專利名稱：連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學技術領域，涉及一種光譜分析裝置，特別是一種連 續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置。主要用于流體、薄膜、界面、納米 物質等形態(tài)物質的痕量濃度測試。
背景技術：
在環(huán)境分析、生命科學、醫(yī)學醫(yī)療、國防安全、先進制造工業(yè)等許 多領域存在大量的物質痕量測量需求，并且對痕量物質檢測靈敏度的要 求越來越高。腔衰蕩光譜分析技術由于具有檢測靈敏度高、絕對測量、 選擇性好等優(yōu)點，成為痕量物質測量技術發(fā)展趨勢之一。腔衰蕩光譜分 析技術多用來分析痕量氣體濃度和組分，近些年來，研究者也將腔衰蕩 光譜分析技術應用于流體物質分析?，F(xiàn)有技術中，有一種腔衰蕩光譜分
析系統(tǒng)(參見美國專利"Cavity ring down arrangement for non-cavity filing samples",專利號US6， 452， 680 Bl)。該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng) 具有相當?shù)膬?yōu)點，但是，仍然存在一些不足1)該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng) 中采用線型精細腔結構，激光在高精細度腔內(nèi)形成光學駐波，導致光強 分布不均，以及光束入射端腔鏡的反射光易對激光器產(chǎn)生干擾；2)該測 試系統(tǒng)中，激光與腔耦合效率低，激光束初次入射高精細度腔鏡時發(fā)生 透射和反射，透射光在高精細度腔內(nèi)發(fā)生往返傳播，光能利用率低，光 電探測器探測此透射到腔內(nèi)光束通過某一腔鏡的出的射激光能量衰蕩變 化，光能量很低，要求探測器具有高探測靈敏度，對系統(tǒng)光電檢測部分 提出高要求；3)只能用來測試分析流體物質，不能對薄膜、界面、納米 物質等形態(tài)物質的痕量濃度測試，對流體進行測量時，需要被檢測流體 具有一定體積數(shù)量，對具有少量的被測流體無法進行檢測；4)該腔衰蕩 光譜分析系統(tǒng)對高精細度腔系統(tǒng)結構的機械加工和定位要求高，結構復 雜，激光束入射和出射樣品池時，為了使光能量在界面不出現(xiàn)損失，均 要以布魯斯特角入射和出射，這樣就增加了樣品池機械定位要求和光束方向控制精度要求；5)該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)中的高精細度腔有兩個或
多個高反射率反射鏡光學元件構成，結構復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述在先技術的不足，提供一種連續(xù)鎖模近 場光腔衰蕩光譜分析裝置，具有光學行波環(huán)形高精細度腔中光強分布均 勻，反射光不易影響激光器性能，激光與高精細度腔實現(xiàn)連續(xù)鎖模，測 量物質范圍廣泛，被測物質所需量少，系統(tǒng)構成簡單等特點。
本發(fā)明的基本構思是將激光器出射光束分成具有不同偏振特性的 兩束， 一束偏振光經(jīng)過光學調制與控制構成測量光束，另一束經(jīng)過頻率 調控形成鎖模光束，兩束光經(jīng)過偏振分光鏡統(tǒng)一到同一路徑后，入射單 一光學元件構成的環(huán)形高精細度腔，由于兩束光存在頻率和偏振差異， 在腔內(nèi)不存在耦合相干，出射光束經(jīng)過偏振分光鏡分光，鎖模光束被探 測后形成反饋信號經(jīng)過分析處理單元控制移動部件，帶動環(huán)形高精細度 腔與入射光束產(chǎn)生相對位移，從而確保入射光束與高精細度腔保持連續(xù) 鎖模，出射的測量光束被另外探測器接受，形成衰蕩信號，實現(xiàn)痕量物 質檢測；環(huán)形高精細度腔的內(nèi)全反射點處形成光學近場檢測區(qū)，可對流
體、生物芯片、顆粒物質等形態(tài)物質測試。
本發(fā)明的技術解決方案為包括相干光源、入射偏振分光鏡、光束 調制與控制器、頻率調控器、分析控制單元、光學行波高精細度腔、探 測偏振分光鏡、鎖模探測器，信號探測器。光束整形隔離部件、入射偏 振分光鏡和鎖模光束反射鏡依次置在相干光源的出射光束位置上。入射 偏振分光鏡對S光反射，對p光透射，測量光束反射鏡設置在入射偏振 分光鏡的出射S偏振態(tài)光束光路上。在測量光束反射鏡的反射光路上依
次設置有光學行波高精細度腔和探測偏振分光鏡；合成偏振分光鏡設置
在測量光束反射鏡和光學行波高精細度腔之間，位于測量光束反射鏡的 反射光路與鎖模光束反射鏡的反射光路的交點處，測量光束反射鏡的反 射光路與鎖模光束反射鏡的反射光路以合成偏振分光鏡的偏振分光面對 稱。光束調制與控制器設置在測量光路上，頻率調控器設置在鎖模光路
上；所述的測量光路為光通過入射偏振分光鏡、測量光束反射鏡和合成 偏振分光鏡的路徑；所述的鎖模光路為光通過入射偏振分光鏡、鎖模光 束反射鏡和合成偏振分光鏡的路徑。鎖模探測器設置在探測偏振分光鏡的透射光光路上，信號探測器設置在探測偏振分光鏡的反射光光路上。 所述的光學行波高精細度腔為等腰三角形棱鏡或等腰梯形棱鏡，兩個腰 為高反射率入射面和高反射率出射面、底面為內(nèi)全反射面；移動部件與 光學行波高精細度腔配合連接。相干光源、光束調制與控制器、頻率調 控器、移動部件、鎖模探測器和信號探測器均與分析控制單元電連接。
所述的相干光源為半導體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體 激光器的一種。
所述的光束整形隔離部件是由擴束倍率可調的光束擴束光學部件與 光學隔離部件順序連接構成。
所述的光束調制與控制器為液晶型空間光調制器、反射式空間光調 制器、聲光電光調制器的一種。
所述的頻率調控器為聲光調制器、電光調制器、變頻晶體調制器的一種。
所述的光束調制與控制器設置在入射偏振分光鏡和測量光束反射鏡 之間，或設置在測量光束反射鏡和合成偏振分光鏡之間。
所述的頻率調控器設置在入射偏振分光鏡和鎖模光束反射鏡之間， 或設置在鎖模光束反射鏡和合成偏振分光鏡之間。
所述的光電探測器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。 所述的移動部件為步進電機、壓電陶瓷位移器、納米位移元件中的一種。
本發(fā)明裝置的工作過程為相干光源發(fā)射出光束，經(jīng)過光束整形隔離 部件整形入射偏振分光鏡；入射偏振分光鏡對s光反射，對P光透射，出 射的s偏振態(tài)光束經(jīng)過光束調制與控制器后，被測量光束反射鏡反射后 入射合成偏振分光鏡；出射的P偏振態(tài)光束被反射鏡反射后，經(jīng)過頻率 調控器移頻后，入射合成偏振分光鏡；光束調制與控制器和頻率調控器 與分析控制單元相連；合成偏振分光鏡對s光透射，對p光反射，出射 的s和p偏振態(tài)光束共路徑，入射到由單一光學元件構成的光學行波高 精細度腔；光學行波高精細度腔為等腰三角形棱鏡，高反射率入射面和 高反射率出射為兩個腰、內(nèi)全反射面為地面，測試區(qū)為內(nèi)全反射面的光 學近場區(qū)域；光束由高反射率入射面入射，在高反射率入射面、內(nèi)全反射面和高反射率出射面反射形成行波，由高反射率出射面出射，由探測
偏振分光鏡分光；探測偏振分光鏡對s光反射，對p光透射，信號光s
光束被出射方向上置有信號探測器探測，鎖模光p光束被出射方向上置
有鎖模探測器探測；信號探測器和鎖模探測器與分析控制單元相連；分 析控制單元與移動部件相連，移動部件與高精細度腔機械連接，鎖模探 測器信號被分析控制單元反饋給移動部件，產(chǎn)生高精細度腔與腔入射光 束相對位移，實現(xiàn)光束與高精細度腔連續(xù)鎖模；被測物質置于內(nèi)全反射 面上，光束調制與控制器對s光束進行開關，得到測量衰蕩信號，實現(xiàn) 測量。如果被測物質為具有一定量的流體，可在內(nèi)全反射面上置有流通 池，實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)測量。在光路布置上可以根據(jù)具體情況在光束上放置 反射鏡改變光束行進方向，偏振分光鏡在使用時可以選擇適當?shù)姆止馓?性。
本發(fā)明裝置中通過分析控制單元控制相干光源、光束調制與控制器、 頻率調控器、移動部件，以及鎖模探測器和信號探測器將探測信號發(fā)送 給分析控制單元進行處理，這些都是成熟技術。本發(fā)明的發(fā)明點在于提 供一種可以連續(xù)鎖模的近場光腔衰蕩光譜分析的光路結構。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點
1) 精細腔構成簡單，只由一個光學元件構成環(huán)形高精細度腔，內(nèi)部 形成光束行波，光強分布均勻，光束入射端腔鏡的反射光不易對激光器 產(chǎn)生干擾；測試系統(tǒng)的結構簡單穩(wěn)定，對機械定位要求低；
2) 將激光器出射光束分成具有不同偏振特性的兩束， 一束偏振態(tài)光 束用于實現(xiàn)光束和高精細度腔之間的鎖模，另一種用于探測，實現(xiàn)了測 量過程中的連續(xù)鎖模，提高了測量速度，同時提高了光能量利用率，探 測信號強度，降低了對探測電路要求；
3) 將腔衰蕩光譜分析測量對象拓展到薄膜、界面、納米物質、流體，


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一歩說明。連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，包括相干光源1、入射偏振分
光鏡14、光束調制與控制器3、頻率調控器12、分析控制單元9、光學 行波高精細度腔6、探測偏振分光鏡7、鎖模探測器8，信號探測器IO。 實線為光路，虛線為電子連接。相干光源1出射光束上依次置有光束整 形隔離部件2、入射偏振分光鏡14。入射偏振分光鏡14對s光反射，對 p光透射，入射偏振分光鏡14出射的s偏振態(tài)光束光路上依次置有光束 調制與控制器3和測量光束反射鏡4，入射偏振分光鏡14出射的p偏振 態(tài)光束光路上依次置有頻率調控器12和鎖模光束反射鏡13;光束調制與 控制器3和頻率調控器12與分析控制單元9相連；s和p偏振態(tài)光束方 向相交，相交處置有合成偏振分光鏡5，合成偏振分光鏡5對s光透射， 對P光反射，出射的s和p偏振態(tài)光束共路徑，前進光路上置有由單一 光學元件構成的光學行波高精細度腔6;光學行波高精細度腔6為等腰三 角形棱鏡，高反射率入射面和高反射率出射為兩個腰601、內(nèi)全反射面為 地面，測試區(qū)為內(nèi)全反射面602的光學近場區(qū)域；光束由高反射率入射 面601入射，入射方向與底邊平行，在高反射率入射面601、內(nèi)全反射面 602和高反射率出射面603反射形成行波，由高反射率出射面603出射； 出射光束方向上置有探測偏振分光鏡7，探測偏振分光鏡7對s光反射， 對P光透射，信號光s光束出射方向上置有信號探測器10，鎖模光p光 束出射方向上置有鎖模探測器8，信號探測器10和鎖模探測器8與分析 控制單元9相連；分析控制單元9與移動部件11相連，移動部件ll與 高精細度腔6機械連接，鎖模探測器8信號被分析控制單元9反饋給移 動部件11，產(chǎn)生高精細度腔6與腔入射光束相對位移，實現(xiàn)光與高精細 度腔6連續(xù)鎖模。
相干光源1為固體激光器，光束整形隔離部件2是由擴束倍率可調 的光束擴束光學部件與光學隔離部件順序連接構成，光束調制與控制器3 為液晶型空間光調制器，頻率調控器12為聲光調制器，分析控制單元9 為計算機系統(tǒng)，信號探測器10和鎖模探測器8均為雪崩管，移動部件ll 為壓電陶瓷位移器。
本發(fā)明裝置的工作過程為相干光源1發(fā)射出光束，經(jīng)過光束整形隔 離部件2整形入射偏振分光鏡14;偏振分光鏡14對s光反射，對p光透 射，出射的s偏振態(tài)光束經(jīng)過光束調制與控制器3后，被測量光束反射鏡4反射后入射合成偏振分光鏡5;出射的p偏振態(tài)光束被反射鏡13反 射后，經(jīng)過頻率調控器12移頻后，入射合成偏振分光鏡5;光束調制與
控制器3和頻率調控器12與分析控制單元9相連；合成偏振分光鏡5對 s光透射，對p光反射，出射的s和p偏振態(tài)光束共路徑，入射到由單一 光學元件構成的光學行波高精細度腔6;光束由高反射率入射面601入射， 在高反射率入射面601、內(nèi)全反射面602和高反射率出射面603反射形成 行波，由高反射率出射面603出射，由偏振分光鏡7分光；偏振分光鏡7 對s光反射，對P光透射，信號光s光束被出射方向上置有信號探測器
IO探測，鎖模光p光束被出射方向上置有鎖模探測器8探測；信號探測
器10和鎖模探測器8與分析控制單元9相連；分析控制單元9與移動部 件11相連，移動部件11與高精細度腔6機械連接，鎖模探測器8信號 被分析控制單元9反饋給移動部件11，產(chǎn)生高精細度腔6與腔入射光束 相對位移，實現(xiàn)光束與光學行波高精細度腔6連續(xù)鎖模；被測物質置于 內(nèi)全反射面602上，光束調制與控制器3對s光束進行開關，得到測量 衰蕩信號，實現(xiàn)測量，本實施例成功對流體形態(tài)物質進行了痕量濃度監(jiān)
權利要求
1. 連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，包括相干光源、入射偏振分光鏡、光束調制與控制器、頻率調控器、分析控制單元、光學行波高精細度腔、探測偏振分光鏡、鎖模探測器，信號探測器，其特征在于光束整形隔離部件、入射偏振分光鏡和鎖模光束反射鏡依次置在相干光源的出射光束光路上，測量光束反射鏡設置在入射偏振分光鏡的出射s偏振態(tài)光束光路上；在測量光束反射鏡的反射光路上依次設置有光學行波高精細度腔和探測偏振分光鏡；合成偏振分光鏡設置在測量光束反射鏡和光學行波高精細度腔之間，位于測量光束反射鏡的反射光路與鎖模光束反射鏡的反射光路的交點處，測量光束反射鏡的反射光路與鎖模光束反射鏡的反射光路以合成偏振分光鏡的偏振分光面對稱；光束調制與控制器設置在測量光路上，頻率調控器設置在鎖模光路上；所述的測量光路為光通過入射偏振分光鏡、測量光束反射鏡和合成偏振分光鏡的路徑；所述的鎖模光路為光通過入射偏振分光鏡、鎖模光束反射鏡和合成偏振分光鏡的路徑；鎖模探測器設置在探測偏振分光鏡的透射光光路上，信號探測器設置在探測偏振分光鏡的反射光光路上；所述的光學行波高精細度腔為等腰三角形棱鏡或等腰梯形棱鏡，兩個腰為高反射率入射面和高反射率出射面、底面為內(nèi)全反射面；移動部件與光學行波高精細度腔配合連接；相干光源、光束調制與控制器、頻率調控器、移動部件、鎖模探測器和信號探測器均與分析控制單元電連接。
2、 如權利要求1所述的連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，其特 征在于所述的相干光源為半導體激光器、固體激光器、氣體激光器、 液體激光器的一種。
3、 如權利要求1所述的連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，其特 征在于所述的光束調制與控制器為液晶型空間光調制器、反射式空間 光調制器、聲光電光調制器的一種。
4、 如權利要求1所述的連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，其特 征在于所述的頻率調控器為聲光調制器、電光調制器、變頻晶體調制 器的一種。
5、 如權利要求1所述的連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，其特 征在于所述的光電探測器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一 種。
6、 如權利要求1所述的連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，其特 征在于所述的移動部件為步進電機、壓電陶瓷位移器、納米位移元件 中的一種。
7、 如權利要求1所述的連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，其特 征在于所述的光束調制與控制器設置在入射偏振分光鏡和測量光束反 射鏡之間，或設置在測量光束反射鏡和合成偏振分光鏡之間。
8、 如權利要求1所述的連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置，其特 征在于所述的頻率調控器設置在入射偏振分光鏡和鎖模光束反射鏡之 間，或設置在鎖模光束反射鏡和合成偏振分光鏡之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連續(xù)鎖模近場光腔衰蕩光譜分析裝置。現(xiàn)有裝置采用線型精細腔，光機定位要求高、結構復雜，不能對薄膜、界面等進行測試。本發(fā)明將相干光源出射光束分成具有不同偏振特性的兩束，一束偏振光經(jīng)過光學調制與控制構成測量光束，另一束經(jīng)過頻率調控形成鎖模光束，兩束光經(jīng)過偏振分光鏡統(tǒng)一路徑后，入射單一光學元件構成的環(huán)形高精細度腔，出射光束經(jīng)過偏振分光鏡分光，鎖模光束被探測后形成反饋信號控制移動部件，帶動光學行波高精細度腔產(chǎn)生位移，入射光束與高精細度腔在測量時保持連續(xù)鎖模。本發(fā)明精細腔構成簡單，只有一個光學元件，結構簡單穩(wěn)定，對機械定位要求低，并且光譜分析測量對象可為薄膜、界面、納米物質、流體。
文檔編號G01J3/28GK101294894SQ200810061918
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月27日 優(yōu)先權日2008年5月27日
發(fā)明者健 王, 高秀敏 申請人:杭州電子科技大學