CN108333142A - 紧耦合的分析器 - Google Patents

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Abstract

一种激光检测系统包括样品室，其被配置成接收和容纳一定体积的样品气体；位于至少一个激光器壳体内的一个或多个激光器，其中每个激光器被配置成产生用于激励所述样品气体中的一个或多种不同材料的各自激光束，并且所述一个或多个激光器位于所述样品室外部；用于检测从所述样品室输出的光的检测器装置；所述样品室的第一光学界面，其具有至少一个窗，所述至少一个窗对于来自一个或多个激光器的激光束至少部分地透明，其中所述至少一个激光器壳体定位成相对于所述第一光学界面的至少一个窗成紧耦合布置，使得在使用中，所述激光束基本上不被所述激光器壳体和所述至少一个窗之间的通路改变。

Description

紧耦合的分析器
技术领域
本发明涉及一种激光检测系统，用于检测特定气体的存在或含量，例如一种基于激光吸收的光谱进行气体分析的系统。
背景技术
测量气体纯度对于气体制造商来说是必需的。纯度测量允许要被出售的气体达到一定的品质。如果制造的任何气体达不到制造商设定的品质要求，那么这些气体可能被废弃，例如点燃。因此，为了避免废弃，纯度测量是可靠的，这是很重要的。
连续排放物监测设备需求大增，用以监测不同工业地点的工业污染排放，例如发电站、加工业工厂和商业水运设备。对提高效率、健康和安全考虑及立法需要等要求也增加了。立法需要常常包括了对一系列多种发射的化合物进行测量，例如：二氧化硫、氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水和氧气。
已知的气体分析系统对单一化合物或少数化合物敏感。为了使用已知的系统涵盖多种化合物，必需安装几种不同的连续排放物监测设备，这可能是低效的、复杂的并且占用显著数量的空间。
已知的气体分析系统还包括一个或多个光学元件，例如一个或多个赫里奥特元件，用于容纳待分析的气体样品，并且激光束穿过赫里奥特元件以便与气体样品相互作用。光学元件和其它光学部件的布置影响了气体分析系统的几何形状和尺寸，并且为了使系统紧凑，例如能够使所述系统容纳在紧凑的、可运输的壳体中，重要的是提供所述光学元件和其它光学部件的适当布置。
已知的气体分析系统可能存在因大气产生潜在的交叉干扰的风险。当正在测量的典型杂质包括空气中的化合物时，特别是试图测量这些杂质的含量低于大气中发现的水平时，这就成了一个问题。大气中能够发现的杂质包括但不限于甲烷、水和二氧化碳。使用干氮气的净化系统可以用于改变围绕气体检测器的体积中的大气。备选地，化学清洗也能够用于解决这个问题，例如二氧化碳和/或氧气洗涤器。这两种方案难以设计和难以依靠使用例如干氮气或仪表气源。
还存在其它方法。这些方法都包括使用考虑了交叉干扰效应的分析软件。然而，背景可能是多变的，因而限制这种方法。另外，如果来自激光器的光经受了显著的干扰，它可能在到达光学元件前降级，产生减弱的且不可靠的测量。
发明内容
根据本发明，提供一种激光检测系统，所述激光检测系统包括：样品室，所述样品室被配置成接收和容纳一定体积的样品气体；位于至少一个激光器壳体内的一个或多个激光器，其中每个激光器被配置成产生用于激励所述样品气体中的一个或多种不同材料的各自激光束并且所述一个或多个激光器位于所述样品室外侧；用于检测从所述样品室输出的光的检测器；通到所述样品室的第一光学界面，其具有至少一个窗，所述至少一个窗对于来自一个或多个激光器的激光束至少部分地透明，其中所述至少一个激光器壳体定位成相对于所述第一光学界面的至少一个窗成紧耦合布置，使得在使用中，所述激光束基本上不被所述激光器壳体和所述至少一个窗之间的通路改变。
所述样品室可包括光学元件。所述光学元件可被配置成执行样品气体的接收和容纳。所述材料可包括任何合适的化合物，例如任何合适的气体化合物。
所述紧耦合布置可以是使得在工作中，所述激光束基本上不被存在于激光器壳体和至少一个窗之间的气体吸收。例如，所述激光束的强度可以被所述激光器壳体和至少一个窗之间的通路减小小于1％，可选地小于0.1％。所述激光器壳体和至少一个窗之间的间隔可以每个激光束在所述壳体内的路径长度的小于1％，可选地小于0.1％。
所述系统进一步包括第二光学界面，所述第二光学界面具有通到所述样品室的至少一个窗，所述至少一个窗对于从所述样品室输出的光是至少部分地透明的，其中所述检测器装置与所述第二光学界面布置成紧耦合布置，使得在使用中，所述激光束基本上不被从所述样品室的出口到所述第二光学界面的至少一个窗的通路改变。
所述样品室可以被密封和/或所述系统可以包括用于控制所述样品室的压力和/或气体含量的装置。
每个激光器壳体可以被密封和/或可以处于真空下或者可以包含选择的气体和/或处于选择的压力。
所述检测器装置可以包括壳体和下述中的至少一个：所述检测器装置的壳体可以被密封和/或可以处于真空下或者可以包含选择的气体和/或处于选择的压力。
所述紧耦合布置可以是使得下述中的至少一个：所述第二光学界面的至少一个窗和所述检测器之间存在小于10mm，可选地小于5mm，可选地小于1mm的间距。所述激光器壳体的至少一个输出孔和所述第一光学界面的至少一个窗之间存在小于10mm，可选地小于5mm，可选地小于1mm的间距；所述第二光学界面的至少一个窗和所述检测器之间存在小于10mm，可选地小于5mm，可选地小于1mm的间距。
所述至少一个激光器壳体的至少一个孔包括所述激光束在工作中穿过的至少一个窗，并且所述至少一个激光器壳体的至少一个窗与所述第一光学界面的至少一个窗直接接触；所述第二光学界面的至少一个窗与所述探测器装置直接接触。
所述至少一个激光器壳体可以包括出口孔，各自激光束通过所述出口孔离开激光器，并且在紧耦合布置时，每个激光器出口孔可以与所述窗或所述第一光学界面的窗中的相应一个直接接触，或者距离所述窗或所述第一光学界面的窗中的相应一个小于1mm的间距。
所述检测器装置可以包括壳体，所述壳体具有入口孔，用于从样品室输出的光的通路，并且在紧耦合布置时，所述检测器入口孔可以与所述窗或所述第二光学界面的窗中的相应一个直接接触，或者距离所述窗或所述第二光学界面的窗中的相应一个小于1mm的间距。
所述系统可以还包括至少一个耦合器件，所述耦合器件被配置成将所述至少一个激光器壳体保持成所述紧耦合布置。
所述第一光学界面的至少一个窗可以包括一个或多个平坦的或楔形的光学窗，其中每个窗都与各自至少一个激光器相关联。
所述系统可以包括至少一个准直透镜，所述准直透镜与所述窗或者所述第一光学界面的至少一个窗相关联。
所述系统可以还包括至少一个引导装置，所述引导装置位于所述样品室内侧并被配置成引导激光束穿过所述一个或多个窗到达所述样品室中的光学元件，其中所述至少一个引导装置可以配置成沿着共同光学路径将所述激光束引导到所述光学元件。
所述样品室内部的至少一个引导装置可以包括多个光学部件，所述光学部件布置成使得对于每个激光束，所述光学部件中的相应的至少一个被布置成沿着共同的光学路径引导所述激光束。
所述多个光学部件可以大致布置在一条直线上；所述光学部件中的至少一个可以包括平坦的或非楔形的光学部件。
每个所述激光器和相关窗可以布置成，使得在工作中，每个所述激光器将它的激光束在大致正交于所述直线的方向上传送到它的对应的至少一个所述光学部件。
多个光学部件可以包括至少一个部分反射镜和/或至少一个分色镜。
所述光学部件可以串联布置，并且可以配置成在工作中，每个光学部件引导来自它的相关激光器的激光束以加入所述共同光学路径，并且引导或者允许激光束从串联的在前光学部件沿着所述共同光学路径通过。
每个所述光学部件可以是至少部分反射的和至少部分透射的。
所述至少一个引导装置可以包括所述多个光学部件中的最后一个和所述光学元件之间的转向光学系统，并且被配置成将所述激光束引导到所述光学元件中。
所述检测器装置可以包括一个或多个检测器，每个检测器都被配置成检测相应波长或波长范围的辐射。
所述第二光学界面的至少一个窗可以包括一个或多个平坦的或楔形的光学窗，其中每个窗都与各自至少一个激光器相关联。
所述系统可以包括在样品室内部位于所述光学元件和所述第二光学界面之间的转向光学系统，并且被配置成将光从所述光学元件引导到所述第二光学界面。
每个所述窗和/或多个光学部件可以具有在0.1mm到1mm范围内的厚度。
所述系统可以还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述一个或多个激光器的工作，使得所述激光束是按时间交错的脉冲激光束。
所述控制器可以被配置成使所述检测器装置和激光器的操作同步，由此获得一系列检测信号，每个检测信号与所述激光器中的相应一个相关联。
所述控制器可以被配置成控制所述激光器的操作，使得每个激光束以1kHz到200kHz的范围内，可选地10kHz到100kHz范围内的频率脉动，和/或所述控制器可以被配置成控制所述激光器，使得每个激光束以在100ns到20000ns范围的脉冲长度脉动。
所述样品气体可以包括乙烯(ethylene)、氢气(H2)、氮气(N2)或天然气(naturalgas)中的至少一种。
所述复数种材料可以包括二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、水(H2O)、甲烷(CH4)和氨气(NH3)中的至少一个。
所述复数种材料包括水(H2O)、甲醇(MeOH)、氨气(NH3)、乙炔(C2H2)、氧气(O2)、氟化氢(HF)、氯化氢(HCl)、硫化氢(H2S)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)中的至少一个。
所述多个激光器中的每个都被配置成产生红外激光辐射。
每个所述激光器都被配置成产生各自不同波长或者波长范围的激光束，和/或每个检测器装置被配置成检测各自不同波长或波长范围的辐射。
所述波长或波长范围中的至少一个选自下述范围：4.21到4.24μm；4.56到4.59μm或者4.72到4.76μm；6.09到6.14μm；7.43到7.47μm；和10.00到10.11μm。所述样品气体可以包括氢气或氮气。
所述波长或波长范围中的至少一个选自下述范围：6.11到6.12μm；7.42到7.44μm或者6.14到6.16μm；7.41到7.43μm；4.23到4.24μm；和4.73到4.74μm。所述样品气体可以包括乙烯。
所述波长或波长范围中的至少一个选自下述范围：2.47到2.48μm；1.74到1.75μm；2.63到2.64μm,5.518到5.530μm；和2.63到2.64μm。所述样品气体可以包括天然气或者来自燃料的气体。
所述波长或波长范围中的至少一个选自下述范围：759到761nm。所述样品气体可以包括氢气或氮气、乙烯、天然气、或来自燃料的气体中的至少一种。所述至少一种材料可以包括氧气。
所述检测器装置可以布置在相对于所述一个或多个激光器和至少一个引导装置的所述光学元件的相反侧上。
所述系统可以还包括气体供给装置，所述气体供给装置被配置成供给样品气体到所述样品室。
所述样品元件可以包括赫里奥特元件。
所述样品元件可以包括散光的赫里奥特元件。
所述系统可以包括连续排放物监测系统(CEMs)或者氢气纯度测量系统或氮气纯度测量或天然气纯度测量系统或者乙烯纯度测量系统。所述CEMs可以被配置成测量来自燃料的气体，所述燃料例如是发电站、加工业工厂或者水运设备的燃料。
在另一方面，本发明存在一种激光检测系统中使用的激光器，所述激光器包括至少一个耦合器件，用于耦合所述激光器与所述样品室成所述紧耦合布置。
在另一方面中，本发明存在一种激光检测系统中使用的检测器装置，所述检测器装置包括至少一个耦合器件，用于耦合所述检测器装置与所述样品室成所述紧耦合布置。
在另一方面中，本发明存在激光检测系统中使用的样品室，所述样品室包括至少一个耦合器件，用于耦合所述样品室与至少一个激光器和所述检测器装置中的至少一个成所述紧耦合布置。
在可以独立提供的另一方面中，本发明提供一种用于检测样品气体中至少一种材料的存在、不存在或含量的方法，包括施加到激光辐射到样品气体，所述样品气体可以包含所述至少一种材料，检测来自所述样品气体的辐射，和基于所检测的辐射确定所述至少一种样品气体的存在、不存在或含量。
所述方法可以使用根据任一方面和/或这里要求保护的或描述的系统或装置执行。所述方法可以包括使用这里要求保护的或描述的波长或波长范围的辐射。
一个方面中的特征可以作为在其它方面中以任何合适的组合的特征。
附图说明
本发明的各个方面现在仅仅经由实例并且参照附图进行描述，在附图中：
图1是激光光谱分析系统的示意图；
图2是激光光谱分析系统的样品室的示意图；
图3是激光光谱分析系统的激光器装置的示意图；
图4是激光光谱分析系统的检测器装置的示意图；
图5是激光光谱分析系统的立体图；
图6和7显示光学界面的横截面立体图；
图8是激光光谱分析系统的壳体呈紧配置的立体图。
具体实施方式
图1是用于分析被收集在光学元件10中的气体的激光光谱分析系统的示意图。所述系统包括激光器装置12、控制器14、取样装置16和检测器装置17。控制器14以电子方式、电气方式或其他方式连接到激光器装置12和取样装置16。激光器装置12以光学方式耦合到取样装置16并且取样装置16以光学方式耦合到检测器装置17。激光器装置12包括一个或多个激光器18。一个或多个激光器18中的每个激光器都可以被包括在激光器模块中，所述激光器模块具有各自的壳体和孔，所述孔可以包括在工作中激光束穿过的窗。
取样装置16包括光学元件10。取样装置16还包括第一光学界面20、第二光学界面22和样品室24。取样装置16还包括至少一个引导装置，所述引导装置呈多个光学部件26形式，光学部件26被布置成引导激光束从一个或多个激光器18沿着共同的路径进入光学元件10，如下面结合图3更详细地描述的。
光学元件10容纳在样品室24内部。至少一个引导装置和转向部件28也容纳在样品室24内部。样品室24通过第一光学界面20以光学方式耦合到激光器装置12。样品室24通过第二光学界面22以光学方式耦合到检测器装置17。
检测器装置17包括多个检测器。所述检测器被配置成检测来自光学元件10的光。所述光可以是红外光或者可见光或者任何其它合适波长的光或者来自电磁频谱的任何合适部分的光。控制器14包括控制模块30和信号处理器32。控制模块30被配置成控制激光器18的操作，信号处理器32被配置成处理从检测器装置17获得的信号。控制器14可以例如呈合适地编程的PC或其它计算机的形式，或者可以包括专用电路或其它硬件，例如一个或多个ASIC或FPGA或硬件和软件的任意合适的混合物。控制模块30和处理模块在某些实施方式可以设置为单独的、不同的部件，例如单独的处理资源，而不是如图1所示，设置在相同的控制器部件内。
光学元件10具有光学入口孔和光学出口孔。光学元件10可以例如是赫里奥特元件或任何其它合适类型的光学元件。光学元件10设置在样品室24内部。图1的样品室24限定第一封闭体积，气体样品可以被引入和收集到这个第一封闭体积中。光学元件10限定第二开放体积，第二开放体积小于第一封闭体积并且位于样品室24的第一封闭体积内部。被引入和收集到所述第一封闭体积中的气体样品，因此被引入和收集到光学元件10限定的第二开放体积中。
所述气体可以包括一种或多种不同的化合物或者感兴趣的其它材料。在被收集在光学元件10中的气体中存在这些化合物的标识能够通过从激光器18穿过光学元件10的光确定。如果所述光的波长位于对应于感兴趣的化合物的吸收光谱或吸收线的波长范围，那么穿过光学元件10的光的任何吸收都可能是由于样品中存在感兴趣的化合物。一旦被确定，吸收水平能够用于确定样品中感兴趣的化合物的物理性能，例如浓度。因为不同的化合物具有位于不同波长的吸收光谱，不同波长的光被提供给光学元件10。
一个或多个激光器18以紧耦合布置的方式直接耦合到第一光学界面20。同样，检测器装置17的检测器以紧耦合布置的方式直接耦合到第二光学界面22。在一些实施方式中，所述紧耦合布置可以是使得所述光学部件以小于1mm的距离分离。在一些实施方式中，在所述紧耦合布置中，所述光学部件可以被接触、触碰和/或对接耦合。
激光器和检测器直接耦合到样品室的光学界面上，提供了激光器和检测器之间的被激光束横穿的光学路径基本上包含在样品室中的优点。所述激光在光学元件10外侧的路径小于2mm，优选小于1mm。这与典型的现有技术布置形成对比，在典型的现有技术布置中，光学元件外侧的路径长度可以是50到70cm。这具有激光束不暴露于样品室外侧的环境空气和被容纳在样品室内的化合物的效果。也就是说，所述激光束可以只暴露于被容纳在样品室中的样品气体。
图2是取样装置16的更详细的示意图。图2示出激光器装置12的具有壳体的典型激光器34和检测器装置17的具有壳体的典型检测器36。激光器34的壳体包括具有窗的孔，来自激光器的激光束在工作中穿过所述窗。图2还示出样品室24。如参考图1所讨论的，样品室24经由第一光学界面20耦合到激光器装置16，和经由第二光学界面22耦合到检测器装置17。在图2中，第一光学界面20由第一窗38和透镜42表示。第二光学界面22由第二窗40表示。第一窗38和第二窗40是平坦的或者非楔形的窗。透镜42是准直透镜并且定位在样品室24中第一窗38处。
在图2中，第一窗38和第二窗40都定位在样品室24的相同面上。然而，值得注意的是，图2只是示意图，第一窗和第二窗的位置可以不同。特别地，如果多于一个激光器或多于一个检测器被耦合到样品室，或者使用不同的光学元件类型，那么取样装置16的布局可以不同。
图2还示出位于样品室24内部的光学元件10，光学元件10包括第一反射元件43和第二反射元件44。特别地，光学元件10可以是包括第一反射元件43和第二反射元件44的赫里奥特元件。第一反射元件43非常靠近第一窗38进行定位。第一反射元件和第二反射元件具有入口孔46和出口孔48。在图2中，入口孔和出口孔都定位在第一反射元件43中。可选地，入口孔46可以定位在第一反射元件43中，而出口孔48可以定位在第二反射元件44中。有利地，这导致更紧凑的系统设计。
图2还示出第一组光学转向部件，所述第一组光学转向部件位于样品室24内部，用于将被引入样品室24的光经由窗38和透镜42引导到光学元件10的入口孔46。第一组光学转向部件50包括第一转向镜和第二转向镜。第一转向镜和第二转向镜被配置成相互作用以改向、定位和调整激光束的入射角。图2还示出第二组光学转向部件52，用于将光从出口孔48引导到第二窗40。第二组光学转向部件52包括第三转向镜和第四转向镜。第三转向镜和第四转向镜被配置成相互作用以改向、定位和调整激光束的入射角。
图3是图1所示激光光谱分析系统的激光器装置12一部分的更详细示意图。图3示出多个激光器如何整合到激光光谱分析系统中。图3更详细地示出图1的激光器18、样品室24、第一光学界面20和光学部件26。
光学部件26包括一组部分反射镜54和分色镜56。分色镜56被包括，于是这个实施方式可以用于氧气的测量。如下面继续讨论的，在其它实施方式中，不使用分色镜。部分反射镜54包括第一镜60、第二镜62、第三镜64、第四镜66和第五镜67。激光器18包括第一激光器68、第二激光器70、第三激光器72、第四激光器74、第五激光器76和第六激光器78。第一光学界面20包括第一窗80、第二窗82、第三窗84、第四窗86、第五窗88和第六窗90。第一光学界面20还包括与第一窗80相关联的第一透镜92、与第二窗82相关联的第二透镜94、与第三窗84相关联的第三透镜96、与第四窗86相关联的第四透镜98、与第五窗88相关联的第五透镜100和与第六窗90相关联的第六透镜102。激光器68、70、72、74、76和78中的每一个都具有对应的窗80、82、84、86、88和90。激光器18中的每一个直接耦合到它们相应的窗。来自每个激光器的光经由它们的对应窗和透镜输入到样品室24中。
部分反射镜54和分色镜56被配置成将激光束从激光器18沿着共同的光学路径引导到点104。附加的转向光学部件将组合激光束106从点104沿着共同的光学路径转向到光学元件10，这些附加的转向光学部件被包括到所述系统中，但在图3中没有示出。附加的转向光学部件在图2中示意性地示出。激光器68、70、72、74、76和78中的每一个都具有对应的镜60、62、64、66、67和56。部分反射镜54和分色镜56布置在一条直线上。每个镜都相对于这条直线倾斜45°角。所述直线限定从第一镜58到分色镜56再到点104的传播方向。组合激光束106沿着传播方向传播。
任何合适的部分反射镜都可以使用。在图3的实施方式中，每个所述部分反射镜都包括涂敷有对红外线敏感的BaF2或CaF2的窗，这些窗都喷涂有光学涂层以控制前表面的宽带反射。在备选实施方式中可以使用任何其它合适材料。在图3的实施方式中，使用两个涂层，80:20(80％透射，20％反射)和50:50(50％透射，50％反射)。这可允许激光功率的改变，即调整激光功率使输出功率协调到对每个激光器一致的值(在实际极限内)。在备选实施方式中可以使用更多或更少涂层。图3的部分反射镜的涂层被设计成宽带的，使得它们对波长的改变，特别是围绕感兴趣的波长的响应的任何变型被减小或者达到最小。
任何合适的分色镜都可以使用。在图3的实施方式中，分色镜包括涂有对红外线敏感的BaF2的窗，所述窗喷涂有光学涂层以引起低于特定波长的光被反射和高于所述特定波长的光被透射。在备选实施方式中可以使用任何其它合适材料。在图3的实施方式中，所述涂层例如反射波长小于1μm的光并且透射波长大于1μm的光。
任何合适的窗都可以使用。在图3的实施方式中，每个所述窗都包括涂敷对红外线敏感的BaF2或CaF2的窗。
在其它实施方式中，可以使用其它合适类型的镜或光学装置代替部分反射镜和分色镜。例如，在一些实施方式中，在分色镜56处，例如在点104前的最后镜位置，可以使用除分色镜或部分反射镜外的镜。这种镜可以使用在最后的位置处以对所述元件引入更多功率。因为或如果最后的位置在其后不具有任何附加的激光器，使得没有激光需要穿过最后的位置，这是可能的。在备选实施方式中，可以使用任意合适数量和组合的部分反射镜和分色镜。
每个部分反射镜54被配置成对入射到部分反射镜54上的光部分地反射和部分地透射。镜的反射和透射性能选择为将激光束从激光器18沿着共同的光学路径进行引导。在图3的实施方式中，对于来自激光器18中的对应一个激光器的入射光，每个部分反射镜54反射20％的入射光和透射80％的入射光。在备选实施方式中，部分反射镜54可以具有不同的反射和透射性能。分色镜56由反射波长范围限定，并且被配置成对波长在反射波长范围内的光进行反射，和对波长在反射波长范围外的光进行透射。分色镜56的反射波长范围被选择成对应第六激光器78的波长范围，使得来自第六激光器78的光被反射，而来自第一至第五激光器的光被透射。所述镜是平坦的或者非楔形的光学部件。有利地，这允许所述系统以正交的方式进行工作。例如，所述系统具有的几何布置使得从第一镜60到分色镜56的传播方向基本上正交于激光器18输出的激光束。
在实施方式中使用平坦的或非楔形光学部件的另一优点是，所述激光束引导到共同光学路径的引导可能基本上与波长无关，例如使得光学部件引起的任何畸变效应或其它伪迹可能基本上与波长无关。然而，部分反射镜的使用可能引起所产生的光学信号受到边缘干涉效应。这些效应能够通过选择光学部件的尺寸，尤其是厚度来控制所述系统的自由光谱范围。所述自由光谱范围是两个连续最大值或最小值之间的波长差的量度。所述自由光谱范围可以用FSR＝1/(2x n x L)表示，其中L表示镜片的厚度，n表示折射率。典型地，光学部件的合适厚度小于1mm。这个选择对于例如BaF2材料的某些选择例如在4cm-1或更大的自由光谱范围处较差。通过控制所述自由光谱范围，产生边缘效应的频率能够转移到不与光学元件10中的化合物的测量值重合和/或干涉。
这个量级的自由光谱范围提供谱窗在宽度上与整个激光扫描覆盖的谱窗的类似的谱窗。预期效应是在激光脉冲背景上的曲率。这个背景可以使用作为信号处理的一部分的频率适应算法容易地去除。在取样装置16的转向光学部件28中、和通过使用非平坦的或楔形光学部件将光转向到光学元件10的光学系统中，避免附加的边缘效应。
图3中的每个激光器具有属于五个部分反射镜54和分色镜56的组的对应的镜。在工作中，来自第一激光器68的激光束穿过第一窗80和第一透镜92进入到样品室24中。激光束接着到达第一镜60，然后从第一镜60到达点104。第一镜60倾斜，使得来自第一激光器68的激光束被第一镜58以直角反射。同样，第二至第五激光器中的每一个都具有由第二至第五窗、透镜和镜限定的对应的光学路径。第六光学路径以相同的方式限定从第六激光器78到分色镜56再到点104。所有的镜都以与第一镜60成相同的倾斜角的方式布置，使得每个所述光学路径在与它的对应镜橡胶的点处以直角弯曲。
所述镜布置成，使得来自激光器68、70、72、74、76和78的激光束，在穿过它们的对应窗80、82、84、86、88和90，被它们的对应的透镜92、94、96、98、100和102聚焦和被它们的对应光学部件60、62、64、66、67和58反射后，沿着共同的光学路径经由点104到达元件10。所述共同的光学路径可以例如具有在第一镜60处的一个端部和在光学元件10的入口孔处的另一端部，并且可以穿过点104延伸，并且当被沿着共同的光学路径引导时，每条相应激光的光学路径加入所述共同光学路径。于是，每条激光的所述光学路径大致重叠。
所述激光器模块能够被其它激光器模块交换。因此，图3和上面相应的描述是激光器模块的构造的一个选项的示例性实例。在一些实施方式中，所述激光光谱分析系统能够具有六个激光器模块。图3的构造包括具有适于检测氧气的子范围的六个激光器78。对应第六激光器78的分色镜56也被包括在所述系统中。如后面讨论的，如果所述系统被配置成检测一组不包括氧气的组分，第六激光器78被波长位于合适波长范围的激光器替换，并且分色镜56被第六部分反射镜替换。
图4是图1所示激光光谱分析系统的检测部分的更详细示意图。图4示出多个检测器如何整合到激光光谱分析系统中。图4更详细地示出图1的光学元件10、光学转向部件28、样品室24、第二光学界面22和包括外壳体的检测器装置17。
图4示出第二界面22，第二界面22包括第一输出窗108和第二输出窗110。检测器装置17具有第一检测器112和第二检测器114。在样品室24中的转向光学部件28可以被配置成，使光从光学元件10转向到检测器装置112的第一检测器112和检测器装置17的第二检测器114。第一检测器112直接耦合到第一输出窗108。第二检测器114直接耦合到第二输出窗110。第一检测器112对来自激光器装置12的第一子集激光器的一个或多个激光器的光敏感。第二检测器114对来自激光器装置12的第二子集激光器的一个或多个激光器的光敏感。对于参照图3描述的构造(具有分色镜)，第一检测器对来自第一至第五激光器的光敏感，且第二检测器对来自第六激光器的光敏感。
表1更详细地提供了光谱分析系统中激光器模块的可能构造和在所述系统中能够实施的对应的检测器。小心选择的激光器的波长范围允许对每个激光波长进行多次测量。表1的第一列表示要检测的化合物。第二和第三列表示适合检测所述化合物的一个或多个波长范围。图3的第三列表示检测器类型。在最后一列中表示波长范围的选项的典型但非限制性应用。
表1
如从表1可知，列出了三种检测器A、B和C。每种检测器A、B和C对不同波长或波长范围的光敏感。由于所述系统的和所述检测器的物理壳体的兼容性，如参照图5所描述的，检测器的某些组合能够被包括在所述系统中。选项包括：(i)只有检测器A；(ii)只有检测器B；(iii)只有检测器C；(iv)检测器A和检测器B；和(v)检测器A和检测器C。如在别处描述的，如果检测器C被包括(选项(iii)和(v))以用于检测氧气，那么分色镜56必须被包括。对于选项(i)、(ii)和(iv)，不包括分色镜，并且所有镜都是部分反射镜。在备选实施方式中，可以提供检测器的任意合适的组合，以便使用一个或多个列出的波长或波长范围检测感兴趣的任何列出的材料。
现在参照图1、图3和图4描述所述系统的操作。在操作中，激光器18受到控制模块30的控制，或者在其它实施方式中受到其它控制部件的控制，以顺序地产生脉冲。所述序列可以如下。第一激光器68产生第一脉冲，第一脉冲被通过所述光学部件引导到点104，并且向上传递到光学元件10。接着，第二激光器70产生第二脉冲，第二脉冲被通过所述光学部件引导到点104，并且向上传递到光学元件10。接着，第三激光器72产生的第三脉冲，所述第三脉冲被通过所述光学部件引导到点104，并且向上传递到光学元件10；第四激光器74产生的第四脉冲，所述第四脉冲被通过所述光学部件引导到点104，并且向上传递到光学元件10；第五激光器76产生的第五脉冲，所述第五脉冲被通过所述光学部件引导到点104，并且向上传递到光学元件10；第六激光器78产生的第六脉冲，所述第六脉冲被通过所述光学部件引导到点104，并且向上传递到光学元件10；在所述第六脉冲之后，这个序列重复。来自每个激光器的脉冲光束在时间上相互交错和/或不重叠，并且沿着所述共同路径传递到光学元件10。
按照上述顺序，所述第一脉冲入射到第一窗80上并穿过第一窗80和第一透镜92，然后入射到第一镜60上并被第一镜60反射，然后被第二、第三、第四和第五镜和分色镜透射到点104，并且继续透射到光学元件10和检测器装置17。接着，所述第二脉冲入射到第二窗82上并穿过第二窗82和第二透镜94，然后入射到第二镜62上并被第二镜62反射，然后被第三、第四和第五镜和分色镜透射到点104，并且向上透射到光学元件10和检测器装置17。接着，所述第三脉冲入射到第三窗84上并穿过第三窗84和第三透镜96，然后入射到第三镜64上并被第三镜64反射，然后被第四和第五镜和分色镜透射到点104，并且向上透射到光学元件10和检测器装置17。接着，所述第四脉冲入射到第四窗86上并穿过第四窗86和第四透镜98，然后入射到第四镜上并被第四镜反射，然后被第五镜和分色镜56透射到点104，并且向上透射到光学元件10和检测器装置17。接着，所述第五脉冲入射到第五窗88上并穿过第五窗88和第五透镜100，然后入射到第五镜67上并被第五镜67反射，然后被分色镜56透射到点104，并且向上透射到光学元件10和检测器装置17。所述序列中最后的脉冲是第六脉冲，这个脉冲入射到第六窗102上并穿过第六窗102和第六透镜102，然后入射到分色镜56上并被分色镜56透射到点104，并且向上透射到光学元件10和检测器装置17。所述脉冲序列然后重复。
所述脉冲穿过光学元件10朝向第二光学界面22传播。所述脉冲穿过第二光学界面22传递到检测器装置17。取样装置16中的转向光学部件28将来自光学元件10的光(初始来自第一至第五激光器)经由第一输出窗108转向到第一检测器112。第一检测器对来自第一至第五激光器的光敏感。因而，在这个实施方式中，其中一个检测器对来自多于一个激光器的光敏感。取样装置24中的转向光学部件28将来自光学元件10的光(初始来自第六激光器)经由第二输出窗110转向到第二检测器114。第二检测器对来自第六激光器78的光敏感。转向光学部件28包括第二分色镜，以将第六透镜78的光朝向第二检测器114引导并且将第一至第五激光器的光引导到第一检测器112。所述第二分色镜的光学性能可以匹配分色镜56的性能。转向光学部件28包括两个分离的离轴抛物线镜以将两个不同分支的光聚焦到两个检测器上。控制模块14使激光器和第一及第二检测器的操作同步，使得每个检测信号对应于从相应一个激光器接收的光。
图1的激光器18是半导体二极管激光器，它们能够工作，产生整个波长子集上的光。所述激光器可以是量子级联激光器，例如脉冲的、线性调频的量子级联激光器，然而在备选实施方式中可以使用任何其它合适类型的激光器。可以使用例如带间级联激光器和调谐二极管激光器。所述激光器可以例如产生直径2到3mm的光束，或者任何其它合适尺寸的光束。
波长的子集可以位于红外光谱中。波长范围被选择为与一个或多个化合物的测量值相对应。同时地，所述设备可以提供多波长范围的光，并且组合例如可见光、近红外光和/或中红外光，以对每种化合物采用最合适的波长。所述激光光谱分析系统被配置成测量大气中发现的杂质。正常大气中能够发现的杂质包括但不限于甲烷、水和二氧化碳。
表2示出实施激光器18的波长范围、对应的波数范围和被这个波长范围内的光检测的对应的化合物的第一实例。图1的激光器的构造适于测量乙烯的纯度。对于第一实例，只需要一类检测器(对应表1的检测器类型A)，而且不需要分色镜。
表2
激光器 波长范围 波数范围/cm-1 被检测的化合物
1 6.11–6.12 1635–1636 水(H2O)
2 7.42–7.44 1345–1346 甲烷(MeOH)
3 6.14–6.16 1626–1627 氨气(NH3)
4 7.41–7.43 1347–1348 乙炔(C2H2)
5 4.23–4.24 2362–2364 二氧化碳(CO2)
6 4.73–4.74 2111–2112 一氧化碳(CO)
表3示出实施激光器18的波长范围、对应的波数范围和被这个波长范围内的光检测的对应的化合物的备选实例。表2所示的激光波长适于测量H2/N2的纯度。
为了实施表2，需要修改图3所示的实施方式。特别地，不存在第六激光器78,和对应的分色镜56，或者第六窗和第六透镜102。
表3
控制模块30被配置成发送一个或多个电子控制信号到激光器18。作为对电子控制信号的响应，激光器18产生组合激光束106。控制信号作用以使激光器18顺序地产生脉冲。换句话说，控制信号作用，以按照一顺序驱动每个激光器18，使得在一个取样时间间隔上只有来自一个激光器的光被提供给光学部件26。因而，尽管参照在任何一个时间上和沿激光束路径上的位置处组合激光束，在该位置和时间点的组合激光束可以由只来自其中一个激光器的光组成。所述组合激光束可以由来自不同激光器的交错的、非重叠的脉冲组成。光学部件26被配置成将来自每个激光器的光沿着遵循所述共同路径的激光的光学路径，引导到光学元件10。通过这种方式，控制模块30控制激光器装置12，以产生组合激光束106,并且向光学元件10提供组合激光束106。组合激光束106包括来自每个激光器的在时间上交错的和/或不重叠的脉冲光束。
激光器之间的切换频率被选择成，保证检测器装置17的可靠测量。特别地，光脉冲横穿它的光学元件光学路径所用的时间取决于脉冲的物理性能和光学元件10的尺寸。脉冲串的脉冲长度和频率被控制和选择成，阻止脉冲物理重叠。脉冲的重叠导致干涉和不可靠的测量。假设两个或多个脉冲不是物理重叠的，这两个或多个脉冲可以同时出现在多通路元件中。来自激光器18的脉冲的合适的脉冲持续时间可以在100纳秒和20000纳秒之间。脉冲串的频率在一些实施方式中可以至多100kHz。
信号处理器32处理来自所述检测器的检测信号以确定正在调查的不同化合物的浓度和/或相对含量，或者确定任何其它期望性能。信号处理器32使用任何合适的已知处理技术，以确定浓度、相对含量或其它性能。
可选地，可设置对准机构。对准机构的实例包括照相机和镜调整机构。所述照相机定位在点104处或点104附近以与组合激光束106的期望传播方向交叉。所述期望传播方向使得组合激光束106在正常工作时经由共同的光学路径进入光学元件10。通过对准步骤，取样光束可通过激光器18产生，并且取样光束由光学部件26引导到所述照相机。所述照相机检测相对于所述期望的传播方向所述取样光束入射到照相机上的位置。所述镜调整机构调整部分反射镜54和分色镜56的位置，特别是部分反射镜54和分色镜56相对于传播方向倾斜，以基本上对准激光器18的光学路径与所述期望的传播方向，随后对准各所述光学路径。例如，所述光学路径在1.1°的容差内基本上对准。对每个激光器17重复所述对准步骤。
图5是激光光谱分析系统的内部壳体的立体图；所述壳体具有上部光学平板116和下部基块118。上部光学平板116选定尺寸为，接收所述激光器装置，这里显示包括6个激光器模块121，包括激光器模块120。上部光学平板116还具有第一检测器122、第二检测器124、压力计126和温度计128。校准机构130也设置在上部光学平板116上。校准机构130可包括用于激光校准的校准器。另外，可以增加可去除镜131，用于可选地衰减激光束。下部基块118包含样品室24。光学元件10附接到光学平板116的下表面上。下部基块118被配置成经由进气口132和出气口134而与气体供给装置耦合。除进气口132和出气口134外，下部基块118被密封。
图6是激光器和样品室之间的光学界面实例的横截面立体图。图6示出被安装到激光光谱分析系统的界面板117的激光器模块120。图6还示出上部光学平板116和下部基块118，其中样品室位于下部基块118中。激光器模块120和下部基块118的样品室之间的光学界面136被示出。
图7是图6的放大图，显示光学界面136的近景图。激光器模块120的激光器封装部138被示出。激光器封装部138具有下表面140。下表面140是平坦的。在下表面140的中心点存在用于使激光离开激光器模块120的孔142。孔142容纳用于气密地密封激光封装部的窗。
界面板117被配置成使激光器模块120适应所述光谱分析系统。在图6和7的实施方式中，界面板117具有用于对应激光器模块120的耦合构件144。耦合构件144是从界面板117的上表面延伸的空心圆柱形突起部。在耦合构件144的上端部是带有边缘的圆形承座体146。图6和7示出被固定到带有边缘的圆形承座体146中的圆形窗148。圆形窗148和带有边缘的圆形承座体146的尺寸选定为，使得窗148被定位在带有边缘的圆形承座体146中，耦合构件144的上表面呈现面对激光器模块120的平坦的水平面。
激光器模块120具有空腔150，空腔150的尺寸被选定为，与界面板117的耦合构件144的形状形成互补并且相适应。所述空腔被直接定位在激光器封装部138的下表面140上。为了将激光器模块120安装到界面板117，激光器模块120的空腔150被放置在耦合构件144上方，并由此安装在耦合构件144上。空腔150的尺寸使得，当安装时，激光器封装部138的下表面140与耦合构件144的上表面齐平。通过这种方式，激光器模块120与耦合构件144的窗148接触和/或对接耦合。校准透镜152至少部分地位于耦合构件的空心中。校准透镜152通过透镜保持件154保持就位，透镜保持件154连接界面板117的下部内表面上并且从界面板117的下部内表面垂下。校准透镜152作用，以对入射到校准透镜152上的激光束进行校准。
图8是激光光谱分析系统的壳体呈紧配置的立体图。所述壳体具有拆卸盖160，拆卸盖160通过掣子164的聚集固定在靠近基块162的位置中，而掣子164位于壳体的大约周缘上。
呈样品供给管形式的气体供给装置例如经由进气口向样品室提供气体。样品回流管例如经由出气口为来自样品室的气体提供出口。经由通风口对光学元件进行通风。拆卸盖160具有本地操作员显示器166和用户输入板168。在图8的实施方式中，用户显示器和用户输入板用于与分析器交互及测量和状态的可视化通信。在本实施方式中，用户输入板提供一些修护功能，然而，它的目的大多是测量值和状态的通信。
所述壳体制造成能够抑制点火现象。所述壳体包括灭火器。所述壳体被测试，以保证它能够承受突然的高压现象，例如爆炸。这个壳体可以消除对额外的清除装置的需要。
三个输出管(未示出)也连接到所述壳体。所述输出管提供电穿透，允许能量和控制信号传送到所述系统并且允许传输来自所述系统的数据。所传输的数据形式可以是例如数字信号；数字健康信号；模拟信号，例如表示气体测量值的4-20mA信号；更精巧的协议，例如Modbus；或者任何其它合适的模式。上面描述的装置提供了一种紧凑的系统。在一些实施方式中，所述壳体可具有600mmX490mmX274mm的尺寸。
所述样品供给管和样品回流管提供向穿过样品室和光学元件的流通路径提供流体。所述样品气体能够从遥远的地方收集，并且经由样品供给管输送到样品室进行取样。所述样品气体然后能够经由样品回流管从样品室排出。一致地，样品供给管和样品回流管允许设备远程操作，与现场排出感测形成对比。在备选实施方式中可以使用任何其它合适气体供给装置。
可以设置样品处理系统(SHS)单元(未示出)以光学元件10中的气体压力。可以使用任何合适的SHS单元或其它压力控制装置，它/它们可以或可以不包括泵或者被泵驱动，和可以或可以不包括其它压力控制部件，例如阀装置。在图8的实施方式中，SHS单元包括吸气器，而不是泵，虽然在其它实施方式可以使用泵或其它压力控制装置或部件。
任何合适的光学元件可以用作光学元件10。例如，赫里奥特元件可以用作所述光学元件。任何合适的赫里奥特元件可以使用，或者任何合适的多通路光谱吸收元件，或者例如被配置成提供激光束和样品气体之间的交互的任何其它元件，例如通过在容纳气体的腔室的表面之间反射激光束。例如，所述光学元件可以是散光的赫里奥特元件。
在不同实施方式中，所述样品室可以被密封和/或所述系统可以包括用于控制所述样品室的压力和/或气体含量的装置。类似地，每个激光器可以包括壳体和下述中的至少一个：每个激光器壳体可以被密封和/或可以处于真空下或者可以包含选择的气体和/或处于选择的压力。在不同的实施方式中，所述检测器装置包括壳体和下述中的至少一个：所述检测器装置壳体被密封和/或处于真空下或者包含选择的气体和/或处于选择的压力。
本领域技术人员将理解，在不偏离所要求保护的发明创造的范围的前提下，能够对所描述的实施方式做出变型。例如，尽管讨论了控制器中的控制模块用于使激光器顺序地输出脉冲，允许产生组合的光束，其它控制器装置也可以使用。一个替代是机械光学开关装置，物理地控制激光使得只有一个激光器在给定的时间间隔上向光学部件提供光。作为另一实例，所描述的激光器是在一定波长范围上工作的半导体二极管激光器。然而，所述激光器可以是能够提供合适波长的光的任何合适的辐射源。附加地，所述激光器可以是单波长的。另一实例的一个改型，用任何合适的聚焦装置代替离轴抛物线镜。附加地，当第一光学界面在接触和/或对接耦合的意义上可以直接耦合时，第二光学界面在小于1mm的间距的意义上可以直接耦合。附加地，样品室可以例如不包括具有两个镜的光学元件以限定多通路布置。例如，所述光学元件可以包括一个镜或不包括镜，并且所述样品室可以设置单一通路布置和/或可以不包括取样元件。因此，具体实施方式的上述描述只是实例，不用于限制目的。对本领域技术人员明显的是，在不显著改变所述操作时，可以做出小的修改。

Claims (32)

1.一种激光检测系统，包括：
样品室，所述样品室被配置成接收和容纳一定体积的样品气体；
位于至少一个激光器壳体内的一个或多个激光器，其中每个激光器都被配置成产生用于激励样品气体中的一种或多种不同材料的各自激光束，并且所述一个或多个激光器位于所述样品室外部；
检测器装置，所述检测器装置用于检测从所述样品室输出的光；
第一光学界面，所述第一光学界面具有通到所述样品室的至少一个窗，所述至少一个窗对于来自所述一个或多个激光器的激光束是至少部分地透明的，其中所述至少一个激光器壳体相对于第一光学界面的至少一个窗定位成紧耦合布置，使得在使用中，所述激光束基本上不被所述激光器壳体和至少一个窗之间的通路改变。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第二光学界面，所述第二光学界面具有通到所述样品室的至少一个窗，所述至少一个窗对于从所述样品室输出的光是至少部分地透明的，其中所述检测器装置与所述第二光学界面布置成紧耦合布置，使得在使用中，所述激光束基本上不被从所述第二光学界面的至少一个窗到所述检测器装置的通路改变。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述紧耦合布置是使得下列中的至少一个：
所述激光器壳体的至少一个输出孔和所述第一光学界面的至少一个窗之间存在小于10mm，可选地小于5mm，可选地小于1mm的间距；
所述第二光学界面的至少一个窗和所述检测器装置之间存在小于10mm，可选地小于5mm，可选地小于1mm的间距。
4.根据权利要求3所述的系统，其中下列中的至少一个：
所述至少一个激光器壳体的至少一个孔包括在工作中所述激光束穿过的至少一个窗，并且所述至少一个激光器壳体的至少一个窗与所述第一光学界面的至少一个窗直接接触；
所述第二光学界面的至少一个窗与所述探测器装置直接接触。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，进一步包括至少一个耦合器件，所述耦合器件被配置成将所述至少一个激光器壳体保持成所述紧耦合布置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一光学界面的至少一个窗包括一个或多个平坦的或楔形的光学窗，其中每个窗都与各自至少一个激光器相关联。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括至少一个准直透镜，所述准直透镜与所述窗或者所述第一光学界面的至少一个窗相关联。
8.根据权利要求6或7所述的系统，进一步包括至少一个引导装置，所述至少一个引导装置位于所述样品室内部，并被配置成引导激光束穿过所述一个或多个窗到达所述样品室中的光学元件，其中所述至少一个引导装置被配置成将所述激光束沿着共同光学路径引导到所述光学元件。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述样品室内部的至少一个引导装置包括多个光学部件，所述光学部件布置成使得对于每个激光束，光学部件中的相应的至少一个被布置成沿着共同的光学路径引导所述激光束。
10.根据权利要求9所述的系统，其中下列中的至少一个：
所述多个光学部件大致布置在一条直线上；
所述光学部件中的至少一个包括平坦的或非楔形的光学部件。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述窗和/或多个光学部件中的每个都具有在0.1mm到1mm范围内的厚度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，进一步包括：
控制器，所述控制器被配置成控制所述一个或多个激光器的工作，使得所述激光束是按时间交错的脉冲激光束。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述样品气体包括乙烯、氢气、氮气或者天然气中的至少一种。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述多种材料包括二氧化碳、一氧化碳、水、甲烷和氨气中的至少一种。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述多种材料包括水、甲醇、氨气、乙炔、氧气、氟化氢、氯化氢、硫化氢、一氧化碳和二氧化碳中的至少一种。
16.根据前述权利要求任一项所述的系统，其中每个所述激光器都被配置成产生各自不同波长或者波长范围的激光束，和/或所述检测器装置或者每个检测器装置被配置成检测各自不同波长或波长范围的辐射。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述波长或波长范围中的至少一个选自下述范围：4.21到4.24μm；4.56到4.59μm或者4.72到4.76μm；6.09到6.14μm；7.43到7.47μm；和10.00到10.11μm。
18.根据权利要求16或17所述的系统，其中所述波长或波长范围的至少一个选自下述范围：6.11到6.12μm；7.42到7.44μm；6.14到6.16μm；7.41到7.43μm；4.23到4.24μm；和4.73和4.74μm。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的系统，其中述波长或波长范围的至少一个所选自下述范围：2.47到2.48μm；1.74到1.75μm；2.63到2.64μm,5.518到5.530μm；和4.854到4.878μm。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的系统，其中所述波长或波长范围的至少一个选自下述范围：759到761nm。
21.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统是连续排放物监测系统，或者氢气纯度测量系统，或氮气纯度测量，或天然气纯度测量系统，或者乙烯纯度测量系统。
22.一种使用于根据权利要求1至21中任一项所述的激光检测系统中的激光器，所述激光器包括至少一个耦合器件，用于将所述激光器与所述样品室耦合成所述紧耦合布置。
23.一种使用于根据权利要求1至21中任一项所述的激光检测系统中的检测器装置，所述检测器装置包括至少一个耦合器件，用于将所述检测器装置与所述样品室耦合成所述紧耦合布置。
24.一种用于根据权利要求1至21中任一项所述的激光检测系统中的样品室，所述样品室包括至少一个耦合器件，用于将所述样品室与至少一个激光器和所述检测器装置中的至少一个耦合成所述紧耦合布置。
25.一种用于检测样品气体中至少一种材料的存在、不存在或含量的方法，包括将激光辐射应用于样品气体，所述样品气体可以包含所述至少一种材料；检测来自所述样品气体的辐射；和基于所检测的辐射确定所述至少一种材料的存在、不存在或含量。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述样品气体包括乙烯、氢气、氮气或者天然气中的至少一种。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述至少一种材料包括二氧化碳、一氧化碳、水、甲烷和氨气中的至少一种。
28.根据权利要求25至27任一项所述的方法，其中所述至少一种材料包括水、甲醇、氨气、乙炔、氧气、氟化氢、氯化氢、硫化氢、一氧化碳和二氧化碳中的至少一种。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的方法，其中所述激光辐射具有选自下述范围的波长或波长范围：4.21到4.24μm；4.56到4.59μm或者4.72到4.76μm；6.09到6.14μm；7.43到7.47μm；和10.00到10.11μm。
30.根据权利要求25至29中任一项所述的方法，其中所述激光辐射具有选自下述范围的波长或波长范围：6.11到6.12μm；7.42到7.44μm或者6.14到6.16μm；7.41到7.43μm；4.23到4.24μm；和4.73到4.74μm。
31.根据权利要求25至30中任一项所述的方法，其中所述激光辐射具有选自下述范围的波长或波长范围：2.47到2.48μm；1.74到1.75μm；2.63到2.64μm,5.518到5.530μm；和4.854到4.878μm。
32.根据权利要求25至31中任一项所述的方法，其中所述激光辐射具有选自下述范围的波长或波长范围：759到761nm。
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