(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210799867.2 (22)申请日 2022.07.08 (71)申请人 华东师范大学 地址 200241 上海市闵行区东川路5 00号 申请人 华东师范大学重庆研究院 (72)发明人 黄坤　曾和平　孙奔　 (74)专利代理 机构 上海蓝迪专利商标事务所 (普通合伙) 31215 专利代理师 徐筱梅　张翔 (51)Int.Cl. G01N 21/35(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种高精度中红外光谱探测方法 (57)摘要 本发明公开了一种高精度中红外光谱探测 方法， 该方法包括： 使用基于啁啾极化结构 的非 线性晶体实现宽带频率上转换， 将 宽带的中红外 光转换至可见光波段； 采用虚拟成像相控阵即 VIPA和光栅结合， 将可见光波段信号光谱分别在 垂直方向及水平方向展开； 利用高效低噪声的硅 基相机进行探测， 实现中红外宽波段、 高灵敏的 光谱探测。 本发 明使用单频窄线宽连续光作为泵 浦光， 可以实现高保真的频率转换， 从而保持中 红外的光谱信息； 采用了虚拟成像相控阵和光栅 结合， 实现上转换信号的高精度光谱探测。 本发 明能够获得宽光谱覆盖范围与高光谱分辨率， 同 时兼具超高检测灵敏度和快速数据采集的优点， 为实现宽波段、 高精度、 高灵敏的中红外高速光 谱探测提供了有效手段。 权利要求书1页 说明书7页 附图2页 CN 115389441 A 2022.11.25 CN 115389441 A 1.一种高精度中红外光谱探测方法， 其特 征在于， 该 方法包括如下步骤： 步骤1； 宽带中红外光源照射待测样品以获得样品的红外吸收光谱信 息， 单频窄线宽连 续泵浦光在光学腔 内多次往返叠加， 腔增强有效提高泵浦光平均功率； 宽带中红外光与腔 增强后的泵浦光在基于啁啾极化结构的非线性晶体中发生非线性和频， 使得中红外信号上 转换到可 见光波段； 步骤2： 上转换到的可见光波段信号光谱被虚拟成像相控阵即VIPA在垂直方向上分散， 再经过衍射光栅在水平方向展开， 得到可 见光二维空间强度分布光场； 步骤3： 所得到的可见光二维空间强度分布光场被硅基相机捕获， 通过读取每个像素强 度以获得一维光谱， 放样品的光谱强度与不放样品的光谱强度相除， 得到中红外光通过样 品后的透射 率曲线， 实现宽波段、 高分辨、 高灵敏的中红外高速光谱探测。 2.根据权利要求1所述的一种高精度中红外光谱探测方法， 其特征在于， 步骤1所述上 转换， 采用啁啾极化晶体作为 非线性介质， 获得宽带中红外光的高效转换， 使得中红外光上 转换至可见光波段； 使用单频窄线宽连续光作为泵浦 光， 其线宽很窄， 在频率转换的过程中 能够保持输入的中红外信号 光和上转换 可见光的频率对应。 3.根据权利要求1所述的一种高精度中红外光谱探测方法， 其特征在于， 步骤1所述腔 增强， 对于单频窄线宽连续光的功 率有数量级的提升， 在腔内能够形成 高质量的高斯光束， 有利于提高非线性频率上转换的转换效率。 4.根据权利要求1所述的一种高精度中红外光谱探测方法， 其特征在于， 所述的宽带中 红外光源， 产生方式包括： 光 参量振荡器、 中红外 差频、 超连续谱产生及热光源。 5.根据权利要求1所述的一种高精度中红外光谱探测方法， 其特征在于， 所述的待测样 品包括气体、 液体、 医学切片及生物样品。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115389441 A 2一种高精度中红外光谱 探测方法 技术领域 [0001]本发明涉及红外光谱探测领域， 尤其涉及一种高精度中红外光谱探测方法。 背景技术 [0002]中红外光谱是一种成熟的分析工具， 常用于表征气体和液体以及固态化合物和混 合物。 中红外区域被称为 “分子指纹 ”区域， 涵盖了众多分子的基本振转能级， 绝大多 数有机 化合物和无机离子的基频吸收带出现在中红外光区， 由于基频振动是 红外光谱中 吸收最强 的振动， 所以该区被广泛用于物质痕量分析。 此外， 中红外光谱具有很强的检测特异性， 能 够准确识别分析物， 通过分析不同波长穿过分析物的光学衰减， 可以定性和定量地确定分 析物的组成。 因此， 中红外光谱被广泛应用于痕量气 体分析、 化学生物传感、 环 境监测、 工业 过程控制、 医疗诊断、 国防安全和天文观测等重要领域中。 [0003]中红外光谱技术一般是基于色散分光检测或使用傅里叶变换红外(FTIR)检测。 前 者使用光栅或棱镜等色散元件对入射光谱进 行空间分离， 然后使用线阵探测器对中红外光 谱进行检测。 所形成的色散光谱仪发展较为成熟， 商用化程度高， 近年来在 采集速度得到了 较大提升， 但长期受光栅制备工艺技术限制， 导致光栅刻 线密度与光栅有效尺 寸难以提升， 光谱仪分辨率通常在0.1nm左右， 很难做到高精度的光谱测量。 相对而言， FTIR提供了一种 高精度的光谱测量方式， 其通过测 量自相关干涉图， 经过快速傅里叶变换后得到 吸光度或 透光率随频率或波长变化的红外光谱图。 然而， FTI R受限于机械扫描 方式， 采集时间通常较 长， 尽管可以达到很高精度， 但 不适合于快速采集， 难以实现实时的高精度光谱测量。 因此， 现有中红外光谱测量技术仍然面临着高分辨率与快速成谱 之间的相互制约， 亟待发展新型 的光谱技术， 以满足瞬态分子光谱、 高速光谱成像等创新应用对于高速率与高分辨的光谱 测量需求。 [0004]在中红外光的探测方面， 现有中红外光谱技术也存在很大的提升空间。 相比于近 红外和可见光波段， 中外探测器的灵敏度通常低3 ‑4个数量级。 中红外探测器一般采用窄带 隙半导体材料， 如锑化铟(InSb)或碲镉汞(HgCdTe)， 由于带隙很窄， 容易受到热噪声和暗电 流的影响， 导致其本底噪声很大， 灵敏度 受限， 通常需要借助液氮或斯特林制冷， 大幅增加 了探测器的复杂性与制造成本。 此外， 快速光谱测量所需的中红外阵列探测器， 一般采用线 阵或者面阵形式， 面临着 像素点有限、 噪声较大、 帧频较低等亟待解决 的瓶颈。 可见， 发展新 型中红外 探测方式对于进一 步增强分辨 率、 提升成谱速率、 提高灵敏度具有重要意 义。 [0005]近年来， 非线性频率上转换技术提供了一种极具前景的中红外光谱探测技术， 其 通过非线性和频过程将中红外上转换到近红外或者可见光区域， 然后利用高性能的硅基探 测器进行探测， 可以充分利用硅基探测 器灵敏度高、 帧频快、 像素点多等的优点， 规避了现 存中红外探测器的诸多不 足。 但是， 上转换 红外光谱技术受到相位匹配的限制， 转换带宽很 窄， 一般在10 ‑100nm左右， 难以满足宽带中红外光谱探测的需求。 此外， 现有上转换光谱探 测通常是使用光栅作为色散手段， 光谱分辨率仅为1 ‑10cm‑1量级， 难以满足中红外高精度光 谱分辨的需求。 综上所述， 中红外非线性上转换光谱技术仍面临着转换带宽窄、 分辨精度不说　明　书 1/7 页 3 CN 115389441 A 3