光源，再经过光纤受激布里渊散射来压窄 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现近红外色散型光谱分析仪超高分辨率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：采用窄线宽的波长间隔为Λ的N个波长激光器作为光谱分析仪的多波长光源，通过对待测样品的透光特性曲线进行波长间隔为Λ的透射光强取样，用CCD探测器线阵记录并储存N个取样光强数据；通过多波长光移频技术对待测透光特性曲线进行N段并行扫描、取样及数据储存，步进扫描的波长移频量为Δλ；最终由计算机完成CCD读出数据重排，实现N段光谱无隙连接，再现完整的待测样品吸收谱。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：葛春风，杨天新，张雨辰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12