專利名稱：光聲光譜儀設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜儀設(shè)備和光譜學(xué)方法，具體而言涉及但不限于 激光光譜儀設(shè)備和激光光譜學(xué)方法。
背景技術(shù)：
利用激光吸收光譜技術(shù)分析樣本的成分是公知的。例如，可以 利用其探測(cè)空氣樣本中的污染物，或者探測(cè)呼吸樣本中的生物標(biāo)志。 有幾種已知的不同的激光吸收光譜學(xué)技術(shù)。在這些己知技術(shù)中，直接吸收光譜法是最為基礎(chǔ)的。在這種技術(shù)中，采用光源、吸收室和光探測(cè)器分析吸收室(absorption cell) 中含有的樣本。在來(lái)自光源的光穿過(guò)吸收室時(shí)，室內(nèi)的氣體吸收一 些光。光探測(cè)器位于吸收室的后面，并用于測(cè)量有多少光被吸收。 可以采用朗伯比爾(Lambert-Beer)定律計(jì)算所探測(cè)的氣體的濃度。r = e-。 " ( 1 )其中，T是氣體的透射率，a是氣體的吸收系數(shù)、c是氣體的濃 度，L是吸收室的長(zhǎng)度。這一方程表明，如果路徑長(zhǎng)度L增大，那么總吸收增大，因此 為了實(shí)現(xiàn)高測(cè)量靈敏度，應(yīng)當(dāng)采用長(zhǎng)吸收室。為了確保高測(cè)量靈敏 度，還可能采用多路吸收室，其中，將反射鏡放在吸收室的前面或 后面，從而使光通過(guò)吸收室受到幾次反射。在光聲光譜技術(shù)(photo-acoustic spectroscopy)中，激光束通過(guò) 旋轉(zhuǎn)葉片傳輸，所述旋轉(zhuǎn)葉片被稱為斬波器，其以預(yù)定頻率將射束 斬成一系列光脈沖。這些光脈沖通過(guò)封閉了氣體樣本的光聲室 (PAC)傳輸。如果將激光波長(zhǎng)調(diào)諧為吸收樣本中分子的分子躍遷 能(E^ EK)，就會(huì)將某些處于較低能級(jí)E,的分子激發(fā)到較高能級(jí)EK。通過(guò)與其他原子或分子的碰撞，這些受激分子可以將它們的激發(fā)能 轉(zhuǎn)化為碰撞伙伴的平移能、旋轉(zhuǎn)能或振動(dòng)能。在熱平衡下，這一過(guò) 程引起了熱能的增大，從而導(dǎo)致元件內(nèi)溫度和壓力的升高。因而， 光的每一脈沖引起了氣體壓強(qiáng)的增大，之后氣體壓強(qiáng)又會(huì)在下一脈 沖到達(dá)之前降低。假設(shè)壓力波具有足夠的幅度，并且頻率(由斬波 頻率確定的)處于人耳的聽(tīng)力范圍內(nèi)，那么通過(guò)這種方式生成的壓 力波就可能被人聽(tīng)到。但是，常常使用的是處于這一范圍之外的斬波頻率。PAC所起得作用類似風(fēng)琴管，其諧振頻率與激光束的斬波頻率匹配。其對(duì)所生成的聲波放大，之后通過(guò)傳聲器將其轉(zhuǎn)換為電子信 號(hào)。采用鎖定放大器對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大和解調(diào)。采用鎖定放大器測(cè)量噪聲中掩埋的信號(hào)的幅度和相位。所述鎖 定放大器通過(guò)像窄帶濾波器那樣工作來(lái)實(shí)現(xiàn)這一 目的，其去除了很 多不需要的噪聲，同時(shí)使有待測(cè)量的信號(hào)通過(guò)。通過(guò)基準(zhǔn)斬波頻率 設(shè)置有待測(cè)量的信號(hào)的頻率，并由此設(shè)置濾波器的帶通區(qū)域。通過(guò) 這種方式，可以抑制周圍產(chǎn)生的聲音。通過(guò)下式給出了光聲信號(hào)的強(qiáng)度<formula>formula see original document page 6</formula> (2)其中，M是以cn^為單位的吸收分子的密度，c^給出了以cm2 為單位的吸收截面，Ax是吸收路徑長(zhǎng)度，Af是循環(huán)周期，Pl是激 光功率，^給出了量子效率(所發(fā)射的熒光能量與所吸收的激光能 量之間的比率)，/是溫度T下對(duì)于N個(gè)分子中的每個(gè)可以取得的自 由度的數(shù)目，V是PAC的體積，Sm是以伏特/帕斯卡為單位給出的 傳聲器/PAC組合的靈敏度。方程2表明光聲信號(hào)與分子濃度存在線性依賴關(guān)系。此外，其 還與激光源的功率存在線性依賴關(guān)系，這意味著采用高功率源能夠 獲得顯著的靈敏度。
這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，設(shè)置非常簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)在于，如果希望 獲得高靈敏度，則需要高激光功率。腔衰蕩(CRD， Cavity Ring-Down)光譜技術(shù)是另一種吸收光譜 技術(shù)。這是一種靈敏的吸收技術(shù)，其中，測(cè)量約束在光學(xué)腔內(nèi)的光 脈沖的吸收速率而不是光脈沖的吸收幅度。將樣本放在由兩個(gè)高反 射鏡構(gòu)成的高精細(xì)度光學(xué)腔內(nèi)。將短激光脈沖耦合到腔內(nèi)，光在腔 內(nèi)來(lái)回反射，每次光受到反射，都有一小部分光從腔中泄漏出去。 可以通過(guò)測(cè)量從腔中泄漏出去的光的時(shí)間相關(guān)性確定衰減時(shí)間，而 不是測(cè)量從腔中射出的光的總強(qiáng)度。通過(guò)這種方式可以獲得吸收速 率，樣本吸收得越多，所測(cè)得得衰減時(shí)間就越短。在采用脈沖激光源時(shí)，CRD是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法。但是，就 脈沖激光源而言，探測(cè)器的靈敏度有限。為了獲得高靈敏度，必須 采用連續(xù)波激光源。但是，其導(dǎo)致的缺點(diǎn)是設(shè)置非常復(fù)雜，因?yàn)楸?須提供與光源的波長(zhǎng)協(xié)調(diào)的CRD腔。腔增強(qiáng)吸收(CEA)光譜技術(shù)是一種相當(dāng)新的連續(xù)波(CW)靈 敏吸收技術(shù)。其利用了高Q光學(xué)腔內(nèi)沿相同光路的有效多次通過(guò)。 當(dāng)激光波長(zhǎng)與腔模式之一的波長(zhǎng)偶然吻合(accidentally coincide)時(shí)，激光進(jìn)入這一光學(xué)腔。測(cè)量通過(guò)這一腔傳輸?shù)墓獾臅r(shí)間累積強(qiáng)度， 其與總腔損耗成反比。結(jié)果，在空的腔損耗己知時(shí)，能夠確定腔內(nèi) 存在的吸收材料的吸收系數(shù)。在CEA光譜技術(shù)中，未將激光波長(zhǎng)鎖定至腔模式的頻率。選擇 腔的幾何參數(shù)，從而使模式結(jié)構(gòu)非常致密。在測(cè)量過(guò)程中，使激光 波長(zhǎng)和/或腔模式的波長(zhǎng)發(fā)生抖動(dòng)，其導(dǎo)致了光向腔內(nèi)的準(zhǔn)連續(xù)耦 合。如果能夠像針對(duì)二極管激光器的情況一樣在某一波長(zhǎng)間隔上重 復(fù)掃描激光，那么能夠通過(guò)合計(jì)(summing)幾次掃描非?？焖俚? ls)獲得"原始"CEA光譜。CEA技術(shù)是一種非常易于使用的方法，并且還非常適于現(xiàn)場(chǎng)(in-the-fieW)應(yīng)用?？上У氖?，這項(xiàng)技術(shù)缺乏靈敏度
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例旨在緩和上述問(wèn)題，從而提供易于使用的技術(shù)， 所述技術(shù)在不需要高功率激光器的情況下提供了高靈敏度。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光譜儀設(shè)備，包括脈沖輻射束發(fā)生 器，其用于生成具有預(yù)定輻射波長(zhǎng)的脈沖輻射束；光學(xué)腔，其具有 多個(gè)腔模式，每一腔模式具有腔模式波長(zhǎng)；抖動(dòng)裝置，其用于使脈 沖輻射束的輻射波長(zhǎng)和/或腔模式波長(zhǎng)的幅度發(fā)生抖動(dòng)，從而使脈沖 輻射束準(zhǔn)連續(xù)耦合到光學(xué)腔內(nèi)；光聲室，其位于光學(xué)腔內(nèi)，以包含 所要分析的樣本；以及探測(cè)器，其用于探測(cè)當(dāng)樣本吸收來(lái)自脈沖輻 射束的輻射時(shí)在光聲室內(nèi)生成的壓力波，并生成探測(cè)器輸出信號(hào)， 可以通過(guò)對(duì)所述探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，以確定樣本中的吸收材 料的濃度值。根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種光譜學(xué)方法，包括生成具有預(yù)定 波長(zhǎng)的脈沖輻射束，并將該束引導(dǎo)至具有多個(gè)腔模式的光學(xué)腔，每 一腔模式具有腔模式波長(zhǎng)；使脈沖輻射束的輻射波長(zhǎng)和域所述多個(gè) 腔模式波長(zhǎng)發(fā)生抖動(dòng)，從而使脈沖輻射束準(zhǔn)連續(xù)耦合到光學(xué)腔內(nèi)； 探測(cè)當(dāng)光聲室內(nèi)的樣本吸收來(lái)自所述脈沖輻射束的輻射時(shí)在位于光 學(xué)腔內(nèi)的光聲室內(nèi)生成的壓力波，以生成探測(cè)信號(hào)；以及對(duì)探測(cè)信 號(hào)進(jìn)行處理，以確定樣本中吸收材料的濃度的值。


現(xiàn)在將參考附圖以舉例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中 圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
連續(xù)波激光源1朝向由第一腔鏡4和第二腔鏡5界定的高Q激 光腔3發(fā)射具有預(yù)選波長(zhǎng)的激光束2。當(dāng)激光波長(zhǎng)與腔3的腔模式之 一的波長(zhǎng)吻合，從而將射束2耦合到腔3內(nèi)時(shí)，激光進(jìn)入光學(xué)腔3。通過(guò)使激光束2的波長(zhǎng)抖動(dòng)(dithering)和/或使腔模式的波長(zhǎng) 抖動(dòng)提高了耦合的概率?？梢圆捎脡弘婒?qū)動(dòng)器(未示出)對(duì)放置在
激光器內(nèi)的腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具(etaon)(未示出)進(jìn)行空間調(diào)制，由此使 激光波長(zhǎng)抖動(dòng)。可以通過(guò)對(duì)腔鏡之一進(jìn)行空間調(diào)制，例如，通過(guò)采用壓電驅(qū)動(dòng) 器(未示出)前后驅(qū)動(dòng)第二反射鏡5實(shí)現(xiàn)腔模式的波長(zhǎng)抖動(dòng)。為了進(jìn)一步提高耦合概率，可以選擇腔3的幾何形狀，從而使 其模式結(jié)構(gòu)非常致密，換言之，使腔3所支持的模式之間存在相對(duì) 較小的波長(zhǎng)間隔。在優(yōu)選實(shí)施例中，致密模式結(jié)構(gòu)、激光波長(zhǎng)抖動(dòng)和腔模式抖動(dòng) 的綜合作用實(shí)現(xiàn)了激光2向腔3內(nèi)的準(zhǔn)連續(xù)耦合。就這一方面而言，所述實(shí)施例起著腔增強(qiáng)吸收光譜儀的作用。 如前所述，在CEA光譜技術(shù)領(lǐng)域，腔3內(nèi)的光強(qiáng)的時(shí)間累積測(cè)量與 總腔損耗成反比是公知的。結(jié)果，在空的腔損耗已知時(shí)，能夠確定 腔內(nèi)存在的吸收材料的吸收系數(shù)。在己知的CEA光譜系統(tǒng)中，用于 測(cè)量腔內(nèi)的光強(qiáng)的技術(shù)導(dǎo)致了這種類型的對(duì)腔內(nèi)的吸收材料的濃度 不敏感的光譜技術(shù)。本發(fā)明的實(shí)施例采用光聲光譜技術(shù)測(cè)量腔3內(nèi)的光強(qiáng)，其目的 在于將測(cè)量靈敏度提高到標(biāo)準(zhǔn)CEA的靈敏度之上。為了實(shí)現(xiàn)這一目 的，在圖l所示的實(shí)施例中，將光聲室6放在光學(xué)腔3內(nèi)，并使旋 轉(zhuǎn)射束斬波器7位于激光器1和第一反射鏡4之間。旋轉(zhuǎn)射束斬波 器7通過(guò)周期性地阻擋激光束2將激光束2斬成一串脈沖。任選地，將透鏡8放在斬波器7和第一反射鏡4之間，從而在 兩個(gè)反射鏡4和5之間將脈沖束2聚焦。在光聲室6內(nèi)對(duì)來(lái)自脈沖束的光的吸收導(dǎo)致了在光聲室6內(nèi)以 斬波器7的斬波頻率生成壓力波。優(yōu)選通過(guò)以光聲室6的諧振頻率 對(duì)射束2斬波，將這些壓力波放大成非常強(qiáng)的波，通過(guò)附著于光聲 室6的傳聲器9探測(cè)所述波。將由傳聲器9生成的所得信號(hào)10發(fā)送 至鎖定放大器11，鎖定放大器11利用由斬波器控制器13提供的斬 波器基準(zhǔn)頻率12對(duì)具有斬波頻率的傳聲器信號(hào)10解調(diào)，以生成與 光聲室6內(nèi)的吸收氣體的濃度成線性比例的吸收信號(hào)14。除了比標(biāo)準(zhǔn)CEA具有更高的靈敏度之外，體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)還
提供了其他優(yōu)點(diǎn)。例如，與標(biāo)準(zhǔn)PAS相比，體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)不需 要高功率激光器來(lái)生成足夠強(qiáng)的光聲信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量。相 反，可以采用較低功率的激光器，此外，與利用CRD的系統(tǒng)相比， 體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)仍然相對(duì)易于使用。任選地，分束器15位于激光器1和斬波器7之間，其用于使激 光束2的一小部分射向強(qiáng)度探測(cè)器16。可以采用由探測(cè)器16輸出的 探測(cè)器信號(hào)17針對(duì)光束2的強(qiáng)度變化對(duì)吸收信號(hào)14進(jìn)行補(bǔ)償。在上述實(shí)施例中，兩個(gè)相對(duì)的反射鏡界定了腔3?；蛘?，可以采 用按照三角形環(huán)路設(shè)計(jì)布置的三個(gè)反射鏡或者按照蝶狀領(lǐng)結(jié)(bowtie ring)環(huán)設(shè)計(jì)布置的四個(gè)反射鏡界定所述腔。這樣的設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于， 入射到第一或入光鏡上的激光不朝向激光自身往回反射，這種反射 可能會(huì)在某些激光器中引起反饋問(wèn)題。己經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，可以充分理解，所討論的 實(shí)施例只是示范性的，在不背離權(quán)利要求及其等同要件界定的本發(fā) 明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到各種修改和變 化。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將放在括號(hào)內(nèi)的附圖標(biāo)記視為對(duì)權(quán)利要求 的限制。"包括"一詞不排除在任何權(quán)利要求或整個(gè)說(shuō)明書(shū)中列舉的 元件或步驟以外的其他元件或步驟的存在。元件的單數(shù)引用不排除 對(duì)所述元件的復(fù)數(shù)引用。
權(quán)利要求
1、一種光譜儀設(shè)備，包括脈沖輻射束發(fā)生器，其用于生成具有預(yù)定輻射波長(zhǎng)的脈沖輻射束；光學(xué)腔，其具有多個(gè)腔模式，每一腔模式具有腔模式波長(zhǎng)；抖動(dòng)裝置，其用于使所述脈沖輻射束的所述輻射波長(zhǎng)和/或所述多個(gè)腔模式波長(zhǎng)發(fā)生抖動(dòng)，從而使所述脈沖輻射束準(zhǔn)連續(xù)地耦合到所述光學(xué)腔內(nèi)；光聲室，其位于所述光學(xué)腔內(nèi)，包含將要分析的樣本；以及探測(cè)器，其用于探測(cè)當(dāng)樣本吸收來(lái)自所述脈沖輻射束的輻射時(shí)在光聲室內(nèi)生成的壓力波，并生成探測(cè)器輸出信號(hào)，可以通過(guò)對(duì)所述探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)確定所述樣本中的吸收材料的濃度值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述脈沖輻射束發(fā)生器 包括用于生成連續(xù)輻射束的輻射源；以及位于所述輻射源和所述 光學(xué)腔之間的脈沖發(fā)生器，其用于將連續(xù)輻射束轉(zhuǎn)化為輸入到腔內(nèi) 的所述脈沖輻射束。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括解調(diào)器，其采用頻率 等于所述脈沖輻射束的脈沖頻率的基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)所述探測(cè)器輸出信號(hào) 進(jìn)行解調(diào)，以生成基本與所述樣本中的吸收材料的濃度成線性比例 的吸收信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述輻射束的脈沖頻率 與所述光聲室的諧振頻率基本匹配。
5、 一種光譜學(xué)方法，包括生成具有預(yù)定波長(zhǎng)的脈沖輻射束，并將該束引導(dǎo)至具有多個(gè)腔 模式的光學(xué)腔，每一腔模式具有腔模式波長(zhǎng)；使所述脈沖輻射束的輻射波長(zhǎng)和/或所述多個(gè)腔模式波長(zhǎng)發(fā)生 抖動(dòng)，從而使所述脈沖輻射束準(zhǔn)連續(xù)地耦合到所述光學(xué)腔內(nèi)；探測(cè)當(dāng)位于所述光學(xué)腔內(nèi)的光聲室內(nèi)的樣本吸收來(lái)自所述脈沖 輻射束的輻射時(shí)在所述光聲室內(nèi)生成的壓力波，以生成探測(cè)信號(hào)； 以及對(duì)所述探測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，以確定樣本中吸收材料的濃度值。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述方法還包括 生成連續(xù)輻射束；以及將所述連續(xù)輻射束轉(zhuǎn)換為輸入到所述腔內(nèi)的所述脈沖輻射束。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法， 連續(xù)輻射束轉(zhuǎn)換為所述脈沖輻射束。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法， 與所述光聲室的諧振頻率基本匹配。其中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)斬波器將所述 其中，所述輻射束的脈沖頻率
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括采用頻率等于所述脈沖輻射束的脈沖頻率的基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)所述探 測(cè)信號(hào)解調(diào)，以生成與樣本中的吸收材料的濃度基本成線性比例的 吸收信號(hào)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括生成補(bǔ)償信號(hào)，其用于針對(duì)所述輻射束的強(qiáng)度變化對(duì)所述吸收 信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。
11、 根據(jù)權(quán)利要求io所述的方法，其中，通過(guò)在所述輻射束的源和所述光學(xué)腔之間設(shè)置分束器來(lái)生成所述補(bǔ)償信號(hào)，所述分束器 將來(lái)自所述源的輻射的一部分引向輻射探測(cè)器，以輸出所述補(bǔ)償信號(hào)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括將所述輻射束聚焦到所述光學(xué)腔內(nèi)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述輻射源為激光器， 所述方法還包括對(duì)位于所述激光器內(nèi)的腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行空間調(diào)制， 由此使所述輻射波長(zhǎng)抖動(dòng)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中將所述腔的幾何參數(shù)設(shè) 置為使腔模式波長(zhǎng)的間隔致密。
全文摘要
使光聲探測(cè)室(6)位于腔增強(qiáng)吸收光譜設(shè)備(3，4，5)的光學(xué)腔(3)內(nèi)。當(dāng)所述室(6)內(nèi)的樣本吸收來(lái)自耦合到所述腔(3)內(nèi)的脈沖輻射束的輻射時(shí)，將生成通過(guò)傳聲器(9)探測(cè)的壓力波。可以對(duì)傳聲器(9)輸出的探測(cè)信號(hào)(10)進(jìn)行處理，以確定樣本中吸收材料的濃度值。
文檔編號(hào)G01N21/39GK101213438SQ200680024392
公開(kāi)日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
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