CN102414553A - 用于测量热透镜焦距的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种用于测量位于一分析物(23)中的一热透镜(26)的焦距的方法，其包括以下步骤：提供一激发光束(21.1)，所述激发光束穿过分析物(23)并在其中产生热透镜(26)，发射一相干的探查光束(22.1)，所述相干探查光束穿过分析物(23)并与激发光束(21.1)大致垂直地传播，在所述探查光束(22.1)穿过分析物(23)之后，用一探测器(24)进行拦截。其进一步包括以下步骤：使探查光束(22.1)在热透镜(26)的上游或下游聚焦，使得只有探查光束(22.1)的一部分(22.1a)穿过热透镜(26)，通过探测器(24)获得一干涉影像，及处理所述干涉影像以计算热透镜(26)的焦距。本发明应用于对分析物(23)进行物理化学分析。

Description

用于测量热透镜焦距的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量在一分析物中产生的一热透镜的焦距的装置和一种对分析物进行物理化学分析的装置。

背景技术

用于测量在一分析物中形成的一热透镜的焦距的装置早已人所共知。特别是这样的一种装置能够对分析物进行物理化学分析。首先回顾一下热透镜的形成原理。

当一光束被一分子吸收时，致使分子的内部能量增大。分子转变到一种不稳定的能量状态，这促使它消除过多的能量以恢复到其原先的稳定状态。这可能以多种方式进行。它可能发射一光辐射，也就是发光，它可能发射一热辐射，也就是振动转动现象，也可能有能量传递给其他周围化学系统的现象。

最常见的是以热的方式损失能量，但是也可能有由于发光所导致的弛豫或由于能量传递给其他化学系统所导致的弛豫。

若被分析物吸收的能量是可观的，那么由分子弛豫引起的突然升温导致介质膨胀且因此折射率局部减小。被称作热透镜的单一的虚拟透镜已形成。热透镜的命名源自于激发光束，通常是一激光束的形状，且源自于其波前的能量分布。此热透镜的几何形状和属性与一实体透镜类似。当要么在激发光束的传播方向上，要么在大致垂直于所述传播方向的方向上使用光束型的用于探测热效应的一瞄准装置时，所得的热透镜不同。

在第一种情况下，由于激发光束的波前的能量梯度和瞄准热透镜焦点的瞄准装置的孔径张角所引起的组合效应，所以热透镜表现为一发散的球形光学系统。对一特定的分析物浓度而言，热透镜越发散，瞄准装置的孔径张角越大。

在第二种情况下，由于激发光束的波前沉积的能量梯度和在瞄准装置的瞄准点处的激发光束的直径所引起的组合效应，所以热透镜表现为一发散且大致呈圆柱状的光学系统。对一特定的分析物浓度而言，热透镜越发散，在所述瞄准点处的激发光束的直径越大。

应指出的是，假定其他条件不变，那么在一瞄准装置与激发光束的传播方向大致垂直的情况下所观测到的热透镜的焦距远小于在一瞄准装置与激发光束的传播方向大致共线的情况下所观测到的一热透镜的焦距。

业已证明，热透镜的焦距依被加以分析的分子种类的吸光度而定，且此吸光度依吸光的分子种类的浓度而定，这将从下文看出。

从分析角度来看，热透镜焦距的数学公式还依产生热透镜的方式而定。激发光束可以聚焦或可以不聚焦且可以以脉冲形式发射或连续发射。此外，已经阐述过，探查热透镜的瞄准装置可与激发光束的传播方向大致共线或大致垂直。

图1A显示一热透镜，激发光束和探查光束在所述热透镜大致共线，且图1B显示一热透镜，激发光束和探查光束在所述热透镜大致垂直。参考数字1与激发光束相对应，参考数字2说明探查光束，参考数字3说明分析物，参考数字4是一滤光片且参考数字5是一探测器。产生的热透镜用虚线来描绘且标有参考数字6。

图1A的热透镜的焦距f’由下式(1)和(2)给出：

$\frac{1}{f^{\′}}=\frac{\mathrm{2,3}.\mathrm{\ϵ}.l.C.P}{\mathrm{\π}.k.{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{OE}}^2}.\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}.\frac{1}{1+\frac{t_c}{2.t}}---\left(1\right)$

$\frac{1}{f^{\′}}=8.\frac{\mathrm{2,3}.\mathrm{\ϵ}.l.C.E}{\mathrm{\π}.\mathrm{\ρ}.C_p{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{OE}}^4}.\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}.\frac{1}{{(1+\frac{t}{2.t_c})}^2}---\left(2\right)$

其中：

-t_c为热透镜的寿命，满足以下条件：

$t_c=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{OE}}^2.\mathrm{\ρ}{.C}_p}{4.k}$

-k为分析物的导热率，单位为W.cm^-1.K^-1，

-ρ为分析物的密度，单位为g.cm^-3，

-C_p为分析物的热容量，单位为J.g^-1.K^-1，

-ω_OE为朝向分析物的激发光束的半径，单位为cm，

-ε为分析物的摩尔吸收系数(也称作摩尔消光系数)，

代表一种元素吸收光的能力，用dm³.cm^-1.mol^-1来表示，

-C为分析物浓度，单位为mol.dm^-3，

-l为分析物中的光程长度，单位为cm，

-E为脉冲式激发激光的能量，单位为J，

-P为连续的激发激光的功率，单位为W，

-

为分析物的折射率梯度，单位为K^-1。

表达式(1)与激发光束1是连续的情况相对应且表达式(2)与激发光束1是脉冲式的情况相对应。

在图1B中，探查光束2聚焦在热透镜6的附近。这样的一种配置能够用于几皮升数量级(若它们是液态的或气态的分析物)或10^-12立方分米数量级的容量非常小的分析物。然而，值得注意的是，实验的实施很敏感。

图1B的热透镜的焦距f’由下式(3)和(4)给出：

$\frac{1}{f^{\′}}=\frac{\mathrm{2,3}.\mathrm{\ϵ}.C.P}{\sqrt{2.\mathrm{\π}}.k.{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{OE}}}.\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}.[1-\frac{1}{{(1+\frac{2t}{t_c})}^{1/2}}]---\left(3\right)$

$\frac{1}{f^{\′}}=\frac{2^{5/2}}{\sqrt{\mathrm{\π}}}.\frac{\mathrm{2,3}.\mathrm{\ϵ}.C.E}{\mathrm{\ρ}.C_p.{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{OE}}^3}.\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}.\frac{1}{{(1+\frac{2.t}{t_c})}^{3/2}}---\left(4\right)$

表达式(3)与激发光束1是连续的情况相对应且表达式(4)与激发光束1是脉冲式的情况相对应。

若激发光束1是连续的，那么优选地是在产生激发光束的光源(图未示)与分析物之间使用一机械光闸(shutter)，以允许分析物发生热弛豫。耦合到一机械光闸的一连续的激发光束1提供能够改变分析物的激发时间和分析物被激发与未被激发之间的工作周期的许多激发模态。将指出的是，分析物应该被激发一段时间以达到一种稳定状态。

已知有若干种方法来测量一热透镜的焦距且由此推断，例如，一分析物中的一分子种类浓度。

图2A、2B和2C描绘一种用于测量一已知热透镜3的焦距的装置。这样的一种装置被记载于，例如，本说明末尾处提到的文献[1]、[2]中。探查光束2在穿过一光阑7后被光电二极管型探测器5拦截。图中未描绘激发光束。光阑7在分析物3与探测器5之间。探测器可以或可以不与一屈光学光学系统(图未示)结合。用两种配置来测量探测器5所获得的强度之比：在图2A所说明的第一种配置中，热透镜并未产生，即激发光束并未照射分析物。在第二种配置中，热透镜6存在。

图2C与图2A一起考虑。图2A所说明的配置中探测器5所获得的强度被测量。在第二种配置中，热透镜6存在，且探测器5或探测器-屈光学光学系统组合件，如果有的话，在探查光束的传播方向上移动，直到探测器5所获得的强度等于用第一种配置所测量的强度为止。得知与探测器5的位移相对应的距离Δz能够推断热透镜6的焦距。

图2D说明另一个用于测量一已知热透镜6的焦距的装置。这样的一种装置记载于，例如，本说明末尾处提到的文献[3]、[4]、[5]中。图2A所说明的配置中探测器5所获得的强度被测量。热透镜6一经产生，探查光束2’就会偏离位于分析物3上游的探查光束的传播方向。通过测量能够获得同一强度的偏差Δx，可推断焦距。

还有使用干涉来计算一热透镜焦距的方法。图3A描绘一斐索(Fizeau)干涉仪。这样的一种装置记载于，例如，本说明末尾处提到的文献[6]中。来自同一光源的两条探查光束2.1、2.2被加以利用。探查光束2在穿过位于分析物3上游的一分光器8后一分为二。其中一条探查光束2.1穿过分析物3中无热透镜的区域而另一条探查光束2.2穿过所述分析物中包含热透镜6的一区域。离开分析物3的这两条光束标有参考数字2.1’和2.2’。热透镜6导致离开分析物3的这两条光束2.1’与2.2’之间有相位偏移并发生干涉。探测器5拦截这两条光束并显示一干涉图。此干涉图能够推断原始波前和热透镜的焦距。

图3B描绘一迈克尔孙(Michelson)干涉仪。两个相同的分析物3、3’被加以利用。一个标有参考数字3的分析物中已形成一热透镜6，而另一个标有参考数字3’的分析物中无热透镜。探查光束2进入一分光器9。分光器9使探查光束的第一部分2.3偏向第一分析物3，探查光束的此第一部分2.3第一次穿过第一分析物3，被反射到一面镜子10.1上并第二次穿过第一分析物3，穿过分光器9并传到一探测器5。分光器9允许探查光束的第二部分2.4穿过第二分析物3’。探查光束的第二部分2.4穿过第二分析物3’后被第二面镜子10.2反射回来，再次穿过第二分析物3’并被所述分光器反射到探测器5上。因为第一分析物3中存在热透镜6，所以探查光束的两部分2.3、2.4之间存在程差。

图3C描绘具有一分光器9和两面镜子10.1、10.2的另一个干涉装置，能够使热透镜干扰波前的干涉图并由此推断物理特性。这样的一种装置记载于，例如，本说明末尾处提到的文献[7]、[8]中。在这个例子中，仅有一个分析物3，其中形成了热透镜6。探查光束2在穿过热透镜6后分成两部分2.5、2.6，因为其中一面镜子10.2比另一面镜子离分光器9更远，所以2.5、2.6将具有长度不同的光程。光束2.6的光程比光束2.5的光程长。在探查光束2分离之前，热透镜6使它的波前发生畸变。探测器5上获得的干涉将反映热透镜的外观和它的焦距。

图3D1、3D2描绘一夏克哈特曼(Shack-Hartmann)分析器。这样的一种装置记载于，例如，本说明末尾处提到的文献[9]、[10]中。此装置包括位于一探测器5前方的一微透镜阵列12。探查光束2首先穿过将被加以分析的分析物3，然后穿过微透镜阵列12后被探测器5拦截。被探测器5拦截的地理位置上的光差异(lighting difference)用两种配置来测量：在图3D1中所说明的第一种配置中，未产生热透镜，即激发光束(图未示)并未照射分析物3。在图3D2中所说明的第二种配置中，热透镜6存在于分析物3中。因此，视从分析物3产生并穿过微透镜阵列12的光束的波前外观而定，将出现不同的偏差。所述波前标有参考数字13。

在这两种配置中被探测器5拦截的光通过无干涉的单重褶合(interference-free single convolution)而与波前之初级畸变相对应。可从所获得的光推断出透镜的几何形状。

在上述装置中，仅实施强度测量的那些装置用于实现浓度测量目的。浓度测量造成光源照明强度的稳定性问题和其可能被所研究介质吸收的问题。

因为导致激光源强度波动的不稳定性，分析物吸收探查光束时探查光束传播的不稳定性，和为使激发光束与探查光束在它们的光轴上相交而对光源进行的极准确的光学调整所固有的机械不稳定性，所以所执行的测量可能并不可靠。难以将此交叉控制到微米级是因为其依热变化、机械冲击和由于温度略微变化所引起的或由在分析领域中被称作“基体效应”的分析物的化学成分的略微变化所引起的分析物折射率的略微变化而定。更确切地说，基体效应与化学环境对分析物原子产生的影响相对应。

这些干扰宣告这些测量技术不适用，因为它们的重现性低，据某些著作记载，仅为30％。这些技术通常与物理化学分析的约束条件互不相容。具有图2A、2C和2D中所说明的那些活动部件之类的活动部件的装置的另一个缺点是它们通常不够稳固。

干涉或夏克-哈特曼装置旨在调查研究热透镜的几何形状。

使用干涉的配置涉及需要实施两种测量方式的工艺。因为在局部观测穿过热透镜后发生空间干涉以及波前发生强烈变化，所以校准所述装置是复杂的。

最后，夏克-哈特曼分析器是一种灵敏度低且难以应用于定量测量化学物质的装置。

发明内容

本发明的一个目的其实是提供一种测量在一分析物中产生的一热透镜的焦距的方法，此方法无上述缺点，特别是对产生探查光束的光源的能量之变化不敏感。

本发明的另一个目的是提供一种不依赖于在探查光束被分析物吸收的影响下由产生探查光束的光源所传达的能量变化的方法。

本发明的又一目的是提供一种不依赖于探查光束与激发光束的交点处的细微的几何形状变化的方法。

一种根据本发明，测量在一分析物中产生的一热透镜之焦距的方法包括以下步骤：

由一激发光源来提供一激发光束，此激发光束穿过分析物并在其中产生热透镜，此热透镜是唯一的且大致为圆柱几何体，

由一探查光源来发射一相干的探查光束，此探查光束穿过分析物并与激发光束大致垂直地传播，

在探查光束穿过分析物之后，用一探测器进行拦截，特征在于其进一步包括以下步骤：

使探查光束在热透镜的上游或下游聚焦，使得仅一部分的探查光束穿过热透镜，

通过探测器获得一干涉影像，

处理干涉影像以计算热透镜的焦距。

有利地，激发光束是一激光束。

所述方法可进一步包括用聚焦装置使激发光束在穿过分析物之前聚焦的步骤，这允许使用小尺寸分析物。

探测器可以是一CCD摄像机。

优选地是，所述方法包括同步触发探测器与激发光源以防止探查光束脉冲的电场噪声和瑞利(Rayleigh)散射与拉曼(Raman)散射的步骤。

激发光源可以是脉冲式或连续的。

优选地是提供用位于分析物上游的设定装置来设定探查光束之强度的步骤，其中设定装置可以是有增大或减小的可变吸光度的一旋转式滤光器。

本发明还涉及一种对一分析物进行物理化学分析的方法，其包括焦距测量法的步骤，因此，特征在于使用确定装置来确定至少一个与分析物有关的物理化学量值的步骤，此量值依所测量的焦距而定。

物理化学量值可以是分析物浓度、吸光度、热容量、导热率、密度或摩尔吸收系数。

本发明还涉及一种测量在一分析物中产生的一热透镜的焦距的装置，它包括提供穿过分析物并在其中产生热透镜的一激发光束的一激发光源，发射穿过分析物并与激发光束大致垂直来传播的一相干的探查光束的一探查光源，在探查光束穿过分析物之后进行拦截的一探测器。所述测量装置进一步包括用于使探查光束在热透镜的上游或下游聚焦使得仅一部分探查光束穿过热透镜且使得探测器获得一干涉影像的装置，用于处理干涉影像以计算热透镜焦距的装置。

附图说明

在参阅附图阅读以纯指示性且限制最少的举例方式给出的示范性实施例的说明之后，将更好地理解本发明，其中：

图1A和1B已被描述过，显示在一分析物中产生的两种类型的热透镜；

图2A、2B、2C和2D已被描述过，显示用于测量在一分析物中产生的一种已知类型的热透镜的焦距的装置，所述装置具有活动部件；

图3A、3B和3C已被描述过，显示用于测量在一分析物中产生的一种已知类型的热透镜的焦距的装置，所述装置在有干涉情况下运作；

图3D1和3D2已被描述过，显示一种测量在一夏克-哈特曼类型分析物中产生的一热透镜的焦距的装置；

图4显示一种根据本发明，用于测量在一分析物中产生的一热透镜的焦距的装置，以及一种用于实现本发明的一个目的即对一分析物进行物理化学分析的装置，这些装置允许实施根据本发明的方法；

图5A和5C分别显示用于使图4的测量装置的探查光束聚焦的装置，其中一种配置是使探查光束聚焦在热透镜的上游而另一种配置是使探查光束聚焦在热透镜的下游，图5B显示使探查光束聚焦在热透镜上的一种配置；

图6A、6B和6C显示以图5A、5B和5C的三种配置被探测器拦截的探查光束的波前的变化；

图7显示利用图4的装置获得的干涉图和在相同条件下获得的理论干涉图；

图8显示乙醇与钴溶液中产生的一热透镜的焦距的变化作为钴浓度之函数，通过本发明标的-测量装置来实施所述本发明方法来测量此焦距。

下文描述的不同图的相同、类似或等效部分标有相同的参考数字，为的是更易于从一幅图转到另一幅图。

图上所描绘的不同部件不一定使用同一比例来绘制，以使图易于理解。

具体实施方式

现在将参阅图4。其示意性地显示一种用于测量在一分析物23中产生的一热透镜26的焦距的装置。在此发明中，应理解的是，分析物是一或更多种化学物质溶解在其中的一种单相介质。分析物23可以是液态的、气态的或固态的。

此测量装置允许实施根据本发明的方法。

它包括用于发射一激发光束21.1的一激发光源21，激发光束21.1穿过分析物23并在其中产生热透镜26。如上所述，此热透镜是唯一的且大致为圆柱几何体。激发光源21是一激光源，其波长随着分析物的一种化学物质的吸收波长来调整，后者会促使热透镜的产生。例如，就由一种乙醇与钴溶液所形成的一分析物而言，激发光源的波长将大约为532nm。激发光源21可以是连续的或脉冲式的。如果激发光源21是连续的，那么一机械光闸20设在激发光源21与分析物23之间。

本发明标的，测量装置，还包括用于发射一探查光束22.1的一探查光源22。探查光束22.1用于探测激发光束21.1所产生的热效应。探查光束22.1向分析物23传播并穿过它。探查光束22.1的传播方向与激发光束的传播方向大致垂直。探查光束22.1是一相干光束，优选地是，单色的。优选地是一连续光束，但是也可以是脉冲式的。探查光源22可以是一氦氖激光源，其波长约为633nm且其能量可调整，当然同时要保持相干性。在穿过分析物23之后，探查光束22.1被一探测器24拦截，探测器24用于测量探查光束(图4中看不见)的波前的强度。它可以是一CCD(电荷耦合装置)型摄像机。

根据本发明的测量装置进一步包括用于使探查光束22.1聚焦在热透镜26上游或下游而非热透镜上的装置27。此外，聚焦仅使探查光束22.1的一部分穿过热透镜26。随后将给出细节。聚焦装置27被置于探查光源22与分析物23之间。可参阅说明这种情况的图5A和5C。假定在所述范例中，使探查光束22.1聚焦的装置27的焦距约为100mm。当然，这只是一非限制性范例，且视探测器24的尺寸和预期灵敏度而定，此焦距值可能是不同的。

作为本发明的一个标的，测量装置可以进一步包括用于使激发光束聚焦的装置25。它们被置于激发光源21与分析物23之间。它们允许使用小尺寸分析物23。在所述范例中，用于使激发光束21.1聚焦的装置的焦距可以约为25.4mm。视测量装置的预期灵敏度而定，此焦距值可能是不同的。

根据本发明的测量装置可进一步包括用于调整探查光束22的强度的一滤光器28。滤光器28被置于探查光源22与用于使探查光束聚焦的装置27之间。滤光器28可以是吸光度增大或减小的旋转类型的滤光器。

探测器24传送一信号，此信号进入处理装置29，供计算热透镜26的焦距之用。

假定在图4中，所示装置是一种对一分析物进行物理化学分析的装置。除了测量装置之外，它还包括用于确定至少一个与分析物23有关的物理化学量值的确定装置29’，此量值依焦距而定。这些确定装置29’接收处理装置29计算出来的焦距并传送至少一个与分析物23有关的物理化学量值。当然，此量值依计算出来的焦距而定。它可以是，例如，分析物的浓度(也就是所述分析物中包含的一种化学物质的浓度)、吸光度、热容量、导热率、密度或摩尔吸收系数。

确定装置29’可与处理装置29结合。

对探测器24而言，较佳地是与激发光源21同步被触发，以防止激光束的电场噪声和分析物23的瑞利与拉曼散射。

图5A说明装置27使探查光束22.1聚焦在热透镜26上游的情况。图5C说明装置27使探查光束22.1聚焦在热透镜26下游的情况。在这两种情况下，只有探查光束22.1的一部分22.1a穿过热透镜26。未穿过热透镜26的探查光束22的互补部分标有参考数字22.1b。探查光束22的这两部分22.1a和22.1b将在探测器24上形成一干涉影像。未经过同一光程的波在探测器24上组合。因此存在交替的建设性波和破坏性波，其条纹间距依热透镜26的焦距而定。

在图5B中，探查光束22.1聚焦在热透镜26上。所有来自此光束22.1的射线均穿过热透镜26且未在探测器24上产生干涉。图5B的配置并不是本发明的一部分。

图6A、6B和6C描绘由探测器24传送的一影像，而用于使探查光束聚焦的装置分别与图5A、5B和5C的那些装置相对应。图6A和6C是可利用的干涉影像。在图6B中，未发生干涉且此影像不可利用。

为了减小本发明标的-测量装置的体积，优选地是选择图5C的配置，其中焦距和空间调整使热透镜26位于探查光束的焦点的上游。为了实现相同目的，重要的是确保热透镜的截面积小于探查光束的截面积。

图7以参考数字(a)来说明由通过图6A中所说明的探测器所获得的干涉影像所获得的干涉图。为此，处理装置逐行添加行中的每一个像素所获得的强度。标有参考数字(b)的干涉图是符合同样条件的理论干涉图。

应用了下列简化假设。满足高斯条件。产生的热透镜大致为圆柱几何体。在传到探测器的波的相位偏移中热透镜所引起的影响是占优势的。热透镜的厚度被忽略不计。

在此干涉图中，根据常见的振幅分割迈克尔孙干涉仪公式可表示x维的强度I(x)：

其中

I_x是在热透镜不存在情况下，x维的探查光束的强度，

λ是探查光束的波长，δ_x是探查光束的两部分之间的程差。

让我们指定：

D为热透镜与探测器之间的距离

L为用于使探查光束聚焦的装置与热透镜之间的距离

f’_LT为热透镜的焦距

f’_LF为用于使探查光束聚焦的装置的焦距

则 ${\mathrm{\δ}}_x=\frac{D.x^2}{2}.[\frac{1}{{(D-f_{\mathrm{LF}}^{\′}+L)}^2}-\frac{1}{{\left(\right|\frac{f_{\mathrm{LT}}^{\′}(f_{\mathrm{LF}}^{\′}-L)}{f_{\mathrm{LF}}^{\′}-L+f_{\mathrm{LT}}^{\′}}|+D)}^2}]---\left(7\right)$

通过引入由用于使探查光束聚焦的装置所引起的程差以满足边界条件，x维的强度I(x)的最终表达式变成：

其中

假定在根据本发明，用在此系列测量中并实施根据本发明的测量方法的测量装置中：

D＝132mm

L＝128mm

f’_LF＝100mm，热透镜的焦距f’_LT通过最小二乘法来最优化以使理论函数与图7中所示的实验干涉图相吻合。当然，随着分析物的不同，这些值也可能发生变化。对由含钴的乙醇溶液形成且钴浓度为0.1mol/L的一分析物而言，热透镜的理论焦距f’_LT为-10.4mm。

处理装置计算出来的焦距f’_LT为-10.4mm。

现在让我们参阅图8，图8显示表示在由乙醇与钴的溶液所形成的一分析物中生成的热透镜的焦距作为钴浓度之函数的一条校准曲线。

乙醇与钴的溶液有以下特性：

摩尔吸收系数：

ε＝20dm³.mol^-1cm^-1。

导热率：

k＝0.0018W.cm^-1.K^-1

密度：ρ＝0.789g.cm^-3

热容量：C_p＝2.44J.g^-1.K^-1

折射率梯度：

dn/dT＝397.10^-6K^-1。

通过TLS(热透镜光谱学)调查得出，浓度在5.10^-4～0.1mol/L之间变化。

激发光束是脉冲式的且其波长等于532nm。探查光束的波长为633nm。探查光束是连续的。

分析物被引入光程长度为1mm的一石英容器但并不进行搅拌。当然，也可使用尺寸不同的其他容器。

对每一种浓度而言，在实施根据本发明的测量方法之后，用测量装置-本发明标的来测量一干涉图，且使用方程式[8]来推断焦距。

图8的曲线的外观符合方程式[8]预期得到的因为在每一个激发光束脉冲之后无分析物更新所引入的一最接近的因数。

测量灵敏度等于通过分子吸收光谱所获得的灵敏度，而所探查的体积可能降低几个数量级。热透镜光谱学的一般性能不改变。

根据本发明的测量装置和对应方法的一个优势在于探测器所获得的干涉影像与探查光束的强度或探查光束可能被分析物吸收无关。滤光器可吸收部分的探查光束，但是它的作用是优化探测器所获得的强度使其不饱和。

此测量装置和对应方法的另一个特点是探测器所传送的信号与调整不同的光学元件所用的机械条件不是很相关。

测量装置是本发明的一标的且对应的方法使利用一热透镜的分析技术能够得到实质性的改善。

下面是改良要点。

所述测量与探测器接收到的波长的强度无关。此改良的具体方面如下：无需控制探查光源的能量，探查光源的能量不必一定是稳定的，且分析物可吸收探查光束的波长。

设定稳定性比现有技术好得多，这是因为对测量装置的元件的机械调整的限制较少。

热透镜所感生的干涉图可用在一种分析方法中。

引用的文献

[1]《New thermooptical measurement method and a comparison withother methods》，Chenming hu和J.R Whinnery，Applied optics，vol 12，No 1，pages 72-79(1973)；

[2]《Beam geometry optimization in dual-beam thermal lensingspectrometry》，T.Berthoud，N.Delorme和P.Mauchien Anal.Chemistry，vol 57，No 7，pages 1216-1219(1985)；

[3]《Method for temporally and spatially resoved thermal-lensingmeasurements》，R.Paugstadt和M.Bass，Applied optics，vol 33，No 6，pages 954-959(1994)；

[4]《Applications of photothermal beam deflection calorimetry toorganic photochemistry》，Syun-Ru和Daniel E.Falvey，Journal ofphotochemistry and photobiology，A：chemistry，No 87，pages 13-21(1995)；

[5]《Theoretical and experimental studies of pump-induced probedeflection in a thermal medium》，Raj M.Misra和Partha P.Banerjee，Applied optics，vol 34，No 18，pages 3358-3366(1995)；

[6]《Fourier transforms method for measuring thermal lens induced indiluted liquid samples》，L.Rodriguez和R.Escalonia，Opticscommunications，No 227，pages 57-62(2007)；

[7]《Three waves lateral shearing interferometer》，J.Primot，Appliedoptics，vol 32，No 31，pages 6242-6249(1993)；

[8]《Achromatic three waves(or more)lateral shearing interferometer》，J.Primot et L.Sogno，Optical society of America，vol 12，No 12，pages 2679-2685(1995)；

[9]《Aspherical wavefront measurements：Shack-Hartmann numericaland practical experiments》，G.Artzner，Pure Applied Opt.7，pages435-448(1998)；

[10]《Refraction mapping of translucent objects withShack-Hartmann sensor》V.V.Molebny，R.Gordon，V.N.Kurashov，D.V.Podanchuk，V.Kovalenko et J.Wu，Proc.SPIE，No 3548，pages31-33(1998)。

Claims (11)

1.一种用于测量在一分析物(23)中产生的一热透镜(26)的焦距的方法，其包括以下步骤：

由一激发光源(21)来提供一激发光束(21.1)，此激发光束穿过所述分析物(23)并产生所述热透镜(26)，此热透镜是唯一的且大致为圆柱几何体，

由一探查光源(22)来发射一相干的探查光束(22.1)，此探查光束穿过所述分析物(23)并与所述激发光束(21.1)大致垂直地传播，

在所述探查光束穿过所述分析物(23)之后，通过一探测器(24)进行拦截，特征在于其进一步包括以下步骤：

使所述探查光束(22.1)在所述热透镜(26)的上游或下游聚焦，使得只有所述探查光束(22.1)的一部分(22.1a)穿过所述热透镜(26)，

通过所述探测器(24)获得一干涉影像，

处理所述干涉影像以计算所述热透镜(26)的焦距。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其中所述激发光束(21.1)是一激光束。

3.根据权利要求1或2中任一权利要求所述的测量方法，进一步包括用聚焦装置使所述激发光束在穿过所述分析物(23)之前聚焦的步骤。

4.根据前面的任一权利要求所述的测量方法，其中所述探测器(24)是一CCD摄像机。

5.根据前面的任一权利要求所述的测量方法，包括同步触发所述探测器和所述激发光源(21)的步骤。

6.根据前面的任一权利要求所述的测量方法，其中所述激发光源(21)是脉冲式或连续的。

7.根据前面的任一权利要求所述的测量方法，进一步包括通过位于所述分析物(23)上游的设定装置(28)来设定所述探查光束(22.1)之强度的步骤。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其中所述设定装置(28)是有一增大或减小的变化吸光度的一旋转式滤光器。

9.一种对一分析物(23)进行物理化学分析的方法，特征在于其包括根据前面的任一权利要求、用于测量所述焦距的方法的步骤和通过确定装置(29’)来确定至少一个与所述分析物(23)有关的物理化学量值的步骤，此量值依所测量的焦距而定。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述物理化学量值是分析物(23)浓度、吸光度、热容量、导热率、密度或摩尔吸收系数。

11.一种测量在一分析物(23)中产生的一热透镜(26)的焦距的装置，其包括提供穿过所述分析物(23)并在其中产生唯一的且大致呈圆柱状的热透镜(26)的一激发光束(21.1)的一激发光源(21)，发射穿过所述分析物(23)并与所述激发光束(21.1)大致垂直来传播的一相干的探查光束(22.1)的一探查光源(22)，在所述探查光束(22.1)穿过所述分析物(23)之后进行拦截的一探测器(24)，特征在于其进一步包括用于使所述探查光束(22.1)在所述热透镜(26)的上游或下游聚焦使得只有所述探查光束(22.1)的一部分(22.1a)穿过所述热透镜(26)且使得所述探测器(24)获得一干涉影像的装置(27)，用于处理所述干涉影像以计算热透镜(26)的焦距的装置(29)。

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