CN104457982A - 一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，脉冲宽度调制器、脉冲电压调制器、脉冲电流产生器、电流合并器与发光器顺序连接，脉冲电流产生器与增强电源连接，电流合并器与常规电源连接；其方法为脉冲宽度调制器将外部信号I转换成脉冲信号II、脉冲信号III给脉冲电压调制器，进行电压放大后变换为脉冲V、脉冲IV，同时脉冲电流产生器接收到增强电源输出的电流VI后受到脉冲V、IV控制发出脉冲增强电流VII，该电流与常规电源提供的稳态电流VIII经电流合并器叠加后提供增强脉冲电流VIV给发光器，使之发出增强的脉冲光束。本发明可以作为增强型的探测光源被应用于光谱测量领域，增强的光束有助于提高信噪比，脉冲的工作方式避免了连续强光照射导致的被测样品高温损毁。

Description

一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，特别是具有发射增强脉冲光束功能的光源装置。

背景技术

光谱技术是利用物质对光波的吸收、发射以及散射的现象而发展起来的一种强有力的技术手段，通过分析各种光谱数据，人们能够鉴别物质的化学组成、价键类型，以及物质的光学性能。近年来，光谱技术在残留农药检测、环境污染物监控以及爆炸物排除等诸多领域发挥了至关重要的作用。无论何种类型的光谱仪，其核心部件可以分为光源和光强检测器件两部分。光源的特性极大程度地影响到实验测量光谱数据的质量高低。

大量实验表明增大探测光源强度是一种行之有效地提高光谱数据信噪比的方法，以吸收光谱为实例进行说明，根据朗伯比尔定律，物质的吸光度可以正比于-ln(I₀/I_t)，降低吸光度信噪比的主要原因来源于外界杂散光干扰，当探测光强度远大于杂散光强度时，杂散光对吸光度光谱信噪比的影响就会降低，然而，增大探测光强度会带来另一个严重的问题：长时间高强度的光照极大可能地导致被测试样品的光热损伤。光热损伤的样品已经无法反应真实信息。脉冲增强光源很好的解决了这一难题，强度增强的光束仅仅持续在纳秒到毫秒量级，强度虽然大，但由于持续时间短，总热能量积累较小，不会损伤被测样品。光谱测量的过程是由各类电子元件完成，其执行速度快，光强度增强的短时间已经足够长完成相应的实验测量工作。因此，发展脉冲增强型光源具有重要意义。

现有的商品化脉冲光源主要有两种类型：1）调Q或者锁模脉冲激光，其脉冲宽度在飞秒到纳秒之间可调谐，该技术路线无法实现微秒至毫秒量级脉冲宽度的光脉冲，该技术路线所制备的光脉冲通常情况下是单色光，该技术无法制备宽带光谱的光脉冲；2）利用机械快门或者斩波器的开关功能调制连续光使之成为脉冲工作模式，然而，连续的高强发光工作模式极大消耗电能的同时也缩短了发光体的寿命。发明一种耐用、节能的脉冲增强型光源是具有实用价值的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，该发明所采用的技术方案是：

一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，脉冲宽度调制器、脉冲电压调制器、脉冲电流产生器、电流合并器与发光器顺序连接，增强电源与脉冲电流产生器连接，电流合并器与常规电源连接。

所述发光器为气态或固态发光介质的光源。

所述增强电源为一个或多个，用于为脉冲电流产生器提供电流。

所述脉冲电压调制器有两对输入、输出端。

所述脉冲电流产生器采用一个或多个场效应管，每个场效应管的漏极与所述增强电源输出端连接。

一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源实现方法，包括如下步骤：

脉冲宽度调制器将外部触发源的TTL信号I转换成脉冲信号II和III输入给脉冲电压调制器，经脉冲电压调制器进行电压放大后变换为脉冲V、脉冲IV，输入至脉冲电流产生器作为其控制信号；此时，脉冲电流产生器接收到增强电源输出的电流VI,发出脉冲增强电流VII，该电流与常规电源提供的常规稳态电流VIII经电流合并器叠加后，提供增强脉冲电流VIV给发光器，使之发出增强的脉冲光束。

所述脉冲信号II、脉冲信号III为脉宽相同的同步方波脉冲信号。

所述脉冲光束的脉冲重复频率等于脉冲信号I的频率。

所述脉冲光束强度由脉冲IV和脉冲V的电压差调控。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明作为光谱实验装置中的探测或者激发光源，可以有效地增强光谱信号的信噪比，同时避免了长时间光照射导致的样品损毁。

2.本发明的各组成部分可以由成熟的电子元器件搭建组成，因此其耐用性较高，仅需更换易耗品，例如发光体等，就可以维护其正常使用，其发光强度和持续时间可以方便地调谐。

3.本发明的发光时间受到外界触发信号的调控，便于与其它光学、电子和机械装置配合使用。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明实施例所发出的增强脉冲白光强度随着时间的变化图；

其中：1-1脉冲宽度调制器，1-2脉冲电压调制器，2-1增强电源，2-2脉冲电流产生器，2-3常规电源，2-4电流合并器，3发光器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括脉冲宽度调制器1-1、脉冲电压调制器1-2与脉冲电流产生器2-2顺序连接；增强电源2-1、脉冲电流产生器2-2、电流合并器2-4与发光器3顺序连接；常规电源2-3、电流合并器2-4与发光器3顺序连接。

具有一定时间宽度的TTL信号I作为外触发源，经由脉冲宽度调制器1-1调控其脉冲宽度后，同步输出具有一定时间宽度的信号II、III,将其输入脉冲电压调制器1-2分别进行脉冲电压放大，转换为信号V、IV。

增强电源2-1用于为脉冲电流产生器2-2提供增强的电能，为脉冲电流产生器2-2提供电流VI，信号V、IV的脉冲时间宽度控制脉冲电流产生器2-2输出电流的时间长短，信号V、VI的相对电压差控制脉冲电流产生器2-2输出电流的强弱，脉冲电流产生器2-2输出电流VII通过电流合并器2-4后成为电流VIV的脉冲增强组成部分。

常规电源2-3提供常规电流VIII，通过电流合并器2-4后成为电流VIV的常规稳态组成部分。

电流VIV为发光器3提供电流，发光器3可以承受短时间的瞬时强电流供电而不被损坏，其发光强度随着电流的增大而增大，发光特性由其自身发光材料决定，其配备了良好的散热冷却系统。本发明输出的光脉冲的时间宽度在10nm～1s的范围内可调，脉冲发光的瞬时电功率在1～10000W范围内可调。

使用步骤主要包括：开启常规电源2-3，为发光器3提供稳态常规电源，使其发光；开启增强电源2-1、脉冲宽度调制器1-1、脉冲电压调制器1-2、脉冲电流产生器2-2以及电流合并器2-4，设定它们的工作参数，使它们处于待机状态；连接外触发TTL信号I，发光器3在信号I上升沿触发时刻发出增强的脉冲光束；使用完毕后，逐一关闭上述元件的电源完成关机操作。

在本实施例所使用的发光器3为除臭氧短弧氙灯。常规电源2-3开启后为发光器3提供了启动电压和稳态常规电流以维持该发光器的常态发光。输入信号I的重复频率为3Hz的TTL信号，高电压5V，时间长度为10us，脉冲宽度调制器1-1主要元件为单稳态触发器，芯片型号：CD4098，设定其工作模式为上升沿触发且同相输出，选用可调谐电阻和电容作为其定时元件，调整电阻和电容大小以设定输出2路脉冲信号II、III的时间宽度约6ms，脉冲电压调制器1-2主要元件为运算放大器,芯片型号：AD713JN，该芯片具有2套独立的输入和输出端口，为其配备两组，每组2个且可调变电阻比的电阻芯片，设定第一组电阻放大比约为7，设定第二组电阻放大比约为8，信号II、III经过1-2电压放大之后，新产生的两路信号为IV和V，经过实际测量，其高电压分别变为约35V和40V，信号其它参数性质不变，脉冲电流产生器2-2的主要元件为快速功率场效应管，其芯片型号：IXFN420N10T，该芯片具有四个端口，分别标记为漏极D、栅极G以及2个相互联通的源极S_1,2，使用额定功率600W，48V和12.5A的电源为33mF的电容充电，电容带电极连接D，另一极接地，此处电容的作用类似于大型电能存储仓库，信号IV连接源极S₁，信号V连接栅极G，源极S₂为脉冲电流产生器2-2的输出端，输出6ms宽度约40A的脉冲电流VII，常规电源2-3提供的信号VIII为17V、25A的稳态电流源，电流合并器2-4是由快速恢复二极管构成，芯片型号为：DSE12X101-06A，该芯片具有2组独立的输入和输出端口，信号VII和VIII分别连接芯片的两组输入端口，两个输出端口用粗铜导线短接使VII和VIII经过电流合并器2-4线性叠加后形成电流源信号VIV，发光器3为氙灯光源，型号为：OSRAM XBO450W/OFR，电流源信号VIV为发光器3提供电能，使其发光，该器件发光为200～900nm的准连续白光光谱。

TTL信号I作为3Hz外触发源，输入给脉冲宽度调制器1-1，按照需求，由其调控脉冲宽度到达合适的数值后输出相同的两路信号II、III，其分别输入给脉冲电压调制器1-2进行不同比例的电压放大后，变换为V、IV，此双信号同时用于调控脉冲电流产生器2-2，增强电源2-1为脉冲电流产生器2-2提供电流能量VI,当信号V、IV调控脉冲电流产生器2-2到达合适状态时，本实施例压差范围为：-30～30V，脉冲电流产生器2-2发出脉冲增强电流VII，该电流与常规电源2-3提供的常规稳态电流VIII通过电流合并器2-4并联后，一起给发光器3提供增强脉冲电流VIV，使之发出脉冲增强的光束。光脉冲持续的时间长度等于信号II、III高电压持续的时间宽度，光脉冲强度由信号IV和V的电压差的数值大小调控。

本技术方案中所使用的常规电源2-3是配合发光器3所使用的标准规格电源，其作用是为发光体提供稳态的常规电能输入，可根据发光器3的具体需求选择是否开启常规电源2-3，当发光器3需要常规稳态电源提供稳态的启动电压以维持其正常启动状态时，则需要开启常规电源2-3，这种情况所使用的发光器3多为气态发光介质，例如氙灯或者氪灯，当发光器3不需要常规稳态电源提供稳态的启动电压以维持其正常启动状态时，则可关闭常规电源2-3。

本技术方案中所使用的增强电源2-1可为发光器3提供具备一定时间宽度t的脉冲式增强电流，使发光器3在t的时间内发出增强的光束。

本技术方案中所使用的电流合并器2-4的输入端分别连接常规电源2-3和增强电源2-1，两者提供的电流并联后输出电流供给发光器3。当两路电源分别提供电流并联供电时，双电源之间的相互干扰会导致电源的不稳定甚至损毁，该电流合并器2-4可以仅允许电流单方向从输入端流向输出端，反向电流无法通过，器件的这种特性有效避免了双电源供电的相互干扰。需要指出的是，可以通过合理地增大增强电源2-1的输出能力或者并联更多的增强电源2-1以实现更强功率的光脉冲输出。

本技术方案中所使用的发光器3需要有较好的散热功能，一般情况下配备了风扇降温装置。

本装置的使用方法包含如下步骤：

（一）开启常规电源2-3，其提供的稳态电流通过电流合并器2-4为发光器3供电，使之处于稳定发光工作状态；

（二）开启增强电源2-1为脉冲电流产生器2-2供电，使其处于待机状态；

（三）开启脉冲宽度调制器1-1和脉冲电压调制器1-2，并根据实际需求设置两者的工作参数，随后使其处于待机状态；

（四）将具有一定时间宽度t₀的TTL信号I连接脉冲宽度调制器1-1的输入端；

（五）发光器3会同步于信号I的上升沿时刻发出增强的脉冲光束，发光重复频率等于信号I的频率，脉冲发光时间长度可由脉冲宽度调制器1-1调控，脉冲发光强度由脉冲电压调制器1-2调控；

（六）使用完毕，首先断开信号I的输入，随后逐一关闭其它各部件的供电，结束本次使用。

为了更好地说明该发明所输出的光脉冲特性，我们将发光器3发出的光束通过电控的机械快门（型号：Uniblitz VS25S2ZM1R3）后，使用光电二极管（型号：Hamamatru S5973-01）测量机械快门开启时的透过光强度，输出的光强度信号使用数字示波器（型号：Tektronics TDS3054B）进行观测。图2展示了光强随着时间的变化曲线，在时间0ms的时刻机械快门开启，此时仅有常规电源（2-3）为发光器（3）供电，其发光强度在0.02附近，在时间为4ms的时刻，信号I的上升沿触发了脉冲电流产生器（2-2），使其产生额外的约40A电流施加在发光器（3）上，此时，发光强度约0.05左右，瞬时电功率约1100W，时间持续长度约6ms，在时间为10ms的时刻，脉冲增强的发光模式结束，光强重新降低到0.02附近，在时间为18ms的时刻，机械快门关闭，透过快门的光强变为0。

本增强脉冲型光源装置可靠且稳定，可以有效地增强瞬态吸收光谱的信噪比，同时避免连续光照射的热效应所带来的样品热损伤。发光时间由外界触发信号控制，这使得本器件可以很好地与其它光学和电学元件整合在一起。

Claims (9)

1.一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，其特征在于：脉冲宽度调制器(1-1)、脉冲电压调制器（1-2）、脉冲电流产生器（2-2）、电流合并器（2-4）与发光器（3）顺序连接，增强电源（2-1）与脉冲电流产生器（2-2）连接，电流合并器（2-4）与常规电源（2-3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，其特征在于：所述发光器（3）为气态或固态发光介质的光源。

3.根据权利要求1所述的一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，其特征在于：所述增强电源（2-1）为一个或多个，用于为脉冲电流产生器（2-2）提供电流。

4.根据权利要求1所述的一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，其特征在于：所述脉冲电压调制器（1-2）有两对输入、输出端。

5.根据权利要求1所述的一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源装置，其特征在于：所述脉冲电流产生器（2-2）采用一个或多个场效应管，每个场效应管的漏极与所述增强电源（2-1）输出端连接。

6.一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源实现方法，其特征在于包括如下步骤：

脉冲宽度调制器(1-1)将外部触发源的TTL信号I转换成脉冲信号II和III输入给脉冲电压调制器（1-2），经脉冲电压调制器（1-2）进行电压放大后变换为脉冲V、脉冲IV，输入至脉冲电流产生器（2-2）作为其控制信号；此时，脉冲电流产生器（2-2）接收到增强电源（2-1）输出的电流VI,发出脉冲增强电流VII，该电流与常规电源（2-3）提供的常规稳态电流VIII经电流合并器（2-4）叠加后，提供增强脉冲电流VIV给发光器（3），使之发出增强的脉冲光束。

7.根据权利要求6所述的一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源实现方法，其特征在于：所述脉冲信号II、脉冲信号III为脉宽相同的同步方波脉冲信号。

8.根据权利要求6所述的一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源实现方法，其特征在于：所述脉冲光束的脉冲重复频率等于脉冲信号I的频率。

9.根据权利要求6所述的一种用于光谱测量中的增强脉冲型光源实现方法，其特征在于：所述脉冲光束强度由脉冲IV和脉冲V的电压差调控。