CN113924472A - 光腔衰荡光谱系统以及在其中调制光束的方法 - Google Patents

光腔衰荡光谱系统以及在其中调制光束的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种光腔衰荡光谱系统和一种在其中调制光束的方法。该光腔衰荡光谱系统包含：至少一个生成光束的激光器；第一光学调制器，其定位成衰减来自至少一个激光器的光束；第二光学调制器，其定位成衰减来自第一光学调制器的光束；衰荡腔，其定位成接收来自第二光学调制器的光束；以及至少一个光传感器，其检测从衰荡腔泄漏的光的强度。

Description

光腔衰荡光谱系统以及在其中调制光束的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月3日提交的美国临时申请第62/828,750号的优先权，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本说明书一般涉及气态样品分析，尤其涉及光腔衰荡光谱系统以在其中调制光束的方法。
背景技术
光腔衰荡光谱技术(“CRDS”，Cavity ring-down spectroscopy)是一种通常用于使用气态样品中的单个分析物的吸收光谱来识别和量化气态样品中的单个分析物的方法。典型的CRDS系统采用生成光束的激光器，该光束被引导到具有两个高反射镜的腔室的腔中。光束通常在可见光谱内，通常在近红外(“IR”)光谱内，并且被调谐到单个波长以识别单个分子的存在。然后，光束在反射镜之间被重复地反射，这允许一部分光逸出衰荡腔。当激光器与腔模式谐振时，由于相长干涉而在腔中生成强度。当进入腔的光被消除时，在衰荡腔中的光的强度在为空时以预定速率衰减。一小部分光不被反射镜反射而从衰荡腔中逸出。由传感器部件测量逃逸光的强度以确定衰减速率。
当气态样品放置在衰荡腔中时，气态样品中存在的分析物吸收一些光，从而加速衰荡腔中光强度的衰减。通过测量在特定波长下存在气态样品时的光的衰减时间相对于在这些波长下不存在气态样品时的光的衰减时间来生成吸收光谱。气态样品的测量吸收光谱与各种分析物的已知吸收光谱的线性回归使得能够鉴定和定量气态样品中的各个分析物。
发明内容
在一个方面，提供了一种光腔衰荡光谱系统，其包括：至少一个生成光束的激光器；第一光学调制器，其定位成衰减来自至少一个激光器的光束；第二光学调制器，其定位成衰减来自第一光学调制器的光束；衰荡腔，其定位成接收来自第二光学调制器的光束；以及至少一个光传感器，其测量从衰荡腔泄漏的光的强度。
该光腔衰荡光谱系统还可以包含至少一个聚焦透镜，用于聚焦光束以匹配衰荡腔的光学模式。
第一光调制器和第二光调制器可以是声光调制器。
该光腔衰荡光谱系统还可以包括控制器，该控制器被配置为引导第一光调制器以在第一光调制器的衰减极限处或接近于所述衰减极限处衰减光束，并且同时地引导第二光调制器以在第二光调制器的衰减极限处或接近于所述衰减极限处进一步衰减光束，以减小或消除来自第一光调制器的光束的强度。
在另一方面，提供了调制光腔衰荡光谱系统中的光束的方法，该方法包括：经由至少一个激光器生成光束；经由第一光学调制器消除来自至少一个激光器的光束；通过第二光调制器消除来自第一光调制器的光束；在衰荡腔中接收由第二光调制器衰减的光束；以及测量从衰荡腔泄漏的光的衰减速率。
第一光调制器和第二光调制器可以是声光调制器。
该方法可进一步包括：引导第一光学调制器在第一光学调制器的衰减极限处或接近衰减极限处衰减光束；以及同时地引导第二光调制器以在第二光调制器的衰减极限处或接近衰减极限处进一步衰减朝向衰荡腔行进的光束，以减小或消除来自第一光调制器的光束的强度。
在阅读了以下附图和描述之后，其他技术优点对于本领域的普通技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解在此描述的一个或多个实施例并且为了更清楚地示出可以如何实施该一个或多个实施例，现在将仅通过举例的方式参考附图，在附图中：
图1是根据一个实施例的光腔衰荡光谱系统的各种光学和气动部件的示意图；以及
图2是用于控制图1所示的光腔衰荡光腔衰荡系统的各种光学和气动部件的电控制系统的示意图。
除非另外特别指出，否则附图中所示的制品不必按比例绘制。
具体实施方式
为了说明的简单和清楚，在认为适当的情况下，附图中的附图标记可以重复，以指示或类似的元件。此外，为了提供对这里描述的一个或多个实施例的或多个实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将了解，可在没有这些特定细节的情况下实践本文所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的方法，过程和部件，以免混淆这里描述的实施例。首先应当理解，尽管在附图中示出并在下面描述了示例性实施例，但是无论当前是否已知，都可以使用任何数量的技术来实现本公开的原理。本公开决不应限于在附图中示出并在下面描述的示例性实现方式和技术。
贯穿本说明书使用的各种术语可以如下阅读和理解，除非上下文另外指明：如通篇使用的“或”是包括性的，如同写成“和/或”；如全文所使用的单数冠词和代词包含其复数形式，反之亦然；类似地，性别化代词包含其对应代词，使得代词不应被理解为将本文描述的任何内容限制为通过单个性别使用、实现方式、表现等；“示例性”应当被理解为“说明性的”或“示例性的”，并且不一定被理解为比其他实施例“优选”。术语的进一步定义可在本文中陈述；这些可以应用于这些术语的先前和后续实例，如通过阅读本说明书将理解的。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略。例如，系统和装置的部件可以是集成的或分离的。此外，这里所公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他部件来执行，并且所描述的方法可以包含更多、更少或其他步骤。另外，步骤可以以任何合适的顺序执行。如本文所用，“每个”是指集合的每个成员或集合的子集的每个成员。
执行指令的本文中例示的任何模块、单元、部件、服务器、计算机、终端、引擎或设备可以包含或以其他方式访问计算机可读介质，比如存储介质、计算机存储介质或数据存储设备(可移动和/或不可移动)，比如例如磁盘、光盘或磁带。计算机存储介质可包含以用于存储比如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质的示例包含RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备、或者可用于存储所需信息并且可由应用、模块或两者访问的任何其他介质。任何这样的计算机存储介质可以是设备的一部分或可访问或可连接到其上。此外，除非上下文另外明确指出，否则这里阐述的任何处理器或控制器可以被实现为单个处理器或多个处理器。多个处理器可以是阵列式的或分布式的，并且在此提及的任何处理功能可以由一个或多个处理器来执行，即使可以例示单个处理器。本文描述的任何方法，应用或模块可以使用计算机可读/可执行指令来实现，该计算机可读/可执行指令可以由这样的计算机可读介质存储或以其他方式持有，并且由一个或多个处理器执行。
CRDS系统通常包含用于调制来自激光器的光的光调制器。光调制器可以将光偏转到另一路径，以便减弱光的强度或功率。声光调制器(AOM)是一种类型的使用耦合到比如锗或玻璃的材料的压电换能器的光调制器。在所描述的实施例中，材料是锗。当将振荡电信号施加到压电换能器时，该压电换能器振动，在材料中生成声波。这些声波使材料膨胀和压缩，从而生成折射率的周期性变化并允许布拉格衍射。以相对于垂直于声波传播轴的平面的一阶布拉格角进入AOM的光将以最大效率偏转等于布拉格角两倍的量。消除电信号消除了材料的布拉格衍射特性，并使光不偏转地通过，有效地衰减了沿偏转光路的光。AOM的副产品是被偏转的光的频率被偏移。
电光调制器是另一种类型的光调制器，其向材料施加DC或低频电场以扭曲材料分子的位置、取向和/或形状。结果，改变折射率以改变作为所施加的场的函数的出射光束的相位。通过发送光束通过偏振器，相位调制被转换成强度调制。在另一种方法中，相位调制器当被放置在干涉仪的分支中时可以充当强度调制器。
光调制器用于控制由激光器生成的光束的强度。使用声光调制器的一个副作用是光的频率发生偏移。该偏移相对于光的绝对频率较小。
在CRDS中，确定光在衰荡腔中的衰减速率，以便了解气态样品在衰荡腔中的吸收光谱。然而，采用单个光调制器的传统CRDS系统难以如所期望的那样快速和完全地消除提供给衰荡腔的光。这对于中IR比对于近IR和可见波长更正确。通常，光调制器不生成完美的阶跃函数输出，并且具有斜坡上升和斜坡下降时间。结果，在衰荡事件开始时进入衰荡腔的附加光可能难以补偿，使得已知分析物吸收光谱的线性回归更具挑战性。
图1中示出了根据特定实施例的CRDS系统20的各种部件。提供CO2激光器24和碳13O2激光器28。CO2激光器24和碳13O2激光器28是以一系列准均匀间隔的公知频率发射的气体管激光器，这些频率可以使用可调衍射光栅装置快速选择。气体管激光技术具有很长的历史，并且是以精确已知的频率生成红外辐射的稳定和稳健的方式。CO2激光器24和碳13O2激光器28都发射中IR光谱的光。
CO2激光器24和碳13O2激光器28中的每一个都具有致动器和输出耦合器，其能够调节激光腔的长度以及改变腔背面处的光栅角度，从而改变其节距以调节其反射的波长。通过调节激光腔的长度和改变光栅的角度，可以非常精确地将激光器调谐到特定波长和期望的模式质量。
CO2激光器24产生第一激光束32，且碳13O2激光器28产生第二激光束36。根据所需的光频率，或者在解谐碳13O2激光器28的同时调谐CO2激光器24并生成第一激光束32，或者在解谐CO2激光器24的同时调谐碳13O2激光器28并生成第二激光束36。以这种方式，至多只有CO2激光器24和碳13O2激光器28中的一个在任何特定时间输出光束，使得第一光束32和第二光束36不同时组合。选择中红外，特别是长波长红外作为光的类型，因为大多数挥发性有机化合物吸收该范围内的光。结果，可以通过单个系统测量多种挥发性有机化合物。CO2激光器在该范围内工作，并具有用于衰荡光谱的足够的功率和线宽狭窄度。使用两个激光器增加了CRDS系统20可用于分析气态样品的可用波长的范围和数量。
第一激光束32经由光学安装件上的反射镜40被重定向到分束器44。分束器44是部分反射和部分透射的，并且将第一激光束32和第二激光束36中的每一个分成两束，采样光束48和工作束52，该工作束52具有与采样光束48相同的特性并且可以具有与采样光束48类似的强度。
采样光束48由快速检测器56接收。快速检测器56使用示波器测量采样光束48的振幅和拍频。拍频可以指示由CO2激光器24或碳13O2激光器28的次优调谐引起的更高阶模式的存在。响应于检测到不期望的拍频，调谐相应的激光器24或28，直到拍频的幅度被最小化或消除，同时使强度最大化。如果拍频的幅度不能降低到可接受的水平以下，则可以将激光器调谐到不同的波长。
工作光束52继续到达第一光调制器60，然后第一光调制器60将工作光束52偏转到光学安装件上的反射镜64。该反射镜64将光重定向到第二光调制器68，该第二光调制器68又将工作光束52偏转到聚焦透镜72。在本实施例中，第一光调制器60和第二光调制器68是AOM，也称为布拉格器件，但在其他实施例中也可以是电光调制器。
第一光调制器60和第二光调制器68用作衰减器以调节工作光束52的强度并在衰荡事件开始时消除光束。因为它们是AOM，所以第一光调制器60和第二光调制器68使用声光效应来使用声波(通常在射频下)衍射光。在第一光调制器和第二光调制器的每一个中，压电换能器耦合到比如锗或玻璃的材料，并且振荡电信号用于使压电换能器振荡。振动压电换能器在材料中生成声波，该声波膨胀并压缩材料，从而在折射率中生成周期变化并允许布拉格衍射。以相对于垂直于声波传播轴的平面的布拉格角进入AOM的光将以最大效率偏转等于布拉格角两倍的量。消除电信号消除了材料的布拉格衍射特性，并使光不偏转地通过，有效地消除了沿偏转光路的光。因此，声音的强度可用于调制偏转光束中的光的强度。
由第一光学调制器60和第二光学调制器68中的每一个所偏转的光的强度可以在约85％之间，这表示光学调制器60、68的最大偏转效率，并且第一光学调制器60和第二光学调制器68中的每一个的衰减极限为输入光强度的约0.1％。当施加到锗的声波关闭时，偏转的波束损失先前强度的约30dB或99.9％。衰减极限意味着光调制器可以减小多少输入光强度的上限。
光学调制器是不对称的，因为作为副作用，当在其第一端接收输入光时，它们在第一模式下对光的频率进行多普勒频移，并且当在其第二端接收输入光时，它们在与第一模式相反的第二模式下对光的频率进行多普勒频移，并且衰减功率相同。然而，不管光是在第一端还是在第二端进入，光的频率的多普勒频移都在相同的方向上。
传统的CRDS系统使用单个光调制器，因此具有频移的工作光束。这些频移相对于光的频率通常很小，并且可以改变光被腔中的物质吸收的方式，但是这个频移可以在分析期间被补偿。如果衍射朝向AOM的声波源，则频移向下，而如果衍射远离声波源，则频移向上。如所讨论的，效果是最小的。
由第二光调制器68偏转的工作光束52经由聚焦透镜72聚焦，以匹配衰荡腔84的光学模式。当激光束以及因此工作光束52从CO2激光24或碳13O2激光28行进时，其继续发散。聚焦透镜72将工作光束52向下聚焦。
之后，光学安装件上的反射镜76将工作光束52重定向到衰荡腔室80。两个反射镜64、76延伸工作光束52的路径长度。
衰荡腔室80是其中限定衰荡腔84的细长管。前腔镜88a和后腔镜88b(在本文中也可替代性地称为腔镜88)位于衰荡腔84的纵向端部。腔镜88是高反射性的，既对从衰荡腔84外部导向腔镜88的光也对衰荡腔84内的腔镜88导向。结果，工作光束52的一部分(约0.1％)被引导到前腔镜88a、穿过前腔镜88a，并进入衰荡腔84，而工作光束52的大部分(约99.9％)被反射回镜76。
腔镜88安装在反射镜安装件92上，该反射镜安装件92可致动以调节腔镜88的定位和定向。特别地，朝向衰荡腔84前部的前腔镜88a安装在反射镜安装件92上，反射镜安装件92可经由三个机械化的测微计96a致动。朝向衰荡腔84后部的后腔镜88b安装在反射镜安装件92上，该反射镜安装件92可经由三个电动测微计96b致动，该测微计96b可手动调节以用于光学对准，或者通过压电装置致动，该压电装置允许通过压电驱动器进一步对它们进行调节。
可以改变每个腔镜88的角度，使得它们完全对准，使得当光束进入衰荡腔84时，光束不偏离。如果其中一个腔镜88是歪斜的，则一些光被反射到衰荡腔84的侧面、损失光的强度、生成高阶模。还可以同时调节测微计96以改变衰荡腔84的长度。这允许调谐衰荡腔84，使得衰荡腔84以进入衰荡腔84的光的频率谐振。
聚焦透镜72聚焦激光以匹配衰荡腔84的光学模式，使得光束的最小束腰位于与衰荡腔84的最小束腰相同的位置。
液氮冷却的检测器100形式的光传感器位于后腔镜88b的后面，以接收通过它逃逸的光。液氮冷却的检测器100测量从衰荡腔84逸出的光的强度。可以使用其他类型的用于测量逃逸光的强度的传感器来代替液氮冷却的检测器100，比如热电冷却的检测器。
在调谐过程中，CO2激光器24和碳13O2激光器28之一被调谐，并且到达快速检测器56的采样光束48被分析以识别拍频。如果采样光束48中存在拍频，则调整相应的激光器，直到不期望的拍频被去除或幅度减小到可接受的限度以下。
此外，经由测微计96调节腔镜88的位置，使得在衰荡腔84中不存在高阶模。
气态样品从用于收集气态样品以进行测试的热脱附管104装载到衰荡腔84中。热脱附管通常由不锈钢制成并含有各种类型的固体吸附剂材料。选择固体吸附剂用于取样特定化合物以捕集和保留感兴趣的化合物，甚至在其他化合物存在下，并允许收集的化合物容易脱附或提取用于分析。此外，所选择的固体吸附剂不与感兴趣的化合物反应。
在一个示例中，气态样品是从患者收集的人类呼吸样品。热脱附管104的接收端108接收从人体收集的用于测试的人体呼吸。结果，感兴趣的化合物更集中于热脱附管104的接收端108。
气动系统112用于将来自热脱附管104的气态样品加载到衰荡腔84中，并抽空包含衰荡腔84的气动系统112。在气态样品的装载期间，气动系统112用已经收集的气态样品填充衰荡腔84(即，从热脱附附管104脱附气态样品，将气态样品放入衰荡腔84而不引入污染物)，将衰荡腔中的压力和温度带至一个大气压和50摄氏度，并密封衰荡腔84。在该实施例中，在该压力和温度下确定测量的吸收光谱与之比较的一组样品的吸收光谱，以确保这些参数之间的一致性，这可以影响结果。然而，在其他实施例中，对于已知和测量的吸收光谱，压力和温度可以固定在其他水平。在气态样品的抽真空过程中，气动系统112从衰荡腔84和用于将气态样品从热脱附管104引导到衰荡腔84的各种导管中清洁先前提供的气态样品。
气动系统112具有包含氮气源116的入口部分。氮气源116是加压的或可将氮气加压到至少一个大气压以上的非常清洁的氮气供应。在本实施例中，氮气源116在高于环境压力5psi的压力下加压，但是可以改变，只要该压力足以将衰荡腔84加压到一个大气压，或进行分析的一些其他选定的大气压。在所示实施例中，氮气源116是蒸发出液氮储存器的氮气。氮气源116经由导管120连接到气体入口阀124a。辅助气体入口阀124b能够连接其他气体，但不经常使用。气体入口和辅助气体入口阀124a、124b与进气管线120a连通。压力计128沿着进气管线120a以及进气管线阀124c定位。过滤器130a沿着进气管线120a定位在腔入口阀124d的前面，该腔入口阀124d将进气管线120a与衰荡腔84密封隔开。滤光器130a阻止污染物进入衰荡腔84，在那里它们可以沉积在腔镜88上并干扰反射。
气体入口阀124a和辅助气体入口阀124b与通路阀124e连通。通路阀124e允许或禁止直接进入脱附管管线120b和样品出口管线120c。
脱附管线120b包含前阀124f和后阀124g。热脱附管104位于前阀124f和后阀124g之间，热脱附管104的接收端108朝向后阀124g定位。热脱附管104位于加热器132内。
样品出口管线120c包含样品出口阀124h和质量流量控制器136。
气动系统112还具有出口部分，该出口部分包含与衰荡腔84连通的腔出口阀124i。出口管线140与腔出口阀124i连通。压力计144沿出口管线140定位。真空截止阀124j位于压力计144和真空泵148之间。真空吸入阀124k与真空泵148连通并通过泵吸入管线150抽吸空气。过滤器130b位于泵吸入管线150中，以阻止可能干扰真空泵148的工作的污染物进入。
阀124a至124k在本文中也可替代性地称为阀124。
虽然为了方便起见，示出了腔入口阀124d和腔室出口阀124i在某些位置处耦合到衰荡腔84，但是应当理解，阀124d、124i耦合到衰荡腔84的位置可以变化。在优选的配置中，腔入口阀124d朝向其邻近前腔镜88a的端部与衰荡腔84连通，并且腔出口阀124i朝向其邻近后腔镜88b的端部与衰荡腔84连通。
当新的气态样品将被装载到衰荡腔84中时，含有新的气态样品的热脱附管104被连接到气动系统112，如图所示。
在抽空阶段期间，真空吸入阀124k打开并且真空泵148打开。然后关闭真空吸入阀124k，并且依次打开真空切断阀124j、腔出口阀124i、腔入口阀124d、进气管线阀124c和通路阀124e。通过真空泵148从CRDS系统20中抽空沿着该路径的管线和衰荡腔84的内容物。压力计144能够确定系统何时被充分抽空，特别是当压力计128与真空泵148断开时。当确定系统已被充分抽空时，这些相同的打开阀124j、124i、124d、124c和124e随后以相反的顺序关闭。此后，在氮气填充阶段期间，阀124a、124c、124d、124i和124j打开以允许来自氮气源116的氮气填充管线120a和140。然后使用另一个抽空阶段吹扫氮气。可以根据需要重复充氮阶段和抽空阶段以清除管线。CRDS系统20由此抽空先前测试的气态样品。
在新样品的装载期间，冲洗热脱附管104以将二氧化碳和水移出热脱附管104，从而使装载到衰荡腔84中的二氧化碳和水的量最小化。为了冲洗热脱附管104，打开气体入口阀124a、进气管线阀124c和后向阀124g以提供通向氮气的路径以向前冲洗热脱附管104。选择热脱附管104以抑制二氧化碳和水与样品一起的收集，在热脱附管104中通常仍存在一些二氧化碳和水。
将500ml氮气通过热脱附管以从原始样品中除去残留在热脱附管104中的二氧化碳和水。然后打开前向阀124f和样品出口阀124h以提供到质量流量控制器136的路径。质量流量控制器136允许氮气和携带的二氧化碳和水以指定的流速释放。在本配置中，该流速是500ml/min。然后关闭所有的阀124。
一旦从热脱附管104中除去二氧化碳和水，就使用上述相同的方法再次抽空气动系统112，以除去刚刚引入到气动系统112管线中的氮气。然后，围绕热脱附管104的加热器132将热脱附管104加热到所需温度以对热脱附管104内的新样品进行热脱附。然后打开气体入口阀124a、通路阀124e、前阀124f、后阀124g和腔入口阀124d，以提供用于氮气从氮气源116通过具有感兴趣的脱附化合物的热脱附管104到衰荡腔84的直接路径。
希望在衰荡腔84内获得一个大气压的压力，因为收集和分析的所有参考数据都处于该压力水平，从而确保结果是可重复的。
气体入口阀124a由系统触发打开和关闭，然后系统等待压力计128处的压力读数稳定并达到一个大气压。如果在压力计128稳定时压力读数仍然低于一个大气压，则再次切换气体入口阀124a以重复该过程，直到压力读数为一个大气压。当压力计128显示出衰荡腔84中的压力水平是一个大气压时，阀全部关闭。
如果希望在多个温度下脱附，则打开真空泵148、打开腔出口阀124i和真空切断阀124j，以抽空衰荡腔84。然后在重复脱附过程之前关闭腔出口阀124i。
由于在后向阀124g和腔入口阀124d之间有一些气态样品会损失，所以在多次脱附之间通常不进行完全抽空。
通过以这种方式将含有气态样品的固定体积的衰荡腔加压到期望的压力水平，与可用于将腔内的压力升高到期望水平的可变体积的衰荡腔相比，可以减小化合物可以粘附到其上的衰荡腔内的表面积。
此外，压力计128位于气态样品从热脱附管104到衰荡腔84的路径的上游，从而防止样品污染样品。
图2是用于也图示的CRDS系统20的各种部件的电子控制子系统200的示意图。所有的线表示电信号或电子信号，箭头表示单向通信、电压设置等，而不是箭头的线表示双向通信。
包含一个或多个处理器的计算机204充当控制器，其控制图1所示的各种部件的功能。
一对RF驱动器208发送40MHz信号以对CO2激光器24和碳13O2激光器28供电。使用输出耦合器和致动器212来调谐激光器24、28中的每一个。每个输出耦合器由1000V输出耦合器压电216驱动。为输出耦合器压电216供电的双通道高压放大器220可在0V和1000V之间调节。高压放大器220设置有来自计算机204中的数据采集(“DAQ”)卡224的模拟输出信号。DAQ生成0V和10V之间的输出，并且高压放大器220将该信号乘以100以生成0V到1000V的信号，从而为输出耦合器压电216供电。改变光栅角度的每个致动器212由致动器驱动器228驱动，该驱动器由计算机204经由RS-232给出指令。每个致动器212移动多个毫米，这被转换成激光器24、28的俯仰角。
通过RS-232接收来自气动系统112的压力计132、144的数据信号。
快速检测器56连接到小放大器232和示波器236，其可用于读取用于调谐激光器24、28的拍频信号的振幅和频率。
用于热脱附管加热器132的温度控制器240由计算机204经由RS-232控制。管加热器132包含温度传感器和具有缠绕在其上的加热带的铝片。加热带和温度传感器都连接到作为PID(比例积分微分)控制器的温度控制器240。控制器经由RS-232将温度设定和读回主计算机204。
继电器板244连接到计算机204并用于打开和关闭所有电磁阀124和真空泵148。
三通道压电驱动器248驱动压电致动器252，该压电致动器252致动测微计96b以调节衰荡腔84的长度。每个通道有两个部件：通过RS-232与压电驱动器通信，并从DAQ卡224进行模拟输入。
每个声光调制器60、68由发送大约40MHz信号的RF驱动器256驱动。改变RF驱动器256的频率改变给定光波长的布拉格角，或改变给定或固定布拉格角所调谐到的光波长。如果RF驱动器256被调谐到特定频率并被设置为全功率，则大部分工作光束52(约85％)通过。如果调节到80％、70％，则光调制器60、68将衰减。如果RF驱动器256被设置为零，则光调制器60、68完全关闭。RF驱动器的频率经由RS232通过部件来设置。模拟和数字部件可以设置RF驱动器256的幅度和开/关条件。特别地，DAQ卡224向定时电路260发送信号，该定时电路又生成启用和设置RF驱动器的幅度所需的四个必要信号。定时电路260可在稳态条件或衰荡触发条件下操作，其中定时电路260将四个电压设定为零，且接着在预定时间量之后返回到先前电压电平。
存在来自DAQ卡224的数字输出(“DO”)，其将定时电路260设置为稳定状态或衰荡触发模式。当处于衰荡触发模式时，来自数字转换器264的触发器输出触发定时电路260以将RF驱动器电压设置为0。在稳态模式中，定时电路260将触发输出(TRIG)从DAQ卡224传递到数字转换器264，以便使腔扫描(通过AWG)与液氮冷却的检测器100同步。即，当扫过衰荡腔84的整个自由光谱范围时，可以确定设置腔压电以便谐振的近似电压。
当希望进行衰荡测量时，使用快速检测器56和示波器236来调谐激光器24、28之一。一旦激光器被调谐，通过向压电驱动器248发送由DAQ卡224生成的斜坡信号来扫掠衰荡腔，然后在液氮冷却的检测器100上测量相应的输出光束强度。这提供了谐振点在衰荡腔84中的位置(例如，10V)的图片。
经由RS-232将压电驱动器设置为10V，并且从DAQ卡224发送小的1V-2V振幅正弦波，其也到达压电驱动器248。这导致从10-12V的正弦波到达压电驱动器248。液氮冷却的检测器100将显示出在衰荡腔84中的谐振点上的来回扫掠，并且通过RS-232调整中心位置以将其移动到更高或更低的单位，在向前和向后扫掠之间的时间相等。这是为了将衰荡腔84调谐到谐振点。
测量500次衰荡并计算用于吸收系数计算的衰减时间。
一旦气态样品被加载到衰荡腔84中，一个激光器24、28被调谐到特定波长，并且其光被引导通过第一光调制器60，被反射镜64反射，通过第二光调制器68，并被反射镜72反射到衰荡腔室80。光学调制器60、68稍微衰减工作光束52以调制其强度。
当工作光束52到达前腔镜88a时，大约0.1％的一部分穿透前腔镜88a进入衰荡腔84。大约99.9％的大部分工作光束最初沿着相同的路径反射回工作激光器24或28。
最初，衰荡腔84不被照亮。光进入衰荡腔84，并且当衰荡腔84中的大部分光在两个腔镜88之间反射时，衰荡腔84中的光量或功率随着进一步的光经由工作光束52从外部引入而开始增加。一部分光通过腔镜88漏出。用光“填充”衰荡腔84需要一段时间。此时，入射光和泄漏之间存在平衡。一旦达到该平衡，经由光学调制器60、68消除激光24、28，或者阻止其停止进入衰荡腔84。
当衰荡腔84处于谐振状态并接近平衡时(即，经由腔镜88泄漏出的光量等于从工作光束52进入的光量)，对入射激光存在相消干涉，使得入射激光中没有或极少被前腔镜88a反射。结果，一旦衰荡腔84处于平衡状态，基本上消除了在衰荡腔的带宽内对准前腔镜88a的工作光束52部分的反射。
当衰荡腔处于平衡时，可以开始衰荡事件。进入衰荡腔84的光尽可能快地消除，并且红外检测器(即液氮冷却的检测器100)测量离开衰荡腔84的后端的光强度，以确定光强度的指数衰减。衰荡腔84中的光衰荡或衰减要花费一定量的时间。可以测量衰减常数(T)，其定义为强度下降到起始强度的1/e(等于大约0.37)或一些其他水平的时间长度，然后将其与没有样品的基线衰减时间进行比较，以确定有多少光被气体样品吸收。衰荡中的加速归因于衰荡腔84中气态样品的存在。使用测量的衰减时间，可以计算频率/波长的吸收系数。
为了消除进入衰荡腔84的光，计算机204用作控制器，其引导第一光调制器60以在或接近第一光调制器60的衰减极限处衰减光束，并且同时地引导第二光调制器68以在或接近第二光调制器68的衰减极限处进一步衰减光束，以减小来自第一光调制器60的光束的强度。在传统的CRDS系统中，由单个光调制器偏转的光在短的时间跨度上下降到零。允许进入衰荡腔84的附加光可以歪斜光谱结果。因此，希望尽可能快地消除激光。
在CRDS系统20中，通过引导两个光调制器60、68同时关闭，在较短的时间间隔期间由第一光调制器60偏转的光量在第二光调制器68关闭时被第二光调制器68显著减少。
第二光模块68大大增加了单独经由第一光调制器60实现的衰减。在当前描述的实施例中，如果第一光调制器60可以衰减30dB，并且第二光调制器68可以衰减额外的30dB，则经由光调制器60、68实现的总衰减是它们的衰减之和，即60dB。在用光填充衰荡腔84期间，光调制器60、68衰减工作光束52以调制其强度。在本配置中，每个光调制器60、68将工作光束52衰减5dB，总衰减10dB。结果，光学调制器60、68中的每一个还可以进一步将工作光束52衰减25dB，工作光束52衰减25dB，总进一步衰减50dB。在传统的设置中，一个光调制器必须将工作光束衰减10dB，留下20dB的进一步衰减可用于消除工作光束。如将理解的，与具有20dB的进一步衰减的一个光调制器相比，经由两个光调制器60、68的50dB的进一步衰减可以更快地消除工作光束52。结果，在光调制器60、68已经被引导关闭之后引入到衰荡腔84中的附加光的量是由传统CRDS系统中的单个光调制器设置进一步引入的光的一小部分。通过更快地消除工作光束52，在光调制器60、68的斜坡下降时间期间，衰荡腔84中测量的光衰减更少地受到附加光的影响，因此当将观察到的衰减时间与已知的衰减时间匹配时，提供更高的精度。
对多个频率的光重复该过程以生成气态样品的吸收光谱。例如，CO2激光器24生成的光提供了一定频率范围的吸收系数。类似地，可以对来自碳13O2激光器28的光的频率范围生成吸收系数。以这种方式，可以生成样品的吸收光谱。
尽管在上述实施例中，光源是产生中红外范围内的光的两个激光器，但是应当理解，可以采用其他光源。例如，可以使用产生可见光谱中的光的激光器或近红外激光器。此外，在一些情况下，CRDS系统可仅包含一个激光器，或三个或更多个激光器，以生成工作光束。
电光调制器可用于代替声光调制器。
声光调制器可被配置为使工作光束的频率向上或向下移位。只要由声光调制器实现的净频移使工作光束的频率显著偏离由激光器生成的工作光束的频率，使得反射光在所生成的激光的带宽之外，就可以使反射光和所生成的工作光束之间的干涉量最小化。
在其他实施例中，在CRDS系统中可以采用多于两个的光调制器，以提供进一步的消除能力，从而在衰荡事件开始时更快地消除工作光束。
在其他实施例中可以采用一个或多个聚焦透镜来模式匹配该衰荡腔。
在其他实施例中，气态样品的分析可以在不同于一个大气压的压力水平下进行。吸收光谱的宽度可以相应地改变。
尽管上面列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括所列举的优点中的一些、不包含所列举的优点或者包含所列举的优点中的全部。
本领域的技术人员将理解，还存在可能的更多可替代性实现方式和修改，并且上述示例仅是对一个或多个实现方式的说明。因此，本公开的范围仅由所附权利要求限定。
附图标记列表
20 CRDS系统
24 CO2激光器
28 碳13O2激光器
32 第一激光束
36 第二激光束
40 反射镜
44 分束器
48 采样光束
52 输出光束
56 快速检测器
60 第一光调制器
64 反射镜
68 第二光调制器
72 聚焦透镜
76 反射镜
80 衰荡腔室
84 衰荡腔
88 腔镜
88a 前腔镜
88b 后腔镜
92 反射镜安装件
96 测微计
100 液氮冷却检测器
104 热脱附管
108 接收端
112 气动系统
116 氮气源
120 导管
120a 气体输入管线
120b 脱附管线
120c 样品输出管线
124 电磁阀
124a 气体入口阀
124b 辅助气体入口阀
124c 进气管线阀
124d 腔入口阀
124e 通路阀
124f 正向阀
124g 后方阀
124h 腔出口阀
124i 样品出口阀
124j 真空切断阀
124k 真空吸入阀
128 压力计
130a、130b 过滤器
132 加热器
136 质量流量控制器
140 出口线路
144 压力计
148 真空泵
200 电子控制子系统
204 计算机
208 RF驱动器
212 致动器
216 输出耦合器压电
220 高压放大器
224 DAQ卡
228 致动器驱动器
232 放大器
236 示波器
240 温度控制器
244 中继板
248 三通道压电驱动器
252 压电致动器
256 RF驱动器
260 定时电路
264 数字化仪

Claims (7)

1.一种光腔衰荡光谱系统，包括：
至少一个生成光束的激光器；
第一光学调制器，被定位成衰减来自所述至少一个激光器的光束；
第二光调制器，被定位成衰减来自所述第一光调制器的光束；
衰荡腔，被定位成接收来自所述第二光调制器的光束；以及
至少一个光传感器，用于测量从所述衰荡腔泄漏的光的强度。
2.根据权利要求1所述的光腔衰荡光谱系统，还包括至少一个聚焦透镜，用于聚焦光束以匹配所述衰荡腔的光学模式。
3.根据权利要求1所述的光腔衰荡光谱系统，其中，所述第一光调制器和第二光调制器是声光调制器。
4.根据权利要求2所述的光腔衰荡光谱系统，还包括控制器，所述控制器被配置为引导所述第一光调制器在所述第一光调制器的衰减极限处或接近于所述衰减极限处衰减光束，并同时地引导所述第二光调制器在所述第二光调制器的衰减极限处或接近于所述衰减极限处进一步衰减光束，以减小或消除来自所述第一光调制器的光束的强度。
5.一种在光腔衰荡光谱系统中调制光束的方法，包括：
经由至少一个激光器生成光束；
经由第一光学调制器消除来自所述至少一个激光器的光束；
经由第二光调制器消除来自所述第一光调制器的光束；
在衰荡腔中接收由所述第二光调制器衰减的光束；以及
测量从所述衰荡腔泄漏的光的衰减速率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一光学调制器和第二光学调制器是声光调制器。
7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
引导所述第一光学调制器在所述第一光学调制器的衰减极限处或接近所述衰减极限处衰减光束；以及
同时地引导所述第二光调制器以在所述第二光调制器的衰减极限处或接近所述衰减极限处进一步衰减朝向所述衰荡腔行进的光束，以减小或消除来自所述第一光调制器的光束的强度。
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