[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种测量水汽变温吸收光谱的系统，包括差频光源模块1、差频光源频率监测及标定模块2、数据的采集与处理模块3、三光路控温多通池装置4和配气模块5；
[0030] 其中，所述差频光源模块1包括Nd:YAG激光器和钛宝石激光器，所述Nd:YAG激光器发出的激光经过光隔离器和四分之一波片后照射至双色合束镜，所述钛宝石激光器发出的激光经过两个分束镜后分成三束激光，其中的一束激光照射至双色合束镜与Nd:YAG激光器发出的激光进行合束，所述合束光经过第一会聚透镜在BaGa4Se7非线性光学晶体中发生非线性光学效应产生差频光合成差频光，其中通过连续调谐钛宝石激光器的谐振腔可以对它的频率进行连续调谐，如图2所示，差频从本质上来说，是在非线性光学晶体中产生新辐射光波的过程，即输入频率分别为ωp和ωs的种子光源，在非线性晶体中相互作用产生频率为ωi＝ωp–ωs的新辐射，在差频产生过程中，三波光矢量行为由耦合波微分方程决定，其中三波频率的大小关系为ωp>ωs>ωi，且分别称为泵浦光，信号光和空闲光，为有效地进行非线性光学频率转换，要求信号光、泵浦光以及空闲光在非线性晶体中满足以下两个条件：
[0031] 能量守恒；要求信号光、空闲光与泵浦光波长满足关系式：
[0032]
[0033] 动量守恒；要求三光波的波矢满足：
[0034]
[0035] 也就是相位匹配条件，如果参与互作用的三个光波的波矢方向相同(共线)，则有：
[0036] ωsns+ωini＝ωpnp (3)
[0037] 上式即为共线条件下，三波互作用的相位匹配条件。相位匹配主要有两类：当信号光源和差频光源的极化方向一致时，称为I类相位匹配；若不同，则为II类相位匹配；
[0038] 所述差频光经过第一会聚透镜、BaGa4Se7非线性光学晶体、第二会聚透镜和锗片后导入三光路控温多通池装置4，如图3和图4所示，采用BaGa4Se7作为非线性频率变换晶体，这种晶体具有透光范围大、透过率高等优点，适宜于产生3～11μm的中红外差频激光。
[0039] 另外，以碘在532nm波段的强吸收谱线为参考频率，实现Nd:YAG激光器的碘吸收主动稳频，减小Nd:YAG激光器的频率漂移，最终实现差频光的线宽压窄，提高差频光源的光谱分辨率；
[0040] 其中剩余的两束激光分别照射至差频光源频率监测及标定模块2内部进行监测和标定使用，所述差频光源频率监测及标定模块2包括一个波长计、一个标准具和一个电光调制器，钛宝石激光器发出的激光经过两个分束镜后分成的三束激光中的一束激光经过波长计进行监测，将信息传输至数据的采集与处理模块3，另一束激光依次通过标准具和电光调制器，通过电光调制器将电光调制产生的一阶二阶边带与标准具信号相结合，达到校准钛宝石激光器发出的激光的目的，同时也将校准后的激光信息传输至数据的采集与处理模块3；
[0041] 在差频技术中，信号光、空闲光的波长与钛宝石激光器发出的泵浦光波长之间的关系满足(1)式，在对信号光进行稳频后，可以认为其波长λs是不变的，此时可以先标定泵浦光的波长λp，再根据(1)式推算出差频光的波长λi，进而完成对所获得的吸收光谱的频率校准；
[0042] 如图所示，本发明中，将电光调制器与标准具连用完成差频光源的频率标定，具体为：泵浦光分出约4％的部分入射到电光调制器，将电光调制产生的一阶二阶边带与标准具信号相结合，相当于在标准具透射峰之间插入了透射峰，减小了标准具的自由光谱范围FSR，提高了频率校准精度，达到校准泵浦光的目的，假设标准具的自由光谱范围FSR为1.5GHz，精细度为200，电光调制器的边带距离为312.3MHz，那么校准后的泵浦光的频率λp的精度应在3MHz以内，假设稳频后信号光的频率为νs，根据差频原理可求出差频光的频率νi＝νp‑νs，理论上校准后差频光的误差不会超过3MHz，这就在不损失差频光功率的情况下完成了对水分子吸收光谱频率的标定。
[0043] 所述三光路控温多通池装置4内部带有三个样品池，激光导入样品池产生的吸收信号传输到数据的采集与处理模块3，其中，所述样品池放置在真空隔热腔内部，且真空隔热腔还带有冷却机构，冷却机构具体为螺旋铜管和与铜管连通的杜瓦瓶，所述螺旋铜管设置有两组，分别绕在样品池外壁和混合容器外壁，所述杜瓦瓶内部装有恒定压力的液氮蒸气，且通过高精度阀门进行控制，用于控制液氮蒸气恒压独立地流入到样品池外壁或者混合容器外壁的螺旋铜管中完成冷却作用，为获得稳定的样品池温度，需要保持杜瓦瓶中的液氮蒸气压力恒定，杜瓦瓶中蒸气压力将保持液氮冷却气体恒定地流入到样品池壁内的螺旋铜管中，从而传递到样品池壁上的冷量使得样品池温度降低与其耗散的热量相平衡，进而达到控制样品池温度的目的。根据以往的实验结果，该方法可将待测样品温度控制在0.5C以内。
[0044] 样品池两片球面反射镜和玻璃池壁均采用导热性极好的高导无氧铜制作，并与冷却机构的螺旋形的铜管配套作用冷却混合气体，从而使反射镜和池壁获得良好的温度均匀性，一方面可以避免反射镜由于温度不均匀发生反射面形变而引起的光路的改变；另一方面有利于池中待测样品的温度均匀性。
[0045] 其中样品池的底座由铟钢制作，防止温度变化时两片球面反射镜间距离发生变化；为保持样品吸收池的温度稳定性，可将三个样品池放入真空隔热腔中是三光路可控温多通吸收池装置的核心部分；
[0046] 所述配气模块5具体为混合容器，混合容器的体积为1立方米，且所述混合容器的内部带有防水汽吸附搅拌器和pt100型温度传感器，用于混合定比例的水汽和干燥空气，且所述混合容器带有冷却机构用于在水汽和干燥空气混合后的混合气体进行预冷却，待混合气体预冷到实验所需温度后，通过混合容器带有的质量流量控制器和压力控制器控制混合气体按设定的流量通过与所述混合容器之间串联相接的样品池；
[0047] 所述数据的采集与处理模块3包括基于Labview软件编写集成化的多光谱拟合程序的计算机和三个光电探测器，经过所述三光路控温多通池装置4的三个样品池的激光分别通过光电探测器，将信息传输至计算机内部，同时将所述差频光源频率监测及标定模块2内部产生的信号进行收集，数据的采集拟采用Labview软件编写集成化的程序实时在线完成，通过采用选项卡模式，可以将不同的模块分置，使程序操作便捷有序，然后采集的数据由多光谱拟合程序进行处理，该程序可以同时拟合多组不同实验条件下获取的吸收光谱，包含多种线形模型如Gaussian，Lorentzian，Voigt，Galatry，Rautian，SDVP等。通过分析比较不同线形模型拟合结果，归纳水分子吸收随温度变化的特性，尝试优化大气条件下水分子吸收谱线的线形模型。采用CRB理论模型计算相应实验波段的水汽光谱参数，并把理论计算结果与实验数据相比较，调整CRB模型中分子间势能、收敛度等参数，进而优化CRB理论模型。
[0048] S1、先根据实验需要温度将三光路控温多通池装置4的气路部分气温调整到实验所需的温度，然后样品池中充入实验所需要的分压力的水汽进行环境预设置直至压力稳定，然后在配气模块5的混合容器内部配置产生一定比例的均匀的水汽和干燥空气的混合气体，并进行预冷却，待混合气体预冷到实验所需温度后，通过质量流量控制器和压力控制器控制混合气体按设定的流量通过串联相接的样品池；
[0049] S2、利用差频光源模块1产生中红外差频光，同时差频光源频率监测及标定模块2对钛宝石激光器发出的激光进行监测与标定，且将信息传输至数据的采集与处理模块3，同时产生的中红外差频光被导入充有流动混合气体的三光路控温多通池装置4的三个样品池中；
[0050] S3、从样品池中导出的带有吸收信息的中外差频光进入数据采集系统进行采集处理，然后，利用带有多光谱拟合程序的计算机处理得到水汽分子吸收谱线位置、压力加宽系数及温度依赖系数的光谱参数并分析吸收线形随温度的变化关系的信息。
[0051] 本发明基于BaGa4Se7非线性光学晶体，建立一套中红外3～11μm、窄线宽、高频标的差频光源，研究变温条件下水汽分子的吸收光谱特性，从而为实际大气工程应用提供准确的光谱数据，探讨水汽吸收线形随温度的变化规律，并且为CRB理论模型的改进提供有效判据。
[0052] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0053] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
