CN104777104A - 一种有源环形腔增强物质检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源环形腔增强物质检测方法。现有技术结构复杂、对被测物质要求高、灵敏度低。本发明基于环形高精细度腔增强原理，利用不少于3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；将激光增益介质设置在高精细度腔内，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；至少有1个光学反射部件的反射率低于其他光学反射部件测反射率，作为激光输出窗口；被检测物质设置在高精细度腔内的光路上；光电探测器检测输出光束信息经过分析得到被检测物质特征信息。本发明具有系统简单、工艺便捷、便于实现、易于集成、对被检测样品要求低、可检气态物质、灵敏度高、可靠性高、易于微型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。

Description

一种有源环形腔增强物质检测方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种物质分析方法，特别是一种有源环形腔增强物质分析方法，主要应用于环境监测、食品安全、质量监测、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全等领域中物质检测。

背景技术

对物质检测的需求广泛存在于环境监测、食品安全、质量监测、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全等领域，并且对物质检测的要求越来越高。高精细度腔吸收光谱技术由于具有检测灵敏度高、功能易于扩充、选择性好等优点，成为物质检测技术发展热点之一，得到了广泛的关注。在先技术中存在一种腔增强物质检测方法，参见授权发明专利，专利名称为《一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置》，专利号：ZL200910100385.8，授权公告时间为2010年09年29日，此在先技术中的腔增强痕量物质检测方法虽然具有一定的优点，但是仍然存在不足：整体系统结构复杂，基于等腰三角形棱镜构成的近场光学行波腔，被检测物放置在光学近场区域，对被检测物存在一定要求，使用不灵活、限制应用空间；被检测区域为光学近场区域，为薄层区域，难于检测分子浓度低的物质，比如对气体进行检测分析，对于较低物质密度的被检测物的检测灵敏度不够高；在先技术采用腔外光束导入方式，即采用无源腔增强技术构架，光束进入高精细度腔时存在损耗，光能利用率低，并且本质上腔内光场强度低直接影响物质检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供有源环形腔增强物质检测方法，具有系统简单、工艺便捷、便于实现、易于集成、对被检测样品要求低、可检气态物质、灵敏度高、可靠性高、易于微型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。

本发明的基本构思是：基于环形高精细度腔增强原理，利用不少于3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；将激光增益介质设置在高精细度腔内，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；至少有1个光学反射部件的反射率低于其他光学反射部件测反射率，作为激光输出窗口；被检测物质设置在高精细度腔内的光路上；光电探测器设置在激光输出窗口出射光路上，光电探测器检测的信息经过分析得到被检测物质特征信息。

本发明的一种有源环形腔增强物质检测方法，其具体的技术方案如下：

步骤(1) 基于光学谐振腔构建原理，利用不少于3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；

步骤(2) 将激光增益介质设置在高精细度腔内，每个光学反射部件针对于激光工作波长为高反射率，反射率均不低于93%，激光激励部件对激光增益介质进行激励，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；

步骤(3) 至少有1个光学反射部件的反射率低于其他光学反射部件的反射率，作为激光输出窗口，高精细度腔形成稳定光场后从激光输出窗口出射部分激光；

步骤(4) 被检测物质设置在高精细度腔内的光路上；光电探测器设置在激光输出窗口出射光路上，光电探测器检测的信息经过分析得到被检测物质特征信息。

所述的激光增益介质为固体增益介质、气态增益介质、燃料增益介质和半导体增益介质中的一种。

所述的3个光学反射部件均为多层介质反射镜、金属反射镜、微结构反射镜、反射棱镜中一种。。

所述的激光激励部件为光学激励部件或电学激励部件中。

所述的光电探测器为光谱检测部件、单色仪、半导体光电管、光电倍增管和雪崩管中的一种。

本发明中增益介质技术、泵浦光技术、光学反射部件加工与使用、高精细度腔原理、光电探测器、信息分析技术等均为成熟技术。本发明的发明点在于基于环形高精细度腔增强原理，利用不少于3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；将激光增益介质设置在高精细度腔内，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；给出一个具有系统简单、工艺便捷、便于实现、易于集成、对被检测样品要求低、可检气态物质、灵敏度高、可靠性高、易于微型化、功能易于扩充、应用范围广等特点的有源环形腔增强物质检测方法。

与现有技术相比，本发明的优点：

1）在先技术整体系统结构复杂，基于等腰三角形棱镜构成的近场光学行波腔，被检测物放置在光学近场区域，对被检测物存在一定要求，使用不灵活、限制应用空间。本发明基于环形高精细度腔增强原理，利用不少于3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；将激光增益介质设置在高精细度腔内，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；被检测物质设置在高精细度腔内的光路上，可实现物质检测分析，因此，本发明被检测区域不受限于光学近场区域，对被检测物要求低，被检测设置位置灵活，只要在光路上即可，便于操作，具有系统简单、工艺便捷、便于实现、易于集成、对被检测样品要求低等特点；

2）在先技术中被检测区域为光学近场区域，为薄层区域，难于检测分子浓度低的物质，比如对气体进行检测分析，对于较低物质密度的被检测物的检测灵敏度不够高。本发明本质上不受限于近场，被检测物质和光束相互作用区域可以灵活控制，可以更具不同被检测物质特性调节作用区域，用以增加检测灵敏度，因此本方法使用灵活，可以检测低物质密度的物质，包括气态物质；

3）在先技术采用腔外光束导入方式，即采用无源腔增强技术构架，光束进入高精细度腔时存在损耗，光能利用率低，并且本质上腔内光场强度低直接影响物质检测灵敏度。本发明基于环形高精细度腔增强原理，采用环形有源腔增强技术，激光内部产生，极大地提高了光能量利用率，并且腔内产生的高能量光场可以直接增加光场进过被检测物质的往返作用效应，本质上提高了检测灵敏度，并且这种方法具有可靠性高、易于微型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图。

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。

本发明的有源环形腔增强物质检测方法，如图1所示，是基于环形高精细度腔增强原理，利用3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；将激光增益介质设置在高精细度腔内，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；有1个光学反射部件的反射率低于其他光学反射部件测反射率，作为激光输出窗口；被检测物质设置在高精细度腔内的光路上；光电探测器设置在激光输出窗口出射光路上，光电探测器检测的信息经过分析得到被检测物质特征信息。

本实施例的具体实现步骤为：

步骤(1) 基于光学谐振腔构建原理，利用不少于3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；本实施例中采用3个光学反射部件构成三角形的闭环结构高精细度腔，分别为第一光学反射部件3、第二光学反射部件4、第三光学反射部件5；

步骤(2) 将激光增益介质1设置在高精细度腔内，每个光学反射部件针对于激光工作波长为高反射率，反射率均不低于93%，激光激励部件2对激光增益介质1进行激励，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；本实施例中激光激励部件2采用光学激励部件，激光增益介质1采用固态光增益介质；第一光学反射部件3和第三光学反射部件5的光学反射率为97%，第二光学反射部件4为95% ；

步骤(3)第二光学反射部件4的反射率低于第一光学反射部件3和第三光学反射部件5的反射率，作为激光输出窗口，高精细度腔形成稳定光场后从激光输出窗口出射部分激光；

步骤(4) 被检测物质7为一种气体，流路设置在高精细度腔内的光路上，本实施例中设置在第三光学反射部件5有光束的一侧；光电探测器6设置在第二光学反射部件4出射光路上，光电探测器6检测的信息经过光谱分析技术进行分析，得到了被检测物质特征信息。

本实施例成功实现了一氧化碳浓度的检测。本发明具有系统简单、工艺便捷、便于实现、易于集成、对被检测样品要求低、可检气态物质、灵敏度高、可靠性高、易于微型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种有源环形腔增强物质检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1) 基于光学谐振腔构建原理，利用不少于3个光学反射部件构成闭环结构的高精细度腔；

步骤(2) 将激光增益介质设置在高精细度腔内，每个光学反射部件针对于激光工作波长为高反射率，反射率均不低于93%，激光激励部件对激光增益介质进行激励，在高精细度腔内形成激光，实现有源环形高精细度腔；

步骤(3) 至少有1个光学反射部件的反射率低于其他光学反射部件的反射率，作为激光输出窗口，高精细度腔形成稳定光场后从激光输出窗口出射部分激光；

步骤(4) 被检测物质设置在高精细度腔内的光路上；光电探测器设置在激光输出窗口出射光路上，光电探测器检测的信息经过分析得到被检测物质特征信息。

2.如权利要求1所述的一种有源环形腔增强物质检测方法，其特征在于：所述的激光增益介质为固体增益介质、气态增益介质、燃料增益介质、半导体增益介质的一种。

3.如权利要求1所述的一种有源环形腔增强物质检测方法，其特征在于：所述的3个光学反射部件均为多层介质反射镜、金属反射镜、微结构反射镜、反射棱镜中一种。

4.如权利要求1所述的一种有源环形腔增强物质检测方法，其特征在于：所述的激光激励部件为光学激励部件或电学激励部件。

5.如权利要求1所述的一种有源环形腔增强物质检测方法，其特征在于：所述的光电探测器为光谱检测部件、单色仪、半导体光电管、光电倍增管、雪崩管中的一种。