(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 202211139057.0 (22)申请日 2022.09.19 (71)申请人 山西大学 地址 030006 山西省太原市坞城路9 2号 (72)发明人 李鹏　李渊骥　冯晋霞　张宽收　 (74)专利代理 机构 太原申立德知识产权代理事 务所(特殊普通 合伙) 14115 专利代理师 程园园 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/65(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光 谱的装置与方法 (57)摘要 本发明涉及激光技术和精密光谱领域， 公开 了一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱 的装置与方法。 将基于连续单频可调谐激光源和 样品池的复合测量模块嵌入一个高重频腔倒空 激光产生装置中。 利用在一个脉冲产生周期内测 量的连续单频可调谐激光的多次透射信号， 即可 同时提取出样品的红外吸收光谱信号和受激拉 曼散射光谱信号， 同时还可通过多周期信号的统 计分析进一步提升测量信噪比。 本发 明提出的方 法具有测量信号强、 精度高、 速度快、 操作简单、 装置紧凑、 运行稳定的优点。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115541532 A 2022.12.30 CN 115541532 A 1.一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的装置， 其特征在于， 所述装置包括： 连 续单频可调谐光源(1)、 双色镜1(2)、 光电探测器1(3)、 双色镜2(4)、 样品池(5)、 高反镜1 (6)、 光电探测器2(7)、 薄膜偏振片1(8)、 激光模块(9)、 薄膜偏振片2(10)、 电光Q开关和高反 镜2(14)， 电光Q开关包括一个普 克尔盒和一个四分之一波片(13)， 普 克尔盒由电光调Q晶体 1(11)和电光调Q晶体2(12)组成； 其中， 连续单频可调谐光源(1)的光入射到双色镜1(2)分 为两路， 一路被光电探测器1(3)接收， 另一路通向双色镜2(4)后又分为两 路， 一路入射到样 品池(5)进入高反镜1(6)后被光电探测器2(7)接收， 另一路入射到薄膜偏振片1(8)， 光经过 激光模块(9)到达薄膜偏振片2(10)， 然后入射到有两块正交电光调Q晶体1(11)和电光调Q 晶体2(12)组成的普克尔盒， 最后经 过四分之一波片(13)到 达高反镜2(14)。 2.根据权利要求1所述的一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的装置， 其特征 在于， 所述连续单频可调谐 光源(1)采用全固态连续可调谐红外激光器； 所述双色镜1(2)和 双色镜2(4)采用45 °二向色镜； 所述样品池(5)内可以是单体、 聚合物、 表 面活性剂、 粘接剂、 无机化合物、 塑料、 药物； 所述高反镜1(6)和高反镜2(14)采用镀有对振荡激光高反膜的平 凹镜； 所述薄膜偏振片1(8)和薄膜偏振片1(10)采用高消光比的薄膜偏振片； 所述激光模块 (9)由泵浦源和激光晶体构成。 3.根据权利要求1所述的一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的装置， 其特征 在于： 所述普 克尔盒内的电光调Q晶体可以是RTP晶体、 KDA晶体、 KDP晶体、 DKDP晶体等KDP型 晶体； 可以是BaTiO3晶体、 SrTiO3晶体等ABO型晶体； 也可以是ZnS晶体、 CuC晶体等AB型化合 物晶体， 还可以是其 他杂类晶体。 4.一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的方法， 其特征在于， 所述方法包括以 下步骤： S1、 搭建一个腔倒空激光谐振腔， 作为双光谱同步测量装置； S2、 利用信号发生装置给腔倒空激光谐振腔中的普克尔盒和光泵浦模块施加周期方波 信号； S3、 一个周期内， 实现激光在腔内往返振荡后， 谐振腔长度L确定的情况下， 控制普克尔 盒施加高压周期方波信号的高电平持续时间τ 来控制往返振荡次数n； S4、 通过双色镜向样品池内注入连续单频可调谐红外光， 采集好一个测量周期的透射 信号后对其进行分析； S5、 根据τ时间内测得的n组透射率， TIR和TIR+SRS值， 计算出注入的连续单频可调谐红外 激光的光波长 λ 处的红外吸 收和受激拉曼损耗； S6、 调谐注入的连续单频可调谐红外激光的波长λ， 重复上述采集与计算步骤， 进一步 提升信噪比后， 即可获得最终样品物质的红外吸 收光谱和受激拉曼散射 光谱。 5.根据权利要求4所述的一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的方法， 其特征 在于： 所述腔倒空激光谐振腔包含激光模块、 高反镜、 薄膜偏振片、 电光Q开关和样品池， 其 中激光模块包括控温激光晶体及适配的光泵浦模块， 电光Q开关包括普克尔盒和四分之一 波片。 6.根据权利要求4所述的一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的方法， 其特征 在于： 所述步骤S2采用具有不小于20MHz带宽的任意波形/函数发生器来实施， 给普克尔盒 施加高压周期方波信号， 同时给光泵浦模块施加低压周期方波信号。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115541532 A 27.根据权利要求6所述的一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的方法， 其特征 在于， 所述 步骤S3的具体过程 为： 在一个周期内， 初始阶段普克尔盒施加的高压周期方波信号和光泵浦模块施加的低压 周期方波信号分别处于低电平和高电平， 该阶段中激光晶体吸收泵浦 光能量， 由于电光Q开 关引入高损耗， 反转粒子数累积， 激光晶体储能； 在第二阶段， 普克尔盒施加的高压周期方波信号和光泵浦模块施加的低压周期方波信 号分别处于高电平和 低电平， 谐振腔处于低损耗状态， 产生激光脉冲， 但激光无法在 任一端 镜处输出， 而是在腔内往返振荡； 往返振荡次数n由普克尔盒施加的高压周期方波信号的高电平持续时间τ与谐振腔长 度L决定， 所以在L确定的情况下， 控制普克尔 盒施加的高压周期方波信号的高电平持续时 间τ 来控制往返振荡次数n。 8.根据权利要求7所述的一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的方法， 其特征 在于， 所述 步骤S4的具体过程 为： 注入连续单频可调谐 红外激光后， 在普克尔盒施加的高压周期方波信号进入高电平时 触发双光谱探测装置中的光电探测器开始工作， 在τ时间内完成一个测 量周期的透射信号 测量与采集； 采集到的信号为周期类方波信号， 周期个数为n； 周期类方波信号的高电平电压值对应 只有红外吸收过程时的透 射率TIR； 周期类方波信号的低电平电压值对 应红外吸收和受激拉 曼散射同时存在时的透射 率TIR+SRS； 通过分析发现， 随着脉冲激光振荡次数n的增 加， 透射率TIR+SRS呈现指数降低的现象。 9.根据权利要求8所述的一种同步测量红外吸收光谱与拉曼散射光谱的方法， 其特征 在于， 所述 步骤S5的具体过程 为： 注入光功率为P0， 在四分之一高电平时间内测得透射信号功率为P1， 透射率TIR等于P1/ P0， 在低电平 时间内测得透射信号功率为P2， TIR+SRS等于P2/P0， 根据τ时间内测得的n组透射 率TIR和TIR+SRS值， 计算出注入的连续单频可调谐红外激光的光波长λ处的红外吸收 和受 激拉曼损耗 权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115541532 A 3