CN112858217B - 一种双波长法定量检测碳14同位素的装置及光谱仪 - Google Patents

一种双波长法定量检测碳14同位素的装置及光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双波长法定量检测碳14同位素的装置及光谱仪，通过将两路波长不同的中红外激光锁定在一个样品室的光腔上，保证两路光共线，通过腔长调节单元调节光腔的腔长，以调谐光腔的模式频率，进而调谐两路中红外激光的频率，使两路中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配；在中红外激光频率和目标同位素分子能级同时匹配之后，目标同位素分子被两路中红外激光同时激发，探测第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。也就是说，由于目标同位素分子的激发和光谱的探测需要两路激光与目标同位素分子的不同能级同时匹配，这就大大提高了光谱检测的选择性，从而提高光谱分辨能力，即实现了对目标同位素分子的选择和分辨。

Description

一种双波长法定量检测碳14同位素的装置及光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，更具体地说，涉及一种双波长法定量检测碳14同位素的装置及光谱仪。
背景技术
碳14同位素作为自然界中唯一的放射性碳同位素，其半衰期大约为5730年，主要是通过宇宙射线与地球大气中氮气作用产生，在地球大气中的同位素丰度仅为10-12。
地球大气中碳14主要以14CO2气体形式存在，通过全球生物碳循环扩散，其含量基本稳定，被广泛应用于年代测定和示踪、司法鉴定、环境监测和药物代谢等领域。
目前，激光光谱法是检测碳14同位素的重要方法之一，在碳14同位素的定量检测中具有极大的应用潜力。其主要测量原理是将样品控制在220K的低温下，用光腔衰荡光谱方法来测量碳14同位素的光谱信号。
但是，该激光光谱法受限于光谱本身的多普勒线宽，不能有效分辨碳14同位素和其它碳同位素、碳14同位素和其它分子同位素的光谱，即难以实现精确的定量测量。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种双波长法定量检测碳14同位素的装置及光谱仪，技术方案如下：
一种双波长法定量检测碳14同位素的装置，所述装置包括：第一激光源、第二激光源、第一激光锁定模块、第二激光锁定模块、样品室以及信号探测模块；
所述第一激光源用于输出连续的第一中红外激光；所述第二激光源用于输出连续的第二中红外激光；所述第一中红外激光和所述第二中红外激光的波长不同；
所述第一激光锁定模块用于将所述第一中红外激光锁定在所述样品室的光腔上；所述第二激光锁定模块用于将所述第二中红外激光锁定在所述样品室的光腔上；
所述样品室至少包括腔长调节单元；
所述腔长调节单元用于调节所述光腔的腔长，以调谐所述光腔的模式频率，进而调谐所述第一中红外激光和所述第二中红外激光的频率，使所述第一中红外激光的频率以及所述第二中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配；
所述信号探测模块用于在激光频率和目标同位素分子能级同时匹配之后，探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。
优选的，在上述装置中，所述第一中红外激光的调谐带宽大于1MHz；
所述第二中红外激光的调谐带宽大于1MHz。
优选的，在上述装置中，所述第一激光锁定模块用于将所述第一中红外激光锁定在所述样品室的光腔上，包括：
所述第一激光锁定模块用于对所述第一中红外激光的频率和相位进行调制和解调制，并产生误差信号；
所述第一激光锁定模块还用于依据所述误差信号产生负反馈信号，以控制所述第一中红外激光的频率，以使所述第一中红外激光锁定在所述样品室的光腔上；
所述第二激光锁定模块用于将所述第二中红外激光锁定在所述样品室的光腔上，包括：
所述第二激光锁定模块用于对所述第二中红外激光的频率和相位进行调制和解调制，并产生误差信号；
所述第二激光锁定模块还用于依据所述误差信号产生负反馈信号，以控制所述第二中红外激光的频率，以使所述第二中红外激光锁定在所述样品室的光腔上。
优选的，在上述装置中，所述第一中红外激光和所述第二中红外激光在所述样品腔中共线。
优选的，在上述装置中，所述光腔为高精细度光腔，精细度大于10000。
优选的，在上述装置中，所述腔长调节单元为压电陶瓷单元。
优选的，在上述装置中，所述样品室还包括温控单元；
所述温控单元用于调节所述光腔的温度；
调节后所述光腔温度的波动幅度小于100mK。
优选的，在上述装置中，所述信号探测模块包括探测单元；
所述探测单元用于探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。
优选的，在上述装置中，所述信号探测模块还包括：时序控制单元；
其中，所述时序控制单元用于控制所述腔长调节单元和所述探测单元的工作状态。
一种光谱仪，所述光谱仪包括上述任一项所述的装置。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置，通过将两路波长不同的中红外激光锁定在一个样品室的光腔上，使两路中红外激光共线，通过腔长调节单元调节光腔的腔长，以调谐光腔的模式频率，进而调谐两路中红外激光的频率，使两路中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配；在中红外激光频率和目标同位素分子能级同时匹配之后，目标同位素分子被两路中红外激光同时激发，探测第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。也就是说，由于目标同位素分子的激发和光谱的探测需要两路激光与目标同位素分子的不同能级同时匹配，这就大大提高了光谱检测的选择性，从而提高光谱分辨能力，即实现了对目标同位素分子的选择和分辨。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的能级匹配图；
图4为本发明实施例提供的又一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图。
所述装置包括：第一激光源11、第二激光源12、第一激光锁定模块13、第二激光锁定模块14、样品室15以及信号探测模块16。
所述第一激光源11用于输出连续的第一中红外激光；所述第二激光源12用于输出连续的第二中红外激光；所述第一中红外激光和所述第二中红外激光的波长不同。
所述第一激光锁定模块13用于将所述第一中红外激光锁定在所述样品室15的光腔上；所述第二激光锁定模块14用于将所述第二中红外激光锁定在所述样品室15的光腔上；需要说明的是，所述第一中红外激光和所述第二中红外激光在所述样品室15的光腔上锁定之后，所述第一中红外激光和所述第二中红外激光在所述样品室中共线。
参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图。
所述样品室15至少包括腔长调节单元17。
所述腔长调节单元17用于调节所述光腔的腔长，以调谐所述光腔的模式频率，进而调谐所述第一中红外激光和所述第二中红外激光的频率，使所述第一中红外激光的频率以及所述第二中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配。
所述信号探测模块16用于在激光频率和目标同位素分子能级同时匹配之后，探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。
在该实施例中，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的能级匹配图。
所述第一激光源11主要用于提供如图3所示的，与目标同位素分子能级E1和E2匹配的泵浦光，也就是本发明定义的第一中红外激光。
在所述第一激光源11输出连续的第一中红外激光之后，结合所述第一激光锁定模块13对所述第一中红外激光进行调整，保证所述第一中红外激光可以锁定在所述样品室15的光腔上，使所述第一中红外激光的频率与所述光腔的其中之一的模式频率一致。
所述第二激光源12主要用于提供如图3所示的，与目标同位素分子能级E2和E3匹配的探测光，也就是本发明定义的第二中红外激光。
在所述第二激光源12输出连续的第二中红外激光之后，结合所述第二激光锁定模块14对所述第二中红外激光进行调整，保证所述第二中红外激光也可以锁定在所述样品室15的光腔上，使所述第二中红外激光的频率与所述光腔的其中之二的模式频率一致。
进一步的，结合所述腔长调节单元17，实现对样品室15光腔腔长的调节，利用腔长的调节从而改变所述光腔的模式频率，进而调谐所述第一中红外激光和所述第二中红外激光的频率，使所述第一中红外激光的频率与目标同位素分子能级E1和E2匹配，且使所述第二中红外激光的频率与与目标同位素分子能级E2和E3匹配；即，使所述第一中红外激光的频率以及所述第二中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配。
在所述第一中红外激光的频率以及所述第二中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配之后，结合所述信号探测模块16探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号，即所述第二中红外激光透过所述光腔的透射信号。
需要说明的是，探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号可以为：腔增强吸收光谱(Cavity enhanced absorption spectroscopy)信号、光腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy)信号、噪声免疫的腔增强外差光谱(Noise-immunecavity enhanced optical heterodyne molecular spectroscopy)信号中的任意一种。
由此可知，本发明提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置，由于目标同位素分子的激发和光谱的探测需要两路激光与目标同位素分子的不同能级同时匹配，这就大大提高了光谱检测的选择性，从而提高光谱分辨能力，实现了碳14同位素的定量检测。
并且，相比较传统的激光光谱方法，其分辨率高，能在常温下实现对碳14同位素的定量检测。
也就是说，本发明提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置，利用双波长能级匹配的思想，实现对目标同位素分子的选择和分辨，有效分辨碳14同位素和其它碳同位素、碳14同位素和其它分子同位素的光谱。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第一中红外激光的调谐带宽大于1MHz；
所述第二中红外激光的调谐带宽大于1MHz。
在该实施例中，所述第一中红外激光的输出波长具有可快速调谐的功能，其调谐带宽大于1MHz。
所述第二中红外激光的输出波长也具有可快速调谐的功能，其调谐带宽大于1MHz。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第一激光锁定模块13用于将所述第一中红外激光锁定在所述样品室15的光腔上，包括：
所述第一激光锁定模块13用于对所述第一中红外激光的频率和相位进行调制和解调制，并产生误差信号；
所述第一激光锁定模块13还用于依据所述误差信号产生负反馈信号，以控制所述第一中红外激光的频率，以使所述第一中红外激光锁定在所述样品室15的光腔上。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第二激光锁定模块14用于将所述第二中红外激光锁定在所述样品室15的光腔上，包括：
所述第二激光锁定模块14用于对所述第二中红外激光的频率和相位进行调制和解调制，并产生误差信号；
所述第二激光锁定模块14还用于依据所述误差信号产生负反馈信号，以控制所述第二中红外激光的频率，以使所述第二中红外激光锁定在所述样品室15的光腔上。
在该实施例中，所述第一中红外激光和所述第二中红外激光需要同时锁定在所述样品室15的光腔上。
需要说明的是，所述第一中红外激光和所述第二中红外激光在所述样品室15的光腔上锁定之后，所述第一中红外激光和所述第二中红外激光在所述样品室中共线。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述光腔为高精细度光腔，精细度大于10000。
在该实施例中，所述样品室15的光腔为高精细度光腔，其精细度的典型值大于10000。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述腔长调节单元17为压电陶瓷单元。
在该实施例中，采用压电陶瓷单元来调整所述高精细度光腔的腔长，可以提高其腔长调整的精度。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图。
所述样品室15还包括温控单元18；
所述温控单元18用于调节所述光腔的温度；
调节后所述光腔温度的波动幅度小于100mK。
在该实施例中，所述温控单元18主要用于实现高精细度光腔的温度控制，控温后的光腔温度波动幅度需小于100mK。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图。
所述信号探测模块16包括探测单元19；
所述探测单元19用于探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号，即所述第二中红外激光透过所述光腔的透射信号。
所述探测单元19探测光腔输出信号，可以为腔增强吸收光谱(Cavity enhancedabsorption spectroscopy)信号、光腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy)信号、噪声免疫的腔增强外差光谱(Noise-immune cavity enhanced optical heterodynemolecular spectroscopy)信号中的任意一种。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的又一种双波长法定量检测碳14同位素的装置的结构示意图。
所述信号探测模块16还包括：时序控制单元20；
其中，所述时序控制单元20用于控制所述腔长调节单元和所述探测单元19的工作状态。
在该实施例中，所述时序控制单元20控制所述腔长调节单元17(压电陶瓷单元)调节所述光腔腔长，在所述第一中红外激光的频率以及所述第二中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配之后，控制所述探测单元19探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。
进一步的，在探测周期结束后，所述时序控制单元20还用于控制所述腔长调节单元17(压电陶瓷单元)继续调节所述光腔腔长，使所述第一中红外激光和所述第二中红外激光重新开始与光腔模式以及目标同位素分子相对应的能级进行匹配。
进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种光谱仪，所述光谱仪包括本发明上述实施例所述的双波长法定量检测碳14同位素的装置。
该光谱仪具有该双波长法定量检测碳14同位素的装置的优质特性。
以上对本发明所提供的一种双波长法定量检测碳14同位素的装置及光谱仪进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种双波长法定量检测碳14同位素的装置，其特征在于，所述装置包括：第一激光源、第二激光源、第一激光锁定模块、第二激光锁定模块、样品室以及信号探测模块；
所述第一激光源用于输出连续的第一中红外激光；所述第二激光源用于输出连续的第二中红外激光；所述第一中红外激光和所述第二中红外激光的波长不同；
所述第一激光锁定模块用于将所述第一中红外激光锁定在所述样品室的光腔上；所述第二激光锁定模块用于将所述第二中红外激光锁定在所述样品室的光腔上；
所述样品室至少包括腔长调节单元；
所述腔长调节单元用于调节所述光腔的腔长，以调谐所述光腔的模式频率，进而调谐所述第一中红外激光和所述第二中红外激光的频率，使所述第一中红外激光的频率以及所述第二中红外激光的频率与目标同位素分子的不同能级同时匹配，以实现对目标同位素分子的选择和分辨；
所述信号探测模块用于在激光频率和目标同位素分子能级同时匹配之后，探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一中红外激光的调谐带宽大于1MHz；
所述第二中红外激光的调谐带宽大于1MHz。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光锁定模块用于将所述第一中红外激光锁定在所述样品室的光腔上，包括：
所述第一激光锁定模块用于对所述第一中红外激光的频率和相位进行调制和解调制，并产生误差信号；
所述第一激光锁定模块还用于依据所述误差信号产生负反馈信号，以控制所述第一中红外激光的频率，以使所述第一中红外激光锁定在所述样品室的光腔上；
所述第二激光锁定模块用于将所述第二中红外激光锁定在所述样品室的光腔上，包括：
所述第二激光锁定模块用于对所述第二中红外激光的频率和相位进行调制和解调制，并产生误差信号；
所述第二激光锁定模块还用于依据所述误差信号产生负反馈信号，以控制所述第二中红外激光的频率，以使所述第二中红外激光锁定在所述样品室的光腔上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一中红外激光和所述第二中红外激光在所述样品腔中共线。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光腔为高精细度光腔，精细度大于10000。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔长调节单元为压电陶瓷单元。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品室还包括温控单元；
所述温控单元用于调节所述光腔的温度；
调节后所述光腔温度的波动幅度小于100mK。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号探测模块包括探测单元；
所述探测单元用于探测所述第二中红外激光经过所述光腔的光腔输出信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号探测模块还包括：时序控制单元；
其中，所述时序控制单元用于控制所述腔长调节单元和所述探测单元的工作状态。
10.一种光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括权利要求1-9任一项所述的装置。
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