[發明專利]一種基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統及其測量方法

有效

• 申請號: 202110667298.1
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113433065B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 施可彬;李潤豐;董大山;楊宏;龔旗煌
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/65
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統，其特征在于，所述基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統包括：皮秒激光光源、光學參量產生器、擴束透鏡組、時間延遲線、合束光楔、貝塞爾光束產生系統、長通濾波片、分束鏡、消色差物鏡、第一平移臺、第四透鏡、CCD相機、收集透鏡、帶通濾波片、光譜儀、湍流產生系統和玻片；其中，基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統包括光路調整階段和光譜采集階段，在光路調整階段，玻片位于消色差物鏡的焦點上，在分束鏡的反射方向上依次設置第四透鏡和CCD相機，在光譜采集階段，樣品位于消色差物鏡的焦點上；擴束透鏡組包括第一透鏡和第二透鏡，第二透鏡放置在第一平移臺上；皮秒激光光源產生泵浦光，倍頻后輸入至光學參量產生器作為光學參量產生器的泵浦；光學參量產生器輸出的閑頻光為斯托克斯光，斯托克斯光的波長大于泵浦光波長；斯托克斯光經過擴束透鏡組擴束至合束光楔；皮秒激光光源產生的泵浦光經過時間延遲線后與斯托克斯光在合束光楔處合束；合束后的斯托克斯光和泵浦光經過長通濾波片濾除信號光波段的成分，經分束鏡透射后通過貝塞爾光束產生系統，斯托克斯光和泵浦光均由高斯光束變為貝塞爾光束；在光路調整階段，斯托克斯光和泵浦光經消色差物鏡聚焦后入射到位于焦點上的玻片上；經玻片反射，斯托克斯光和泵浦光原路返回至分束鏡，經分束鏡反射后，經第四透鏡聚焦，由CCD相機接收；通過CCD相機觀察泵浦光和斯托克斯光在玻片上反射后成像至CCD相機上的光斑位置，通過調節合束光楔的傾角和位置，使兩個光斑重合，證明泵浦光和斯托克斯光的空間位置大致重合，再通過光譜儀觀察收集到的玻片產生的四波混頻信號，同時再次微調合束光楔的傾角和位置，使光譜儀收集到的信號最強，此時泵浦光和斯托克斯光在橫向上空間位置完全重合；保持泵浦光不動，通過第一平移臺調節第二透鏡與第一透鏡之間的間距，對斯托克斯光最終經過消色差物鏡形成的光斑大小進行微調，直到觀察到CCD相機上泵浦光和斯托克斯光的光斑的大小一致，且在玻片前后移動時兩光斑同步變大變小，證明泵浦光和斯托克斯光在縱向上空間位置大致重合，進一步調節玻片的前后位置，在光譜儀中獲得一個最大的信號，此時重新通過第一平移臺微調第二透鏡的位置，直到光譜儀的信號最大，此時泵浦光和斯托克斯光在縱向上空間位置完全重合，從而泵浦光和斯托克斯光在貝塞爾區完全重疊；在光譜采集階段，斯托克斯光和泵浦光經消色差物鏡聚焦后入射到位于焦點上的樣品上；通過光學參量產生器的控制器調諧其輸出的斯托克斯光波長，使得泵浦光與斯托克斯光的頻率差恰好等于樣品分子的振動頻率，由于共振作用，樣品分子將會產生拉曼相干態，樣品在高能級振動態上有大的粒子數布居，此時樣品再吸收泵浦光子，產生反斯托克斯拉曼信號，作為信號光，信號光的波長小于泵浦光的波長；泵浦光和斯托克斯光在樣品中的貝塞爾區完全重疊，此時這泵浦光和斯托克斯光的波矢完全滿足相位匹配條件，產生的反斯托克斯拉曼信號最強，并且產生的反斯托克斯拉曼信號也滿足貝塞爾光束形式，因而信號光從產生到傳輸均為抗散射，并且適用于湍流探測；湍流產生系統模擬真實情況下的湍流，施加在樣品內部；在湍流擾動的環境下產生的信號光經過收集透鏡聚焦，再通過帶通濾波片只保留信號光成分，而后由光譜儀收集，得到相干反斯托克斯拉曼散射光譜。

2.如權利要求1所述的基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統，其特征在于，所述第一平移臺上采用手動線性位移臺，用螺旋測微計驅動。

3.如權利要求1所述的基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統，其特征在于，所述分束鏡采用薄膜分束鏡，透過率超過90％，不損失產生的信號光的強度。

4.如權利要求1所述的基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統，其特征在于，所述時間延遲線包括第二平移臺以及放置在第二平移臺上的四個反射鏡，用于在泵浦光光路中引入光程差，調節泵浦光和斯托克斯光的相對時間延遲。

5.如權利要求1所述的基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統，其特征在于，所述貝塞爾光束產生系統由角錐鏡和第三透鏡組成。

6.如權利要求1所述的基于貝塞爾CARS的湍流光譜測量系統，其特征在于，還包括第三平移臺，樣品為流體盛放在比色皿的流體內，比色皿固定放置在第三平移臺上，在光路調整階段完成后，通過第三平移臺，將樣品推入光路放置在消色差物鏡的焦點上。