CN107073986A - 气体分析系统的超稳定谐振腔 - Google Patents

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Abstract

检测示踪气体的系统和方法使用了光学谐振腔、以及通过腔体耦合镜耦合至该腔的相干光源。建造该腔的材料其热膨胀系数与确定该腔的镜元件相同或相似。主(大体积)腔材料可以与构成镜元件的主(大体积)材料相同或不同。相比现存的基于相似原理的腔体结构，这种谐振腔结构提供了更高的精度和稳定性。

Description

气体分析系统的超稳定谐振腔
背景技术
本公开涉及气体分析系统和设备，更具体地涉及对测量气体浓度的温度敏感度更低的装置。
发明内容
本公开提供了各个实施例的检测示踪气体的系统和方法，其使用了光学谐振腔、以及通过腔体耦合镜耦合至所述腔的相干光源。建造所述腔的材料其热膨胀系数与限定所述腔的镜元件相同或相似。例如，主(大体积)腔材料可以与构成镜元件的主(大体积)材料相同或不同。相比现存的基于相似原理的腔体结构，这种谐振腔结构提供了更高的精度和稳定性。各个元件可包括其他材料，例如涂层等等，以提高系统的其他特性。
实施例有利于减少装置的温度敏感度，并减小由环境温度变化引起的机械应力。
根据一实施例，提供了一种检测存在于气态或液态介质中的一个或多个被分析物种类的装置。所述装置通常包括由第一材料制成的光学谐振腔体结构，所述光学谐振腔体结构具有第一端和第二端。第一材料可包括玻璃或玻璃陶瓷。光学谐振腔体结构通常包括入口端，以接收液态或气态介质，还包括出口端，以允许介质离开所述腔。所述装置通常还包括接近光学谐振腔体结构第一端的第一镜元件、以及接近光学谐振腔体结构第二端的第二镜元件，其中第一和第二镜元件的每一个由第一材料制成，或者由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。在某些方面，第一材料包括石英玻璃。在某些方面，所述装置进一步包括接近第一端或第二端的第三镜元件，其中第三镜元件由第一材料制成，或者由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。在某些方面，所述装置进一步包括接近第一端或第二端的第四镜元件，其中第四镜元件由第一材料制成，或者由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。在某些方面，所述腔包覆或容纳在外壳结构或腔室中，这样为容纳在外壳结构或腔室中的部件实现了受控的(例如压力和/或温度)环境。
根据另一实施例，提供了一种用于装置内的光学谐振腔，所述装置检测存在于气态或液态介质中的一个或多个被分析物种类。所述光学谐振腔通常包括由第一材料制成的外壳结构，所述外壳结构具有第一端和第二端，接近所述外壳结构第一端的第一镜元件、以及接近所述外壳结构第二端的第二镜元件，其中第一和第二镜元件的每一个由第一材料制成，或者由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。在某些方面，第一材料包括石英玻璃。在某些方面，所述光学谐振腔进一步包括接近第一端或第二端的第三镜元件，其中第三镜元件由第一材料制成，或者由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。在某些方面，所述光学谐振腔进一步包括接近第一端或第二端的第四镜元件，其中第四镜元件由第一材料制成，或者由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。在某些方面，该光学谐振腔包覆或容纳在外部外壳结构或腔室中，这样为容纳在外部外壳结构或腔室中的部件实现了受控的(例如压力和/或温度)环境。
参照说明书的余下部分，包括附图和权利要求书，将会理解本发明的其他特征和优点。本发明的其他特征和优点，以及本发明各个实施例的结构和操作，将在下文参照所附附图进行详细描述。在附图中，相同序号表示相同或功能性相似的元件。
附图说明
图1示出了实施例的装置结构。
图2示出了另一实施例的装置结构。
图3示出了实施例的带有4块镜的装置结构。
图4示出了另一实施例的带有4块镜的装置结构。
具体实施方式
本文一般涉及示踪气体的检测，更具体地涉及光学谐振腔，以及使用该光学谐振腔的腔增强吸收光谱系统和方法。这种系统和方法用于测量混合气体的组分，例如空气中的示踪气体。实施例有利于减少装置的温度敏感度，并减小由环境温度变化引起的机械应力。
各个实施例的检测示踪气体的系统和方法使用了光学谐振腔、以及通过腔体耦合镜耦合至该腔的相干光源。建造该腔的材料其热膨胀系数与限定该腔的镜元件相同或相似。例如，主(大体积)腔材料可以与构成镜元件的主(大体积)材料相同或不同。相比现存的基于相似原理的腔体结构，这种谐振腔结构提供了更高的精度和稳定性。
可以注意到，术语“腔”、“光学腔”、“光学谐振腔”等等可在本文中交叉使用。
在某些实施例中，装置包括光学谐振腔，其包括与储气单元、或外壳或本体结构耦合，或安装在其上，或与其连通安装的高反射率镜。通常，高反射率镜由其上具有介电反射涂层的玻璃基片制成，以提供对特定波长或波长范围的高反射率。一种用于制造镜基片的可用材料是石英玻璃，其具有非常低的热膨胀系数。同时，气囊体通常由金属制成，它的热膨胀特性与镜元件的不匹配。经常地，气囊体由不锈钢制成。在某些应用场合中，可使用低热膨胀材料，例如不胀钢。
在某些实施例中，光学谐振腔体结构设置有同样用于高反射率镜与气囊体的材料(例如石英玻璃)，当光学谐振腔曝露在不同温度下时(例如温度梯度)，减小光学谐振腔的机械应力。在某些实施例中，具有相同或相似热膨胀特性的不同材料(例如相同或大致相近的热膨胀系数)用于高反射率镜和气囊体，以减小或最小化由温差引起的机械应力。相近的或大致相近的热膨胀系数值大约是10-6m/mK(示例包括石英-微晶玻璃，玻璃-柯伐合金)。例如，本文实施例中的高反射率镜和气囊体可由石英玻璃或其他低热膨胀系数的玻璃材料制成，例如大约是小于3×10-6m/mK。对于使用了与高反射率镜和气囊体相同的材料的实施例，温度感生应力可以相当小。如果低热膨胀系数的材料用于腔体和镜，谐振腔对温度变化的敏感度更小。
镜通常是高反射率镜，各自在朝向腔体结构内侧的表面上(对于某些波长或波长范围)具有大约99％或更高的反射率。在某些方面，镜的反射率大约大于99.9％甚或99.99％。附加安装部件由相同或不同于镜元件的材料制成。
镜和/或腔体结构的额外可用材料包括康宁公司7972二氧化钛硅酸盐玻璃以及肖特公司ZERODUR玻璃陶瓷。
图1示出了实施例的示范性腔增强光学光谱(CEOS)系统10。根据一实施例，CEOS系统10包括双频激光器、测量空气中的示踪气体的单个谐振腔结构。CEOS系统10特别地用于测量多种，例如3种不同的示踪气体。谐振腔20和高反射率镜25由相同的材料(例如石英玻璃)制成。使用了石英玻璃的设计在原型中实施成功。在某些实施例中，至少一个折叠式镜和/或至少一个光学射束成形元件可以由与镜和腔相同的材料(或者具有相近热膨胀特性的材料)制成，例如石英玻璃。
CEOS系统10包括第一光源12和第二光源14，各自发射连续的相干光波，例如连续的激光光波，还包括光学腔20。设置检测器系统(包括一个或多个光电探测器“PD”)，其设置为测量腔内的吸收作用、以及吸收系数、还有入射光和/或反射光的其他特性。在一实施例中，检测器系统包括一个或多个检测器(PD)，其设置为测量从一个或多个腔镜中射出的光信号。如图所示，腔20是由腔耦合镜25以及镜26和27所定义的V型腔。一个或多个光学元件(M)设置为协助导向，并模态匹配从源12和14通过腔耦合镜25到光学腔20的镭射光。可包括可选的光束分裂元件(BS)。在一实施例中，腔耦合镜25布置为相对一个或两个入射源成某一角度。来自各个源的入射光部分通过镜25进入腔20。根据入射光的频率和腔20的光程长(例如从镜27到镜25到镜26的光程长)，通过腔20内的光可得到增强并且在一个或多个谐振腔模式下谐振(腔谐振的频率均匀地分开；公知的是腔的FSR或自由光谱范围)。通过腔20内的镜27、25和26的腔内光，其一小部分通过镜27以及镜26和25射出或逸出，这是由它们的透射率确定的。逸光镜25由各种镜(M)和其他光学元件控制，传递回源12和14，以作为光学反馈。在某些方面，回到源的光可穿过可选的相位控制和/或衰减元件，这为由腔20向源12和14提供的光学反馈方便地提供了相位和/或强度控制。可用的相位控制和/或衰减元件示例可包括电光调制器，其对光的相位和衰减元件施加调制，衰减元件例如是法拉第旋转器。
可选的外罩或外壳(未示出)为外壳内的部件提供气密性密封，部件例如是腔20、激光源12和14以及各种光学镜元件，由此允许控制外壳内以及腔20内的环境。被围蔽的腔适宜于某些应用。可选的外罩可由任意合适的、结构稳定的材料制成，例如金属或合金、或塑料。
在某些实施例中，CEOS系统10还包括设置为测量腔20内气体温度的温度传感器，以及设置为测量腔20内压力的压力传感器。需要注意的是，可以使用多于一个温度传感器和多于一个压力传感器。例如，单个温度传感器可用于确定腔内部的温度、或气体流经腔处的温度，例如，两个温度传感器可用于确定气体流入端和气体排出端的温度，由此确定腔内气体温度。在某些实施例中，使用温度控制元件和压力控制元件来控制腔内气体的温度和压力。控制环境条件，例如温度和/或压力，可用于协助提高信号分辨率和SNR。
根据一实施例，图2示出了CEOS系统110，其包括单个激光器、测量空气中的示踪气体的单个谐振腔结构。CEOS系统110特别地用于测量两种示踪气体。CEOS系统110近似于CEOS 10，但是其包括单个光源112，其发射连续的相干光波，例如连续的激光光波，还包括光学腔120。设置检测器系统(未示出)，其设置为测量腔内的吸收作用、以及吸收系数、还有入射光和/或反射光的其他特性。在一实施例中，检测器系统包括一个或多个检测器，其设置为测量从一个或多个腔镜中射出的光学信号。如图所示，腔20是由腔耦合镜125以及镜126和127所定义的V型腔。一个或多个光学元件，例如折叠式镜或导镜(M)和/或透镜元件设置为协助导向，并模态匹配从源112通过腔耦合镜125到光学腔120的镭射光。可包括可选的光束分裂元件(BS)。根据入射光的频率和腔120的光程长(例如从镜127到镜125到镜126的光程长)，通过腔120内的光可得到增强并且在一个或多个谐振腔模式下谐振(腔谐振的频率均匀地分开；公知的是腔的FSR或自由光谱范围)。通过腔120内的镜127、125和126的腔内光，其一小部分通过镜127以及镜126和125射出或逸出，这是由它们的透射率确定的。逸光镜125由各种镜(M)和其他光学元件控制，传递回源112，以作为光学反馈。在某些方面，回到源的光可穿过可选的相位控制和/或衰减元件，这为由腔20向源112提供的光学反馈方便地提供了相位和/或强度控制。可用的相位控制和/或衰减元件示例可包括电光调制器，其对光的相位和衰减元件施加调制，衰减元件例如是法拉第旋转器。
谐振腔120和高反射率镜125、126和127由相同的材料(例如石英玻璃)制成。使用了石英玻璃的设计在原型中实施成功。在某些实施例中，至少一个折叠式镜和/或至少一个光学射束成形元件可以由与镜和腔相同的材料(或者具有相近热膨胀特性的材料)制成，例如石英玻璃。
可选的外罩或外壳(未示出)为外壳内的部件提供气密性密封，部件例如是腔120、激光源112以及各种光学元件，由此允许控制外壳内以及腔120内的环境。被围蔽的腔适宜于某些应用。
在某些实施例中，如前文对图1所述，系统110还包括设置为测量腔120内气体温度的一个或多个温度传感器，以及设置为测量腔120内压力一个或多个的压力传感器。CEOS系统110还可包括如前文对图1所述的温度和/或压力控制元件。
在某些方面，每个源(例如112或12和14)包括激光或其他相干光源，它们对光学反馈敏感或响应光学反馈，并发出所需波长或所需波长范围的辐射。一种可用的激光是半导体二极管激光器，它对从腔耦合镜(例如25或125)照射到激光器上的光学反馈敏感。其他激光源可包括二极管激光器、量子级联激光器和固态激光器。限定了腔的镜，其反射率确定光学反馈强度。美国专利US 8,659,758公开了基于腔增强光谱系统的激光器，其包括镜优化技术，通过引用将其全部内容并入本文。需要注意的是，激光进入腔所经过的腔耦合镜(例如25、125)，其功率反射系数R1接近但小于1，使得数量T＝1-R1的范围为从10-1到10-5。其他腔镜的功率反射率R2应该等于或小于R1。这种高反射率镜肯定会具有一些残留透射，即使它可低至若干ppm。
在某些方面，每个源能够进行频率扫描，例如激光器的平均光频可在某一频率范围上调节或调谐。众所周知这可以通过以下方式实现，例如通过调节施加至二极管激光器的电流，并且/或者调节激光器介质的温度。在某些方面，腔(20或120)还能够进行频率扫描，例如通过改变或调节腔的光程长，由此可在某一频率范围上调节腔谐振峰值的光频。腔光程长的调节可包括(例如使用压电元件)调节一块或多块腔镜的相对位置，并且/或者调节腔内介质的压力。提供智能模块或控制模块，例如计算机系统、处理器、ASIC或其他控制电路，以使能源频率调谐或扫描和/或腔光程长调节的自动控制。
在某些实施例中，CEOS系统(10或110)用于检测存在于腔内的混合气体中的示踪气体。当由源发射的入射光频率接近其中一个谐振腔模式的频率时，进入该腔的入射光开始将该腔充满该模态，并可锁定在该谐振腔模式。当入射光的光频率与腔模式传输峰值一致时，在谐振腔内通过的光，其光强反映此时的腔总损失。腔总损失是腔镜损失以及由腔内介质吸收作用引起的损失的总和，腔内介质吸收作用例如是存在于腔内的气态或液态介质吸收被分析物种类的吸收作用。本文实施例可检测到的这些种类的示例包括H2O、N2O、NO、NO2、CO2、CH4、各种氢、碳、氮和氧同位素、以及许多其他种类。
在各个实施例中，检测器系统设置为取得测量值，例如根据测量存在和不存在吸收种类的腔内光功率，由此可确定吸收系数。例如，通过腔内的功率(Pcirc)由等式Ptransm＝Pcirc*T来确定，其中T是光从其逸出的镜透射率，而Ptransm是检测器检测到的功率。例如，检测器或检测元件可靠近镜元件27或127。需要注意的是，可额外地或可选地布置检测元件，以检测并测量从镜元件26或126和/或镜元件25或125逸出的光(例如由分束器(BS)的背面来反射)。而且，检测元件可布置在腔内部，并设置为测量腔内光功率。在某些实施例中，每个检测器元件包括光电探测器，例如光电二极管，以及相关的电子器件，用于检测光并输出表示检测到的光的信号。光电探测器的可用示例可包括硅、铟镓砷、锗或GAP基光电探测器。其他可用探测器包括CCD、光电倍增管等。智能模块(例如计算机系统、处理器、ASIC或其他控制电路；未示出)接收探测器输出信号并处理这些信号，以根据所用方法论产生或生成表征腔损失的信号，例如PAS、自然衰减率、相位移、直接吸收等等。例如，美国专利US 8,659,759公开了基于激光的腔增强光谱系统，其包括产生标准信号的技术，该标准信号是腔总损失的线性函数，并且对激光腔耦合不敏感，通过引用将其全部内容并入本文。
此外，如上所述，可使用其他检测方法，例如，腔衰荡光谱法或腔增强光声光谱(PAS)方法(参见美国专利US 8,327,686，通过引用将其内容并入本文)。检测器系统所得测量值用于确定存在于腔内的任意气体种类或同位素的吸收系数。对于CRDS测量，测量衰荡的衰减时间，并用于确定吸收系数。
图3和4示出了不同实施例的带有4块镜的装置结构。图3和4的CEOS系统以及腔的各个部件和运行原理近似于关于图1和2的上述部件和运行原理，然而此处提供了额外的镜元件。例如在图3中，提供了额外的镜元件，并提供了线性腔的两臂。类似地在图4中，提供了额外的镜元件，并提供了双重V型腔。在图3和4中，谐振腔和高反射率镜由相同的材料(例如石英玻璃)制成，或者由热膨胀系数相同或相近的材料制成。在某些实施例中，每个CEOS系统的附加部件，例如至少一个折叠式镜和/或至少一个光学射束成形元件可以由与镜和腔相同的材料(或者具有相近热膨胀特性的材料)制成，例如石英玻璃。
也可以参照美国专利US 8,659,758、US 8,659,759、US 8,885,167和US 8,665,442，由此各自通过引用并入本文以作各种用途，对于气体分析仪系统和应用，本文的实施例是可用的。
由此，通过引用合并本文引用的所有参照，包括出版物、专利公布文本、以及专利，其合并的程度就如单独并具体地指明每个参照，以通过引用来合并，并且在本文中呈现其全部内容。
所用术语“一”和“某一”和“该”和“至少一个”以及描述所公开主题的语境中类似的参照物(特别是下列权利要求的语境中)应解释为同时覆盖单个和多个，除非本文另有指明或根据语境明显矛盾。所用术语“至少一个”之后伴随有一系列的一个或多个物品(例如“至少一个A和B”)应解释为从所列物品(A或B)或者两个或多个所列物品的任意组合(A和B)中选择一个物品，除非本文另有指明或根据语境明显矛盾。术语“包括”、“具有”、“其包括”、以及“包含”应理解为开放式术语(即意味着“包括，但不限于”)，除非另有注释。本文的范围值表述仅旨在用作单独涉及落在该范围内的各个独立值的速记法，除非本文另有指明，并且各个独立值引入到说明书的程度就像是它是本文单独叙述的一样。本文所述的所有方法可以按任意合适的顺序执行，除非本文另有指明或根据语境明显矛盾。本文提供的所用任意或所有示例、或示例语句(如“例如”)仅旨在更好地说明所公开的主题，而不是为本发明的范围设置限制，除非另有声明。说明书的语句不应理解为将任一未要求保护的元件指定为本发明的实施关键。
本文描述的是部分实施例。根据阅读上文的描述，对于本领域普通技术人员而言，这些实施例的变体变得显而易见。发明人预期熟练工匠可适当采用这些变体，并且发明人旨在提供待实施的实施例，而不是本文具体描述的实施例。相应地，根据适用法，本文包括本发明所附权利要求中所记载的主题的所有修改和等同形式。而且，上述元件其所有可行变体的任意组合已被本文所囊括，除非本文另有指明或根据语境明显矛盾。

Claims (20)

1.一种检测存在于气态或液态介质中的一个或多个被分析物种类的装置，所述装置包括：
由第一材料制成的光学谐振腔体结构，所述第一材料包括玻璃或玻璃陶瓷，所述光学谐振腔体结构具有第一端和第二端，所述光学谐振腔体结构包括入口端，以接收液态或气态介质，还包括出口端；
接近光学腔体结构第一端的第一镜元件；以及
接近光学腔体结构第二端的第二镜元件；
其特征在于第一和第二镜由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一和第二镜由第一材料制成。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一和第二镜由不同于第一材料的材料制成。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一材料包括石英玻璃。
5.如权利要求1所述的装置，其进一步包括接近第一端或第二端的第三镜元件，其中第三镜元件由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述第三镜是高反射率镜，在朝向光学腔体结构内侧的表面上具有大约99％或更高的反射率。
7.如权利要求5所述的装置，其进一步包括接近第一端或第二端的第四镜元件，其中第四镜元件由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述第四镜是高反射率镜，在朝向光学腔体结构内侧的表面上具有大约99％或更高的反射率。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一和第二镜是高反射率镜，各自在朝向光学腔体结构内侧的表面上具有大约99％或更高的反射率。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一和第二镜是高反射率镜，各自在朝向光学腔体结构内侧的表面上具有大约99.9％或更高的反射率。
11.一种检测存在于气态或液态介质中的一个或多个被分析物种类的光学谐振腔，包括：
由第一材料制成的腔体结构，所述腔体结构具有第一端和第二端；
接近腔体结构第一端的第一镜元件；以及
接近腔体结构第二端的第二镜元件；
其特征在于第一和第二镜由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。
12.如权利要求11所述的光学谐振腔，其特征在于所述第一材料包括玻璃或玻璃陶瓷。
13.如权利要求11所述的光学谐振腔，其特征在于所述第一和第二镜由第一材料制成。
14.如权利要求11所述的光学谐振腔，其特征在于所述第一和第二镜由不同于第一材料的材料制成。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述第一材料包括石英玻璃。
16.如权利要求11所述的装置，其进一步包括接近第一端或第二端的第三镜元件，其中第三镜元件由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。
17.如权利要求16所述的装置，其进一步包括接近第一端或第二端的第四镜元件，其中第四镜元件由与第一材料的热膨胀系数相同或大致相近的材料制成。
18.如权利要求17所述的光学谐振腔，其特征在于所述第三和第四镜是高反射率镜，各自在朝向光学腔体结构内侧的表面上具有大约99％或更高的反射率。
19.如权利要求11所述的光学谐振腔，其特征在于所述第一和第二镜是高反射率镜，各自在朝向光学腔体结构内侧的表面上具有大约99％或更高的反射率。
20.如权利要求11所述的光学谐振腔，其特征在于所述第一和第二镜是高反射率镜，各自在朝向光学腔体结构内侧的表面上具有大约99.9％或更高的反射率。
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