CN101213438A - 光声光谱仪设备 - Google Patents

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Abstract

使光声探测室(6)位于腔增强吸收光谱设备(3，4，5)的光学腔(3)内。当所述室(6)内的样本吸收来自耦合到所述腔(3)内的脉冲辐射束的辐射时，将生成通过传声器(9)探测的压力波。可以对传声器(9)输出的探测信号(10)进行处理，以确定样本中吸收材料的浓度值。

Description

光声光谱仪设备
技术领域
本发明涉及光谱仪设备和光谱学方法，具体而言涉及但不限于激光光谱仪设备和激光光谱学方法。
背景技术
利用激光吸收光谱技术分析样本的成分是公知的。例如，可以利用其探测空气样本中的污染物，或者探测呼吸样本中的生物标志。有几种已知的不同的激光吸收光谱学技术。
在这些已知技术中，直接吸收光谱法是最为基础的。在这种技术中，采用光源、吸收室和光探测器分析吸收室(absorption cell)中含有的样本。在来自光源的光穿过吸收室时，室内的气体吸收一些光。光探测器位于吸收室的后面，并用于测量有多少光被吸收。可以采用朗伯比尔(Lambert-Beer)定律计算所探测的气体的浓度。
T＝e-a·c·L    (1)
其中，T是气体的透射率，a是气体的吸收系数、c是气体的浓度，L是吸收室的长度。
这一方程表明，如果路径长度L增大，那么总吸收增大，因此为了实现高测量灵敏度，应当采用长吸收室。为了确保高测量灵敏度，还可能采用多路吸收室，其中，将反射镜放在吸收室的前面或后面，从而使光通过吸收室受到几次反射。
在光声光谱技术(photo-acoustic spectroscopy)中，激光束通过旋转叶片传输，所述旋转叶片被称为斩波器，其以预定频率将射束斩成一系列光脉冲。这些光脉冲通过封闭了气体样本的光声室(PAC)传输。如果将激光波长调谐为吸收样本中分子的分子跃迁能(EI-EK)，就会将某些处于较低能级EI的分子激发到较高能级EK。通过与其他原子或分子的碰撞，这些受激分子可以将它们的激发能转化为碰撞伙伴的平移能、旋转能或振动能。在热平衡下，这一过程引起了热能的增大，从而导致元件内温度和压力的升高。因而，光的每一脉冲引起了气体压强的增大，之后气体压强又会在下一脉冲到达之前降低。假设压力波具有足够的幅度，并且频率(由斩波频率确定的)处于人耳的听力范围内，那么通过这种方式生成的压力波就可能被人听到。但是，常常使用的是处于这一范围之外的斩波频率。
PAC所起得作用类似风琴管，其谐振频率与激光束的斩波频率匹配。其对所生成的声波放大，之后通过传声器将其转换为电子信号。采用锁定放大器对这一信号进行进一步的放大和解调。
采用锁定放大器测量噪声中掩埋的信号的幅度和相位。所述锁定放大器通过像窄带滤波器那样工作来实现这一目的，其去除了很多不需要的噪声，同时使有待测量的信号通过。通过基准斩波频率设置有待测量的信号的频率，并由此设置滤波器的带通区域。通过这种方式，可以抑制周围产生的声音。通过下式给出了光声信号的强度：
S = 2 N i σ ik fV Δx ( 1 - η k ) P L Δt S m - - - ( 2 )
其中，Ni是以cm-3为单位的吸收分子的密度，σik给出了以cm2为单位的吸收截面，Δx是吸收路径长度，Δt是循环周期，PL是激光功率，ηk给出了量子效率(所发射的荧光能量与所吸收的激光能量之间的比率)，f是温度T下对于N个分子中的每个可以取得的自由度的数目，V是PAC的体积，Sm是以伏特/帕斯卡为单位给出的传声器/PAC组合的灵敏度。
方程2表明光声信号与分子浓度存在线性依赖关系。此外，其还与激光源的功率存在线性依赖关系，这意味着采用高功率源能够获得显著的灵敏度。
这一技术的优点在于，设置非常简单。其缺点在于，如果希望获得高灵敏度，则需要高激光功率。
腔衰荡(CRD，Cavity Ring-Down)光谱技术是另一种吸收光谱技术。这是一种灵敏的吸收技术，其中，测量约束在光学腔内的光脉冲的吸收速率而不是光脉冲的吸收幅度。将样本放在由两个高反射镜构成的高精细度光学腔内。将短激光脉冲耦合到腔内，光在腔内来回反射，每次光受到反射，都有一小部分光从腔中泄漏出去。可以通过测量从腔中泄漏出去的光的时间相关性确定衰减时间，而不是测量从腔中射出的光的总强度。通过这种方式可以获得吸收速率，样本吸收得越多，所测得得衰减时间就越短。
在采用脉冲激光源时，CRD是一种相对简单的方法。但是，就脉冲激光源而言，探测器的灵敏度有限。为了获得高灵敏度，必须采用连续波激光源。但是，其导致的缺点是设置非常复杂，因为必须提供与光源的波长协调的CRD腔。
腔增强吸收(CEA)光谱技术是一种相当新的连续波(CW)灵敏吸收技术。其利用了高Q光学腔内沿相同光路的有效多次通过。当激光波长与腔模式之一的波长偶然吻合(accidentally coincide)时，激光进入这一光学腔。测量通过这一腔传输的光的时间累积强度，其与总腔损耗成反比。结果，在空的腔损耗已知时，能够确定腔内存在的吸收材料的吸收系数。
在CEA光谱技术中，未将激光波长锁定至腔模式的频率。选择腔的几何参数，从而使模式结构非常致密。在测量过程中，使激光波长和/或腔模式的波长发生抖动，其导致了光向腔内的准连续耦合。如果能够像针对二极管激光器的情况一样在某一波长间隔上重复扫描激光，那么能够通过合计(summing)几次扫描非常快速地(～1s)获得“原始”CEA光谱。
CEA技术是一种非常易于使用的方法，并且还非常适于现场(in-the-field)应用。可惜的是，这项技术缺乏灵敏度。
发明内容
本发明的实施例旨在缓和上述问题，从而提供易于使用的技术，所述技术在不需要高功率激光器的情况下提供了高灵敏度。
根据本发明，提供了一种光谱仪设备，包括：脉冲辐射束发生器，其用于生成具有预定辐射波长的脉冲辐射束；光学腔，其具有多个腔模式，每一腔模式具有腔模式波长；抖动装置，其用于使脉冲辐射束的辐射波长和/或腔模式波长的幅度发生抖动，从而使脉冲辐射束准连续耦合到光学腔内；光声室，其位于光学腔内，以包含所要分析的样本；以及探测器，其用于探测当样本吸收来自脉冲辐射束的辐射时在光声室内生成的压力波，并生成探测器输出信号，可以通过对所述探测器输出信号进行处理，以确定样本中的吸收材料的浓度值。
根据本发明，还提供了一种光谱学方法，包括：生成具有预定波长的脉冲辐射束，并将该束引导至具有多个腔模式的光学腔，每一腔模式具有腔模式波长；使脉冲辐射束的辐射波长和/或所述多个腔模式波长发生抖动，从而使脉冲辐射束准连续耦合到光学腔内；探测当光声室内的样本吸收来自所述脉冲辐射束的辐射时在位于光学腔内的光声室内生成的压力波，以生成探测信号；以及对探测信号进行处理，以确定样本中吸收材料的浓度的值。
附图说明
现在将参考附图以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是体现本发明的系统的示意图。
具体实施方式
连续波激光源1朝向由第一腔镜4和第二腔镜5界定的高Q激光腔3发射具有预选波长的激光束2。当激光波长与腔3的腔模式之一的波长吻合，从而将射束2耦合到腔3内时，激光进入光学腔3。
通过使激光束2的波长抖动(dithering)和/或使腔模式的波长抖动提高了耦合的概率。可以采用压电驱动器(未示出)对放置在激光器内的腔内标准具(etalon)(未示出)进行空间调制，由此使激光波长抖动。
可以通过对腔镜之一进行空间调制，例如，通过采用压电驱动器(未示出)前后驱动第二反射镜5实现腔模式的波长抖动。
为了进一步提高耦合概率，可以选择腔3的几何形状，从而使其模式结构非常致密，换言之，使腔3所支持的模式之间存在相对较小的波长间隔。
在优选实施例中，致密模式结构、激光波长抖动和腔模式抖动的综合作用实现了激光2向腔3内的准连续耦合。
就这一方面而言，所述实施例起着腔增强吸收光谱仪的作用。如前所述，在CEA光谱技术领域，腔3内的光强的时间累积测量与总腔损耗成反比是公知的。结果，在空的腔损耗已知时，能够确定腔内存在的吸收材料的吸收系数。在已知的CEA光谱系统中，用于测量腔内的光强的技术导致了这种类型的对腔内的吸收材料的浓度不敏感的光谱技术。
本发明的实施例采用光声光谱技术测量腔3内的光强，其目的在于将测量灵敏度提高到标准CEA的灵敏度之上。为了实现这一目的，在图1所示的实施例中，将光声室6放在光学腔3内，并使旋转射束斩波器7位于激光器1和第一反射镜4之间。旋转射束斩波器7通过周期性地阻挡激光束2将激光束2斩成一串脉冲。
任选地，将透镜8放在斩波器7和第一反射镜4之间，从而在两个反射镜4和5之间将脉冲束2聚焦。
在光声室6内对来自脉冲束的光的吸收导致了在光声室6内以斩波器7的斩波频率生成压力波。优选通过以光声室6的谐振频率对射束2斩波，将这些压力波放大成非常强的波，通过附着于光声室6的传声器9探测所述波。将由传声器9生成的所得信号10发送至锁定放大器11，锁定放大器11利用由斩波器控制器13提供的斩波器基准频率12对具有斩波频率的传声器信号10解调，以生成与光声室6内的吸收气体的浓度成线性比例的吸收信号14。
除了比标准CEA具有更高的灵敏度之外，体现本发明的系统还提供了其他优点。例如，与标准PAS相比，体现本发明的系统不需要高功率激光器来生成足够强的光声信号来实现高灵敏度测量。相反，可以采用较低功率的激光器，此外，与利用CRD的系统相比，体现本发明的系统仍然相对易于使用。
任选地，分束器15位于激光器1和斩波器7之间，其用于使激光束2的一小部分射向强度探测器16。可以采用由探测器16输出的探测器信号17针对光束2的强度变化对吸收信号14进行补偿。
在上述实施例中，两个相对的反射镜界定了腔3。或者，可以采用按照三角形环路设计布置的三个反射镜或者按照蝶状领结(bowtiering)环设计布置的四个反射镜界定所述腔。这样的设计的优点在于，入射到第一或入光镜上的激光不朝向激光自身往回反射，这种反射可能会在某些激光器中引起反馈问题。
已经参考优选实施例描述了本发明，可以充分理解，所讨论的实施例只是示范性的，在不背离权利要求及其等同要件界定的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到各种修改和变化。在权利要求中，不应将放在括号内的附图标记视为对权利要求的限制。“包括”一词不排除在任何权利要求或整个说明书中列举的元件或步骤以外的其他元件或步骤的存在。元件的单数引用不排除对所述元件的复数引用。

Claims (14)

1.一种光谱仪设备，包括：
脉冲辐射束发生器，其用于生成具有预定辐射波长的脉冲辐射束；
光学腔，其具有多个腔模式，每一腔模式具有腔模式波长；
抖动装置，其用于使所述脉冲辐射束的所述辐射波长和/或所述多个腔模式波长发生抖动，从而使所述脉冲辐射束准连续地耦合到所述光学腔内；
光声室，其位于所述光学腔内，包含将要分析的样本；以及
探测器，其用于探测当样本吸收来自所述脉冲辐射束的辐射时在光声室内生成的压力波，并生成探测器输出信号，可以通过对所述探测器输出信号进行处理来确定所述样本中的吸收材料的浓度值。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述脉冲辐射束发生器包括：用于生成连续辐射束的辐射源；以及位于所述辐射源和所述光学腔之间的脉冲发生器，其用于将连续辐射束转化为输入到腔内的所述脉冲辐射束。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括：解调器，其采用频率等于所述脉冲辐射束的脉冲频率的基准信号对所述探测器输出信号进行解调，以生成基本与所述样本中的吸收材料的浓度成线性比例的吸收信号。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述辐射束的脉冲频率与所述光声室的谐振频率基本匹配。
5.一种光谱学方法，包括：
生成具有预定波长的脉冲辐射束，并将该束引导至具有多个腔模式的光学腔，每一腔模式具有腔模式波长；
使所述脉冲辐射束的辐射波长和/或所述多个腔模式波长发生抖动，从而使所述脉冲辐射束准连续地耦合到所述光学腔内；
探测当位于所述光学腔内的光声室内的样本吸收来自所述脉冲辐射束的辐射时在所述光声室内生成的压力波，以生成探测信号；
以及
对所述探测信号进行处理，以确定样本中吸收材料的浓度值。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：
生成连续辐射束；以及
将所述连续辐射束转换为输入到所述腔内的所述脉冲辐射束。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过旋转斩波器将所述连续辐射束转换为所述脉冲辐射束。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述辐射束的脉冲频率与所述光声室的谐振频率基本匹配。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括：
采用频率等于所述脉冲辐射束的脉冲频率的基准信号对所述探测信号解调，以生成与样本中的吸收材料的浓度基本成线性比例的吸收信号。
10.根据权利要求5所述的方法，还包括：
生成补偿信号，其用于针对所述辐射束的强度变化对所述吸收信号进行补偿。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过在所述辐射束的源和所述光学腔之间设置分束器来生成所述补偿信号，所述分束器将来自所述源的辐射的一部分引向辐射探测器，以输出所述补偿信号。
12.根据权利要求5所述的方法，还包括将所述辐射束聚焦到所述光学腔内。
13.根据权利要求5所述的方法，其中，所述辐射源为激光器，所述方法还包括对位于所述激光器内的腔内标准具进行空间调制，由此使所述辐射波长抖动。
14.根据权利要求5所述的方法，其中将所述腔的几何参数设置为使腔模式波长的间隔致密。
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