一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法技术

本发明专利技术提供了一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，其特征为：第一光频梳经过光纤隔离器后输入第一光纤耦合器，通过呼吸气气体池后，由第二光纤耦合器输出部分光，并与第二光频梳经光纤合束器在光电探测器处拍频，其余的光经过单模光纤后再次进入第一光纤隔离器循环。光电探测器得到的信号输入到信号处理模块，通过分析测量得到的吸收光谱信号，计算得到呼吸气气体池中人体呼吸气标志性气体的浓度。本发明专利技术结构紧凑、方法简单，全光纤的测量方法大幅度地提高了系统的可集成性，以光频梳为光源测量腔衰荡光谱以监测人体呼吸气中标志性气体的浓度，提高了测量灵敏度并可以同时测量多种标志性气体的浓度。以同时测量多种标志性气体的浓度。以同时测量多种标志性气体的浓度。

【技术实现步骤摘要】
一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法
(一)

[0001]本专利技术涉及激光
和人体健康检测领域，尤其是涉及腔衰荡双光梳光谱监测人体呼吸标志性气体浓度的方法。
(二)
技术介绍

[0002]呼吸是人体与外界环境交换气体的过程，人体呼吸气中至少包含上百种气体种类，对比人体生理或病理状态下呼出的气体中具有标志性的特定成分是否存在，或者定量测量其浓度，可以用于诊断与之对应的疾病。例如，人体呼吸气中丙酮的浓度可用作检测糖尿病的标志性气体，呼吸气中氨气的浓度与肝脏类疾病有关，饮酒后人体呼吸气中的酒精浓度会显著升高。人体呼吸标志性气体浓度的监测在无创、实时疾病诊断和代谢状态监测等方面具有广泛的应用前景。可以使用一种或者多种与某种疾病相关联的呼吸气体，作为疾病诊断的检测标志。
[0003]利用激光光谱测量呼吸气标志性气体的浓度的技术具有探测灵敏度高、结构简单、使用寿命长等优点，近年来收到了广泛的关注。与气相色谱和质谱等呼吸气标志性气体浓度测量技术相比，激光吸收光谱技术具有响应速度快、分辨率高、鲁棒性强等优点，为实时测定人体呼吸中的多种物质浓度提供有效的方法。腔衰荡光谱技术测量气体浓度通过测量单个脉冲光在衰荡腔中的的衰减时间，进而获得待测气体的浓度，腔衰荡光谱技术的测量灵敏度受激光脉冲强度波动影响较小。光频梳作为一种新兴的激光源，具有光谱宽，脉冲宽度窄的优点，在光谱测量上具有显著优势。红外光谱范围覆盖了大量分子振动跃迁的特征谱线，可以作为分子指纹识别的有效手段。利用双光梳多外差光谱技术测量光频梳吸收光谱，能够在实现宽带、高分辨率光谱测量的同时，免去使用扫描部件测量光谱为系统带来的复杂性，并提高单光谱测量速度。
[0004]基于上述背景，以光频梳作为激光源，结合腔衰荡光谱技术和双光梳光谱技术，可以建立用于监测人体呼吸气中标志性气体浓度的可靠方法，有望为呼吸气分析和人体健康检测提供高性能方法。
(三)
技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出了一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，光谱分辨率高、探测灵敏度高、测量速度快，且系统的可集成性高。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，其特征在于：包括：具有固定重复频率差的两台光频梳，分别为第一光频梳和第二光频梳，光纤隔离器，两个2
×
2光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，呼吸气气室，单模光纤，2
×
1光纤合束器，光电探测器，信号处理模块；其中，第一光纤耦合器与第二光纤耦合器均包含第一输入端，第二输入端，第一输出端和第二输出端，第一输出端为输出光强较大的一端，第二输出端为输出光强较小的一端；第一光频梳与光纤隔离器相连，用于确保输入信号的单向运行；光纤隔离器的输出端与第一光纤耦合器的第一输入端
相连；第一光纤耦合器的第一输出端与呼吸气气体池的输入端耦合，呼吸气气体池的输出端与第二光纤耦合器的第一输入端相连，第二光纤耦合器的第一输出端与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与第一光纤耦合器的第二输入端相连，组成环形腔；呼吸气气室为单光路型气室，输入含有人体呼吸标志性气体的呼吸气；第二光纤耦合器的第二输出端与第二光频梳分别与2
×
1光纤合束器的两个输入端相连，2
×
1光纤合束器的输出端与光电探测器相连；第二光频梳用于与第一光频梳拍频，测量第一光频梳光谱范围内包含的各频率分量对应的光强变化；光电探测器得到的信号输入到信号处理模块，用于对第一光频梳和第二光频梳进行拍频；信号处理模块用于分析测量得到的吸收光谱信号，并计算得到呼吸气气体池中气体的浓度。
[0007]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述的所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为90：10光纤耦合器，从第一输入端输入的光，在第一输出端为输出光强较大的一端，第二输出端为输出光强较小的一端，从第二输入端输入的光，在第二输出端为输出光强较大的一端，第一输出端为输出光强较小的一端。
[0008]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔的长度与第一光频梳的脉冲宽度相匹配，确保第一光频梳的脉冲在环形腔内循环一次的时间大于第一光频梳的脉冲宽度，并且第一光频梳的脉冲间隔大于第一光频梳的一个脉冲在环形腔内的衰荡时间。
[0009]结合第一方面的第二种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，第一光频梳在第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、呼吸气室和单模光纤组成的环形腔内往复循环。
[0010]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述的呼吸气气室内压力值为定值。
[0011]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，第一光频梳和第二光频梳的光谱范围与呼吸气气室中的待测气体相匹配，第一光频梳和第二光频梳的光谱范围包含待测气体的吸收特征谱线。
[0012]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述信号处理模块根据光电探测器分别测量得到的未注入气体和注入呼吸气时，同一光频对应的光强衰荡时间，计算呼吸气气室中包含的待测气体的浓度。
[0013]本专利技术实施例带来了以下有益效果：
[0014]本专利技术实施例提供的一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，用两台重复频率、相位稳定，具有固定重复频率差的光频梳作为激光源，其中，第一光频梳作为测量光频梳，经过光纤隔离器后进入由两个光纤耦合器、单模光纤和呼吸气气室组成的光纤衰荡腔。利用第二光频梳与第一光频梳在光电探测器处拍频测量每次从衰荡腔中泄露出的脉冲的光谱，进一步地在信息处理模块分析同一光频对应的光强衰荡时间得到待测呼吸气标志性气体的浓度。
[0015]本专利技术实施例提供的方法使用全光纤的结构实现腔衰荡双光梳光谱的测量，得到结构简单、测量灵敏度高并且可以同时测量多种气体的腔衰荡双光梳光谱监测人体呼吸标志性气体浓度的方法。相较现有的技术，本专利技术实施例以光频梳为激光光源，利用双光梳多
外差光谱技术测量吸收光谱，可以测量宽带、高光谱分辨率的吸收光谱。此外，利用全光纤结构的衰荡腔测量衰荡时间，既保留了腔衰荡吸收光谱测量气体浓度的高灵敏度，又提高了呼吸气标志性气体浓度测量系统的鲁棒性。
[0016]本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0017]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
(四)附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种腔衰荡双光梳光谱检测标志性呼吸气体浓度的方法，其特征在于，包括：具有固定重复频率差的两台光频梳，分别为第一光频梳和第二光频梳，光纤隔离器，两个2
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2光纤耦合器，分别为第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，呼吸气气室，单模光纤，2
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1光纤合束器，光电探测器，信号处理模块；其中，所述第一光纤耦合器与第二光纤耦合器均包含第一输入端，第二输入端，第一输出端和第二输出端；所述第一光频梳与光纤隔离器相连，用于确保输入信号的单向运行；所述光纤隔离器的输出端与第一光纤耦合器的第一输入端相连；所述第一光纤耦合器的第一输出端与呼吸气气体池的输入端耦合，呼吸气气体池的输出端与第二光纤耦合器的第一输入端相连，第二光纤耦合器的第一输出端与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与第一光纤耦合器的第二输入端相连，组成环形腔；所述呼吸气气室为单光路型气室，输入含有人体呼吸标志性气体的呼吸气；所述第二光纤耦合器的第二输出端与第二光频梳分别与2
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1光纤合束器的两个输入端相连，2
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1光纤合束器的输出端与光电探测器相连；所述第二光频梳用于与第一光频梳拍频，测量第一光频梳光谱范围内包含的各频率分量对应的光强变化；所述光电探测器得到的信号输入到信号处理模块，用于对第一光频梳和第二光频梳进行拍频；所述信号处理模块用于分...

【专利技术属性】
技术研发人员：付博，徐立军，张程宏，郭晶晶，程湲，孙婧轩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：