CN1089894C - 高分辨率、紧凑型内腔激光光谱仪 - Google Patents

Abstract

根据本发明，一种将输入光束色散为波长λ来为探测器所探测的、高分辨率紧凑型光谱仪被提供。这种光谱仪包括：(a)入口狭缝，入射光束由此通过；(b)第一镜，准直来自入口狭缝的光束；(c)第一反射光栅，将准直光束色散来形成具有光谱强度分布的光束，具有沟槽数目为N₁；(d)第二反射光栅，进一步色散准直光束，具有沟槽数目为N₂；(e)第二镜，聚焦准直的和色散的光束，其中所说的光谱仪具有一个基本对称的结构。光谱仪的对称结构加倍了光栅的分辨率和色散。紧凑型高分辨率图像光谱仪能够利用带有内腔元件的高灵敏度气体传感器测量气体的吸收线。

Description

高分辨率、紧凑型内腔激光光谱仪

本发明涉及图像光谱仪，更为特别地涉及基于内腔激光光谱学的图像光谱仪。

激光器的最简单形式在结构上图解为包括位于两个镜之间的增益媒质。激光器腔内的光在镜间来回反射，每一次通过增益媒质，这产生光增益。第一个镜可以是全反射的，而第二个镜可以是部分反射的，由此允许部分光从激光腔中逸出。两个反射镜表面之间的空间区域确定了激光腔或谐振腔，在本发明的文中涉及到所谓的“内腔区域”。

激光输出的强度是增益媒质工作的波长范围和谐振腔元件的反射率的函数。通常输出是宽的，并且没有细锐的、特征谱线特征。

采用激光光谱对气体种类的确认，例如原子、分子、基或离子，要求激光的输出在该种类气体的吸收波长范围内。激光器在气体种类探测中的一般应用中，激光辐射被用于激励在激光器外部的气体样品来产生二级信号，例如电离或荧光。在一般的吸收光谱仪中，激光通过位于激光器外的气体样品，监测随波长变化的衰减。

二十年前，另一种探测方法，内腔激光光谱学(ILS)被首次公开；例子参见，G.Atkinson，A.Laufer，M.Kurylo，“利用内腔染料激光器技术探测自由基”，59物理化学学报，7月1，1973。在ILS中，激光器本身被用作探测器。被分析的气体样品被插入在一个多模、均匀展宽的激光器的光学腔中。Atkinson等指出将光学腔中的气体分子、原子、基和/或离子置于它们的基态或者激发态，激光器的输出可以被改变。特别地，内腔气体种类的吸收光谱出现在激光器的输出光谱中。

激光器输出中不同的吸收特征来自于由气体种类吸收所产生的内腔损失。(正如这里所用，吸收特征对应于光强度与波长关系曲线中的光强度达到局部最小值的一系列连续波长)。在一个多模激光器中，内腔吸收损失与激光器增益通过正常的模式动力学相竞争。结果在较强的内腔吸收特征有效地与激光器增益相抗衡的波长处，从激光器的输出中可以观察到强度的衰减。吸收特征越强烈，在那些波长的激光器输出降低得越多。

利用在激光器谐振腔中插入吸收气体种类，ILS可以提供比普通光谱学方法更为增强的探测灵敏度。ILS技术的增强的探测灵敏度来源于(1)激光器增益媒质所产生的增益，和(2)吸收体损失的非线性竞争。因此利用ILS既可以探测弱的吸收也可以探测极小的吸收体浓度。

在光学腔中的每一种气体种类可以靠它们对应的吸收谱或特征谱线来唯一地辨认。此外，如果传感器被合适地校准，气体种类的浓度可以通过光谱特征或特定的吸收强度来确定。(这里所用的术语“光谱特征”对应于波长与吸收强度或吸收率的曲线，其唯一地确定气体种类)。

气体种类的光谱特征可以由ILS激光器的输出对波长的色散来获得。典型的两种探测方式被采用来色散ILS激光器的输出，以获得气体种类的光谱特征。ILS激光器的输出可以通过一个固定波长、色散光谱仪，并且由这个光谱仪分辨的特定光谱区域可以用一个多通道探测器来计录；参见1996年7月3日提交的申请号为08/675,605的专利，专利名称为“利用内腔激光光谱学(ILS)的高灵敏度气体探测用激光二极管泵浦的激光系统”。另一种方法，可以利用一种能够波长扫描的光谱仪选择性分辨由一个单通道探测器记录的不同谱线区。

ILS探测系统的现有技术中，所采用的ILS激光器具有一个较宽的谱线宽度，相对于所被探测的内腔种类的吸收光谱中特征谱线的宽度而言；参见美国专利5,689,334，1997年11月18日授予G.H.Atkinson等的“用于杂质的高灵敏度探测的内腔激光光谱学”。特别地，激光器系统具有一个工作谱线宽度，其至少为被监测气体种类特征吸收谱线的三倍宽度。

然而，先前的在试验室被成功证实的实现ILS的方法，对于许多商业应用而言太大并且太复杂。特别地，对将激光器输出光谱色散的光谱仪、以及计算机分析吸收谱线的要求，增加了探测系统的尺寸和复杂性。相反，商业现实的制约要求气体探测器必须是方便使用的尺寸，相对地不昂贵并且可靠。

这样，对ILS应用所要求的就是一种高分辨的、紧凑型光谱仪。

根据本发明，提出了一种高分辨率、紧凑型的内腔激光光谱仪。“高分辨率”意思为光谱仪的分辨率小于1/50,000。将输入光束色散为波长λ以便为探测器所探测的光谱仪包括：

(a)聚焦透镜，其与光谱仪的数值孔径匹配；

(b)入口狭缝，入射光束由此通过；

(c)第一镜，准直来自入口狭缝的光束；

(d)第一反射光栅，将准直光束色散来形成具有光谱强度分布的光束，其具有的沟槽数目为N₁；

(e)第二反射光栅，进一步色散准直光束，其具有的沟槽数目为N₂；

(f)第二镜，聚焦准直的和色散的光束，

其中光谱仪具有一个基本对称的结构。

本发明的光谱仪配合一个线性光二极管列阵会特别有用。

光谱仪的对称性结构使得光栅的分辨率和发散加倍。具有内腔单元的紧凑型高分辨率图像光谱仪能够高灵敏度地测量气体的吸收线。

考虑了下面所附的插图和插图的细节描述后，本发明的其它目标、特征和优点将会变得很明显，插图中相同的标号代表相同的特征。

参考描述的插图并非按比例绘制，除非特别标明。

图1为采用本发明的光谱仪的探测器系统结构方块图；

图2为本发明光谱仪结构示意图，其采用两个反射光栅；

图3为本发明光谱仪结构示意图，显示了在光谱仪中为产生对称性反射光栅的角度要求；

图4为本发明光谱仪的结构示意图，显示了当采用两个以上反射光栅时的角度要求。

现在详细介绍本发明的一个特定实施方案，它描述了发明者为实施本发明目前考虑的最好的模式。也简单地描述了另一种实用的实施方案。

现在参考图1，显示了一个气体探测器系统10，包括泵谱激光器12，内腔激光光谱(ILS)激光器和连带的腔室14，光谱仪16，以及探测器和附带的电子设备18(例如计算机，数字电子设备等)。气体探测器系统10在其它地方已被详细描述；例子参见1997年11月18日授予的美国专利5,689,334。

根据本发明，光谱仪16是一个图像光谱仪，采用两个反射凹面镜，两个平面反射光栅，和一个入口狭缝，采用线性光二极管列阵作为探测器18。图2描述了本发明的图像光谱仪16。光谱仪16包括入口狭缝20，空间相干光束22通过其进入光谱仪。来自ILS激光器14的空间相干光束22在进入入口狭缝20之前先穿过透镜19。光谱仪16给出一个衍射限制图像，其光斑尺寸正比于它的f-数，f-数定义为光谱仪焦距和光阑孔径之比。为将入射激光光束22成像到光谱仪16的入口狭缝20，透镜19的f-数基本等于光谱仪的f-数。

光束22入射到准直镜24上(它可以是凹的)，在其上光束被准直然后导向到第一反射光栅26，在该光栅处波长被色散。为清晰起见，光束22的准直未被显示，由第一反射光栅26，光束22被导向第二反射光栅28，经过光栅28波长被进一步色散，然后导向聚焦镜30(也可以是凹的)。第二光栅28被设置使得该光栅上感兴趣的波长的衍射角基本上等于其在第一光栅26上的入射角。聚焦镜30将光束22聚焦到平面32上，它可以是出口狭缝(未显示)或探测器18，在此光束被分析。光探测器列阵适合于被用作探测器18。图像光谱仪16具有一个对称结构，正如下面详细描述。

两个光栅26和28的分辨率为 $\∂\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{m(N_1+N_2)}$ 其中λ为所感兴趣的波长，m为衍射级数，N₁和N₂分别为第一光栅26和第二光栅28的沟槽数。

在对称情况下，N₁＝N₂，这样上面的方程简化为 $\∂\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{mN}}$

图像光谱仪16的分辨率一般不仅依赖于光栅26和28，也依赖于入口狭缝20的位置和大小、探测器象素孔径以及图像光学器件24和30的像差。两个光栅26和28相比于单个光栅提高了分辨率；利用在光谱仪16中建立对称性可以获得最高的分辨率。

两个光栅26和28的色散为 $\frac{{\∂\mathrm{\β}}_2}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{{\cos \mathrm{\α}}_2+{\cos \mathrm{\β}}_1}{\cos {\mathrm{\β}}_1\·\cos {\mathrm{\β}}_2}\mathrm{mg}$ 其中α₁为光栅入射角，β为光栅衍射角，g为光栅的沟槽频率(单位毫米的沟槽数)，m为衍射级数。

在对称情况下，α₂＝β₁，β₂＝α₁，上面方程简化为 $\frac{{\∂\mathrm{\β}}_2}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{2\mathrm{mg}}{\cos {\mathrm{\β}}_2}$ 图3描述了入射角和衍射角，在后面将讨论。本发明的小型图像光谱仪16起因于两个光栅26和28的加倍的色散。

图3是光谱仪16的结构示意图，显示了成一定角度的两个光栅26和28彼此的空间位置关系，入射光束22成象在第一光栅26上，而出射光束22’从第2光栅28射出。对于任意数目的光栅，光谱仪16的对称性可以由下面导出：

α_n-1＝β_n

β_n-1＝α_n

对于偶数个光栅：

β_even＞α_even

β_odd＜α_add

对于奇数个光栅：

β_even＜α_even

β_odd＞α_add

ILS激光器14是进入光谱仪16的光束22的源，它提供一个空间相干光束(高强度窄束宽)。空间相干光束的利用与常用的光谱仪所分析的空间非相干光束相反。

尽管图1显示了两个光栅26和28，也可以采用多于两个光栅。多个光栅的采用增加了从光谱仪16向输出平面32(例如出口狭缝或光探测器18)输出的光束22的波长色散。图4描述了具有4个衍射光栅26，28，34，36的光谱仪16。

由于光谱仪16的对称结构，如下所述，光栅的数目可以被扩展到4，6，8……并且分辨率和色散增加2^4/2，2^6/2，2^8/2倍。

此外，光谱仪光栅26和28均被固定，这样不进行扫描。由于光栅26和28不进行扫描，不需要马达，因此光谱仪16被进一步简化，尺寸进一步减小。

入射到光栅26的光束22采用掠入射，这样充满整个光栅。对整个光栅的利用增加了波长的分辨率。分辨率随光栅中沟槽数N增加，但是如果光束未入射到光栅的某一部分，那些沟槽在光束的衍射中未被利用。这样充满光栅对充分利用光栅所能提供的色散很重要。

分辨率由入口狭缝20的宽度、光栅26和28的色散、以及出口狭缝的宽度或线性探测器列阵18的象素的宽度的卷积来确定。

在本发明的光谱仪16中，光栅26和28行为如一个总倍率为1的望远镜或光束放大器。第二镜30将第二光栅28上衍射的色散光束22聚焦。在这种结构中，由于光谱仪的结构，从光谱仪16出射的光束进入到线性平面32。线性光二极管列阵18被用来同时探测光束22的光谱强度分布。线性光二级管列阵18可以是任意的用于单色仪的单通道探测器。

由于光谱仪16的对称性结构，两个光栅象放大率为1X的望远镜一样工作。准直镜24的数值孔径(或f-数)与聚焦镜30的相同，无论多少光栅被采用。

正如这里所用术语“基本对称”意思为尽目前工艺所能达到的最好的对称性，应该意识到在目前理想对称性可能不能被完全达到。然而利用这里提示的基本对称元件，可以提供最高程度的分辨率和小型化。

本发明的紧凑型、高分辨率图像光谱仪16能够测量利用带有内腔元件的高灵敏度气体传感器测量气体的吸收线。

最重要的优点是图像光谱仪16的对称结构，使光栅26和28的灵敏度和色散加倍。

图中明显看到，镜24，30在光栅26，28和镜之间折叠光束22。光束22的折叠导致本发明高分辨率图像光谱仪的紧凑型尺寸。

对于利用带有内腔元件的高灵敏度气体传感器测量气体吸收线，高分辨率光谱仪的对称光栅结构在ILS系统中非常有用。此外，对于相干激光器，对称光栅结构能够提供高的色散和窄范围内的某些调谐度。

这样，公开了一种高分辨率、紧凑型内腔激光光谱仪。很明显在设计和元件的安排中可以进行众多的调整，所有的这些变化和调整被认为属于在附加的权利要求中所明确的发明范围之内。

Claims (10)

1.一种将输入的空间相关光束色散为波长λ来为探测器所探测的光谱仪，所述光谱仪包括：

(a)入口狭缝，入射光束由此通过；

(b)第一镜，用于准直来自入口狭缝的光束；

(c)第一反射光栅，将准直光束色散来形成具有光谱强度分布的光束，所述第一反射光栅具有的沟槽数目为N₁；

(d)第二反射光栅，用于进一步色散所述准直光束，其具有的沟槽数目为N₂；

(e)第二镜，用于聚焦所述准直的和发散的光束，

其中所说的光谱仪具有一个基本对称的结构，所说的对称结构由下式导出：

α_n-1＝β_n

β_n-1＝α_n

这里α表示入射角，β是所述光栅的衍射角，两个光栅都固定就位，且N₁＝N₂；和

(f)一个包含探测器的出射平面，所述光束被聚焦到所述出射平面上，且其中所说的探测器是一个光电二极管探测器列阵。

2.根据权利要求1的光谱仪，所述光谱仪具有一个数值孔径，并且还包括与所说的数值孔径匹配的聚焦透镜。

3.根据权利要求1的光谱仪，在所说的第二反射光栅和所说的第二镜之间包括偶数数目的额外的反射光栅。

4.根据权利要求1的光谱仪，其中所说出射平面包括一个出口狭缝。

5.根据权利要求4的光谱仪，其中所说的光电二极管探测器列阵是线性的，以便允许同时探测所说光束的光谱强度分布。

6.根据权利要求5的光谱仪，其中所说的线性光电二极管列阵包括用于单色光谱仪的单通道探测器。

7.根据权利要求1的光谱仪，其中所说的两个光栅对波长λ提供的分辨率为 $\∂\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{m(N_1+N_2)}$

其中每一个所说的光栅具有衍射级数和沟槽数，m为所说的衍射级数，N₁和N₂分别为所说的第一和第二光栅的沟槽数，其中所述对称结构提供了 $\∂\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{mN}}$

其中N₁＝N₂。

8.根据权利要求1的光谱仪，其中所说的两个光栅具有的色散为 $\frac{{\∂\mathrm{\β}}_2}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{{\cos \mathrm{\α}}_2+{\cos \mathrm{\β}}_1}{\cos {\mathrm{\β}}_1\·\cos {\mathrm{\β}}_2}\mathrm{mg}$

其中每一个所说的光栅具有(1)入射光的入射角和衍射光的衍射角，(2)沟槽频率，(3)衍射级数，其中α为所说的入射角，β为所说的衍射角，沟槽频率是单位线性长度上的沟槽数，g为所说的沟槽频率，m为所说的衍射级数，其中所述对称结构得到了 $\frac{{\∂\mathrm{\β}}_2}{\∂\mathrm{\λ}}=\frac{2\mathrm{mg}}{\cos {\mathrm{\β}}_2}$

其中β₂为所说的第二反射光栅的衍射角。

9.根据权利要求1的光谱仪，其中对于偶数数目的光栅，

β_even＞α_even

β_odd＜α_add。

10.根据权利要求1的光谱仪，用于内腔光谱仪来测量气体的吸收线。

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