CN101592598B

CN101592598B - 一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置

Info

Publication number: CN101592598B
Application number: CN2009101003858A
Authority: CN
Inventors: 高秀敏
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: CN101592598A

Abstract

本发明涉及一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置。现有技术结构复杂，光机要求高，无法得到高精度光谱信息。本发明将由单一光学元件等腰三角形棱镜构成的环形高精细度腔，两个等腰面为高反射率面；光束从一个高反射率腰面入射，在棱镜底面发生内全反射形成近场光测试区域，在等腰三角形棱镜内形成光学行波，从另一个高反射率腰面出射；出射光束经过由两个高反射镜构成的法珀腔高精度分光单元，移动部件带动法珀腔的一个高反射镜沿轴向移动，调节控制出射光谱信息；光电探测器接收法珀腔出射光束，形成高精度光谱信号，实现痕量物质检测。本发明具有系统构成简单稳定、光谱信息精度高、所需测物量少、适用范围广等特点。

Description

一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光谱分析装置，特别是一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，主要用于流体、薄膜、微小颗粒、生物分子、残留农药等物质的痕量浓度测试。

技术背景

在先进制造工业、环境分析、生命科学、医学医疗、国防安全等许多领域存在大量的物质痕量测量需求，并且对痕量物质检测灵敏度的要求越来越高。高精细度腔吸收光谱技术由于具有检测灵敏度高、绝对测量、选择性好等优点，成为痕量物质测量技术发展趋势之一。高精细度腔光谱分析技术多用来分析痕量气体浓度和组分，近些年来，研究者也将高精细度腔光谱分析技术应用于流体物质分析。现有技术中，有一种高精细度腔光谱分析系统(参见美国专利“Cavity ring down arrangement for non-cavity filingsamples”，专利号：US6,452,680 B1)。该高精细度腔光谱分析系统具有相当的优点，但是，仍然存在一些不足：1)采用线型精细度腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，导致光强分布不均，以及光束入射端腔镜的反射光易对激光器产生干扰；2)只能用来测试分析流体物质，不能对薄膜、界面、纳米物质等形态物质的痕量浓度测试，对流体进行测量时，需要被检测流体具有一定体积数量，对具有少量的被测流体无法进行检测；3)激光束入射和出射样品池时，为了使光能量在界面不出现损失，均要以布鲁斯特角入射和出射，这样就增加了样品池机械定位要求和光束方向控制精度要求；4)该腔衰荡光谱分析系统中的高精细度腔有两个或多个高反射率反射镜光学元件构成，结构复杂；5)光束从高精细度腔出射后没有高精度分光就被光电传感器接收，无法得到出射光高精度光谱信息，光谱信息精度不高，影响检测精度和物质辨别能力。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，具有系统构成简单、近场光学行波吸收、法-珀腔高精度分光、光谱信息丰富、测量物质范围广泛，被测物质所需量少等特点。

本发明的基本构思是：光源发射光束经过准直整形后入射由单一光学元件等腰三角形棱镜构成的环形高精细度腔，两个等腰面为高反射率面；光束从一个高反射率腰面入射，在棱镜底面发生内全反射形成近场光测试区域，在等腰三角形棱镜内形成光学行波，从另一个高反射率腰面出射；出射光束经过由两个高反射镜构成的法珀腔高精度分光单元，移动部件带动法珀腔的一个高反射镜沿轴向移动，调节控制出射光谱信息；光电探测器接收法珀腔出射光束，形成高精度光谱信号，实现痕量物质检测。

本发明包括光源、光束准直整形器、近场光学行波腔、第一反射镜、第二反射镜、光电传感器、移动部件。

光源的出射光束光路上依次设置有光束准直整形器和近场光学行波腔；近场光学行波腔为等腰三角形棱镜，两个腰面为高反射率反射面，底面为内全反射面，测试区为底面内全反射的光学近场区域；光束准直整形器的出射光束由第一腰面入射近场光学行波腔，入射方向与等腰三角形棱镜底面平行，在第一腰面、第二腰面和底面构成的近场光学行波高精细度腔内形成光学行波，由第二腰面出射；近场光学行波腔的第二腰面出射光束光路上依次平行设置有的第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜均与光束传播方向垂直，第一反射镜的反射面和第二反射镜的反射面相对，第一反射镜和第二反射镜构成法珀腔；光电传感器设置在第二反射镜的光束出射一侧的光路上；移动部件与第二反射镜连接，带动第二反射镜沿光束方向移动，调节第一反射镜和第二反射镜的间距。

所述的光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器的一种。

所述的光束准直整形器是伽利略型准直整形器、开普勒型准直整形器中的一种。

所述的光电传感器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。

所述的移动部件为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件中的一种。

本发明装置的工作过程为光源发射出的光束经过光束准直整形器准直整形后射向近场光学行波腔，入射光由第一腰面入射近场光学行波腔，入射方向与等腰三角形棱镜底面平行；在第一腰面、第二腰面和底面构成的近场光学行波高精细度腔内形成光学行波，由第二腰面出射；在底面发生内全反射，测试区为底面的内全反射的光学近场区域，被测流体形态物质设置在底面的内全反射的光学近场区域内。光束携带有被测物质信息从第二腰面出射，经过第一反射镜和第二反射镜后，被光电传感器接收。第一反射镜和第二反射镜构成法珀腔，通过移动部件带动第二反射镜沿光束方向移动，改变第一反射镜和第二反射镜的间距，调节法珀腔光谱透过特性，光电传感器上得到了被测物质的近场光学行波吸收光谱信号，实现了痕量浓度测量。

本发明装置中移动部件及其控制是成熟技术。本发明的发明点在于提供一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置的光路结构。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)系统中高精细度腔构成简单，只由一个光学元件构成近场光学行波高精细度腔，内部形成光场行波，光强分布均匀，光束入射端腔镜的反射光不易对激光器产生干扰，系统整体的结构简单，对机械定位要求低；

2)采用近场光学行波吸收技术，将分析测量对象拓展到薄膜、界面、纳米物质、流体，扩大了应用范围，并且测量时所需被测物质量少；

3)光束从近场光学行波高精细度腔出射后，经过了由两个高反射镜构成的法珀腔高精度分光单元，移动部件带动法珀腔的一个高反射镜沿轴向移动，调节控制出射光谱信息，光电探测器接收法珀腔出射光束，可以得到出射光高精度光谱信息，光谱信息精度高，检测精度高、物质辨别能力强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，包括光源1、光束准直整形器2、近场光学行波腔3、第一反射镜4、第二反射镜5、光电传感器6、移动部件7。

光源1的出射光束光路上依次设置有光束准直整形器2、近场光学行波腔3；近场光学行波腔3为等腰三角形棱镜，两个腰面301和303为高反射率反射面，底面302为内全反射面，测试区为底面302内全反射的光学近场区域；光束准直整形器2的出射光束由第一腰面301入射近场光学行波腔3，入射方向与等腰三角形棱镜底面302平行，在第一腰面301、第二腰面303和底面302构成的近场光学行波高精细度腔内形成光学行波，由第二腰面303出射；近场光学行波腔3的第二腰面303出射光束光路上依次平行设置有的第一反射镜4和第二反射镜5，第一反射镜4和第二反射镜5均与光束传播方向垂直，第一反射镜4的反射面和第二反射镜5的反射面相对，第一反射镜4和第二反射镜5构成法珀腔；光电传感器6设置在第二反射镜5的光束出射一侧的光路上；移动部件7与第二反射镜5相连接，带动第二反射镜5沿光束方向移动，调节第一反射镜4和第二反射镜5的间距。

光源1为固体激光器，光束准直整形器2是伽利略型准直整形器，第一反射镜4和第二反射镜5均为反射率大于97％的平面反射镜，光电传感器6为雪崩管，移动部件7为压电陶瓷位移器。

本发明装置的工作过程为：光源1发射出的光束经过光束准直整形器2准直整形后射向近场光学行波腔3，入射光由第一腰面30 1入射近场光学行波腔3，入射方向与等腰三角形棱镜底面平行；在第一腰面301、第二腰面303和底面302构成的近场光学行波高精细度腔内形成光学行波，由第二腰面303出射；在底面302发生内全反射，测试区为底面302的内全反射的光学近场区域，本实施例中被测流体形态物质含有痕量农药，设置在底面302的内全反射的光学近场区域内；光束携带有被测物质信息从第二腰面303出射，经过第一反射镜4和第二反射镜5后，被光电传感器6接收。第一反射镜4和第二反射镜5构成法珀腔，通过移动部件7改变第一反射镜4和第二反射镜5的间距，调节法珀腔光谱透过特性，故光电传感器6上得到了被测物质的近场光学行波吸收光谱信号，从而实现了高精度痕量浓度测量，本实施例成功对流体形态物质进行了痕量浓度检测。

Claims

1.一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，包括光源、光束准直整形器、近场光学行波腔、第一反射镜、第二反射镜、光电传感器、移动部件，其特征在于：光源的出射光束光路上依次设置有光束准直整形器和近场光学行波腔；所述的近场光学行波腔为等腰三角形棱镜，两个腰面为高反射率反射面，底面为内全反射面，测试区为底面内全反射的光学近场区域；光束准直整形器的出射光束由第一腰面入射近场光学行波腔，入射方向与等腰三角形棱镜底面平行，在第一腰面、第二腰面和底面构成的近场光学行波高精细度腔内形成光学行波，由第二腰面出射；近场光学行波腔的第二腰面出射光束光路上依次平行设置有第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜均与光束传播方向垂直，第一反射镜的反射面和第二反射镜的反射面相对，第一反射镜和第二反射镜构成法珀腔；光电传感器设置在第二反射镜的光束出射一侧的光路上；移动部件与第二反射镜连接，带动第二反射镜沿光束方向移动，调节第一反射镜和第二反射镜的间距。

2.如权利要求1所述的一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，其特征在于：所述的光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器的一种。

3.如权利要求1所述的一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，其特征在于：所述的准直整形器是伽利略型准直整形器、开普勒型准直整形器中的一种。

4.如权利要求1所述的一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，其特征在于：所述的光电传感器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。

5.如权利要求1所述的一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置，其特征在于：所述的移动部件为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件中的一种。