CN103439292B - 多通道激光吸收光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道激光吸收光谱测量系统，包括：可调节激光器组，包括多个可调节激光器；激光合成单元，用于将多个可调节激光器发出的激光汇成一束合成激光束；激光分光单元，用于将激光束合成单元发出的合成激光束分为相同的第一激光束和第二激光束；法布里‑珀罗干涉仪，用于激光频率标定；第一检测器，位于法布里‑珀罗干涉仪的后端，用于检测经过法布里‑珀罗干涉仪后的第一激光束的强度；待测气体腔室，用于容纳待测气体；第二检测器，位于待测气体腔室的后端，用于检测经过待测气体腔室后的第二激光束的强度；和显示装置，用于显示检测结果。本发明具有可调节输出的激光波长覆盖范围大、使用过程无需频繁更换光路等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，具体涉及一种多通道激光吸收光谱测量系统。
背景技术
对于研究低温等离子体内部粒子的动力学规律，通常采用光学诊断方法获得目标激发态粒子的粒子数密度。为了获得可发光能级的粒子数密度，通常通过观测等离子体的发光强度获得发光上能级的密度。而对于发光能级下能级的粒子数密度往往通过光学吸收的方法，即通过观测等离子体中下能级粒子对相应波长光的吸收情况判断下能级粒子数密度，所以吸收光谱方法需要外在光源向等离子体发射光子，而激光拥有很好的单色性以及方向性，是用于光学吸收的高质量光源，并且利用激光吸收信息可以得到下能级粒子的吸收线型，得到多普勒展宽从而得到气体温度等信息。
对于科学研究与工业需求，放电气体种类繁多，每种放电气体又有多种需要利用激光吸收确定粒子数密度的能级粒子，因此对于激光光源有以下要求：第一，激光器能够调节的激光波长范围要尽可能大，要能够覆盖输出测量需要的谱线。第二，激光的输出激光在扫描过程中波长与能量需要极其稳定，可重复性好。同时，对检测单元有以下要求：第一，由于放电形式多样，对激光吸收检测时要求检测装置具有可调的时间分辨能力。在脉冲放电情况下，粒子数密度是随时间变化的。有些能态，比如氩原子的两个共振态1s2和1s4密度变化的特征时间是微秒量级的，这就要求检测器具有很高的时间分辨能力。而有些能态，比如氩原子的两个亚稳态1s3和1s5密度变化的特征时间为毫秒量级，对检测器的时间分辨能力要求就较低。第二，由于激光吸收存在能量饱和的情况，所以在测量亚稳态时往往激光强度较低，测量共振态时激光强度较大，所以检测器需要有可调的灵敏度以适应不同实验中的不同强度灵敏度要求。
常用于激光吸收的激光器为窄范围可调节半导体激光器，这类激光器输出波长与能量很稳定，但波长的可调节范围仅有30nm左右。但对于氩气放电等情况，4个第一激发态1s2-1s5的密度测量需要的波长跨度是大于30nm的。现有技术中常常需要在测完一种能态粒子密度之后需要更换激光器。激光光学光路是极精密的，更换激光器可能会对光路造成扰动，带来测量误差。而且由于更换激光器的操作导致测试时间较长，也会影响测量结果的真实程度。再者，现有技术中，测量器的时间分辨率和灵敏度固定，不能适用于所有的被测试粒子，往往给带来很大的误差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种具有较大波长调节范围的多通道激光吸收光谱测量系统。
根据本发明实施例的多通道激光吸收光谱测量系统，包括：可调节激光器组，所述可调节激光器组包括多个可调节激光器；激光合成单元，所述激光合成单元用于将所述多个可调节激光器发出的激光汇成一束合成激光束；激光分光单元，所述激光分光单元用于将所述激光束合成单元发出的所述合成激光束分为相同的第一激光束和第二激光束；法布里-珀罗干涉仪，所述法布里-珀罗干涉仪用于激光频率标定，所述第一激光束经过所述法布里-珀罗干涉仪；第一检测器，所述第一检测器位于所述法布里-珀罗干涉仪的后端，用于检测经过所述法布里-珀罗干涉仪后的第一激光束的强度；待测气体腔室，所述待测气体腔室用于容纳待测气体，所述第二激光束经过所述待测气体腔室；第二检测器，所述第二检测器位于所述待测气体腔室的后端，用于检测经过所述待测气体腔室后的第二激光束的强度；和显示装置，所述显示装置与所述第一检测器和所述第二检测器相连，用于显示检测结果。
由上可知，根据本发明实施例的多通道激光吸收光谱测量系统至少具有如下优点：1.通过可调节激光器组，可调节输出的激光波长覆盖范围在100nm以上，覆盖大多数稀有气体第一激发态密度测量需要的激光波长；2.利用激光合成单元将多个可调节激光器发出的激光汇到同一条光路上，在更改测量对象时，只需要更改激光波长，而无需更改光路，大大简化了操作；3.利用了可调时间分辨能力以及灵敏度的检测器，能够满足任何的条件，降低了在检测器光路端的难度；4.能够在任何一个条件下，在同一个放电时间单元内，同时获得这个放电中所需要被测量的能级粒子数密度，对于研究等离子体中粒子动力学过程有重要意义。
另外，根据本发明实施例的多通道激光吸收光谱测量系统还具有如下附加技术特征。
在本发明的一个实施例中，还包括：第一衰减片，所述第一衰减片位于所述激光分光单元与所述法布里-珀罗干涉仪之间的所述第一激光束的光路上；和第二衰减片，所述第二衰减片位于所述激光分光单元与所述待测气体腔室之间的所述第二激光束的光路上。
在本发明的一个实施例中，所述多个可调节激光器覆盖的波长范围大于100nm。
在本发明的一个实施例中，所述激光合成单元包括反射镜和半透半反镜的组合。
在本发明的一个实施例中，所述激光分光单元包括反射镜和半透半反镜的组合。
在本发明的一个实施例中，所述第一检测器和所述第二检测器的灵敏度可调。
在本发明的一个实施例中，所述显示装置为示波器。
在本发明的一个实施例中，所述显示装置的时间分辨能力不低于所述第一检测器和所述第二检测器的时间分辨能力。
在本发明的一个实施例中，所述可调节激光器组包括共面平行出光的、依次排列的第一可调节激光器、第二可调节激光器和第三可调节激光器；并且，所述激光合成单元包括：第一反射镜，所述第一反射镜被构造为用于反射所述第二可调节激光器发出的激光；第一半透镜，所述第一半透镜被构造为用于反射所述第一可调节激光器发出的激光，并且透过由所述第一反射镜反射的第二可调节激光器发出的激光，合成第一可调激光器和第二可调激光器的合成激光；第二反射镜，所述第二反射镜被构造为用于反射所述第一可调激光器和第二可调激光器的混合激光；和第二半透镜，所述第二半透镜被构造为用于透过所述第三可调节激光器发出的激光，并且反射由所述第二反射镜反射的所述第一可调激光器和第二可调激光器的混合激光，合成第一可调激光器、第二可调激光器和第三可调激光器的合成激光。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例一的多通道激光吸收光谱测量系统的结构框图。
图2是本发明实施例二的多通道激光吸收光谱测量系统的结构框图。
图3是本发明具体实施例的多通道激光吸收光谱测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图3介绍本发明的多通道激光吸收光谱测量系统。
如图1所示，本发明实施例一的多通道激光吸收光谱测量系统可以包括：可调节激光器组100、激光合成单元200、激光分光单元300、法布里-珀罗干涉仪400、第一检测器500、待测气体腔室600、第二检测器700以及显示装置800。可调节激光器组100包括多个可调节激光器。激光合成单元200用于将多个可调节激光器发出的激光汇成一束合成激光束。激光分光单元300用于将激光束合成单元发出的合成激光束分为相同的第一激光束和第二激光束。法布里-珀罗干涉仪400用于激光频率标定，第一激光束经过法布里-珀罗干涉仪400。第一检测器500位于法布里-珀罗干涉仪400的后端，用于检测经过法布里-珀罗干涉仪400后的第一激光束的强度待测气体腔室600用于容纳待测气体，第二激光束经过待测气体腔室600。第二检测器700位于待测气体腔室600的后端，用于检测经过待测气体腔室600后的第二激光束的强度。显示装置800与第一检测器500和第二检测器700相连，用于显示检测结果。该实施例的多通道激光吸收光谱测量系统中激光光源可调，即能够在不变光路的情况下，实现较大的波长调节范围，并能够稳定输出。
如图2所示，本发明实施例二的多通道激光吸收光谱测量系统还可以包括：第一衰减片900和和第二衰减片1000。第一衰减片900位于激光分光单元300与法布里-珀罗干涉仪400之间的第一激光束的光路上；第二衰减片1000位于激光分光单元300与待测气体腔室600之间的第二激光束的光路上。衰减片用于调整进入法布里-珀罗干涉仪400和待测气体腔室600的激光强度，以防止功率饱和，以及保证检测器上信号的强度在合适范围内。
在本发明的一个实施例中，多个可调节激光器覆盖的波长范围大于100nm。波长范围大于100nm意味着可以覆盖大多数稀有气体第一激发态密度测量需要的激光波长。
在本发明的一个实施例中，激光合成单元200包括反射镜和半透半反镜的组合。需要说明的是，该技术特征是可选的而非必须的，技术人员可以根据实际需要灵活选择光学元件来实现汇聚激光的目的。
在本发明的一个实施例中，激光分光单元300包括反射镜和半透半反镜的组合。需要说明的是，该技术特征是可选的而非必须的，技术人员可以根据实际需要灵活选择光学元件来实现均分激光的目的。
在本发明的一个实施例中，待测气体腔室600用于容纳待测气体。例如等离子体，或者气体包含有待测粒子的气体。
在本发明的一个实施例中，第一检测器500和第二检测器700的灵敏度可调。这意味着，对于不同的测量条件，不同的待测粒子，检测器具有可调节的时间分辨能力及灵敏度。
在本发明的一个实施例中，显示装置800为示波器。示波器具有成本低、直观性好的优点。
在本发明的一个实施例中，显示装置800的时间分辨能力不低于第一检测器500和第二检测器700的时间分辨能力。如此显示装置800在时间分辨能力上可以完全满足记录与显示由第一检测器500和第二检测器700输出的信号。
在本发明的一个实施例中，可调节激光器组100可以包括共面平行出光的、依次排列的第一可调节激光器、第二可调节激光器和第三可调节激光器。此时，激光合成单元200可以包括：第一反射镜，第一半透镜，第二反射镜，和第二半透镜。第一反射镜被构造为用于反射第二可调节激光器发出的激光。第一半透镜被构造为用于反射第一可调节激光器发出的激光，并且透过由第一反射镜反射的第二可调节激光器发出的激光，合成第一可调激光器和第二可调激光器的合成激光。第二反射镜被构造为用于反射第一可调激光器和第二可调激光器的混合激光。第二半透镜被构造为用于透过第三可调节激光器发出的激光，并且反射由第二反射镜反射的第一可调激光器和第二可调激光器的混合激光，合成第一可调激光器、第二可调激光器和第三可调激光器的合成激光。
由上可知，根据本发明实施例的多通道激光吸收光谱测量系统至少具有如下优点：1.通过可调节激光器组100，可调节输出的激光波长覆盖范围在100nm以上，覆盖大多数稀有气体第一激发态密度测量需要的激光波长；2.利用激光合成单元200将多个可调节激光器发出的激光汇到同一条光路上，在更改测量对象时，只需要更改激光波长，而无需更改光路，大大简化了操作；3.利用了可调时间分辨能力以及灵敏度的检测器，能够满足任何的条件，降低了在检测器光路端的难度；4.能够在任何一个条件下，在同一个放电时间单元内，同时获得这个放电中所需要被测量的能级粒子数密度，对于研究等离子体中粒子动力学过程有重要意义。
为使本领域技术人员更好地理解本发明下面结合图3列举一详细实施例。
图3示意性地给出了本发明的具体实施例。三个可调节激光器1A、1B、1C（相当于图1和图2中的可调节激光器组100）能够覆盖较大范围的波长，能够用于进行不同放电气体条件下多种不同能态粒子的激光吸收。反射镜3、4以及半透半反镜2、5组成了前级光路（相当于图1和图2中的激光合成单元200），该前级光路将三台激光器输出的激光在经过半透半反镜5后汇成一路，具体光路如图所示：通过反射镜3以及半透半反镜2将可调节激光器1A和可调节激光器1B发出的激光汇为一路，在经过反射镜4的反射以及半透半反镜5的反射后，与可调节激光器1C发出的激光经过半透半反镜5透射后合为一路，这样由此三台激光器及前级光路可以发出可调节波长约100nm的激光束。此设计在提供足够波长范围的激光器时（理论上激光器数目无上限），可以覆盖更大范围的激光波长。激光束经过半透半反镜6（相当于图1和图2中的激光分光单元300）后分为两束。其中一束经过反射镜7和衰减片8后进入法布里-珀罗干涉仪9，然后进入检测器10，实现对进入的激光进行频率标定。另一束经过衰减片11后进入待测气体腔室12，激发其中的待测的气体，然后进入检测器13。激光进入检测器10和13，光信号转化为电信号后被示波器14获得并显示，对比两束激光的检测信号，可以分析该待测粒子对于激光的吸收情况，获得该种粒子的粒子数密度，在以多普勒展宽为主的条件下，还可以根据该种粒子的吸收线型获得多普勒展宽以及气体温度等信息。需要说明的是，测量不同粒子密度或需要不同时间分辨能力时，只需选择合适激光器（1A、1B或1C）出光以及更改检测器13的时间分辨能力，无需调整光路以及拆卸安装激光器与检测器；连接检测器的示波器14的时间分辨能力应优于检测器13的最好时间分辨能力。
本发明的多通道激光吸收光谱测量系统，可以应用在多种粒子（例如等离子体）的分析测量场合中。测量过程通常分为两个步骤：首先，在待测气体腔室中无待测气体的情况下（空气或真空）由第二检测器测量并记录激光的强度，作为空白参比数据。其次，在待测气体腔室充有待测气体的情况下由第二检测器测量并记录激光的强度，此时同时利用法布里-珀罗干涉仪对进入待测气体的激光进行频率标定。在第一个测量过程中得到的是未被待测气体吸收的激光强度信息，第二个测量中得到的是被待测气体吸收后剩余激光的信息。通过对这两种测量结果的处理计算，可以得到整个被待测气体吸收的激光强度，从而得到待测气体中待测粒子的密度等情况。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种多通道激光吸收光谱测量系统，其特征在于，包括：
可调节激光器组，所述可调节激光器组包括共面平行出光的、依次排列的第一可调节激光器、第二可调节激光器和第三可调节激光器，其中，多个可调节激光器覆盖的波长范围大于100nm；
激光合成单元，所述激光合成单元用于将多个可调节激光器发出的激光汇成一束合成激光束，其中，所述激光合成单元包括：
第一反射镜，所述第一反射镜被构造为用于反射所述第二可调节激光器发出的激光；
第一半透镜，所述第一半透镜被构造为用于反射所述第一可调节激光器发出的激光，并且透过由所述第一反射镜反射的第二可调节激光器发出的激光，合成第一可调激光器和第二可调激光器的合成激光；
第二反射镜，所述第二反射镜被构造为用于反射所述第一可调激光器和第二可调激光器的混合激光；和
第二半透镜，所述第二半透镜被构造为用于透过所述第三可调节激光器发出的激光，并且反射由所述第二反射镜反射的所述第一可调激光器和第二可调激光器的混合激光，合成第一可调激光器、第二可调激光器和第三可调激光器的合成激光；
激光分光单元，所述激光分光单元用于将所述激光束合成单元发出的所述合成激光束分为相同的第一激光束和第二激光束，其中，所述激光分光单元包括反射镜和半透半反镜的组合；
法布里-珀罗干涉仪，所述法布里-珀罗干涉仪用于激光频率标定，所述第一激光束经过所述法布里-珀罗干涉仪；
第一检测器，所述第一检测器位于所述法布里-珀罗干涉仪的后端，用于检测经过所述法布里-珀罗干涉仪后的第一激光束的强度；
待测气体腔室，所述待测气体腔室用于容纳待测气体，所述第二激光束经过所述待测气体腔室；
第二检测器，所述第二检测器位于所述待测气体腔室的后端，用于检测经过所述待测气体腔室后的第二激光束的强度，其中，所述第一检测器和所述第二检测器的灵敏度可调；
第一衰减片，所述第一衰减片位于所述激光分光单元与所述法布里-珀罗干涉仪之间的所述第一激光束的光路上；
第二衰减片，所述第二衰减片位于所述激光分光单元与所述待测气体腔室之间的所述第二激光束的光路上；和
显示装置，所述显示装置与所述第一检测器和所述第二检测器相连，用于显示检测结果，并对比第一检测器和第二检测器的检测结果，以得到待测粒子的粒子数密度，并在以多普勒展宽为主的条件下，根据所述待测粒子的吸收线型得到多普勒展宽以及气体温度，其中，所述显示装置的时间分辨能力不低于所述第一检测器和所述第二检测器的时间分辨能力。
2.如权利要求1所述的多通道激光吸收光谱测量系统，其特征在于，所述激光合成单元包括反射镜和半透半反镜的组合。
3.如权利要求1所述的多通道激光吸收光谱测量系统，其特征在于，所述显示装置为示波器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170104 Termination date: 20190911 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |