CN103712960A - 一种采用级联锁相检测的光热检测装置及其检测方法 - Google Patents

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本发明提供一种采用级联锁相检测的光热检测装置及其检测方法，该检测装置包括分别与被测样品光路连接的泵浦光源、探测光源和光电探测器，所述光电探测器连接有锁相检测单元，所述泵浦光源与被测样品之间设有泵浦光调制装置，所述探测光源与被测样品之间设有探测光调制装置，所述锁相检测单元由第一锁相放大器和第二锁相放大器组成。本发明还提供一种采用级联锁相检测的光热检测装置的检测方法。本发明通过对泵浦光和探测光分别进行调制并采用级联的锁相检测单元进行检测，与单调制的情况相比，大大降低了检测到的噪声，提高了检测过程的灵敏度和检测结果的准确性。

Description

一种采用级联锁相检测的光热检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及光热检测技术领域，具体是一种采用级联锁相检测的光热检测装置及其检测方法。
 
背景技术
激光诱导光热技术（Laser-induced photo thermal technique）因为其高灵敏度、高分辨率、非接触式等特点，常被用来对各类材料的光热特性、特别是透明光学材料的微弱吸收特性进行分析和检测。
光热技术的基本原理是：一束较强的激光（泵浦光）经过材料，材料会因吸收光能量而导致局部温度升高，从而引起材料的局部物理特性发生改变，例如折射率变化、产生热形变等。在泵浦光一定的情况下，这些物理特性的变化与材料本身的吸收特性是相关的。通过对这些物理特性变化的检测可以获得材料的吸收特性。光热技术中常用的检测方法是用另一束较弱的激光束（探测光）经过泵浦光在材料上的照射区域，由于泵浦光照射而引起的光热效应，探测光束的光束特性会发生相应的变化，通过对这种变化的检测来获得该区域的材料特性。常见的有光热偏转技术，即因为光热效应引起探测光传播方向发生变化；光热透镜技术，即光热效应引起探测光产生新增的会聚或发散，类似增加了一个“透镜”。
在利用光热检测技术对材料吸收特性进行检测分析时，由于光热效应所引起的探测光束特性的变化量往往比较小，甚至小于探测光束本身的噪声波动，因此一般需要利用锁相放大技术来进行检测。通过对泵浦光进行周期性的调制，并以此调制信号作为锁相放大器的参考信号，利用锁相放大器来探测目标信号。采用这种方法，大大抑制探测光束本身的噪声以及外部环境噪声等对测量结果的影响，可以获得比较好的检测灵敏度。
但是，这种方法在实际应用中还存在一些问题：首先，泵浦光路的噪声没有消除，包括泵浦光本身的光路波动引起的噪声以及泵浦光在与材料相互作用时激发产生的散射光、荧光等。由于泵浦光本身受到了调制，这些噪声源也相应地受到了调制，有时会对检测结果产生很大的干扰，影响检测结果的准确性。其次，一般激光器的噪声与调制信号频率的关系遵循1/f的规律，调制信号频率越高，对应的噪声就越小。理论上，采用高频信号调制可以大大抑制噪声，但是对光热技术来说，光热效应的激发产生需要一定的时间过程，如果泵浦光的调制信号频率过高，会导致有效的光热信号大大降低。因此，一般采用较低的调制信号频率对泵浦光进行调制，通常在几十赫兹左右。在低调制信号频率下，噪声比较大，将会影响整个检测过程的灵敏度。
 
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用级联锁相检测的光热检测装置及其检测方法，改善光热吸收检测的信噪比，提高检测的灵敏度。
本发明的技术方案为：
一种采用级联锁相检测的光热检测装置，包括分别与被测样品光路连接的泵浦光源、探测光源和光电探测器，所述光电探测器连接有锁相检测单元，所述泵浦光源与被测样品之间设有泵浦光调制装置，所述探测光源与被测样品之间设有探测光调制装置，所述锁相检测单元由第一锁相放大器和第二锁相放大器组成；所述探测光调制装置的调制信号用于第一锁相放大器的参考信号，所述泵浦光调制装置的调制信号用于第二锁相放大器的参考信号；所述光电探测器的输出端与第一锁相放大器的输入端连接，所述第一锁相放大器的输出端与第二锁相放大器的输入端连接，所述第二锁相放大器的输出端与数据采集终端连接。
所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，所述泵浦光调制装置和探测光调制装置选用光调制器或者斩波器。
所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，所述探测光调制装置与被测样品之间设有探测光第一会聚装置，所述被测样品与光电探测器之间依次设有探测光第二会聚装置、探测光高反射镜、探测光滤光装置、探测光分光装置和空间滤波器；所述探测光分光装置的反射光路上设有探测光功率探测装置。
所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，所述泵浦光源与泵浦光调制装置之间设有泵浦光分光装置，所述泵浦光分光装置的反射光路上设有泵浦光功率探测装置。
所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，所述泵浦光调制装置与被测样品之间设有泵浦光会聚装置，所述被测样品的后端设有泵浦光吸收装置。
所述的采用级联锁相检测装置的检测方法，该方法包括以下步骤：
（1）在探测光源的输出光路中引入探测光调制装置对照射到被测样品上的探测光进行调制，并将该调制装置的调制信号频率作为第一锁相放大器的参考信号频率输入，将接收探测光信号的光电探测器的输出信号作为第一锁相放大器的另一输入信号；
（2）在泵浦光源的输出光路中引入泵浦光调制装置对照射到被测样品上的泵浦光进行调制，并将该调制装置的调制信号频率作为第二锁相放大器的参考信号频率输入，将第一锁相放大器的输出信号作为第二锁相放大器的另一输入信号；
（3）将第二锁相放大器的输出信号发送至数据采集终端进行后续分析处理。
所述的采用级联锁相检测装置的检测方法，所述步骤（1）中探测光调制装置的调制信号频率远远大于步骤（2）中泵浦光调制装置的调制信号频率。
由上述技术方案可知，本发明通过对泵浦光和探测光分别进行调制并采用级联的锁相检测单元进行检测，与单调制的情况相比，大大降低了检测到的噪声，提高了检测过程的灵敏度和检测结果的准确性。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是现有技术中采用单调制锁相检测的原理示意图；
图3是本发明采用双调制级联锁相检测的原理示意图。
 
具体实施方式
如图1所示，一种采用级联锁相检测的光热检测装置，包括泵浦光源1、泵浦光分光装置2、泵浦光功率探测装置3、泵浦光调制装置4、泵浦光聚焦透镜5、被测样品6、泵浦光吸收装置7、探测光源8、探测光第一高反射镜9、探测光第二高反射镜10、探测光调制装置11、探测光第一聚焦透镜12、探测光第二聚焦透镜13、探测光第三高反射镜14、探测光滤光装置15、探测光分光装置16、探测光功率探测装置17、空间滤波器18、光电探测器19、第一锁相放大器20、第二锁相放大器21和数据采集终端22。泵浦光分光装置2和探测光分光装置16可选用分光片或者分光棱镜，泵浦光功率探测装置3和探测光功率探测装置17可选用功率计或者功率探测器，泵浦光调制装置4和探测光调制装置11可选用光调制器或者斩波器，探测光滤光装置15可选用滤光片。
由泵浦光源1发出的泵浦光束经过泵浦光分光装置2被分成两束，其中一束进入到泵浦光功率探测装置3，用于对泵浦光的功率进行监测，另一束经过泵浦光调制装置4后光强受到调制；调制后的泵浦光束由泵浦光聚焦透镜5聚焦到被测样品6上，用于激发光热效应；经过被测样品6出射的剩余的泵浦光束由泵浦光吸收装置7吸收。
由探测光源8发出的探测光束依次经过探测光第一高反射镜9、探测光第二高反射镜10和探测光调制装置11后，由探测光第一聚焦透镜12聚焦到被测样品6上，与泵浦光照射的区域重合，经过被测样品6出射的探测光束依次经过探测光第二聚焦透镜13、探测光第三高反射镜14，再经过探测光滤光装置15滤掉除探测光以外其它波段的杂散光，从探测光滤光装置15出射的探测光束由探测光分光装置16分为两束，一束进入探测光功率探测装置17，用于对探测光的功率进行监测，另一束则经过空间滤波器18后由光电探测器19进行探测。
由光电探测器19输出的信号接入第一锁相放大器20，并以探测光调制装置11的调制信号频率作为第一锁相放大器20的参考信号频率；第一锁相放大器20的输出信号接入第二锁相放大器21，并以泵浦光调制装置4的调制信号频率作为第二锁相放大器21的参考信号频率；第二锁相放大器21检测到的信号由数据采集终端22采集处理。
本发明的工作原理：
如图2所示，是现有技术中采用单调制的锁相检测的示意图，因为只对泵浦光进行调制，设调制信号频率是f2，正如在背景技术中所介绍的，一般f2都比较低。考虑锁相放大器本身有一定带宽，所以在图2中斜纹部分表示检测到的噪声。如图3所示，是本发明采用双调制级联锁相检测的示意图，对探测光和泵浦光分别进行调制，调制信号频率分别为f1和f2。因为探测光只是用来检测光热效应，与光热效应的激发过程无关，所以对探测光可以采用较高的调制频率，即f1>>f2,此时，对于第一锁相放大器20所检测到的是f1+f2和f1-f2的信号，并且锁相放大器本身相当于一个窄带滤波器，因此在第一锁相放大器20的输出信号中其它频段的噪声都被滤掉了，只留下在f1频段附近的噪声，并且因为这是在高频段，噪声相对于采用低调制频率的单调制检测情况大大降低了。第一锁相放大器20的输出信号接入第二锁相放大器21，第二锁相放大器21以f2为参考信号频率，相当于在f2频段再次进行滤波，滤掉其它频段的噪声，图3中所示的斜纹部分表示第二锁相放大器21检测到的噪声，与单调制的情况相比，检测到的噪声大大降低了。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种采用级联锁相检测的光热检测装置，包括分别与被测样品光路连接的泵浦光源、探测光源和光电探测器，所述光电探测器连接有锁相检测单元，所述泵浦光源与被测样品之间设有泵浦光调制装置，其特征在于：
所述探测光源与被测样品之间设有探测光调制装置，所述锁相检测单元由第一锁相放大器和第二锁相放大器组成；所述探测光调制装置的调制信号频率用于第一锁相放大器的参考信号频率，所述泵浦光调制装置的调制信号频率用于第二锁相放大器的参考信号频率；
所述光电探测器的输出端与第一锁相放大器的输入端连接，所述第一锁相放大器的输出端与第二锁相放大器的输入端连接，所述第二锁相放大器的输出端与数据采集终端连接。
2.根据权利要求1所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，其特征在于：所述泵浦光调制装置和探测光调制装置选用光调制器或者斩波器。
3.权利要求1所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，其特征在于：所述探测光调制装置与被测样品之间设有探测光第一会聚装置，所述被测样品与光电探测器之间依次设有探测光第二会聚装置、探测光高反射镜、探测光滤光装置、探测光分光装置和空间滤波器；所述探测光分光装置的反射光路上设有探测光功率探测装置。
4.权利要求1所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，其特征在于：所述泵浦光源与泵浦光调制装置之间设有泵浦光分光装置，所述泵浦光分光装置的反射光路上设有泵浦光功率探测装置。
5.权利要求1所述的采用级联锁相检测的光热检测装置，其特征在于：所述泵浦光调制装置与被测样品之间设有泵浦光会聚装置，所述被测样品的后端设有泵浦光吸收装置。
6.根据权利要求1所述的采用级联锁相检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）在探测光源的输出光路中引入探测光调制装置对照射到被测样品上的探测光进行调制，并将该调制装置的调制信号频率作为第一锁相放大器的参考信号频率输入，将接收探测光信号的光电探测器的输出信号作为第一锁相放大器的另一输入信号；
（2）在泵浦光源的输出光路中引入泵浦光调制装置对照射到被测样品上的泵浦光进行调制，并将该调制装置的调制信号作为第二锁相放大器的参考信号频率输入，将第一锁相放大器的输出信号作为第二锁相放大器的另一输入信号；
（3）将第二锁相放大器的输出信号发送至数据采集终端进行后续分析处理。
7.根据权利要求7所述的采用级联锁相检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤（1）中探测光调制装置的调制信号频率远远大于步骤（2）中泵浦光调制装置的调制信号频率。
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