專利名稱：光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光譜分析裝置，特別是一種光纖 式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置，主要用于流體、薄膜、界面、 納米物質(zhì)等形態(tài)物質(zhì)的痕量濃度測試。 技術(shù)背景在環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國防安全、先進制造工業(yè)等許多 領(lǐng)域存在大量的物質(zhì)痕量測量需求，并且對檢測靈敏度的要求越來越高。 腔衰蕩光譜分析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(zhì)測量技術(shù)發(fā)展趨勢之一。腔衰蕩光譜分析技術(shù)多用來分析痕量 氣體濃度和組分，近些年來，研究者將腔衰蕩光譜分析技術(shù)應(yīng)用于流體物質(zhì)分析，在先技術(shù)中，有一種腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)(參見美國專利"Cavityring down arrangement for non-cavity filing samples", 專利號US6，452，680B1)。該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點，盡管可以將腔衰蕩光譜分析技術(shù)功能擴充，對流體物質(zhì)進行分析測試，但是，仍然存在一 些不足1) 該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)只能用來測試分析流體物質(zhì)，不能對薄膜、 界面、納米物質(zhì)等形態(tài)物質(zhì)的痕量濃度測試；2) 該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機械加工和定位要求高，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提供了光束方向控 制精度；3) 該測試系統(tǒng)中，激光束初次入射高精度腔鏡時發(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，光電探測器探測此透射到腔內(nèi)光在某 一腔鏡的出射激光能量衰蕩變化，所以光能量很低，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；4) 對流體進行測量時，需要至少填充樣品池，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；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(xué)元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且對光學(xué)元件相對位置具有高精度定位要 求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題在于克服了上述在先技術(shù)的不足，提供一種光纖 式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置，具有測量物質(zhì)范圍廣泛，被測 物質(zhì)所需量少，所需探測光學(xué)信號強，可光纖遠距離傳輸，精細腔構(gòu)成簡 單等特點。本發(fā)明的基本構(gòu)思是將近場光學(xué)傳感、光纖長距離傳播和光學(xué)外差 分光電探測技術(shù)應(yīng)用于腔衰蕩光譜分析技術(shù)。光纖將傳感探測部分和信息 處理部分連接，可實現(xiàn)遠距離測試，光纖分布式測試系統(tǒng)。光學(xué)外差分中 探測器探測光強信號為直流光場振幅和有用弱變化光場振幅取和后模的平 方，交叉項含有用光信號，同時此信號振幅中含直流光場振幅參數(shù)，可實 現(xiàn)所需探測光信號增強的效果。采用一個光學(xué)元件度高反射膜形成高精細 強，采用近場光消逝波區(qū)域測試物質(zhì)，所需物質(zhì)量小，并且測量范圍廣。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置，包括探測部件、光纖、 光電探測器、分光鏡和激光光源。所述的探測部件為對稱結(jié)構(gòu)的柱體或半 球體，內(nèi)部形成光反射腔，外表面鍍有高反射膜。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直 器與探測部件位置配合。激光光源和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器分別設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)，激光光源的發(fā)射光方向與分光鏡的工作面的夾角為45。，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在發(fā)射光方向上。光電探測器與分光鏡光纖耦合 準(zhǔn)直器設(shè)置在分光鏡的工作面的同一側(cè)面，并且設(shè)置在分光鏡的反射光方 向上。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器通過光纖連接。所述的探測部件為截面呈半圓形的柱體，柱體的弧面鍍有高反射膜。 探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在半圓形的徑向方向上。所述的探測部件為截面呈等腰三角形的柱體，柱體的等腰面鍍有高反射膜。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器與等腰三角形一邊的腰平行設(shè)置。所述的半球體的探測部件的弧面鍍有高反射膜。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在半球體的徑向方向上。所述的分光鏡為分光棱鏡；光纖為單模光纖、多模光纖、光纖束中的一種。所述的分光鏡為偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直 器之間設(shè)置有四分之一波片，四分之一波片的光軸方向與偏振分光棱鏡的 出射光偏振方向的夾角為45。；所述的光纖為保偏光纖。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。 本發(fā)明裝置的工作過程為激光光源發(fā)出的線偏振光束，經(jīng)過分光鏡， 通過分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器進入光纖。在光纖中傳播到探測部件，經(jīng)過探 測部件光纖耦合準(zhǔn)直器轉(zhuǎn)化為激光束，透過探測部件的入射工作面，在全 反射工作面上發(fā)生全反射，全反射消逝波區(qū)域為檢測被測物質(zhì)的區(qū)域，全 反射光束傳播到反射工作面發(fā)生反射。由于入射工作面和反射工作面均鍍 有高反射膜，所以形成了高精細度腔，光束在高精細度腔內(nèi)往返傳播，每 次經(jīng)過全反射工作面上發(fā)生全反射時與被測物質(zhì)發(fā)生作用，會有吸收，光 能量有損失形成吸收峰，光能量吸收強度與被測物質(zhì)被測量成比例。激光 束每次經(jīng)過入射工作面時，會有部分光發(fā)生透射。信號透射光束經(jīng)過入射 工作面，再由探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器傳播到光纖。信號透射光束在光纖 另一端經(jīng)過分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器入射到分光鏡。在分光鏡的分光面上部 分光發(fā)生反射，達到光電探測器上。光電探測器將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為 電信號后傳到后臺信號處理控制系統(tǒng)進行光學(xué)外差法信號處理，得到被測 物質(zhì)量。為提高激光光能量利用效率，分光鏡采用偏振分光棱鏡，對于入光偏 振態(tài)光束透射，偏振方向垂直于入射光束偏振方向的光束反射，同時在偏振分光棱鏡與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器之間加入四分之一波片9，四分之一 波片光軸方向與偏振分光棱鏡的出射光偏振方向成45度角，或是在分光鏡 靠近光纖耦合準(zhǔn)直器一側(cè)鍍有四分之一波長光學(xué)薄膜，光纖采用保偏光纖。 激光光源發(fā)出的線偏振光束可以地光能損耗透射，經(jīng)過四分之一波片后轉(zhuǎn)化為圓片偏振光，經(jīng)過保偏光纖傳到探測部件，含有被測物質(zhì)信息的反射 光束經(jīng)過四分之一波片后，會轉(zhuǎn)化為線偏振光，此時的偏振方向垂直于入 射光束偏振方向，所以被偏振分光棱鏡高效率反射達到光電探測器上。光 電探測器將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳到后臺信號處理控制系統(tǒng)進 行光學(xué)外差法信號處理，得到被測物質(zhì)量。 與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點1) 將腔衰蕩光譜分析測量對象拓展到薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體；2) 測量時所需被測物質(zhì)量少；3) 精細腔構(gòu)成簡單，只有一個光學(xué)元件；4) 結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，對機械定位要求低；5) 所需探測光信號強；6) 光纖遠距離傳輸，可構(gòu)成光纖分布式測試系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的第一實施例示意圖；圖2為本發(fā)明的第二實施例示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一歩說明。 實施例l:本實施例的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu) 如圖1所示。光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)由探測部件1、 光纖3、光電探測器5、分光鏡6和激光光源7構(gòu)成。探測部件1為對稱結(jié) 構(gòu)的半球體，外表面鍍有高反射膜，內(nèi)部形成光反射腔。探測部件光纖耦 合準(zhǔn)直器2與探測部件1位置配合，探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器2設(shè)置在探 測部件1半球面的徑向方向上。激光光源7和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4分 別設(shè)置在分光鏡6的兩側(cè)，激光光源7的發(fā)射光方向與分光鏡6的工作面 的夾角為45。，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在發(fā)射光方向上。光電探測 器5與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在分光鏡6的工作面的同一側(cè)面，并 且設(shè)置在分光鏡6的反射光方向上。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器2與分光鏡 光纖耦合準(zhǔn)直器4通過光纖3連接，光纖為多模光纖。光電探測器5為光電倍增管。本實施例的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)如上所述結(jié)構(gòu)，工作過程為激光光源7發(fā)出的線偏振光束，經(jīng)過分光鏡6，通過分光 鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4迸入光纖3。在光纖3中傳播到探測部件1，經(jīng)過探測 部件光纖耦合準(zhǔn)直器2轉(zhuǎn)化為激光束，透過探測部件1的入射工作面，在 全反射工作面上發(fā)生全反射，全反射消逝波區(qū)域為檢測被測物質(zhì)的區(qū)域， 全反射光束傳播到反射工作面發(fā)生反射。由于探測部件1的外球面工作面 均鍍有高反射膜，所以形成了高精細度腔，光束在高精細度腔內(nèi)往返傳播， 每次經(jīng)過全反射工作面上發(fā)生全反射時與被測物質(zhì)發(fā)生作用，會有吸收， 光能量有損失形成吸收峰，光能量吸收強度與被測物質(zhì)被測量成比例。激 光束每次經(jīng)過入射工作面時，會有部分光發(fā)生透射。信號透射光束經(jīng)過入 射工作面，再由探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器2傳播到光纖3。信號透射光束 在光纖3另一端經(jīng)過分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4入射到分光鏡6。在分光鏡6 的分光面上部分光發(fā)生反射，達到光電探測器5上。光電探測器5將探測 到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳到后臺信號處理控制系統(tǒng)進行光學(xué)外差法信 號處理，得到被測物質(zhì)量。 實施例2:第二具體實施例結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔 衰蕩光譜分析系統(tǒng)由探測部件l、光纖3、光電探測器5、四分之一波片8、 分光鏡6和激光光源7構(gòu)成。探測部件1為截面呈等腰三角形的柱體，柱 體的等腰面鍍有高反射膜，內(nèi)部形成光反射腔。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器 2與探測部件1位置配合，探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器2設(shè)置在探測部件1 半球面的徑向方向上。激光光源7和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4分別設(shè)置在 分光鏡6的兩側(cè)，激光光源7的發(fā)射光方向與分光鏡6的工作面的夾角為 45° ，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在發(fā)射光方向上。光電探測器5與分 光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在分光鏡6的工作面的同一惻面，并且設(shè)置在 分光鏡6的反射光方向上。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器2與分光鏡光纖耦合 準(zhǔn)直器4通過光纖3連接，光纖3采用保偏光纖，光電探測器5為光電倍 增管。分光鏡6采用偏振分光鏡，對于入光偏振態(tài)光束透射，偏振方向垂直于入射光束偏振方向的光束反射，同時在分光鏡6與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4之間加入四分之一波片8，四分之一波片8光軸方向與分光鏡6光 束出射光偏振方向成45度角，或是在分光鏡6靠近分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器 4 一側(cè)鍍有四分之一波長光學(xué)薄膜。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器4與等腰三 角形一邊的腰平行設(shè)置。本實施例的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)如上所述結(jié) 構(gòu)，工作過程為激光光源7發(fā)出的線偏振光束，經(jīng)過分光鏡6和四分之一 波片8后，由線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光，再通過分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4 進入光纖3。在光纖3中傳播到探測部件1，經(jīng)過探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器 2轉(zhuǎn)化為激光束，透過探測部件1的入射工作面，在全反射工作面上發(fā)生 全反射，全反射消逝波區(qū)域為檢測被測物質(zhì)的區(qū)域，全反射光束傳播到反 射工作面發(fā)生反射。由于探測部件1為截面呈等腰三角形的柱體，柱體的 等腰面鍍有高反射膜，內(nèi)部形成高精細度腔，光束在高精細度腔內(nèi)往返傳 播，每次經(jīng)過全反射工作面上發(fā)生全反射時與被測物質(zhì)發(fā)生作用，會有吸 收，光能量有損失形成吸收峰，光能量吸收強度與被測物質(zhì)被測量成比例。 激光束每次經(jīng)過入射工作面時，會有部分光發(fā)生透射。信號透射光束經(jīng)過 入射工作面，再由探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器2傳播到光纖3。信號透射光 束在光纖3另一端經(jīng)過分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4出射，再次經(jīng)過四分之一 波片8，由于四分之一波片8光軸方向與分光鏡6光束出射光偏振方向成 45度角，光束由圓偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光，偏正方向與激光光源7出射光 的偏振方向垂直，故高效率地被分光鏡6的分光面上發(fā)生反射，反射光達 到光電探測器5上。光電探測器5將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳到 后臺信號處理控制系統(tǒng)進行光學(xué)外差法信號處理，即得到被測物質(zhì)量。
權(quán)利要求
1、光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置，包括探測部件、光纖、光電探測器、分光鏡和激光光源，其特征在于所述的探測部件為對稱結(jié)構(gòu)的柱體或半球體，內(nèi)部形成光反射腔，外表面鍍有高反射膜，探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器與探測部件位置配合；激光光源和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器分別設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)，激光光源的發(fā)射光方向與分光鏡的工作面的夾角為45°，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在發(fā)射光方向上；光電探測器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在分光鏡的工作面的同一側(cè)面，并且設(shè)置在分光鏡的反射光方向上；探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器通過光纖連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝 置，其特征在于所述的探測部件為截面呈半圓形的柱體，柱體的弧面鍍有 高反射膜；探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在半圓形的徑向方向上。
3、 如權(quán)利要求1所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝 置，其特征在于所述的探測部件為截面呈等腰三角形的柱體，柱體的等腰 面鍍有高反射膜；探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器與等腰三角形一邊的腰平行設(shè) 置。 '
4、 如權(quán)利要求1所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝 置，其特征在于所述的半球體的探測部件的弧面鍍有高反射膜；探測部件 光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在半球體的徑向方向上。
5、 如權(quán)利要求1所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝 置，其特征在于所述的分光鏡為分光棱鏡；光纖為單模光纖、多模光纖、 光纖束中的一種。
6、 如權(quán)利要求1所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝 置，其特征在于所述的分光鏡為偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡與分光鏡光 纖耦合準(zhǔn)直器之間設(shè)置有四分之一波片，四分之一波片的光軸方向與偏振 分光棱鏡的出射光偏振方向的夾角為45。；所述的光纖為保偏光纖。
7、 如權(quán)利要求1所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝 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。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置。現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對光學(xué)元件精度要求高，并且不能對薄膜、界面、納米物質(zhì)等進行測試。本發(fā)明的探測部件采用對稱結(jié)構(gòu)的柱體或半球體，內(nèi)部形成光反射腔，外表面鍍有高反射膜。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器與探測部件位置配合。激光光源和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器分別設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)。光電探測器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在分光鏡的工作面的同一側(cè)面，并且設(shè)置在分光鏡的反射光方向上。探測部件光纖耦合準(zhǔn)直器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器通過光纖連接。本發(fā)明精細腔構(gòu)成簡單，只有一個光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，對機械定位要求低，并且光譜分析測量對象能夠拓展到薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體。
文檔編號G01N21/39GK101281126SQ20081006020
公開日2008年10月8日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者健 王, 高秀敏 申請人:杭州電子科技大學(xué)