專利名稱：半導(dǎo)體二極管激光光譜儀設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體二極管激光光譜儀設(shè)備，具體來說，涉及一種紅外半導(dǎo)體二極管激光光譜儀，具有時(shí)間分辨的吸收特性，其中波數(shù)的刻度校準(zhǔn)基于時(shí)間到波數(shù)/cm-1的映射。
背景技術(shù)：
紅外吸收光譜儀用于探測(cè)和測(cè)量氣體。由于這些激光器相當(dāng)小，光譜輪廓分明，明亮且可調(diào)節(jié)，所以紅外半導(dǎo)體二極管激光器廣泛地用于提供能由測(cè)量物質(zhì)吸收的光。與其它的激光器相比，這些激光器還有另外一些優(yōu)點(diǎn)，其中的一些優(yōu)點(diǎn)可以在光譜學(xué)專著中找到。
在遠(yuǎn)處以及嚴(yán)酷的環(huán)境中，微量氣體檢測(cè)的最有效和最精確的方法之一就是使用基于半導(dǎo)體二極管激光器的光譜儀。雖然氣體檢測(cè)已經(jīng)進(jìn)行了好幾十年，但在許多環(huán)境中仍難以遠(yuǎn)距離地監(jiān)視微量氣體的組分。許多從前的儀器具有緩慢的響應(yīng)時(shí)間，經(jīng)常是龐大、不可靠而且昂貴的，并且一直需要維護(hù)。
為了利用已知的技術(shù)查找信息，氣體的遠(yuǎn)距離檢測(cè)通常發(fā)生在電磁光譜的近紅外區(qū)和中間紅外區(qū)，這里是大多數(shù)化學(xué)上的化合物的所謂化學(xué)指紋。所說的近紅外和中紅外，意指波長(zhǎng)在1-14微米范圍的輻射。這個(gè)光譜區(qū)包含了可強(qiáng)力穿透的窗口，即所謂的“大氣窗口”，這些窗口擁有它們對(duì)于低密度的CO2和H2O的強(qiáng)吸收線的透明度。這些大氣窗口對(duì)于光譜測(cè)量很有利，因?yàn)閺?qiáng)吸收微量分子的吸收線具有與CO2和H2O的弱線相似的強(qiáng)度，但比CO2和H2O的弱線的強(qiáng)度更大些。
近紅外二極管激光器產(chǎn)生振動(dòng)諧波波長(zhǎng)范圍的光，約為1微米到3.0微米。由于振動(dòng)諧波的吸收系數(shù)比基帶的吸收系數(shù)小得多，所以使用這種激光器的光譜儀的靈敏度仍會(huì)受到限制。于是，這樣的氣體檢測(cè)設(shè)備的靈敏度很少達(dá)到10-9以下(sub-ppb)。
中紅外二極管激光器產(chǎn)生基本轉(zhuǎn)動(dòng)-振動(dòng)帶的波長(zhǎng)范圍的光，約為3微米到14微米。這些激光器還不像近紅外區(qū)中的激光器那樣在技術(shù)上進(jìn)行了開發(fā)，因此單模輸出功率很低。基于中紅外二極管的氣體檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)sub-ppb靈敏度。因此，從整體上看，開發(fā)這種光源有利于光譜學(xué)的應(yīng)用。幾個(gè)缺點(diǎn)都與常規(guī)的中紅外二極管激光器(主要是鉛鹽激光器)有關(guān)系，如低輸出功率，它們需要冷凍到77K或者甚至于更低的溫度。這樣，它們就需要一個(gè)龐大昂貴的操作員來維持這個(gè)溫度。
近來，在使用量子級(jí)聯(lián)(QC)激光器的中紅外中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了室溫和高溫的輸出功率操作。與先前的激光器不同，量子級(jí)聯(lián)激光器是單極性半導(dǎo)體激光器，可將它設(shè)計(jì)成能在中紅外中的任何期望的波長(zhǎng)進(jìn)行發(fā)射。用量子級(jí)聯(lián)激光器代替鉛鹽激光器，有潛在可能改善中紅外吸收光譜儀的檢測(cè)靈敏度和光譜分辨率這兩者。
至今已經(jīng)開發(fā)的基于量子級(jí)聯(lián)激光器的光譜儀使用了兩種主要的處理方法。第一種處理方法使用連續(xù)波(CW)操作的量子級(jí)聯(lián)激光器作為鉛鹽激光器的一個(gè)“引入式(drop-in)”替代物。第二種處理方法使用一種脈沖式量子級(jí)聯(lián)激光器來模擬連續(xù)操作的激光器的使用。在由Webster等人進(jìn)行的某些實(shí)驗(yàn)中(應(yīng)用光學(xué)LP 40，321(2001))，第一種處理方法與一個(gè)ALIAS II光譜儀中的一個(gè)鉛鹽二極管激光器一道使用，其中的鉛鹽激光器由一個(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器替代。使用ER2型飛機(jī)平臺(tái)進(jìn)行的試驗(yàn)測(cè)量表明，量子級(jí)聯(lián)激光器成功地替換了鉛鹽激光器，并且受溫度不穩(wěn)定性影響的程度較小。然而，對(duì)于連續(xù)波操作，激光器需要在77K下工作。第二種方法最初由Whittaker等人描述(光學(xué)快訊23，219(1998))。在這種方法中，極短的電流脈沖加到在室溫附近操作的量子級(jí)聯(lián)激光器上，以提供窄的波長(zhǎng)脈沖。在這個(gè)操作模式中，光譜分辨率受到波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻(up-chirp)的限制。這樣，在這種類型的光譜儀中，認(rèn)為波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻對(duì)于系統(tǒng)的操作是有害的。
波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻(“有效發(fā)射線寬度”)是由驅(qū)動(dòng)電流/電壓脈沖的臨時(shí)持續(xù)時(shí)間引起的。所謂的“有效發(fā)射線寬度”意指一個(gè)半導(dǎo)體二極管激光器通過向它的電接點(diǎn)施加電流/電壓脈沖引起的發(fā)射的可觀察到的/可測(cè)量的光譜寬度(FWHM)。比如，如果加到量子級(jí)聯(lián)激光器上的脈的持續(xù)時(shí)間是10毫微秒數(shù)量級(jí)，則有效發(fā)射線寬度在光譜域中可能為700MHz左右(0.024cm-1)(光學(xué)快訊23，219(1998))。
為了使用基于脈沖式量子級(jí)聯(lián)激光器的光譜儀掃描樣本，可使用疊加在脈沖序列上的緩慢的直流斜坡電流在光譜區(qū)中調(diào)諧有效發(fā)射線寬度。這意味著，最終的光譜調(diào)諧是注入到激光器中的直流斜坡電流的二次函數(shù)(光學(xué)快訊23，219(1998)；應(yīng)用光學(xué) 39 6866(2000)；應(yīng)用光學(xué)41，573(2002))。然而，這種處理方法有一個(gè)問題，即在數(shù)據(jù)處理階段需要一個(gè)附加的步驟來校正這個(gè)二次效應(yīng)。在有些情況下，為了改進(jìn)信號(hào)噪聲比，(光學(xué)快訊23，219(1998)，要將一個(gè)小的交流電流調(diào)制信號(hào)加到直流斜坡電流上，以便使用所檢測(cè)的光信號(hào)的相位靈敏的檢測(cè)。雖然附加了這種調(diào)制可提高靈敏度，但卻需要在檢測(cè)系統(tǒng)中使用解調(diào)，因此也使系統(tǒng)更復(fù)雜。由此產(chǎn)生的另一個(gè)問題就是，使用調(diào)制的本身就降低了掃描速率，因?yàn)楦咚贆z測(cè)信號(hào)的解調(diào)降低了信號(hào)的音頻頻率。因此，現(xiàn)有技術(shù)的這類設(shè)備只允許掃描速率為數(shù)十赫茲量級(jí)。由Beyer等人提出的一種系統(tǒng)使用了固有的波長(zhǎng)線性調(diào)頻的波長(zhǎng)變化(2001年7月8-12日在瑞典Zermatt的有關(guān)“可調(diào)諧二極管激光光譜儀”第三次國(guó)際會(huì)議)。然而，所提出的設(shè)備只對(duì)化學(xué)指紋檢測(cè)具有有限的用途。
在由Webster等人(應(yīng)用光學(xué)LP 40，321(2001))描述的連續(xù)波操作的激光器(第一種方法)和由Whittaker等人(光學(xué)快訊23，219(1998))最初描述的短脈沖(第二種方法)這兩種方法中，對(duì)于具有較小吸收系數(shù)的氣體而言，實(shí)現(xiàn)透視信號(hào)可觀察變化的最簡(jiǎn)單方法是使用長(zhǎng)樣品的長(zhǎng)度。為此目的，或者使用共振的光學(xué)單元，或者使用非共振的光學(xué)單元。共振光學(xué)單元電路是復(fù)雜的，并需要復(fù)雜的技術(shù)以盡量減小破壞激光器性能的從輸入反光鏡到這個(gè)元件的反散射信號(hào)的影響效果。非共振光學(xué)單元，如所謂Herriot元件或像散Herriot元件，由于它們提供長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度，同時(shí)又沒有反散射信號(hào)的損失代價(jià)，所以頗具吸引力。此外，路徑長(zhǎng)度與元件內(nèi)氣體的濃度無關(guān)。與非共振光學(xué)單元相關(guān)的主要缺點(diǎn)是，由于在元件周圍傳播的光束的部分疊加，可能會(huì)發(fā)生“干涉條紋”。這將使系統(tǒng)的性能明顯降低。
可以看出，使用半導(dǎo)體二極管激光器的現(xiàn)有光譜儀，特別是使用量子級(jí)聯(lián)激光器的半導(dǎo)體二極管激光器光譜儀，是具有缺點(diǎn)的，這些缺點(diǎn)限制了它們?cè)谝悦}沖方式操作的吸收光譜測(cè)量中的應(yīng)用。具體來說，在基于現(xiàn)有技術(shù)的量子級(jí)聯(lián)激光器的光譜儀中，光源必須按照脈沖方式工作進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)室溫操作，這種光譜儀的有效發(fā)射線寬度的分辨率是由加到它的電接點(diǎn)上的驅(qū)動(dòng)電壓/電流脈沖的瞬時(shí)持續(xù)時(shí)間決定的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述至少一個(gè)缺點(diǎn)。
各獨(dú)立權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的各個(gè)方面。各從屬權(quán)利要求中限定了某些優(yōu)選的特征。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種使用半導(dǎo)體二極管激光光譜儀檢測(cè)氣體的無條紋方法。這涉及到將采樣氣體引入非共振光學(xué)單元內(nèi)，并在光學(xué)單元內(nèi)注入來自半導(dǎo)體激光器的光。這種光是通過對(duì)半導(dǎo)體二極管激光器加給一個(gè)或一系列基本上為階躍函數(shù)的電脈沖，以使激光器輸出一個(gè)或多個(gè)脈沖產(chǎn)生的，所述每個(gè)脈沖都具有連續(xù)的波長(zhǎng)線性調(diào)頻，用于注入到光學(xué)單元內(nèi)。優(yōu)選地，每個(gè)所加的脈沖的持續(xù)時(shí)間都大于150毫微秒，特別是要大于200毫微秒。優(yōu)選地，每個(gè)所加脈沖的持續(xù)時(shí)間都有150-300毫微秒的范圍，優(yōu)選的是200-300毫微秒。這可能提供約60GHz的調(diào)諧范圍。對(duì)于線性調(diào)頻速率進(jìn)行選擇，使在非共振光學(xué)單元的反射元件上的各光點(diǎn)之間存在時(shí)間延遲，這個(gè)時(shí)間延遲要足夠大，以便基本上能防止光干涉的發(fā)生，其中所說的光點(diǎn)確定注入的線性調(diào)頻脈沖從元件壁上反射的位置。利用波長(zhǎng)線性調(diào)頻本身提供的波長(zhǎng)變化，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。因此，不需要使用比如疊加在脈沖序列上的緩慢的直流斜坡電流在整個(gè)光譜區(qū)調(diào)諧有效發(fā)射線寬度。使用合適的檢測(cè)器來檢測(cè)來自光學(xué)單元的光輸出。
優(yōu)選地，每個(gè)檢測(cè)的脈沖的持續(xù)時(shí)間都大于150毫微秒，特別是大于200毫微秒。優(yōu)選地，每個(gè)被檢測(cè)的脈沖的持續(xù)時(shí)間都有150-300毫微秒的范圍，優(yōu)選的是200-300毫微秒。
作為選擇，如果不使用非共振腔，則氣體采樣可能是不受限制的，檢測(cè)方法可使用開路配置，以防止光干涉的發(fā)生，可以避免出現(xiàn)干涉條紋效應(yīng)。這就意味著，可以明顯地改善這種方法的靈敏度。


以下借助實(shí)例并參照附圖描述本發(fā)明的各個(gè)方面，其中圖1a-1f表示對(duì)于量子級(jí)聯(lián)激光器各種工作模式的發(fā)射相對(duì)于波數(shù)的計(jì)算機(jī)模擬曲線；圖1g表示對(duì)于量子級(jí)聯(lián)激光器的特定工作模式的發(fā)射相對(duì)于時(shí)間的計(jì)算機(jī)模擬曲線；圖1h表示對(duì)于量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)射相對(duì)于時(shí)間的實(shí)驗(yàn)曲線，所述量子級(jí)聯(lián)激光器正在工作，以產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖；圖2是利用掃描型傅里葉變換光譜儀表征半導(dǎo)體激光器設(shè)備的示意圖；圖3a表示在各種不同溫度下波數(shù)相對(duì)于脈沖持續(xù)時(shí)間的曲線；圖3b表示在各種不同電流幅值下波數(shù)相對(duì)于脈沖持續(xù)時(shí)間的曲線；圖4a表示量子級(jí)聯(lián)激光器的動(dòng)態(tài)阻抗曲線；圖4b和4c表示在-10℃下量子級(jí)聯(lián)激光器的耗散功率相對(duì)于電流的曲線；圖5是電壓和電流隨在-10℃溫度下工作的量子級(jí)聯(lián)激光器的電流變化曲線圖；圖6a表示波數(shù)相對(duì)于溫度的曲線；圖6b表示波數(shù)相對(duì)于占空比的曲線；圖7是一種用于檢測(cè)氣體的系統(tǒng)的方塊圖，所述系統(tǒng)包括量子級(jí)聯(lián)激光器和傅里葉變換光譜儀；圖8是使用圖7的設(shè)備記錄的1，1二氟乙烯(CF2CH2)的吸收光譜；圖9是另一種光譜儀的方塊圖；圖10表示使用圖9光譜儀檢測(cè)光脈沖方法的示意圖，并與現(xiàn)有光譜儀所用方法進(jìn)行對(duì)比；圖11是現(xiàn)有技術(shù)光譜儀的方塊圖，該光譜儀用于進(jìn)行圖10所示的比較測(cè)量；圖12表示CF2CH2的基準(zhǔn)透射光譜，以及有CF2CH2的吸收的激光光譜和沒有CF2CH2的吸收的激光光譜，所述CF2CH2是使用圖9的光譜儀獲得的；圖13表示使用圖9光譜儀記錄的CF2CH2的吸收光譜(上部曲線)，以及固態(tài)鍺基準(zhǔn)的基準(zhǔn)條紋圖形的記錄值(下部曲線)；圖14表示使用圖9設(shè)備記錄的兩種不同分子的吸收光譜的比較(上部曲線CF2CH2；下部曲線COF2)；圖15表示使用圖9設(shè)備記錄的大氣氣體采樣的吸收光譜；圖16是圖9光譜儀一種改型版本的方塊圖；圖17是實(shí)施本發(fā)明的另一種光譜儀的方塊圖；圖18是圖17光譜儀的一種改型版本的方塊圖；圖19a表示一種絡(luò)合分子的部分透視光譜的模擬曲線以及激光外形，這部分透視光譜在多縱向模式半導(dǎo)體激光器的部分光譜儀范圍上；圖19b表示吸收后的光譜輸出；圖20表示一種絡(luò)合分子的部分透視光譜的模擬曲線，其中使用了光譜濾波器；圖21表示一種絡(luò)合分子的部分透視光譜的模擬曲線，其中使用了光譜濾波器并利用了溫度調(diào)諧。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施本發(fā)明的光譜儀最好使用通過脈沖式量子級(jí)聯(lián)激光器和半導(dǎo)體激光器展示的波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻，以提供波長(zhǎng)掃描。由激光器輸出的每單個(gè)脈沖輸出借助于波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻提供波長(zhǎng)變化，即波長(zhǎng)掃描。這種波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻脈沖是通過所加的電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的整個(gè)持續(xù)時(shí)間發(fā)生的加熱效應(yīng)誘發(fā)的。對(duì)于這些量子級(jí)聯(lián)激光器而言，波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻已經(jīng)表現(xiàn)出它的連續(xù)性。具體地說，在電驅(qū)動(dòng)脈沖形狀的特定條件下(光學(xué)通信197，115(2001))，脈沖式量子級(jí)聯(lián)激光器的光譜行為的特征在于以下的事實(shí)波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻相對(duì)于時(shí)間幾乎是線性的。進(jìn)一步還可看出，在脈沖式工作中，量子級(jí)聯(lián)激光器的光譜行為可以映射到向所述激光器的電接點(diǎn)施加電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的瞬時(shí)分辨率(definition)上。有鑒于此，有可能映射量子級(jí)聯(lián)激光器的光輸出瞬時(shí)行為，并且利用一個(gè)光檢測(cè)器將其表示在時(shí)間域內(nèi)。
圖1a-1g表示在將方波電流/電壓信號(hào)加到單模和多模半導(dǎo)體二極管激光器的電接點(diǎn)上時(shí)，對(duì)于單模和多模半導(dǎo)體二極管激光器的瞬時(shí)響應(yīng)和光譜響應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬曲線。為了進(jìn)行這種描述，術(shù)語(yǔ)“瞬時(shí)響應(yīng)”意指檢測(cè)系統(tǒng)在正比于電信號(hào)的一個(gè)范圍上實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)所花費(fèi)的時(shí)間，所說的這個(gè)信號(hào)是以完美的階躍函數(shù)形狀加到檢測(cè)系統(tǒng)的輸入端上的。瞬時(shí)響應(yīng)是使用表示上升時(shí)間和系統(tǒng)的帶寬之間關(guān)系的通用方程計(jì)算出來的，即瞬時(shí)響應(yīng)＝上升時(shí)間＝0.35/帶寬。
圖1a和1b表示對(duì)于在固定時(shí)刻隨時(shí)間變化之光譜行為的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，因此在光譜域中沒有觀察到任何線性調(diào)頻脈沖，圖中表示出來的發(fā)射線寬度是固有的發(fā)射線寬度。術(shù)語(yǔ)“固有發(fā)射線寬度”系指瞬時(shí)可觀察到的/可測(cè)量到的發(fā)射光譜寬度(FWHM)。半導(dǎo)體二極管激光器的固有發(fā)射線寬度通常比有效發(fā)射線寬度小得多，并且，固有發(fā)射線寬度在脈沖式控制操作的情況下難以量化。
圖1c和1d表示在加給輪廓清晰的矩形電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，所說的驅(qū)動(dòng)脈沖有足夠長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，因此在朝向較長(zhǎng)波長(zhǎng)的方向可以觀察到線性調(diào)頻脈沖。如以前所述，這個(gè)線性調(diào)頻脈沖來源于通過驅(qū)動(dòng)脈沖引發(fā)的加熱效應(yīng)。隨著這個(gè)線性調(diào)頻的進(jìn)展產(chǎn)生的幅值衰減是由于熱量增加時(shí)產(chǎn)生激光的作用的效率下降的緣故。在圖1e和1f中能夠更加清晰地看到波長(zhǎng)線性調(diào)頻的效果。在圖1g中表示的是發(fā)射的瞬時(shí)行為的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。由于線性調(diào)頻脈沖的幅值衰減隨時(shí)間而減小，所以瞬時(shí)響應(yīng)是在光譜域中的瞬時(shí)響應(yīng)的鏡像圖像。圖1h表示一個(gè)激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所說的激光器按照可產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖的方式脈沖式操作。比較圖1g和1h可以看出，在理論曲線和模擬曲線之間存在關(guān)聯(lián)性。
圖2表示一種使用連續(xù)掃描紅外傅里葉變換光譜儀表征半導(dǎo)體二極管激光器的光譜輸出行為的設(shè)備。在圖3-6中表示出使用這種設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖3a是對(duì)于一系列基板溫度的波長(zhǎng)線性調(diào)頻隨所加的電流脈沖(固定幅值為4.2A)的瞬時(shí)持續(xù)時(shí)間而變的曲線圖。結(jié)果表明，在所研究的溫度范圍，調(diào)諧的速率對(duì)于溫度不敏感。從這個(gè)曲線可以看出，可憑經(jīng)驗(yàn)確定波數(shù)隨時(shí)間的變化速率β。為了改變?chǔ)?，必須改變電?電壓脈沖的幅值，如在圖3b中所示。由此可以看出，在所用的電流的范圍內(nèi)，不管所加的電流有多大，β在本質(zhì)上幾乎是線性的。
β與激光二極管內(nèi)耗散的功率有關(guān)，β的幾乎線性的變化來源于如下的事實(shí)量子級(jí)聯(lián)激光器表現(xiàn)出如圖4a所示的動(dòng)態(tài)阻抗，這將導(dǎo)致在所用電流范圍內(nèi)的幾乎線性的功率耗散，見圖4b。要說明的是，β的數(shù)值是在輸出沒有表示出任何過渡行為的瞬時(shí)范圍內(nèi)確定的，見圖4c。β的限值在低端是通過實(shí)現(xiàn)可用的輸出功率所必需的電流/電壓幅值確定的，β的限值在高端是通過可減小輸出功率的電流/電壓幅值確定的，見圖5。波數(shù)線性調(diào)頻的起始波數(shù)受到量子級(jí)聯(lián)激光器的基板溫度和所加電流/電壓脈沖的占空比這兩者的影響，如圖6a和6b所示。因此，通過改變基板溫度和/或占空比，可以改變起始波數(shù)。
如可以體會(huì)到的，使用波長(zhǎng)線性調(diào)頻提供掃描樣本的波長(zhǎng)變化的氣體光譜儀的效率取決于線性調(diào)頻延伸的波長(zhǎng)的實(shí)際范圍。這個(gè)波長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)于60GHz的頻率變化。圖7表示用于測(cè)量量子級(jí)聯(lián)激光器的有效線寬度的上限的設(shè)備。這種設(shè)備基于傅里葉變換光譜儀，這種光譜儀適于產(chǎn)生代表從量子級(jí)聯(lián)激光器注入光的采樣單元的輸出的光譜?；诟道锶~變換的光譜儀是眾所周知的，并且使用了邁克爾遜干涉儀。為了精確測(cè)量加到量子級(jí)聯(lián)激光器上的電流，提供羅戈夫斯基線圈。圖8示出使用圖7設(shè)備進(jìn)行的典型光譜測(cè)量，圖8表示一種1，1二氟乙烯CH2CF2的高分辨率吸收光譜。在這種情況下，光譜儀的分辨率是0.0015cm-1。加到量子級(jí)聯(lián)激光器的電驅(qū)動(dòng)脈沖的持續(xù)時(shí)間是200毫微秒，脈沖重復(fù)頻率是20kHz，驅(qū)動(dòng)電流是4.8A。基板溫度是-1.5℃。從圖8可以得出結(jié)論，激光線寬度的上限是由儀器分辨率設(shè)定的這個(gè)值，即在這種情況下是45MHz。還可以看出，在量子級(jí)聯(lián)激光器的線性調(diào)頻的波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi)，很容易地識(shí)別出3組CH2CF2線，即(i)、(ii)、(iii)。這表明，脈沖式量子級(jí)聯(lián)激光器的有效分辨率足夠檢測(cè)至少某些化學(xué)物品的化學(xué)指紋。
由于幾乎線性的波數(shù)向下線性調(diào)頻的可控特性和可預(yù)期特性，所以可利用所述幾乎線性的波數(shù)向下線性調(diào)頻來進(jìn)行光譜測(cè)量。具體來說，波數(shù)線性調(diào)頻的幾乎線性隨時(shí)間的變化允許構(gòu)成高速的、準(zhǔn)微秒的半導(dǎo)體二極管激光吸收光譜儀。圖9表示兩個(gè)光譜儀設(shè)備1a和1b，用于測(cè)量由一個(gè)物體(即氣體樣本)吸收的輻射。在強(qiáng)度下限，光譜儀通過測(cè)量在樣本氣體單元上入射的光的強(qiáng)度Io和透過包含吸收物體在內(nèi)的樣本氣體單元的光的強(qiáng)度Ia之比，確定物體的吸收系數(shù)。在強(qiáng)度下限，穿過氣體的光的強(qiáng)度變化是由比爾-朗伯關(guān)系式描述的，Ia＝Ioexp(-αL)，α是吸收系數(shù)，L是光學(xué)路徑長(zhǎng)度。要注意的是，α是波數(shù)的函數(shù)，并且在入射輻射的低強(qiáng)度處與強(qiáng)度無關(guān)。
圖9的光譜儀使用的是閉合的非共振光學(xué)單元(受限的空氣)配置，并且包括與激光器20的輸入端連接的電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器19。脈沖發(fā)生器19可以操作以提供大體上矩形的脈沖給激光器20。在這種情況下，激光器20是單模半導(dǎo)體二極管量子級(jí)聯(lián)激光器(QC激光器)。激光器20容納在佩爾捷溫度控制包殼(未示出)內(nèi)。佩爾捷元件由熱電式控制器28控制。連接到激光器包殼的是一個(gè)壓縮機(jī)和泵單元11，壓縮機(jī)和泵單元11用于冷卻/加熱流體并循環(huán)流入二極管激光器包殼20的中空外殼內(nèi)的流體。這使激光器元件的操作溫度范圍比單使用佩爾捷元件操作的可能溫度范圍要寬些。
在從激光器20的輸出端開始的光路上有一個(gè)光譜濾波器15，例如小型光柵單色儀，在使用多縱向模式激光器的條件下可使用所說的光柵單色儀提供單模式激光輸出。在從光譜濾波器開始的光路上分別是兩個(gè)分束器21、29。這些分束器例如可以是鍺分束器，用于波長(zhǎng)接近10微米的激光輻射。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，還可以使用任何其它合適的分束器。定位第一分束器21，以使入射到分束器21上的至少某些光可引向第一光采樣單元17，所說光采樣單元包含要被檢測(cè)或表征的樣本，并且使其余的光透射到第二分束器29。定位所說的第二分束器，以使入射到第二分束器上的至少某些光可引向第二光學(xué)單元18，第二光學(xué)單元18是一個(gè)參考單元。光學(xué)單元17和18具有相同的特性。二者都是非共振光學(xué)單元。單元17、18可以是Herriot單元，或者是標(biāo)準(zhǔn)的Herriot單元，或者是像散的Herriot單元。
在圖9的設(shè)備中，由量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)出的輻射可以橫穿過兩個(gè)可能的光路16a、1b，一個(gè)光路通過采樣單元17，另一個(gè)光路通過參考單元18。為了檢測(cè)透過每個(gè)這樣的單元的輻射，要在對(duì)應(yīng)的輸出端提供檢測(cè)器23、24。數(shù)字轉(zhuǎn)換器12、14分別連接到每一個(gè)這樣的檢測(cè)器上，每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器又連接到一個(gè)控制和獲取系統(tǒng)10，系統(tǒng)10對(duì)光譜儀提供全面控制。除了數(shù)字轉(zhuǎn)換器以外，控制系統(tǒng)10還要連接到電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器19、光譜濾波器15、壓縮機(jī)和泵單元11中的每一個(gè)上。作為控制系統(tǒng)10的功能的一部分，控制系統(tǒng)10可以進(jìn)行操作以設(shè)置加到激光器輸入端的脈沖的幅值和持續(xù)時(shí)間，并且監(jiān)視分別來自氣體單元和參考單元17、18的最終檢測(cè)輸出?？刂葡到y(tǒng)10還可以進(jìn)行操作，以確定比例Ia/Io。為此目的，例如可以使用比爾-朗伯定律，比爾-朗伯定律可寫為Ia/Io＝exp(-αL)。當(dāng)然，正如普通技術(shù)人員可以體會(huì)到的，還可以使用其它的技術(shù)。
可使圖9的設(shè)備適用于兩種獨(dú)立的模式單束模式(SBM)或雙束模式(DBM)。在單束模式中，只使用采樣單元17，因此光只遵循光路16a運(yùn)行。在這種情況下，可由反光鏡代替分束器21。對(duì)于單束模式，使用單個(gè)光學(xué)吸收單元17測(cè)量Ia和Io這兩者。為了確定Io，要對(duì)單元17抽真空，并使一系列來自量子級(jí)聯(lián)激光器20的線性調(diào)頻脈沖通過這個(gè)單元17。通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器12使來自抽空的單元17的輸出數(shù)字化，并且通過控制和獲取系統(tǒng)10對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。為了確定Io，將正在研究的氣體樣本13充入單元17，并且重復(fù)采樣過程。對(duì)于雙束方法(DBM)，可以使用兩個(gè)光路16a和16b同時(shí)進(jìn)行Io和Ia的測(cè)量。在這種情況下，可將采樣氣體放入采樣單元17中，并且可對(duì)參考單元抽真空和密封。分別將從氣體單元17和參考單元18輸出的光束引向檢測(cè)器23和24。檢測(cè)器23檢測(cè)從氣體單元17輸出的經(jīng)過吸收的光脈沖，檢測(cè)器24檢測(cè)從氣體單元18輸出的本底光脈沖。雙束模式方案的優(yōu)點(diǎn)是通過同時(shí)進(jìn)行測(cè)量可使漂移的影響效果減至最小。
對(duì)于單束模式，幅值為Io的本底光脈沖以及幅值為Ia的吸收光脈沖每一個(gè)都具有到檢測(cè)系統(tǒng)的相同的運(yùn)行距離。如果與光路16a和16b相關(guān)的光路長(zhǎng)度完全相等(對(duì)于雙束模式也是這種情況)，則兩個(gè)脈沖同時(shí)到達(dá)檢測(cè)器23、24。不管在哪種情況下，通過使用Io/Ia都可直接檢測(cè)到吸收。
對(duì)于圖9光譜儀的兩種模式，即SBM和DBM，電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器19都要產(chǎn)生多個(gè)大體上矩形的脈沖，這些脈沖要加到激光器20的輸入端。更加具體地說，發(fā)生器19提供有一個(gè)序列固定幅值、準(zhǔn)微秒持續(xù)時(shí)間的矩形形狀電流驅(qū)動(dòng)脈沖。這引起一個(gè)快速的激光加熱效應(yīng)，并且因此以隨時(shí)間變化的速率β引起所發(fā)射的半導(dǎo)體二極管激光輻射的一個(gè)連續(xù)的波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻。如以前討論過的，由準(zhǔn)微秒矩形形狀的電流脈沖引發(fā)的快速激光加熱的結(jié)果是對(duì)于每個(gè)從激光器20發(fā)出的脈沖，線性調(diào)頻是連續(xù)的、幾乎為線性的從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)的光譜變化。這種情況定義為連續(xù)的光譜掃描或波長(zhǎng)掃描。
如以上所述，圖9的光譜儀使用了非共振光學(xué)單元。如以前討論過的，在常規(guī)的光譜儀中使用非共振光學(xué)單元將導(dǎo)致“干涉條紋”，這將使系統(tǒng)性能明顯下降。為了防止這種情況，使圖9的線性調(diào)頻激光光譜儀適用于可利用線性調(diào)頻速率來控制光源，以使在非共振光學(xué)單元中疊加的光點(diǎn)的激光波長(zhǎng)的差別足夠大，從而可以防止干涉的發(fā)生。對(duì)于某些量子級(jí)聯(lián)激光器，這可能通過動(dòng)態(tài)地改變線性調(diào)頻速率來實(shí)現(xiàn)。否則，必須對(duì)具有合適的線性調(diào)頻速率的激光器進(jìn)行選擇。在實(shí)踐中，這可能通過試湊法憑經(jīng)驗(yàn)確定。所謂的光點(diǎn)意指單元的反射成分區(qū)，通常是光學(xué)單元的彎曲的鏡面，當(dāng)在這個(gè)腔中的光來回反彈的時(shí)候，腔中的光從這個(gè)彎曲的鏡面上受到反射。這些光點(diǎn)分布在單元的端壁上。光點(diǎn)位置發(fā)生變化的原因在于光以不同的角度注入到單元里，并且單元的鏡面本身可能引起反射角的變化。通過保證疊加光點(diǎn)的激光波長(zhǎng)有足夠大的不同，就可以抑制殘留條紋的效應(yīng)。因此，圖9的光譜儀是一個(gè)無條紋的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，它的吸收靈敏度得以提高。作為一個(gè)特殊的例子，假定相鄰的光點(diǎn)疊加，并且鏡面相距0.5m，以及激光器的線寬度是30MHz，于是，超過10MHz/ns的線性調(diào)頻速率足以防止出現(xiàn)干涉，因而可提供基本上無條紋的性能。
圖10表示圖9的光譜儀中所用數(shù)據(jù)采樣電路的示意圖。這個(gè)數(shù)據(jù)采樣電路稱為方法1。為了進(jìn)行比較，圖10中還示出常規(guī)的量子級(jí)聯(lián)激光器光譜儀的數(shù)據(jù)采樣電路，這個(gè)數(shù)據(jù)采樣電路稱之為方法2。圖11表示用來實(shí)施方法2的現(xiàn)有技術(shù)光譜儀。為了進(jìn)行精確的比較，使用等于20kHz的相同的脈沖重復(fù)頻率(PRF)對(duì)于這兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。脈沖重復(fù)頻率是向半導(dǎo)體二極管激光器的電接點(diǎn)施加電流/電壓脈沖的頻率。選擇20kHz值的理由是它是能夠操作圖11的光譜儀的最大速率(見“應(yīng)用光學(xué)”41，573(2002))。還假設(shè)圖9的光譜儀使用持續(xù)時(shí)間為256毫微秒的電流/電壓脈沖，以應(yīng)用波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻，還假設(shè)圖11的光譜儀使用持續(xù)時(shí)間為5毫微秒的電流/電壓脈沖(見“應(yīng)用光學(xué)”41，573(2002))。對(duì)于圖11的光譜儀而言，有效發(fā)射線寬度約為0.02cm-1。為了在這種情況下提供波長(zhǎng)掃描，必須在從992.3cm-1開始的一個(gè)0.75cm-1的光譜范圍內(nèi)，按非線性方式連續(xù)地調(diào)諧所說的脈沖。而對(duì)于與圖11的光譜儀所用的電流幅值類似的電流幅值，圖9的光譜儀可能會(huì)有一個(gè)約為-5.9×10-3cm-1/ns的參數(shù)β。這可能會(huì)在256毫微秒(ns)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生1.5cm-1的幾乎線性的總的波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻。因此，每個(gè)線性調(diào)頻脈沖本身就可提供一次完整的掃描。
從圖10還可以看出，使用實(shí)施本發(fā)明的方法，即方法1可在每個(gè)單個(gè)的脈沖內(nèi)記錄整個(gè)光譜范圍。如圖10所示，這涉及到沿檢測(cè)的脈沖的整個(gè)長(zhǎng)度采樣這個(gè)檢測(cè)的脈沖，由此，就可以從單個(gè)脈沖獲得一定范圍的光譜元素。對(duì)比之下，在方法2中，在單個(gè)脈沖期間只可記錄到單個(gè)光譜元素。因此，如果記錄相同數(shù)目的操樣點(diǎn)n，比如n＝512，這是按方法2可能達(dá)到的最大數(shù)目(見“應(yīng)用光學(xué)”41，573(2002))，于是在方法1中可實(shí)現(xiàn)的信號(hào)噪聲比的理論改進(jìn)應(yīng)該是√n，這對(duì)于512個(gè)點(diǎn)大約為22。方法1的優(yōu)點(diǎn)是，它不會(huì)使脈沖在記錄的掃描中遭受脈沖漲落(幅值和時(shí)間這兩者)，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)光學(xué)脈沖是必要的。在方法2中，已經(jīng)表明，這個(gè)系統(tǒng)遭遇到二極管激光器輸出的不同脈沖的幅值漲落(見“應(yīng)用光學(xué)”41，573(2002))。
圖12和13表示使用圖9的光譜儀得到的試驗(yàn)結(jié)果。在圖12和13所用的光譜儀設(shè)備中，使用單模分配式反饋激光器，其中沒有光譜濾波器，Io和Ia是使用單束模式方法記錄的。圖12表示一個(gè)1，1二氟乙烯(CF2CH2)樣本的測(cè)量結(jié)果。上部曲線中的CF2CH2光譜是使用圖7的光譜儀得到的，但使其適用于用一個(gè)黑體源代替量子級(jí)聯(lián)激光器。使用圖9的光譜儀得到的下部?jī)蓚€(gè)曲線表示Io和Ia這兩者，其中Io是用抽真空的單元得到的，Ia是利用在這個(gè)單元內(nèi)的1，1二氟乙烯(CF2CH2)樣本得到的。使用平均值為4096次掃描，以記錄經(jīng)過吸收的信號(hào)Ia。上部曲線表示的是Ia。下部曲線表示的也是Ia，但以固態(tài)鍺基準(zhǔn)代替采樣氣體單元17。這個(gè)下部曲線表示的是基準(zhǔn)條紋圖形，這個(gè)圖形表示從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)的幾乎線性的光譜變化。從圖12的傅里葉變換和二極管激光光譜與利用圖8的傅里葉變換光譜的圖13的上部曲線的比較結(jié)果可以看出，在使用兩種類型的光譜儀記錄的二氟乙烯的化學(xué)指紋圖形之間，存在著強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性。然而，使用圖7的光譜儀記錄的圖8和12中的傅里葉變換光譜需要花費(fèi)4個(gè)小時(shí)以上的時(shí)間才能獲得，而獲得圖12和13中的二極管激光光譜所需的時(shí)間不足2分鐘。
產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖引發(fā)的掃描的波長(zhǎng)范圍要足夠識(shí)別要記錄的氣體的化學(xué)指紋，見圖14。圖14是使用圖9的設(shè)備利用單束模式的方法記錄的。圖14的上部曲線用于1，1二氟乙烯(CH2CF2)，同一個(gè)圖中的下部曲線用于羰基氟化物(COF2)。圖14表示在200毫微秒的時(shí)間窗口內(nèi)，使用圖9的光譜儀進(jìn)行圖形識(shí)別(化學(xué)指紋的識(shí)別)的容易性。為清楚起見，已使透視光譜偏斜。波數(shù)校準(zhǔn)使用了鍺(Ge)基準(zhǔn)，條紋間距為0.0483cm-1，使用圖7所示的設(shè)備(其中沒有黑體源)從高分辨率傅里葉變換光譜得到1，1二氟乙烯參考線。
在圖9的光譜儀中，一個(gè)信號(hào)的帶寬與持續(xù)時(shí)間的乘積不得小于某個(gè)最小值，這個(gè)最小值是利用“測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系”找到的。這個(gè)關(guān)系是由Bracewell詳細(xì)描述的(“傅里葉變換及其應(yīng)用”，McGraw-Hill(1965))，已經(jīng)證實(shí)，等效持續(xù)時(shí)間Δt和等效帶寬Δv的乘積必須大于或等于常數(shù)C，常數(shù)C是由脈沖形狀確定的。對(duì)于矩形時(shí)間窗口，ΔtΔv≥C＝0.886；對(duì)于高斯分布時(shí)間窗口，ΔtΔv≥C＝0.441。在短脈沖光譜儀方法中，如果要縮短脈沖持續(xù)時(shí)間，則對(duì)于分辨率可能存在傅里葉變換限制，而如果要延長(zhǎng)所說的持續(xù)時(shí)間，則波長(zhǎng)的線性調(diào)頻可能過大。對(duì)于用來實(shí)施本發(fā)明的時(shí)間分辨的檢測(cè)系統(tǒng)的限制，可進(jìn)行類似的分析，如以下所述。在時(shí)間窗口τ中，激光頻率(λv＝c；λ是波長(zhǎng)，v是頻率，c是波速)將實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻，調(diào)頻量為dv/dt×τ，因而，如果要使用較小的時(shí)間窗口，則限制傅里葉變換的頻率間隔Δv將要增加，而限制線性調(diào)頻的頻率間隔將要減小。因此，最佳的孔徑時(shí)間τ將由C/τ＝dv/dt×τ確定。利用Δv改寫這個(gè)方程，則有Δv＝dv/dt×C/Δv，由此則有Δv＝(C×dv/dt)1/2。在C＝1的限定情況下，線性調(diào)頻的速率為-0.0066cm-1/ns，或者0.015cm-1。如果使用矩形形狀窗口函數(shù)，這個(gè)速率可能降到0.014cm-1，如果高斯分布的時(shí)間窗口是合適的，則這個(gè)速率可能降到0.01cm-1。
圖15表示使用圖9的單束模式(SBM)方法對(duì)于大氣中的氣體的樣本記錄的吸收光譜。使用的掃描平均次數(shù)為64000。曲線(a)表示對(duì)于單元壓力為50.5乇的結(jié)果。曲線(b)表示對(duì)于壓力為04.5乇的結(jié)果。曲線(c)表示對(duì)于填加了二氧化碳(CO2)的樣本的結(jié)果。在這種情況下，壓力為103.2乇。與H2O對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)極低的線，即圖15的左邊的峰，在曲線(b)和(c)中具有幾乎相同的吸收百分?jǐn)?shù)。但是顯然可以看出，在曲線(c)中，由于存在二氧化碳的緣故，吸收百分?jǐn)?shù)與曲線(b)相比有大幅值的增加。圖14和15表明，的確有可能實(shí)現(xiàn)不同種類的氣體的同時(shí)測(cè)量，并且有可能識(shí)別它們(化合物識(shí)別)。
可以對(duì)圖9的光譜儀進(jìn)行各種改型。例如，對(duì)于雙束方法，不使用抽真空的單獨(dú)的參考單元，而是讓參考信號(hào)本身穿過采樣單元17。這表示在圖16中的采樣單元1c。這里，測(cè)量路徑是16a，參考路徑是16b。為清楚起見，在圖16中分開表示路徑16a和16b，但應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，它們二者都要穿過采樣單元17。如果信號(hào)路徑16a的光路長(zhǎng)度是La，參考路徑16b的光路長(zhǎng)度是Lb，則為了使參考路徑16b的吸收最小，La必須比Lb大得多(La＞＞Lb)。為此目的，例如可使測(cè)量束多次穿過采樣單元17，而參考束或者直接通過這個(gè)單元并只通過一次，或者有限次數(shù)通過這個(gè)單元。
可以按以下所述的導(dǎo)出設(shè)備1c所需的修改的比爾-朗伯表達(dá)式對(duì)于信號(hào)路徑，則有Ia＝Ioexp(-αLa)，對(duì)于參考路徑，則有Ib＝Ioexp(-αLb)。因此，ln(Ia/Ib)＝-α(La-Lb)。在設(shè)備1c中，對(duì)于兩個(gè)脈沖之間的過渡時(shí)間差進(jìn)行選擇，使其小于波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻的時(shí)間或者電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的持續(xù)時(shí)間。因此，本底光脈沖到達(dá)檢測(cè)器24的時(shí)間比信號(hào)脈沖到達(dá)檢測(cè)器23的時(shí)間要早。記錄數(shù)字轉(zhuǎn)換器12和14的輸出，以使控制和獲取電路10能求出這兩個(gè)輸出的比值，從而可以提供先前詳細(xì)描述過的Ia/Ib。圖16的設(shè)備1c的光譜儀的優(yōu)點(diǎn)是，與第一實(shí)施例即圖9的設(shè)備1b相比，使用的光學(xué)元件較少，如沒有參考單元。這就減小了光譜儀設(shè)備的總尺寸和重量。
圖16的設(shè)備1d是對(duì)設(shè)備1c的改型。在這種情況下，只使用單個(gè)檢測(cè)器。為此，不是將參考光束引向檢測(cè)器24，而是將參考光束引向檢測(cè)器23。吸收路徑差與設(shè)備1c的吸收路徑差相等，即ΔL＝(La-Lb)。當(dāng)一個(gè)脈沖序列入射在圖16的分束器上的時(shí)候，分束器的作用就是將脈沖序列中的每個(gè)單個(gè)脈沖分裂為兩個(gè)分量。遵循光路16a的脈沖序列中的任一項(xiàng)脈沖都具有遵循光路16c的一個(gè)伴隨脈沖。這在考慮由單個(gè)檢測(cè)器設(shè)備1d檢測(cè)Ia和Ib的時(shí)候可產(chǎn)生重要的結(jié)果。為了計(jì)算Ib與Ia的比值，必須單獨(dú)地分開記錄與Ib和Ia對(duì)應(yīng)的信號(hào)，然后按照在實(shí)施例1b的圖9中對(duì)于操作的單束模式描述的方式處理這些信號(hào)。這就意味著，一直到對(duì)應(yīng)于Ib的伴隨脈沖已經(jīng)通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器12數(shù)字化并已經(jīng)由控制和獲取系統(tǒng)10進(jìn)行了存儲(chǔ)，對(duì)應(yīng)于Ia的伴隨脈沖才能到達(dá)這個(gè)檢測(cè)器。然而，在上一個(gè)Ia脈沖通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器12數(shù)字化并由控制和獲取系統(tǒng)10存儲(chǔ)之前，與Ib相關(guān)的下一個(gè)脈沖不能到達(dá)這個(gè)檢測(cè)器。這樣，在光路16a和光路16c之間的光路長(zhǎng)度之差，因此也是過渡時(shí)間之差，就必須大于由脈沖瞬時(shí)持續(xù)時(shí)間確定的距離(光速×tp)，但必須小于由脈沖重復(fù)時(shí)間確定的距離(光速×trep)。
至此描述的所有的光譜儀都是閉合系統(tǒng)，其中的樣本氣體放在封閉的光學(xué)單元中。然而，大氣微量氣體的許多測(cè)量都必須使用開路的(氣體不封閉的)設(shè)備進(jìn)行，即光譜儀不包含氣體單元。圖17是用于實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)開路的光譜儀設(shè)備的示意圖。因?yàn)椴皇褂冒瑯颖練怏w的任何光學(xué)單元，所以這種設(shè)備是無干涉條紋的?？梢允褂美缛鐖D17的設(shè)備1c中所示的這種光譜儀來監(jiān)視引擎的排放羽煙(plume)40。與分束器21有關(guān)并且包括分束器21在內(nèi)的光學(xué)部件的布置與前述實(shí)施例1a、1b(圖9)和1c、1d(圖16)完全一樣。在濾波器15的對(duì)面并在光束16a的光路上，是一個(gè)直角的后向反射器39，設(shè)置后向反射器39的目的是使正在考察的氣體處在濾波器15和反射器39之間。向后引導(dǎo)從反射器39反射的光，使其通過所說的氣體朝向檢測(cè)系統(tǒng)前進(jìn)。對(duì)比之下，參考光束16b沿垂直于光束16a的方向經(jīng)過非常短的光路朝向另一個(gè)反射器，這個(gè)反射器將參考光束反射到檢測(cè)系統(tǒng)。在這種情況下，這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)與實(shí)施例1b(圖9)和1c(圖16)的雙束模式安排是相同的。
在使用圖17的光譜儀當(dāng)中，給激光器20加以電流脈沖流，激光器20發(fā)光，這個(gè)光都穿過濾波器15，由此產(chǎn)生合適的輸出，即這個(gè)輸出包括一系列脈沖，每個(gè)脈沖都有波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻。要被吸收的光脈沖16a穿過排放的羽煙40并由后向反射器39反射，通過排放的羽煙40返回到光譜儀1e。以此方式，光束16a兩次通過所說的氣體。反射的脈沖16a隨后聚焦到檢測(cè)器23上。本底光脈沖16b聚焦到檢測(cè)器24上，本底光脈沖運(yùn)行的光路比信號(hào)脈沖16a的光路要短的多。因此，參考脈沖16b的過渡時(shí)間要比信號(hào)脈沖16a的過渡時(shí)間少，因此，當(dāng)相對(duì)于初始觸發(fā)脈沖進(jìn)行兩個(gè)時(shí)間測(cè)量的時(shí)候，本底光脈沖16b在信號(hào)脈沖16a到達(dá)檢測(cè)器23之前到達(dá)檢測(cè)器24。由于數(shù)字轉(zhuǎn)換器12和14中的每一個(gè)都可以相對(duì)于另一個(gè)進(jìn)行延時(shí)，所以當(dāng)記錄每一個(gè)檢測(cè)到的脈沖分量16a、16b時(shí)，要使加入檢測(cè)系統(tǒng)中的控制和獲取系統(tǒng)10能夠求出脈沖分量16a、16b的比例以產(chǎn)生Ia/Io。按照本發(fā)明，使用參照附圖10描述的檢測(cè)和掃描方法1。
圖18表示圖17的光譜儀的一個(gè)改型版本，其中只使用單個(gè)檢測(cè)器。這與圖16所示的閉合路徑設(shè)備類似。為了在檢測(cè)器23中分開信號(hào)脈沖16a和本底光脈沖16b的到達(dá)時(shí)間，脈沖之間的過渡時(shí)間差必須大于波長(zhǎng)的向上線性調(diào)頻的時(shí)間或電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的持續(xù)時(shí)間。與實(shí)施例1d一樣，由于數(shù)字轉(zhuǎn)換器12在同一個(gè)通道上記錄檢測(cè)到的兩個(gè)脈沖16a和16b，所以這兩個(gè)脈沖在數(shù)字轉(zhuǎn)換器12內(nèi)分開并得到處理，因而控制和獲取系統(tǒng)10能夠求出它們的比例以產(chǎn)生Ia/Io。
至今，已經(jīng)參照單模量子級(jí)聯(lián)激光器(例如分配式反饋(DFB)量子級(jí)聯(lián)激光器)描述了實(shí)施本發(fā)明的光譜儀。但這種激光器可以由縱向多模激光器代替。這種替換既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。主要的優(yōu)點(diǎn)是它展寬了光譜儀的有效調(diào)諧范圍。由于在檢測(cè)應(yīng)用中感興趣的許多氣體的吸收光譜是由多組吸收特征組成的，這些吸收特征由規(guī)則的間隔分開，所以發(fā)射線和吸收線之間的重合也是規(guī)則地發(fā)生的，但通常分開的間隔很寬(對(duì)于這種重合的更詳細(xì)的討論，參見“紅外振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜”，Geoffrey Duxbury，Wiley 2000第5章和第9章)。這種情況表示在圖19a和19b中。在圖19a中，上部曲線是樣本氣體的吸收光譜。如應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的，這個(gè)光譜是相當(dāng)復(fù)雜的。圖19a的下部曲線表示線性調(diào)頻的多模量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)射響應(yīng)，用于檢測(cè)樣本氣體。圖19b表示檢測(cè)的信號(hào)，從這里可以看出，在檢測(cè)激光輸入和樣本特性之間有幾處重合。
在圖9、16、17、和18中的任一項(xiàng)光譜儀中，如果沒有光譜濾波器15，則圖19b的所有光譜都將疊加在一起。然而，使用了這樣的光譜濾波器，既可以使這些光譜分開又可以識(shí)別產(chǎn)生這些光譜的波數(shù)/cm-1區(qū)，如圖20示意表示的那樣。盡管如此，如果調(diào)諧由波數(shù)的向下線性調(diào)頻提供的每一種模式，使它的間距大于縱向模式的間距，則還會(huì)發(fā)生光譜的部分重疊。此外，如果縱向多模激光器的光譜受到激光器的離軸模式的發(fā)生的影響，則所述的光譜濾波方法將變得難以實(shí)施。其原因在于，在離軸(橫向)模式之間，波數(shù)/cm-1的間距太靠近，這使設(shè)計(jì)合適并且有效的寬帶光譜濾波器極其困難。
除加寬了光譜儀的有效調(diào)諧范圍以外，使用多模激光器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可能使用模式部分的組合以及各個(gè)模式的溫度調(diào)諧，從而可以實(shí)現(xiàn)在可用的強(qiáng)度內(nèi)的激光器的低和高波數(shù)模式(增益包絡(luò))的完整調(diào)諧。這種情況示意地表示在圖21中。
實(shí)施本發(fā)明的光譜儀利用了固有的發(fā)射線寬度的幾乎線性的波長(zhǎng)向上線性調(diào)頻，所說的線性調(diào)頻是按準(zhǔn)微秒時(shí)間標(biāo)度發(fā)生的，因此它能夠操作的掃描重復(fù)頻率(PRF)可高達(dá)1MHz。這個(gè)潛在可能的速度增益與現(xiàn)有技術(shù)相比改進(jìn)了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使實(shí)施本發(fā)明的本系統(tǒng)能充分利用多路復(fù)用能力，例如通過實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量研究諸如快速化學(xué)反應(yīng)(也即比如自由基或?qū)崟r(shí)大氣漲落)之類的過程。
實(shí)施本發(fā)明的時(shí)間分辨的光譜儀的分辨率不是由電流脈沖引發(fā)的激光器的有效線寬度確定的，而是由激光器的線性調(diào)頻速率(即測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系)和檢測(cè)系統(tǒng)的瞬時(shí)分辨率確定的。就檢測(cè)系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng)而論，這是因?yàn)樵诓ㄩL(zhǎng)線性調(diào)頻內(nèi)可以記錄光譜的像素的數(shù)目(一個(gè)像素對(duì)應(yīng)于一個(gè)指定的時(shí)間間隔)受到這種響應(yīng)的限制。這個(gè)線性調(diào)頻的速率是由參數(shù)β控制的。影響波數(shù)分辨率的兩個(gè)參數(shù)是激光器20的固有的線寬度的調(diào)諧速率β和檢測(cè)系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng)。由于波數(shù)線性調(diào)頻的速率對(duì)于這種激光器的脈沖幅值(見圖3)來說是相對(duì)不敏感的，所以利用這里所用的激光器增加光譜分辨率的唯一方法就是增加檢測(cè)帶寬(最高可達(dá)測(cè)不準(zhǔn)原理的極限)。于是，提供寬帶寬的檢測(cè)系統(tǒng)(500MHz)可導(dǎo)致極高的光譜分辨率，如圖13所示。
對(duì)于所述的設(shè)備可進(jìn)行各種各樣的改進(jìn)而不偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。例如，應(yīng)該理解，實(shí)施本發(fā)明的光譜儀設(shè)備完全可以使用甚至于比已經(jīng)詳細(xì)描述過的檢測(cè)系統(tǒng)更快的檢測(cè)系統(tǒng)和/或展示較慢的線性調(diào)頻速率的半導(dǎo)體二極管激光器。在下一種變型中，可以改變激光器的基板溫度。這可能通過改變所加的準(zhǔn)微秒矩形形狀的電流脈沖的重復(fù)頻率來實(shí)現(xiàn)。在一種可供選擇的變型中，通過改變加到半導(dǎo)體二極管激光器的電接點(diǎn)上的準(zhǔn)微秒持續(xù)時(shí)間的矩形形狀的電流驅(qū)動(dòng)脈沖的基本直流電平，可以改變基板溫度。此外，在詳細(xì)描述過的實(shí)施方案中，已經(jīng)描述過的光學(xué)分束裝置是一個(gè)光學(xué)分束器，但是它們可以是二向色鏡或者其它類似的設(shè)備。進(jìn)一步還應(yīng)該理解，在實(shí)施本發(fā)明的光譜儀設(shè)備中，可以實(shí)施幾個(gè)半導(dǎo)體激光器，以便實(shí)現(xiàn)不同種類的同時(shí)測(cè)量。進(jìn)而，以上所述的待測(cè)樣本都是氣體，但按另一種方式也可以是氣溶膠。
權(quán)利要求
1.一種使用半導(dǎo)體二極管激光光譜儀檢測(cè)氣體的方法，所述方法包括如下步驟將采樣氣體引入非共振光學(xué)單元內(nèi)；向半導(dǎo)體二極管激光器施加階躍函數(shù)的電脈沖，使激光器輸出連續(xù)的波長(zhǎng)線性調(diào)頻，用以注入到所述光學(xué)單元內(nèi)；將波長(zhǎng)線性調(diào)頻注入光學(xué)單元內(nèi)；使用由波長(zhǎng)線性調(diào)頻提供的波長(zhǎng)變化作為波長(zhǎng)掃描，并檢測(cè)從光學(xué)單元發(fā)出的光，其中對(duì)于線性調(diào)頻的速率進(jìn)行選擇，以便基本上防止在光學(xué)單元內(nèi)發(fā)生光干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中加到半導(dǎo)體二極管激光器上的脈沖持續(xù)時(shí)間等于或小于1微秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中脈沖持續(xù)時(shí)間小于在施加驅(qū)動(dòng)脈沖后光輸出功率變?yōu)?所需的持續(xù)時(shí)間。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中還包括比如通過改變電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的幅值改變每單位時(shí)間波長(zhǎng)的變化速率的步驟。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中還包括比如通過電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的持續(xù)時(shí)間調(diào)整波長(zhǎng)掃描的長(zhǎng)度的步驟。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中還包括改變半導(dǎo)體二極管激光器溫度的步驟。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中半導(dǎo)體二極管激光器輸出輻射的波長(zhǎng)范圍是1-14微米。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中半導(dǎo)體激光器是量子級(jí)聯(lián)激光器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中光學(xué)單元是Herriot單元。
10.一種半導(dǎo)體二極管激光光譜儀，最好是量子級(jí)聯(lián)激光器光譜儀，用于測(cè)量樣本的吸收光譜，所述光譜儀包括半導(dǎo)體二極管激光器；非共振光學(xué)單元，用于包含樣本氣體；電脈沖發(fā)生器，適于向激光器施加實(shí)際上為階躍函數(shù)的電脈沖，使激光器能夠以線性調(diào)頻速率向樣本單元內(nèi)引入連續(xù)的波長(zhǎng)線性調(diào)頻脈沖，選擇所述線性調(diào)頻速率，以便實(shí)際上可防止在光學(xué)單元內(nèi)發(fā)生光干涉；以及檢測(cè)器，用以檢測(cè)來自光學(xué)單元的光輸出，并適于使用波長(zhǎng)線性調(diào)頻的波長(zhǎng)變化進(jìn)行波長(zhǎng)掃描。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光譜儀，其中電脈沖的持續(xù)時(shí)間等于或小于1微秒。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或權(quán)利要求11所述的光譜儀，其中設(shè)置用于改變每單位時(shí)間線性調(diào)頻的波長(zhǎng)的變化速率的裝置，如用于改變電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的幅值的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的光譜儀，其中設(shè)置比如通過改變電脈沖的持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)波長(zhǎng)掃描長(zhǎng)度的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)所述的光譜儀，其中設(shè)置用于改變波長(zhǎng)掃描的波長(zhǎng)起始點(diǎn)的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光譜儀，其中使用于改變波長(zhǎng)起點(diǎn)的裝置工作，以改變半導(dǎo)體二極管激光器的基本溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光譜儀，其中用于改變半導(dǎo)體二極管激光器的溫度的裝置包括電熱加熱器/致冷器，或者用于調(diào)節(jié)加于激光二極管電接點(diǎn)的重復(fù)的電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比或脈沖重復(fù)頻率的裝置，或者用于調(diào)節(jié)電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的脈沖幅值的裝置，或者用于調(diào)節(jié)加到激光二極管的電接點(diǎn)上的電流/電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的基本直流電平的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求10-16中任一項(xiàng)所述的光譜儀，其中用穿過樣本輻射的幅值測(cè)量和參考脈沖的幅值測(cè)量，確定吸收的輻射量。
18.根據(jù)權(quán)利要求10-17中任一項(xiàng)所述的光譜儀，其中提供分束器或其它類似元件，將從激光器輸出的輻射分裂為兩個(gè)分量，第一個(gè)分量用于穿過樣本，第二個(gè)分量不穿過所述樣本。
19.根據(jù)權(quán)利要求10-18中任一項(xiàng)所述的光譜儀，其中半導(dǎo)體二極管激光器發(fā)出的輻射的波長(zhǎng)范圍為1-14微米。
20.根據(jù)權(quán)利要求10-19中任一項(xiàng)所述的光譜儀，其中光學(xué)單元是Herriot元件。
21.一種使用半導(dǎo)體二極管激光光譜儀檢測(cè)未封閉氣體的方法，所述方法包括如下步驟向半導(dǎo)體二極管激光器施加實(shí)際上為階躍函數(shù)的電脈沖，使激光器輸出連續(xù)的波長(zhǎng)線性調(diào)頻；注入波長(zhǎng)線性調(diào)頻，使其實(shí)際上通過所述氣體；使用由每個(gè)波長(zhǎng)線性調(diào)頻提供的波長(zhǎng)變化作為波長(zhǎng)掃描，并通過采樣在整個(gè)光譜區(qū)接收的每個(gè)脈沖，檢測(cè)通過光學(xué)單元透出的光。
22.一種化學(xué)指紋印制方法，用以使用半導(dǎo)體二極管激光光譜儀識(shí)別氣體，所述方法包括如下步驟向半導(dǎo)體二極管激光器施加實(shí)際上為階躍函數(shù)的電脈沖，使激光器輸出連續(xù)的波長(zhǎng)線性調(diào)頻；在氣體內(nèi)注入波長(zhǎng)線性調(diào)頻；使用由每個(gè)波長(zhǎng)線性調(diào)頻提供的波長(zhǎng)變化作為波長(zhǎng)掃描，并通過采樣在整個(gè)光譜區(qū)接收的脈沖，檢測(cè)通過氣體透出的光。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中線性調(diào)頻的頻率變化約為60GHz。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或權(quán)利要求23所述的方法，其中所加脈沖的持續(xù)時(shí)間大于150毫微秒，特別大于200毫微秒。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或權(quán)利要求23或權(quán)利要求24所述的方法，其中所加脈沖的持續(xù)時(shí)間范圍是150-300毫微秒，首選200-300毫微秒。
全文摘要
一種使用半導(dǎo)體二極管激光光譜儀檢測(cè)氣體的方法和設(shè)備，所述方法包括將采樣氣體引入非共振光學(xué)單元(17)內(nèi)；向半導(dǎo)體二極管激光器(20)施加階躍函數(shù)的電脈沖(19)，使激光器(20)輸出連續(xù)的波長(zhǎng)線性調(diào)頻，用于注入(16a)到光學(xué)單元(17)內(nèi)；將波長(zhǎng)線性調(diào)頻注入(16a)光學(xué)單元(17)內(nèi)；使用由波長(zhǎng)線性調(diào)頻提供的波長(zhǎng)變化作為波長(zhǎng)掃描，以及檢測(cè)器(23)檢測(cè)從光學(xué)單元(17)發(fā)出的光，其中選擇線性調(diào)頻的速率，以實(shí)際上防止在光學(xué)單元(17)內(nèi)發(fā)生光干涉。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1659429SQ03813259
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月9日
發(fā)明者埃爾萬·諾曼德, 奈杰爾·蘭福德, 杰弗里·達(dá)克斯伯里 申請(qǐng)人:卡斯卡德技術(shù)有限公司, 埃爾萬·諾曼德