專利名稱：一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光譜分析裝置，特別是一 種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置。 技術(shù)背景
在環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國(guó)防安全、先進(jìn)制造工業(yè)等許 多領(lǐng)域存在大量的物質(zhì)痕量測(cè)量需求，并且對(duì)痕量物質(zhì)檢測(cè)靈敏度的要 求越來越高。腔衰蕩光譜分析技術(shù)由于具有檢測(cè)靈敏度高、絕對(duì)測(cè)量、 選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，成為痕量物質(zhì)測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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，研究者也將腔衰蕩 光譜分析技術(shù)應(yīng)用于流體物質(zhì)分析，其中有一種腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)(參
見美國(guó)專利"Cavity ring down arrangement for non-cavity filing samples",專利號(hào)US6， 452， 680 Bl)。該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)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(xì)腔結(jié)構(gòu)，激光在高精細(xì) 度腔內(nèi)形成光學(xué)駐波，導(dǎo)致光強(qiáng)分布不均，以及光束入射端腔鏡的反射 光易對(duì)激光器產(chǎn)生干擾；2)該測(cè)試系統(tǒng)中，激光與腔耦合效率低，激光 束初次入射高精細(xì)度腔鏡時(shí)發(fā)生透射和反射，透射光在高精細(xì)度腔內(nèi)發(fā) 生往返傳播，光能利用率低，光電探測(cè)器探測(cè)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(cè)器具有高探 測(cè)靈敏度，對(duì)系統(tǒng)光電檢測(cè)部分提出高要求；3)只能用來測(cè)試分析流體 物質(zhì)，不能對(duì)薄膜、界面、納米物質(zhì)等形態(tài)物質(zhì)的痕量濃度測(cè)試，對(duì)流 體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要被檢測(cè)流體具有一定體積數(shù)量，對(duì)具有少量的被測(cè) 流體無法進(jìn)行檢測(cè)；4)該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)對(duì)高精細(xì)度腔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 機(jī)械加工和定位要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激光束入射和出射樣品池時(shí)，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(jī)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(xì)度腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)上述在先技術(shù)的不足，提供一種連續(xù)鎖 模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置，具有光學(xué)行波環(huán)形高精細(xì)度腔中光強(qiáng)分 布均勻，反射光不易影響激光器性能，激光與高精細(xì)度腔實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模， 測(cè)量物質(zhì)范圍廣泛，被測(cè)物質(zhì)所需量少，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的基本構(gòu)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(xué)調(diào)制與控制構(gòu)成測(cè)量光束，另一束經(jīng)過 頻率調(diào)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(xué)元件構(gòu)成的環(huán)形高精細(xì)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(cè)后形成反饋信號(hào)經(jīng)過分析處理單元控制移動(dòng)部件，帶動(dòng)環(huán)形高精 細(xì)度腔與入射光束產(chǎn)生相對(duì)位移，從而確保入射光束與高精細(xì)度腔保持 連續(xù)鎖模，出射的測(cè)量光束被另外探測(cè)器接受，形成衰蕩信號(hào)，實(shí)現(xiàn)痕 量物質(zhì)檢測(cè)；環(huán)形高精細(xì)度腔的內(nèi)全反射點(diǎn)處形成光學(xué)近場(chǎng)檢測(cè)區(qū)，可 對(duì)流體、生物芯片、顆粒物質(zhì)等形態(tài)物質(zhì)測(cè)試。
本實(shí)用新型包括相干光源、入射偏振分光鏡、光束調(diào)制與控制器、 頻率調(diào)控器、分析控制單元、光學(xué)行波高精細(xì)度腔、探測(cè)偏振分光鏡、 鎖模探測(cè)器，信號(hào)探測(cè)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(duì)s 光反射，對(duì)P光透射，測(cè)量光束反射鏡設(shè)置在入射偏振分光鏡的出射S 偏振態(tài)光束光路上。在測(cè)量光束反射鏡的反射光路上依次設(shè)置有光學(xué)行
波高精細(xì)度腔和探測(cè)偏振分光鏡；合成偏振分光鏡設(shè)置在測(cè)量光束反射
鏡和光學(xué)行波高精細(xì)度腔之間，位于測(cè)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(diǎn)處，測(cè)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(duì)稱。光束調(diào)制與
控制器設(shè)置在測(cè)量光路上，頻率調(diào)控器設(shè)置在鎖模光路上；所述的測(cè)量 光路為光通過入射偏振分光鏡、測(cè)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(cè)器設(shè)置在探測(cè)偏振分光鏡的透射光光路上， 信號(hào)探測(cè)器設(shè)置在探測(cè)偏振分光鏡的反射光光路上。所述的光學(xué)行波高
精細(xì)度腔為等腰三角形棱鏡或等腰梯形棱鏡，兩個(gè)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(dòng)部件與光學(xué)行波高精細(xì)度 腔配合連接。相干光源、光束調(diào)制與控制器、頻率調(diào)控器、移動(dòng)部件、 鎖模探測(cè)器和信號(hào)探測(cè)器均與分析控制單元電連接。
所述的相干光源為半導(dǎo)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(kuò)束倍率可調(diào)的光束擴(kuò)束光學(xué)部件與 光學(xué)隔離部件順序連接構(gòu)成。
所述的光束調(diào)制與控制器為液晶型空間光調(diào)制器、反射式空間光調(diào) 制器、聲光電光調(diào)制器的一種。
所述的頻率調(diào)控器為聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、變頻晶體調(diào)制器的 一種。
所述的光束調(diào)制與控制器設(shè)置在入射偏振分光鏡和測(cè)量光束反射鏡 之間，或設(shè)置在測(cè)量光束反射鏡和合成偏振分光鏡之間。
所述的頻率調(diào)控器設(shè)置在入射偏振分光鏡和鎖模光束反射鏡之間， 或設(shè)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(cè)器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。
所述的移動(dòng)部件為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移元件中的 一種。
本實(shí)用新型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(duì)s光反射，對(duì)P光透 射，出射的s偏振態(tài)光束經(jīng)過光束調(diào)制與控制器后，被測(cè)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(diào)控器移頻后，入射合成偏振分光鏡；光束調(diào)制與控制器和頻率 調(diào)控器與分析控制單元相連；合成偏振分光鏡對(duì)s光透射，對(duì)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(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)行 波高精細(xì)度腔；光學(xué)行波高精細(xì)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(gè)腰、內(nèi)全反射面為地面，測(cè)試區(qū)為內(nèi)全反射面 的光學(xué)近場(chǎng)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(cè)偏振分光鏡分光；探測(cè)偏振分光鏡對(duì)S光反射，對(duì)P光透射，信號(hào) 光S光束被出射方向上置有信號(hào)探測(cè)器探測(cè)，鎖模光p光束被出射方向 上置有鎖模探測(cè)器探測(cè)；信號(hào)探測(cè)器和鎖模探測(cè)器與分析控制單元相連; 分析控制單元與移動(dòng)部件相連，移動(dòng)部件與高精細(xì)度腔機(jī)械連接，鎖模 探測(cè)器信號(hào)被分析控制單元反饋給移動(dòng)部件，產(chǎn)生高精細(xì)度腔與腔入射 光束相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)光束與高精細(xì)度腔連續(xù)鎖模；被測(cè)物質(zhì)置于內(nèi)全反 射面上，光束調(diào)制與控制器對(duì)s光束進(jìn)行開關(guān)，得到測(cè)量衰蕩信號(hào)，實(shí) 現(xiàn)測(cè)量。如果被測(cè)物質(zhì)為具有一定量的流體，可在內(nèi)全反射面上置有流 通池，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)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(jìn)方向，偏振分光鏡在使用時(shí)可以選擇適當(dāng)?shù)姆止?特性。
本實(shí)用新型裝置中通過分析控制單元控制相干光源、光束調(diào)制與控 制器、頻率調(diào)控器、移動(dòng)部件，以及鎖模探測(cè)器和信號(hào)探測(cè)器將探測(cè)信 號(hào)發(fā)送給分析控制單元進(jìn)行處理，這些都是成熟技術(shù)。本實(shí)用新型的實(shí) 用新型點(diǎn)在于提供一種可以連續(xù)鎖模的近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析的光路結(jié) 構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)
1) 精細(xì)腔構(gòu)成簡(jiǎn)單，只由一個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成環(huán)形高精細(xì)度腔，內(nèi)部 形成光束行波，光強(qiáng)分布均勻，光束入射端腔鏡的反射光不易對(duì)激光器 產(chǎn)生干擾；測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，對(duì)機(jī)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(shí)現(xiàn)光束和高精細(xì)度腔之間的鎖模，另一種用于探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了測(cè) 量過程中的連續(xù)鎖模，提高了測(cè)量速度，同時(shí)提高了光能量利用率，探 測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，降低了對(duì)探測(cè)電路要求；
3) 將腔衰蕩光譜分析測(cè)量對(duì)象拓展到薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體， 測(cè)量時(shí)所需被測(cè)物質(zhì)量少。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
連續(xù)鎖模近場(chǎng)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(diào)制與控制器3、頻率調(diào)控器12、分析控制單元9、光學(xué)行 波高精細(xì)度腔6、探測(cè)偏振分光鏡7、鎖模探測(cè)器8，信號(hào)探測(cè)器IO。實(shí) 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(duì)s光反射，對(duì)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(diào) 制與控制器3和測(cè)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(diào)控器12和鎖模光束反射鏡13;光束調(diào)制與控 制器3和頻率調(diào)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(duì)s光透射，對(duì) P光反射，出射的s和p偏振態(tài)光束共路徑，前進(jìn)光路上置有由單一光學(xué) 元件構(gòu)成的光學(xué)行波高精細(xì)度腔6;光學(xué)行波高精細(xì)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(gè)腰601、內(nèi)全反射面為地面， 測(cè)試區(qū)為內(nèi)全反射面602的光學(xué)近場(chǎng)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(cè)偏振分光鏡7，探測(cè)偏振分光鏡7對(duì)s光反射，對(duì)p 光透射，信號(hào)光s光束出射方向上置有信號(hào)探測(cè)器10，鎖模光p光束出 射方向上置有鎖模探測(cè)器8，信號(hào)探測(cè)器10和鎖模探測(cè)器8與分析控制 單元9相連；分析控制單元9與移動(dòng)部件11相連，移動(dòng)部件ll與高精 細(xì)度腔6機(jī)械連接，鎖模探測(cè)器8信號(hào)被分析控制單元9反饋給移動(dòng)部 件ll，產(chǎn)生高精細(xì)度腔6與腔入射光束相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)光與高精細(xì)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(kuò)束倍率可調(diào) 的光束擴(kuò)束光學(xué)部件與光學(xué)隔離部件順序連接構(gòu)成，光束調(diào)制與控制器3 為液晶型空間光調(diào)制器，頻率調(diào)控器12為聲光調(diào)制器，分析控制單元9 為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，信號(hào)探測(cè)器10和鎖模探測(cè)器8均為雪崩管，移動(dòng)部件ll 為壓電陶瓷位移器。
本實(shí)用新型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(duì)s光反射，對(duì)p光透射，出射的S偏振態(tài)光束經(jīng)過光束調(diào)制與控制器3后，被測(cè)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(diào)控器12移頻后，入射合成偏振分光鏡5;光束調(diào) 制與控制器3和頻率調(diào)控器12與分析控制單元9相連；合成偏振分光鏡
5對(duì)s光透射，對(duì)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(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)行波高精細(xì)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(duì)s光反射，對(duì)p光透射，信號(hào)光s光束被出射方向上置有信 號(hào)探測(cè)器10探測(cè)，鎖模光p光束被出射方向上置有鎖模探測(cè)器8探測(cè)； 信號(hào)探測(cè)器10和鎖模探測(cè)器8與分析控制單元9相連；分析控制單元9 與移動(dòng)部件11相連，移動(dòng)部件11與高精細(xì)度腔6機(jī)械連接，鎖模探測(cè) 器8信號(hào)被分析控制單元9反饋給移動(dòng)部件11，產(chǎn)生高精細(xì)度腔6與腔 入射光束相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)光束與光學(xué)行波高精細(xì)度腔6連續(xù)鎖模；被測(cè) 物質(zhì)置于內(nèi)全反射面602上，光束調(diào)制與控制器3對(duì)s光束進(jìn)行開關(guān)， 得到測(cè)量衰蕩信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量，本實(shí)施例成功對(duì)流體形態(tài)物質(zhì)進(jìn)行了痕 量濃度監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求1、一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)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(diào)制與控制器、頻率調(diào)控器、分析控制單元、光學(xué)行波高精細(xì)度腔、探測(cè)偏振分光鏡、鎖模探測(cè)器，信號(hào)探測(cè)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(cè)量光束反射鏡設(shè)置在入射偏振分光鏡的出射s偏振態(tài)光束光路上；在測(cè)量光束反射鏡的反射光路上依次設(shè)置有光學(xué)行波高精細(xì)度腔和探測(cè)偏振分光鏡；合成偏振分光鏡設(shè)置在測(cè)量光束反射鏡和光學(xué)行波高精細(xì)度腔之間，位于測(cè)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(diǎn)處，測(cè)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(duì)稱；光束調(diào)制與控制器設(shè)置在測(cè)量光路上，頻率調(diào)控器設(shè)置在鎖模光路上；所述的測(cè)量光路為光通過入射偏振分光鏡、測(cè)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(cè)器設(shè)置在探測(cè)偏振分光鏡的透射光光路上，信號(hào)探測(cè)器設(shè)置在探測(cè)偏振分光鏡的反射光光路上；所述的光學(xué)行波高精細(xì)度腔為等腰三角形棱鏡或等腰梯形棱鏡，兩個(gè)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(dòng)部件與光學(xué)行波高精細(xì)度腔配合連接；相干光源、光束調(diào)制與控制器、頻率調(diào)控器、移動(dòng)部件、鎖模探測(cè)器和信號(hào)探測(cè)器均與分析控制單元電連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)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(dǎo)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(quán)利要求1所述的一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的光束調(diào)制與控制器為液晶型空間光調(diào)制器、反射式 空間光調(diào)制器、聲光電光調(diào)制器的一種。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的頻率調(diào)控器為聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、變頻晶體 調(diào)制器的一種。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的光電探測(cè)器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中 的一種。
6、 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的移動(dòng)部件為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移 元件中的一種。
7、 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的光束調(diào)制與控制器設(shè)置在入射偏振分光鏡和測(cè)量光 束反射鏡之間，或設(shè)置在測(cè)量光束反射鏡和合成偏振分光鏡之間。
8、 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的頻率調(diào)控器設(shè)置在入射偏振分光鏡和鎖模光束反射 鏡之間，或設(shè)置在鎖模光束反射鏡和合成偏振分光鏡之間。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種連續(xù)鎖模近場(chǎng)光腔衰蕩光譜分析裝置。現(xiàn)有技術(shù)采用線型精細(xì)腔，光機(jī)定位要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能對(duì)薄膜、界面等進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)用新型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(xué)調(diào)制與控制構(gòu)成測(cè)量光束，另一束經(jīng)過頻率調(diào)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(xué)元件構(gòu)成的環(huán)形高精細(xì)度腔，出射光束經(jīng)過偏振分光鏡分光，鎖模光束被探測(cè)后形成反饋信號(hào)控制移動(dòng)部件，帶動(dòng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔產(chǎn)生位移，入射光束與高精細(xì)度腔在測(cè)量時(shí)保持連續(xù)鎖模。本實(shí)用新型精細(xì)腔構(gòu)成簡(jiǎn)單，只有一個(gè)光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，對(duì)機(jī)械定位要求低，并且光譜分析測(cè)量對(duì)象可為薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體。
文檔編號(hào)G01N21/31GK201210139SQ200820087750
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者健 王, 高秀敏 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)