用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，該探測裝置包括平衡光電探測器、探測光分光裝置、探測光功率調整裝置、直流信號采集處理裝置和自動控制電路。本實用新型在光熱檢測中引入平衡光電探測器，并通過對平衡光電探測器輸出的直流背景信號進行實時監(jiān)測來自動調節(jié)探測光路系統(tǒng)，從而實現(xiàn)平衡光電探測器的自動調平衡，改善了光熱檢測的信噪比，提高了光熱檢測的靈敏度，有效抑制了探測光源本身波動所造成的噪聲干擾和外界因素對測量的影響。
【專利說明】用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光電探測【技術領域】，具體是一種用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置。
【背景技術】
[0002]平衡光電探測(Balanced photo detection)是一種具有很高信噪比的光電探測技術，其基本原理如圖1所示，將兩個相同的光電探測器相連，輸出信號是這兩個光電探測器所產(chǎn)生的光電流的差值。在使用該技術時，通常是首先通過適當調節(jié)照射到各個光電探測器上的光強，以使得這兩個光電探測器上所產(chǎn)生的光電流互相抵消，達到“平衡”，即有效的直流輸出信號為零，直到所要測量的信號會引起其中一路或是兩路光發(fā)生變化，在平衡光電探測器上產(chǎn)生一個有效的“凈”信號。
[0003]這樣的探測結構可以抑制所使用的測量光源本身的噪聲，在需要從強直流背景信號中測量出相當弱的調制的交流信號的應用中，有助于提高測量能力。在諸多的平衡光電探測器的應用中，為達到好的探測效果，需要在初始時使探測器處于“平衡”狀態(tài)，即探測器的有效的直流輸出信號為零，并且在整個探測過程中始終保持這種“平衡”狀態(tài)。但是，在實際檢測過程中，由于很多外界因素的影響，比如探測光源本身的波動、外界環(huán)境的變化等，會導致這種平衡狀態(tài)被破壞，從而影響探測的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在很多檢測應用中，需要經(jīng)常通過人工調節(jié)來保持探測器的“平衡”狀態(tài)，這樣大大增加了探測過程的復雜性，不利于這類探測技術的推廣應用。
[0004]光熱技術(Photo thermal technique)因為其高靈敏度、高分辨率、非接觸式等特點，常被用來對各類材料的光熱特性、特別是透明光學材料的微弱吸收特性進行分析和檢測。
[0005]光熱技術一般多米用激光作為光源，因此有時也稱為激光誘導光熱技術(Laser-1nduced photo thermal technique),該技術的基本原理是:用一束較強的激光(通常稱為“泵浦光”)去照射待測材料，材料會因吸收光能量而導致局部溫度升高，激發(fā)光熱效應，引起諸如折射率變化、產(chǎn)生熱形變等現(xiàn)象；再用另一束較弱的激光(通常稱為“探測光”)經(jīng)過泵浦光在材料上的照射區(qū)域，由于泵浦光而引起的光熱效應，探測光束的光束特性會發(fā)生相應的變化，通過對這種變化的檢測來實現(xiàn)對光熱效應的檢測，而光熱效應與材料本身的吸收特性是相關的，因此通過對光熱效應的檢測可以獲得材料的吸收特性。常見的有光熱偏轉技術，即光熱效應引起探測光傳播方向發(fā)生變化；光熱透鏡技術，即光熱效應引起探測光產(chǎn)生新增的會聚或發(fā)散，類似增加了一個“透鏡”。
[0006]在光熱檢測中，光熱效應所引起的探測光束特性的變化量通常都比較小，探測過程是需要從一個較強的背景信號(即探測光束)中去測量一個較弱的變化量。這個較弱的變化量往往比外界噪聲和背景信號本身的波動噪聲還低，因此對其進行準確測量是一個很大的挑戰(zhàn)。為解決這個問題，常采用一個交流弱信號檢測裝置來探測目標信號，即對泵浦光進行周期性調制，并以該調制信號作為交流弱信號檢測單元的參考信號。采用這種方法，大大抑制了外部的干擾噪聲。但是，該方法在應用中還存在問題，并未有效消除背景信號本身的噪聲，此外，為保證進行光熱測量時具有足夠的檢測靈敏度，往往采用穩(wěn)定性很高的探測激光器，這類激光器價格昂貴，不利于光熱技術的推廣應用。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在于提供一種能夠實現(xiàn)自動調平衡的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，有效改善光熱檢測的信噪比，提高光熱檢測的靈敏度。
[0008]本實用新型的技術方案為:
[0009]一種用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，包括平衡光電探測器、探測光分光裝置、探測光功率調整裝置、直流信號采集處理裝置、自動控制電路和交流弱信號檢測裝置；所述探測光分光裝置設置在探測光源的輸出光路上，用于將探測光源輸出的探測光束分為兩束，其中一束經(jīng)過被測樣品后照射到平衡光電探測器的一個探頭上，另一束經(jīng)過探測光功率調整裝置后照射到平衡光電探測器的另一個探頭上；所述平衡光電探測器的輸出端分別與交流弱信號檢測裝置和直流信號采集處理裝置的輸入端連接，直流信號采集處理裝置的輸出端與自動控制電路的輸入端連接，所述自動控制電路的輸出端與探測光功率調整裝置的輸入端連接。
[0010]所述的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，所述直流信號采集處理裝置包括信號采集器、濾波器、增益放大器、模數(shù)轉換器和數(shù)據(jù)處理器。
[0011]所述的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，所述交流弱信號檢測裝置具體為鎖相放大器。
[0012]本實用新型在光熱檢測中弓丨入平衡光電探測器，并通過對平衡光電探測器輸出的直流背景信號進行實時監(jiān)測來自動調節(jié)探測光路系統(tǒng)，從而實現(xiàn)平衡光電探測器的自動調平衡，改善了光熱檢測的信噪比，提高了光熱檢測的靈敏度，有效抑制了探測光源本身波動所造成的噪聲干擾和外界因素對測量的影響，不需要采用價格昂貴的探測激光器，也不需要人工調平衡，簡化了檢測過程，有利于光熱檢測技術的推廣應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是平衡光電探測器的結構示意圖；
[0014]圖2是本實用新型具體實施例的裝置結構示意圖；
[0015]圖3是本實用新型所述的自動平衡光電探測的原理示意圖；
[0016]圖4是本實用新型所述的自動調平衡的控制過程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例進一步說明本實用新型。
[0018]如圖2所示，一種用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，包括泵浦光源1、泵浦光調制裝置2、泵浦光分光裝置3、泵浦光功率探測裝置4、泵浦光聚焦透鏡5、被測樣品6、泵浦光吸收裝置7、探測光源8、探測光第一分光裝置9、探測光第一高反射鏡10、探測光第一聚焦透鏡11、探測光第二聚焦透鏡12、探測光第二高反射鏡13、探測光濾光裝置14、探測光第二分光裝置15、探測光功率探測裝置16、空間濾波器17、平衡光電探測器18、鎖相放大器19、探測光第三高反射鏡20、探測光功率調整裝置21、直流信號采集處理裝置22和自動控制電路23。
[0019]泵浦光調制裝置2可采用光調制器或者斬波器，泵浦光分光裝置3、探測光第一分光裝置9和探測光第二分光裝置15可采用分光片或者分光棱鏡，泵浦光功率探測裝置4和探測光功率探測裝置16可采用功率計或者功率探測器，探測光濾光裝置14可采用濾光片，探測光功率調整裝置21可采用衰減片，直流信號采集處理裝置22包括信號采集器、濾波器、增益放大器、模數(shù)轉換器和數(shù)據(jù)處理器。
[0020]由泵浦光源I發(fā)出的泵浦光束經(jīng)過泵浦光調制裝置2后光強受到調制；調制后的泵浦光束經(jīng)過泵浦光分光裝置3被分成兩束，其中一束進入到泵浦光功率探測裝置4，用于對泵浦光的功率進行監(jiān)測，另一束則由泵浦光聚焦透鏡5聚焦到被測樣品6上，用于激發(fā)光熱效應，經(jīng)過被測樣品6的剩余的泵浦光由泵浦光吸收裝置7吸收。
[0021]由探測光源8發(fā)出的探測光束經(jīng)過探測光第一分光裝置9后分為兩束，其中一束經(jīng)探測光第一高反射鏡10后，由探測光第一聚焦透鏡11聚焦到被測樣品6上，與泵浦光照射的區(qū)域重合，經(jīng)過被測樣品6的探測光束依次經(jīng)過探測光第二聚焦透鏡12、探測光第二高反射鏡13后，再經(jīng)過探測光濾光裝置14濾掉除探測光以外的其它波段的雜散光，經(jīng)過探測光濾光裝置14的探測光束由探測光第二分光裝置15分為兩束，其中一束進入到探測光功率探測裝置16，用于對探測光的功率進行監(jiān)測，另一束則經(jīng)過空間濾波器17后由平衡光電探測器18上的一個探頭進行探測；而經(jīng)過探測光第一分光裝置9后的另一束探測光束則經(jīng)過探測光第三高反射鏡20和探測光功率調整裝置21后，由平衡光電探測器18上的另一個探頭進行探測。平衡光電探測器18輸出的交流信號由鎖相放大器19接收檢測，以泵浦光調制裝置2的調制信號頻率作為鎖相放大器19的參考信號頻率；而平衡光電探測器18輸出的直流信號由直流信號采集處理裝置22采集處理，并根據(jù)處理結果來驅動自動控制電路23去控制探測光功率調整裝置21以實現(xiàn)平衡光電探測器18的平衡調節(jié)。
[0022]自動調平衡的過程如下:直流信號采集處理裝置22通過其信號采集器對平衡光電探測器18輸出的直流模擬信號進行采樣，采樣信號通過濾波網(wǎng)絡、增益放大和模數(shù)轉換后，輸入數(shù)據(jù)處理器計算處理，數(shù)據(jù)處理器將采樣值與平衡光電探測器18處于平衡狀態(tài)時的預設值進行比較，當采樣值偏離預設值時，即平衡光電探測器18處于不平衡狀態(tài)，將進入自動調平衡，發(fā)出控制指令到自動控制電路23，自動控制電路23控制探測光功率調整裝置21來改變探測光束的功率，直到采樣值處于預設值范圍內，平衡光電探測器18達到平衡狀態(tài)。
[0023]本實用新型的工作原理:
[0024]如圖3所示，探測光在照射到被測樣品6之前，分為兩束，一束經(jīng)過被測樣品6后由平衡光電探測器18的一個探頭接收測量，另一束則經(jīng)過探測光功率調整裝置21后由平衡光電探測器18的另一個探頭接收測量，通過探測光功率調整裝置21調節(jié)來使平衡光電探測器18達到平衡狀態(tài)。具體的實時自動調平衡過程如圖4所示:平衡光電探測器18輸出的模擬直流信號由直流信號采集處理裝置22進行實時采集，并經(jīng)過濾波網(wǎng)絡、增益放大和模數(shù)轉換，由數(shù)據(jù)處理器計算處理，與數(shù)據(jù)處理器中預設的平衡光電探測器18處于平衡狀態(tài)的預設值做比較:當采樣值偏離預設值時，即探測器處于不平衡狀態(tài)，將進入自動調平衡程序，由數(shù)據(jù)處理器發(fā)出控制指令到自動控制電路23，控制探測光功率調整裝置21來調節(jié)某一路探測光功率，直到采樣值處于預設值范圍內，平衡光電探測器18達到平衡狀態(tài)。
[0025]采用平衡光電探測器來進行探測光的測量，平衡光電探測器輸出的信號
ΔΙ = I1-1y通常情況下被測樣品與探測光作用時，會引起一個微小交流信號，所以M = I1^M1-12,其中Δζ一般測量時，使平衡光電探測器處于平衡狀態(tài)，即I1 = I2,有ΔΙ = Af1。采用平衡光電探測器，可以有效地抑制探測光源本身波動所造成的噪聲干擾。當探測光源有波動，輸出信號ΔΙ = (I1 + Al1) + Af1-CI2+ AI2),因為
I1 = I2，并且平衡光電探測器里的兩個探頭響應一致,所以有Al1 = M2 ,因此ΔΙ = Af1
，即探測光源本身的波動被抵消了，對測量結果沒有影響。在測量過程中，由于外界因素的干擾，比如環(huán)境、溫度等，平衡光電探測器會失去平衡狀態(tài)，從而影響測量的信噪比。通過對平衡光電探測器輸出的直流背景信號進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果來自動調節(jié)探測光路系統(tǒng)以實現(xiàn)平衡光電探測器的自動調平衡，可以確保在整個測量過程中平衡光電探測器都處于平衡狀態(tài)，有效抑制了外界因素對測量的影響。
[0026]以上所述實施方式僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本實用新型的范圍進行限定，在不脫離本實用新型設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本實用新型的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本實用新型的權利要求書確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，包括平衡光電探測器，其特征在于: 還包括探測光分光裝置、探測光功率調整裝置、直流信號采集處理裝置、自動控制電路和交流弱信號檢測裝置； 所述探測光分光裝置設置在探測光源的輸出光路上，用于將探測光源輸出的探測光束分為兩束，其中一束經(jīng)過被測樣品后照射到平衡光電探測器的一個探頭上，另一束經(jīng)過探測光功率調整裝置后照射到平衡光電探測器的另一個探頭上； 所述平衡光電探測器的輸出端分別與交流弱信號檢測裝置和直流信號采集處理裝置的輸入端連接，直流信號采集處理裝置的輸出端與自動控制電路的輸入端連接，所述自動控制電路的輸出端與探測光功率調整裝置的輸入端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，其特征在于:所述直流信號采集處理裝置包括信號采集器、濾波器、增益放大器、模數(shù)轉換器和數(shù)據(jù)處理器。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，其特征在于:所述交流弱信號檢測裝置具體為鎖相放大器。
【文檔編號】G01N21/01GK203643337SQ201320867361
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2013年12月26日
【發(fā)明者】陳堅, 肖剛, 吳周令 申請人:合肥知常光電科技有限公司