CN1329717A - 通过监测腔内激光器输出的波长进行的杂质鉴定和浓度确定 - Google Patents

通过监测腔内激光器输出的波长进行的杂质鉴定和浓度确定 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测在一校准范围内的气体样品中一定浓度的气态物质的存在的方法和装置。本发明的ILS气体检测系统(10)简单地包括一个ILS激光器(12)、波长选择光学器件52和一个光学检测器(16)。然而,所述的ILS激光器(12)的势在或工作波长带宽最好完全被包括在被测腔内气态物质的吸收波段或区域内。这样,在校准范围内,气态物质的存在改变了ILS激光器(12)输出激光的波长或在ILS激光器(12)的一个特定波长上的输出强度。因此,当使用本发明的ILS激光器方法时,为了从数量上确定所述气态物质的浓度,仅需要监测ILS激光器(12)的输出波长或ILS激光器的一个特定波长上的输出强度。

Description

通过监测腔内激光器输出的 波长进行的杂质鉴定和浓度确定
相关申请的对照
本申请涉及一申请号为09/165，884的同日申请。该申请涉及到一种方法，用于监测气体样品中一定浓度的气态物质的存在，该方法使用不具有任何外部波长选择器件的ILS激光器，这种激光器是使用全部的输出强度来确定气态物质的浓度。本申请使用具有波长选择器件的ILS激光器，用来测量激光光谱输出的变化。
发明的技术领域
一般来说，本发明涉及气体中杂质的检测，尤其涉及运用通常称为腔内激光器光谱学的激光技术对气体分子、原子、原子团和/或离子的高灵敏度检测。
本发明的背景技术
可以将一个最简单的激光器概括地描述为在两面镜子之间设置了一个增益介质。位于激光器共振腔中的光在两面镜子之间被来回反射，每次经过该增益介质，它就产生光增益。第一镜面上的反射面是完全反射，而第二镜面的反射面是部分反射，因而一些光从激光器共振腔中泄漏掉。在镜子的反射表面之间的空间区域为激光共振器或共振腔，在本发明的上、下文中指所谓的“腔内区域”。
激光器输出的强度是波长范围以及共振器件的反射率的函数，在上述的波长范围上增益介质起作用。通常，这一输出较宽并且没有明显的、与众不同的光谱特征。
运用激光器光谱学对气态物质进行鉴定需要激光器的输出在物质发生吸收的波长区域内，所述的气态物质包括原子、分子、原子团或离子。在通常使用激光器检测气态物质的应用中，用激光辐射激励位于激光器之外的气体样品，以产生一第二信号，诸如电离或荧光。或者，在常规的吸收光谱中，激光穿过位于激光器之外的一气体样品，并对随波长变化的衰减进行观测。
大约二十年前，另一种检测方法，即腔内激光器光谱学(ILS)被首先披露，参见G.Atkinson、A.Laufer、M.Kurylo等人在1973年7月1日出版的Journal Of Chemical Physics第59卷第350-354页上发表的“Detection of Free Radicals by an IntracavityDye Laser Technique(利用腔内染料激光技术检测自由基)”一文。在ILS中，激光器本身被用作检测器。将待分析的气体样品放入多模式、均匀加宽的激光器的光学共振腔中。在上文中，Atkinson等人说明，将基态或激态的气态分子、原子、原子团和/或离子置于光学共振腔中，可以改变激光器的输出。更具体地说，腔内物质的吸收光谱出现在激光器的输出光谱中。
由发生吸收的气态物质产生的腔内损耗导致了激光器输出中独特的吸收特征。(如在此使用的，吸收特征对应于一系列在光强-波长曲线图上光强达到一局部最小值的连续的波长。)在一个多模式激光器中，腔内吸收损耗通过正常的动态模式与激光器增益进行竞争。因而，可以在腔内吸收特征与激光器的增益竞争更激烈的波长处的激光器输出强度中观测到衰减。吸收特征越强，在这些波长处的激光器输出强度衰减越大。
通过将吸收气态物质插入激光器共振腔中，ILS可以提供较之常规光谱学方法更高的检测灵敏度。ILS技术的检测灵敏度得以增强是由于(1)激光器增益介质产生的增益以及(2)吸收体损耗之间的非线性竞争产生的。因而，ILS可以用于检测微弱的吸收和/或外部的小吸收体浓度。
根据其各自的吸收光谱或标记，可以对光学共振腔中的每一种气态物质唯一地进行识别。此外，一旦对传感器进行了适当的校准，就可以使用光谱标记中的特征或特殊的吸收特征的强度来确定气态物质的浓度。(如在此使用的，术语“光谱标记”对应于针对吸收强度或吸收率的曲线图上的唯一识别所述气态物质的波长。)
可以将ILS激光器的输出相对于波长进行色散从而获得气态物质的光谱标记。通常使用两种检测方案将ILS激光器的输出色散从而获得气态物质的光谱标记。ILS激光器的输出可以经过一固定波长的色散光谱仪，并且可以使用一多通道检测器来记录这一光谱仪分解的具体的光学区域；参见1998年5月5日授权给，G.H.Atkinson等人的题为“Diode Laser-Pumped Laser System for Ultra-sensitiveGas Detection via Intracavity Laser Spectroscopy(ILS)(经腔内激光光谱作超灵敏气体检测的二极管激光泵浦激光器系统)”的第5,747,807号美国专利。此外，可以使用能够进行波长扫描的光谱仪对不同的光谱区域进行有选择的分解，用上文中的单通道检测器对上述光谱区域进行记录。
现有技术的ILS检测系统使用的ILS激光器具有相对于被测腔内物质的吸收光谱的吸收特征的宽度更宽的光谱宽度；参见1997年11月18日授权给，G.H.Atkinson等人的题为“Intracavity LaserSpectroscope for High Sensitivity Detection of Contaminants”的第5,689,334号美国专利。具体说，激光器系统拥有一个工作波长宽度，该工作波长宽度至少是被测气态物质的吸收特征的三倍。
现有技术中实施ILS的方法，虽然在实验室中得以成功演示，但是对许多商业应用来说依然过于大而复杂。具体说，与二极管阵列检测器协调作用的固定波长光谱仪或与单通道检测器协调作用的可调光谱仪或分析吸收特征的计算机，为检测系统增加了尺寸和复杂程度。事实上，经济方面的限制现实地决定了气体检测器应当具有方便的尺寸，相对廉价和可靠。
这样，所需要的就是能够显著降低(1)ILS测量仪器的复杂程度以及(2)ILS测量仪器的尺寸的方法，例如，通过去除计算机。
发明的概要
本发明公开了一种方法，用于检测在气体样品中特定浓度的的气态物质的存在。该方法包括：
(a)确定在连续波长的至少一个吸收宽度内所述气态物质吸收了光并且在校准的范围内确定所述气态物质的浓度；
(b)提供一个ILS激光器，包括：
(i)激光器共振腔，以及
(ii)增益介质，
其中ILS激光器构造成仅在完全包括气态物质发生吸收的连续波长范围内进行工作，并且由于所述气态物质而产生的吸收足够大，以便可以在校准的范围内，改变激光器的波长或多个波长；
(c)放置增益介质，使得从增益介质射出的光束可以直接穿过在激励激光器共振腔之前就包含在激光器共振腔中的气体样品；以及
(d)放置一检测器，从而可以对ILS激光器的输出进行检测以量化所述的绝对波长或相对于一选定标准(滤波器或波长色散光学部件)的波长以及
(e)在ILS激光器外部，在ILS激光器和检测器之间设置一波长选择光学器件，这样ILS激光器的输出必须在到达检测器之前首先通过波长选择光学器件，所述的波长选择光学器件仅使得ILS激光器输出波长中的一部分波长的光透过。
此外，提供一种用于检测气体样品中的气态物质在校准范围内的具体浓度的气体检测系统，其中所述的气态物质在连续波长中至少一段宽度上吸收光，并因而对ILS激光器的输出强度产生一定量的改变。所述的气体检测系统包括：
(a)一个ILS激光器包括：
(i)激光器共振腔；以及
(ii)增益介质，
所述的ILS激光器构造成仅在完全包括气态物质发生吸收的连续波长范围内进行工作，并且由于所述气态物质而产生的吸收足够大，以便可以在校准的范围内，改变激光器的输出波长或者具体波长上的强度；
(b)用于在激光器共振腔内容纳气体样品的容器，所述的容器允许从所述增益介质发射出的光束在离开激光器共振腔之前经过气体样品；
(c)一检测器，用于确定在具体波长上的绝对激光器输出功率；
(d)在ILS激光器外部，在ILS激光器和检测器之间设置一波长选择光学器件，这样ILS激光器的输出必须在到达检测器之前首先通过波长选择光学器件，所述的波长选择光学器件仅使得ILS激光器输出波长中的一部分波长的光透过。
根据本发明，本发明人设计了一种更小、更简便并且较之任何现有技术中披露的ILS激光器系统来说制造费用较低的可商业实施的杂质传感器系统。在本发明中，仅使用波长输出中的一部分。如在此使用的，所使用的那部分可以是小于全部输出带宽的任何一部分带宽。
考虑以下具体的描述并结合附图，本发明的其它目的、特征和优点将会更加明显，其中，相同附图标记代表附图中相同的技术特征。
附图说明
除了特别注明的外，本说明书中的附图不是按比例绘制的。
图1a是一个剖视图，描述了现有技术的气体检测系统，包括一个ILS激光器、一个光谱仪组件、一个光学检测器以及一个用于分析光学检测器的电输出的计算机；
图1b，在强度和波长坐标系上，是一个现有技术的ILS激光器在(i)当在激光器共振腔内存在吸收气态物质时以及(ii)在激光器共振腔中不存在吸收气态物质时的光谱分解输出的曲线图；
图2a是一个剖视图，它描述了本发明的气体检测系统，包括一个ILS激光器、一个波长选择光器件以及一个光学检测器；
图2b，在强度和浓度坐标系上，是一个本发明的ILS激光器针对两个不同的ILS激光器工作条件的输出波长曲线图；
图3是本发明的ILS激光器的另一个实施例的简要表示；
图4，在激光器强度/水吸收(任意单位)和波长(以纳米为单位)的坐标系上，是一个表示高浓度水蒸气在1450到1455纳米波长范围上的吸收光谱；以及
最佳实施例的描述
现在参照本发明的一个具体实施例，该实施例描述发明人目前实施本发明的最佳方式。同时也适当对其它实施例进行了简要的描述。
本发明旨在利用ILS传感器进行气态物质的高灵敏度检测。在此使用的术语“气态物质”指的是分子、原子、原子团和/或离子物质，它们可能出现在例如硅膜制作中所使用的气体材料中。因此，本发明的ILS气体检测系统可以用作检测气体物质(例如，氮气)中杂质(例如，水)的存在。换言之，ILS检测可以用作确定是否已经对一条气体管线(例如，氮气管线)的气态物质(即氮)进行了彻底净化。
图1a和图1b简要介绍了现有技术中进行ILS检测的方法。具体说，图1a，所示为一ILS气体检测系统10的剖视图，它包括一个ILS激光器12，一个光谱仪组件14，一个光学检测器16以及一个用于分析光学检测器的电输出的计算机18。
图1a中所描述的ILS激光器12包括一个增益介质20以及一个位于由位于镜面26和28之间的整个光路长度限定的光学共振腔24中的样品管22。另外，所述的ILS激光器12最好具有一个泵源(未示出)，诸如一个光泵源，它对所述的增益介质20进行光照射，从而驱动所述的ILS激光器12。
图1a显示，所述增益介质20中产生的激光对准气体样品管22，并且穿过其中的气体样品。如上所述，假如吸收特征位于所述的ILS激光器12的工作波长范围内，那么位于光学共振腔或激光器共振腔24，以及具体的说是位于气体样品管22中的气态物质就会引起吸收损耗。因而，可以对激光器12的输出光束32进行分析，从而可以通过确定从所述的ILS激光器射出的输出光束是否包含了与所述气态物质的光谱标记相同的吸收特征来识别在激光器共振腔24中的发生吸收的气态物质的存在。值得注意的是光谱标记包含强度和波长的信息。
如在此所使用的，吸收特征是对应于吸收线的，即光强-波长曲线图中的一段可见连续波长，它包括一个光强的局部最小值(即，在那里吸收最强)，并位于该值的附近。每条吸收线都有确定的波长带宽和达到最大吸收值的点(或输出强度达到最小值)就本发明而言，吸收特征很重要，因为所有构成吸收特征的波长都是气态物质发生吸收的波长。
此外，如在此所使用的，将术语“吸收波段”定义为吸收光谱中的一个单独的连续波长区域，在那里，在每个波长上发生吸收。因此，如果吸收光谱包含两条由不发生吸收的区域B隔开的吸收线，A1和A2，那么两条吸收线A1和A2对应于不同的吸收波段。然而，如果两条吸收线A1和A2之间仅隔了一个局部的最小吸收值(或局部最大强度)，则所述的两条吸收线A1和A2对应于一个单独的吸收波段。由于吸收物质的浓度会影响吸收光谱，于是在一个吸收光谱中的吸收波段的数量将随着浓度而变化。例如，在第一浓度分开并且不同的吸收线可以在第二浓度，更高的浓度，混和在一起并组成一个吸收波段。可以理解，温度、发生时间以及泵送功率都会影响输出光谱以及测量的吸收光谱。因此，在测量到的吸收光谱中的吸收波段的数量也会随着温度、发生时间以及泵送功率的变化而变化。
为了分析所述ILS激光器12的光谱输出，将ILS激光器的ILS输出光束32送至光谱仪组件14，它将所述的输出光束相对于波长色散。在图1a中，使用衍射光栅38和40将从ILS激光器12射出的输出光束32色散开。透镜34和36在输出光束32入射到衍射光栅38和40之前，将其扩展。透镜42将光谱仪组件14的输出聚焦到光学检测器16上。
在一种现有技术的方法中，(1)光谱仪组件14包含一个能够针对波长进行扫描的色散光学器件，以及(2)光学检测器16包含一个单通道检测器。图1a将这种扫描色散光学器件描述成一个衍射光栅38。
当透过光谱仪组件14的光穿过置于(单通道)光学检测器16之前的一个适当的小孔46时，通过扫描所述的色散光学器件(光栅38)可以获得在激光器共振腔24中的气态物质的光谱标记。(小孔46也可以简单地包括一个狭缝。)在对衍射光栅38进行了扫描后，用光学检测器16测量透过光谱仪组件14的光的强度。光学检测器16输出一电信号以表征这一强度。(例如，电信号可以正比于ILS激光器的强度。)此外，由光谱仪将电信号传送到计算机18，它表示了各自的波长。在这种方式中，计算机18将由光学检测器16确定的强度与由光谱仪组件14确定的波长联系起来。这样，光谱仪组件14和光学检测器16与计算机18协同工作，从而对从ILS激光器12射出的光束32的光谱分布进行测量。
图1b简要描述了现有技术的ILS检测方法得到的数据的种类。曲线48代表一个典型的光谱色散的ILS激光器输出光谱(或吸收光谱)，该曲线是通过扫描波长并对透过光谱仪组件14的光强进行测量而得到的。在存在吸收特征的波长位置，ILS激光器12的强度就衰成。箭头49表示了6个这样的吸收特征。(曲线50描述了不存在任何气态物质的ILS激光器12的光谱分布。)
计算机18可以使用曲线48所示的吸收光谱来识别所述的气态物质。具体说，对包括ILS激光器12的输出光谱中的多个吸收特征的吸收光谱进行测量，并且与已知被测气态物质的光谱标记进行比较。可以使用所述气态物质的特殊吸收特征的位置和相对强度来唯一地识别所述被测气态物质。当用已知浓度预先对幅值进行了校准时，根据在吸收光谱中发现的吸收特征的幅值能够确定激光器共振腔24中的腔内气态物质的浓度或数量。
在另一个现有技术的方法中，(1)使从ILS激光器12中射出的光束32穿过一个具有固定色散光学器件的光谱仪(即光栅38和40是非扫描的)，并且(2)，光学检测器16包括一个多通道检测器阵列。由光谱仪组件14产生ILS激光器12工作的光谱区域，并将其空间转移到(多通道阵列)光学检测器16上。置于光学检测器16前面的小孔46(如果有)要足够大，以便照亮在检测器阵列中的多个检测器，这样，在检测器阵列中的多个检测器同时跟踪多个波长。
因而，(多通道阵列)光学检测器16同时测量由光谱仪组件14分解的具体光谱区域。计算机18操纵(多通道阵列)光学检测器16并读取检测器测量到的强度值。此外，光谱仪组件14将一电信号传送给计算机18，该信号表示了由光谱仪组件14分解的波长。对计算机18进行编程，使其将来自(多通道阵列)光学检测器16和光谱仪组件14的电信号分别转换成强度和波长。用这种方式，计算机将由光学检测器16确定的强度和由光谱仪组件14确定的波长联系起来。
这样，光谱仪组件14和(多通道阵列)光学检测器16与计算机18协同工作以测量和记录ILS激光器12射出的输出光束32的光谱分布。可以产生类似于图1b所示的吸收特征。
如上所述，用光谱特征来识别在激光器共振腔24内的气态物质。计算机记录测量到的包括ILS激光器12的输出光谱内的线或多个吸收特征的吸收波段，并且将其与已知的被测气态物质的光谱标记进行比较。一旦用已知的浓度对幅值进行了校准，就可以根据在光谱标记中发现的吸收特征的幅度来确定腔内物质的浓度。
然而，可以理解，现有技术的方法需要用计算机18通过在多个波长处测量和记录强度值从而有效地产生强度-波长曲线，上述波长包括对应于所述吸收特征的波长以及在吸收为最小的吸收特征附近的波长。
相反，本发明的方法从概念上比这些现有技术的手段要更为简单。不在多个波长上监测强度分布，本发明仅确定在工作，即在所有输出的一部分波长区域内产生光的过程中ILS激光器12产生的输出。本发明的方法实质上使用了ILS激光器12在其工作的一部分波长区域上的激光器输出变化。这样，在现有技术中通过将激光器输出色散得到的吸收特征在本方法中用来影响ILS激光器12的输出波长或在某一特定波长的强度。不需要测量和记录在ILS激光器12的光谱中的多种吸收特征。
本发明的方法还在另一个方面从概念上区别于现有技术的方法；也就是，在本发明中使用的ILS激光器12最好具有一个与相关吸收特征的带宽相应的带宽。现有技术的ILS检测方法使用的ILS激光器12的光谱带宽实质上大于与被测腔内物质相联系的各个吸收特征的带宽。具体说，现有技术的ILS激光器12的工作带宽最好至少三倍于被监测的气态物质的吸收特征的宽度。
有许多种理由赞成使用带宽比气态物质产生的吸收特征的带宽更宽的ILS激光器12。如上所述，光谱标记中的多种吸收特征有助于计算机18识别被测的具体气态物质。这样，现有技术的识别发生吸收的气态物质的方法依赖于光谱带宽足够大以至于不仅仅包含了一个吸收特征的ILS激光器12。此外，由于ILS技术灵敏度的提高主要来自于多模式激光器的非线性增益与损耗之间的竞争，所以具有多种纵向模式的ILS激光器12就很优越。因此，现有技术的方法使用了其光谱带宽足够大以至于包含了多个纵向模式的ILS激光器12。
然而，本发明的第一实施例中的ILS激光器12最好具有一个与被测腔内气态物质相关的吸收波段相当或略小的工作带宽。此外，为了成功地实施本发明的方法，必须将ILS激光器12的工作带宽调整到完全重叠所述的吸收波段。(如上文所讨论的，吸收波段可以包括一个吸收特征或多个连续的吸收特征。)
ILS激光器12的势带宽或工作带宽(Δvlaser)是由增益介质20能够工作的波长区域，镜面26和28的光谱特性以及在光学共振腔24内的每个光学器件透光的波长范围限定的。具体说，由镜面26和28以及增益介质20的带宽以及任何其它的独立腔内光学器件的带宽也一样，例如激光器共振腔24内的薄膜或双折射调谐器，的卷积限定了Δvlaser。
ILS激光器12的工作带宽与吸收带重叠部分的带宽(包括，例如，一个吸收特征或多个连续的吸收特征)之比最好是1比1。ILS激光器12的工作带宽(1)足够宽从而可以维持多模式工作，但是(2)又足够窄，从而仅与被测气态物质相关的吸收波段相重叠。吸收波段的重叠部分在后面表示为Wabs，而其带宽则表示为Δvabs
如上所述，使用具有足够宽的带宽从而可以进行多模式操作的ILS激光器12保持了ILS能够达到的提高的检测灵敏度。然而，由于ILS12的工作带宽足够小以至于仅与被测气态物质相关的吸收波段相重叠，因此，来自激光器的特定波长的输出将从数量上随气态物质浓度的改变而改变。
当发生吸收的气态物质的带宽的重叠部分，Δvabs，以及ILS激光器12的带宽，Δvlaser，相适应时(即Wabs与Wlaser完全重叠)时，来自腔内气态物质的吸收能够在一定的波长上对激光器产生的光量进行限制，从而导致输出波长转移到ILS激光器的透射率、反射率和增益特性更为支持的另外一个值。ILS激光器12不能在发现吸收损耗的波长区域内有效的工作。如果发生吸收的气态物质存在，于是ILS激光器12能够工作的唯一区域被吸收带占据，这就在一特定的波长上阻止了激光器的工作。
随着气态物质浓度的提高，吸收损耗将会更高，而在增益介质20中产生足够的光(或增益)以克服特定波长上损耗的任务变得更困难。这样，随着腔内气态物质浓度的增加，ILS激光器12的光输出的波长将发生变化。作为腔内吸收物浓度的函数的特定波长的光输出强度可用于校准ILS传感器。这一概念可以扩展到有足够高浓度的吸收气态物质的情况下，ILS激光器12根本不能到达阈值并且不能工作。ILS激光器将不能在任何波长上产生光输出。
因此，当使用本发明的ILS方法时，为了从数量上确定发生吸收的气态物质的浓度仅需要监测ILS激光器12在特定波长上输出的强度。
图2a和2b简要描述了本发明的方法和装置，本发明旨在检测气体样品中的气态物质。具体说，图2a表示了一个根据本发明构造的ILS气体检测系统10的剖视图，而图2b在强度和浓度坐标系上绘制了一幅本发明的ILS激光器在两个不同的ILS激光器工作条件下的输出波长图。
本发明的ILS气体检测系统10简单地包括了一个ILS激光器12、一个波长选择光学器件52和一个光检测器16用来量化激光器输出波长或者是激光器在一特定波长的输出的相对变化量。
图2a中所示的本发明实施例所描述的ILS激光器12包括一个增益介质20和一个气体样品管22，这些部分中的每一个都位于形成于镜面26和28之间的光学共振腔24中。
尽管在图2a中所示的光学共振腔24是一个线形共振腔，可以理解，其它的共振腔设计也可以应用于本发明。只要ILS激光器12的势在(或工作)波长带宽Δvlaser与被测气态物质相关的吸收波段特征Δvabs的带宽的重叠部分相适应，即比为1比1，或者前者位于后者之间，就可以使用这些其它的共振腔设计。
图2a所示的波长选择光学器件52包括一个金属制作的薄膜，它作为一个提供所需窄带调整的薄的高反射的法布里-珀罗标准具。用金属材质提高了标准具的精密技巧，并且缩窄了带宽从而产生一个窄带带通滤波器。在本发明中还可以使用其它的波长选择光学器件52，包括光学带通滤波器、衍射光栅、棱镜、光电带通滤波器，工作在偏振特性的滤波器、工作在非线性光学特性的滤波器以及它们的组合。
可以理解，ILS激光器12的势在(或工作)波长波段Wlaser(以及带宽Δvlaser)依赖于增益介质20和任何位于光学共振腔24中的光学器件上形成的光学涂层，以及形成在镜面26和28上的光学涂层。因而，可以对增益介质以及激光器12所使用的光学器件上的任何涂层，进行设计以缩窄并调整ILS激光器的势在(或工作)带宽Wlaser，从而使得其仅以上述方式与被测气态物质相关联的吸收波段相重叠，上述光学器件可以是，例如镜面26和28，或气体样品管22的小窗，或者是在晶体20上的涂层。
对于图2a所示的ILS激光器12，所述ILS激光器12的势在(或工作)波长波段，将Wlaser定义为增益介质20工作的波长波段、镜面26和28发生反射的波长波段、镜面28发生透射的波长波段以及任何位于光学共振腔24内的腔内光学器件发生透射的波长波段(例如波长选择光学器件)的卷积。
可以进一步理解的是，ILS激光器12需要一个泵源(未示出)，用来将ILS激光器驱动到其阈值或略高于其阈值。例如，可以使用一个将光照射到增益介质20上的光泵源。
图2a显示，增益介质20内产生的激光射到气体样品管22上并从其中的样品中穿过。如上所述，光学共振腔24中的气态物质，具体说就是在气体样品管22中的气态物质可以产生吸收损耗。然而，根据本发明，ILS激光器12的势在带宽Δvlaser与被测气态物质相关联的吸收波段的重叠部分Wabs的带宽Δvabs相适应。这样腔内气态物质的吸收将会改变ILS激光器12的输出波长，以及因而改变了在特定波长上的输出强度。因而，为了确定所述气态物质的浓度，必须在严格限定的工作条件内对ILS激光器12进行校准。由光学检测器16对穿过波长选择光学器件52的从激光器中射出的输出光束32进行检测。
最简单的光学检测器16包括一个单通道检测器，诸如一个光敏二极管，一个光敏三极管或者一个光电倍增管。在本发明中可以使用其它的检测器。对光学检测器16唯一的要求就是能够感测ILS激光器光束32并产生一个相关的电信号。因此，在图2a中描述了一个从光学检测器16延伸出来的电输出端子54。
本发明的气体检测系统10与图1a所示的现有技术的系统不同，它不使用计算机18。图2a所描述的气体检测系统10还不需要多通道检测器阵列。
此外，本发明所示的气体检测系统10包括光学共振腔24中的一个额外的波长选择光学器件52｀，它可以将ILS激光器12的工作带宽变窄并对其进行调整，从而使它仅与被测气态物质的吸收波段相适应。
可以理解，由于ILS提供了比现有技术的方法更高的灵敏度，用本发明的气体检测系统10可以首次测量到从前未测量到的微弱的变化。必须根据对被测气体物质的光谱研究得知在何处对ILS激光器12进行调整，上述对被测气态物质的光谱研究显示了多种吸收特征的光谱位置。还需要获知如何对ILS激光器12的工作带宽和波长进行光学控制以配合具有吸收特征的激光器的光谱输出。
另外，为了避免可能导致错误正读数的光谱干扰，需要对任何可能存在于给定气体样品中的其它气态物质进行光谱研究。如果这些额外的气态物质不是被检测的物质，那么ILS激光器12的光谱输出就一定要远离由这些额外的气态物质导致的任何吸收特征。来自其它气态物质的吸收特征的势在分布将不会存在于ILS激光器12发射光的波长区域内。这样，必须对ILS激光器12的工作波长进行选择，(1)从而使其与和被测气态物质相关的吸收特征相一致，以及(2)以避免无关的气态物质带来的光谱干扰。如果上述要求得到满足，则与ILS激光器12的输出的光谱相互作用将仅追踪被测气态物质的吸收。因而，ILS激光器12输出波长，当进行了校准时，将对被测气态物质的浓度进行精确的测量。
由于所选择的波长选择光学器件52的光学通带同ILS激光器12的输出波长的特定部分一致，于是气态物质的特性就可知了，在上述ILS激光器12的输出波长的特定部分，仅所述的气态物质在输出强度中有贡献。
在严格限制的条件下，通过用光学共振腔24中的已知浓度的气态物质在对应于波长选择光学器件52的通带的一特定波长上对输出波长或强度进行校准，可以得知气态物质的浓度。这一浓度取决于一组具体的工作参数，包括温度、压力、激光增益、发生时间(tg)，即允许发生腔内模式竞争的周期，以及其它任何影响ILS激光器12输出波长的参数。可以理解必须保持工作参数的恒定以确保气体检测系统10保持校准后的状态。或者，改变这些工作参数将改变气体检测系统校准后的灵敏度，这样，可以在不同的严格限制的工作条件进行多次校准，从而扩大所述气体检测系统的动态范围。无论如何，需要了解影响ILS激光器12输出强度的具体工作参数，以便设计一种能够在扩展使用时维持校准状态气体检测系统10。
现在参照附图2b，展示了在两个不同的工作条件下，针对波长的ILS激光器12的输出强度。曲线56对应于在具有特殊激光器输出波长的特殊浓度下工作的ILS激光器12的输出强度。曲线58对应于在具有不同的激光器输出波长的不同的杂质浓度工作的ILS激光器12。
现在参照图3，它展示了本发明的一个单独的实施例。根据本发明，图3描述的ILS激光器12的势在(或工作)波长带宽(Δvlaser)足够的窄，以至于专门同被测气态物质的吸收波段或区域(Wabs)相一致。
如上所述，将术语“吸收波段”定义为吸收光谱中的一段单独的不间断的波长区域，其中，在每个波长上都发生吸收。因此，如果吸收光谱包括两条吸收线，由没有观察到吸收的区域B分隔开的A1和A2，则两条吸收线A1和A2对应于不同的吸收波段。然而，如果两条吸收线A1和A2仅由一个局部吸收最小值(或局部强度最大值)分隔开，则两条吸收线A1和A2对应于一个单独的吸收波段。
根据本发明，图3所描绘的气体检测系统10包括一个ILS激光器12、波长选择光学器件52和一个光学检测器16。ILS激光器12包括一个增益介质20，增益介质20位于由镜面26和28限定的光学共振腔24中。所述的光学共振腔24是一个线性共振腔，增益介质20包括一种离子搀杂的晶体。通过在离子搀杂晶体的一端60上附着一反射涂层，从而形成第一镜面26。第二镜面28包括一曲面发射器。如在图2a中所示，可选的波长选择光学器件52｀可以包括在光学共振腔24中。
尽管图3所示的光学共振腔24是一个线性共振腔，可以理解，根据本发明，可以使用其它设计的共振腔。只要ILS激光器12的工作带宽Δvlaser与被测气态物质的吸收波段的重叠部分的带宽相适应，即比为1比1，或者是位于其间，这种共振腔就是可以被接受的。
在本发明的这一第二实施例中，用作增益介质20的离子搀杂晶体是Tm3+，Tb3+：YLF晶体。然而，可以理解，可以使用其它的离子搀杂晶体以适应所考虑的特殊应用。因此，并不仅限于下列离子搀杂晶体。
可以应用于本发明的方法和装置的离子搀杂晶体的样品包括：Cr：Tm：Ho：YAG、Cr4+：YSO、Cr4+：YAG、Cr4+：YSAG、Er3+：GSGG、Er3+：YSGG、Er3+：YLF、Er3+：Yb3+：glass、Ho3+：YSGG、Ho3+：Tm3+：LUAG、Tm3+：Ho3+：YLF、Tm3+：Ho3+：YAG、Tm3+：Ca Y SOAP、Tm3+：YLF、Tm3+：g1ass、Tm3+：Ca La SOAP、Tm3+：YOS、Tm3+：YSGG、Tm3+：YAG、Tm3+：YVO4、Yb3+：YAG、Cr：Forsterite、Er：Yb：Glass、CO2： MgF2、Cr2+：ZnSe、以及Cr2+：ZnS/ZnSe/ZnTe。无论是气态、液态或固态的其它材料也可以用作增益介质20。
图3还描绘了一个位于光学共振腔24中的气体样品管22。所述的气体样品管22将气体样品与激光器组件隔离开。可以理解，对于非腐蚀性的气体样品不需要使用气体样品管22，在这种情况下，气体样品容纳在整个激光器共振腔24中。
气体样品管22配有进口管62和出口管64。在气体样品管22的末端装有各自的小窗66和68，从而使得光束70穿过被测试的气体样品。小窗66和68还对气体样品管22进行密封。
当容纳ILS激光器12的腔室72中存在气体样品管22时，有必要将被测气态物质从腔室中去除或排除掉。通过将气态物质从腔室72中去除掉，使用气体检测系统10得到的系统响应就会准确地反映在气体样品管22中气态物质的存在和浓度。在将腔室72中的气态物质清除掉之后，将气体样品经由进口管62和出口管64注入到气体样品管22中(例如，当气体样品中包括腐蚀性气体的情况下)。然而，在这种情况下，当气体样品不会与激光器组件发生化学反应时，可以将气体样品送入腔室72中。
如上所述，ILS激光器12需要一个泵源74用来泵激增益介质20。由泵源74提供对离子搀杂晶体增益介质20进行的光激励，泵源74包括一个半导体二极管激光器76。
可以理解，泵源74可以包括任何能够驱动ILS激光器12的适合的光泵源，相干的非相干的，连续的或脉冲的。例如，泵源74可以包括固态晶体激光器(例如Nd：YAG)、气体激光器、一个或多个闪光灯、纤维激光器或任何适于泵激ILS激光器12的泵源。
图3表示了由电源78供电并由热电冷却器80冷却的半导体二极管激光器76。半导体二极管激光器76和热电冷却器80安装在用于散发半导体二极管激光器76产生的热量的散热器82中。
然而，将半导体二极管激光器76用作一泵源74，通常需要在半导体二极管激光器76和ILS激光器12之间使用光束成型部件84以便于光学匹配。光束调整光学部件包括衍射光学部件、折射光学部件、其折射指数轴向变化的梯度指数光学部件，其梯度指数径向变化的梯度指数光学部件、微光学部件以及它们的组合。图3显示，光束成型光学部件84包括宏观光学部件，它包括一对变形棱镜86和一对透镜88。或者也可以使用置于几个微米的半导体二极管激光器76内的光束扩大望远镜或微光学器件。
图3进一步显示了插在光束成型光学部件84和增益介质20之间的第一调制器90。所述的第一调制器90由调制器驱动器92供电并控制。第一调制器90交替地使半导体二极管激光器76发射的泵光束96衰减和透过，从而周期性地阻止泵光束对增益介质20的泵激。用这种方式，第一调制器90导致泵光束96重复泵激增益介质20这样可以开闭ILS激光器12。
将第二调制器94插入从ILS激光器12射出的输出光束32的光路中。第二调制器94交替地使光学共振腔24射出的输出光束32衰减和通过，从而通过将输出传送到光学检测器16周期性地对来自ILS激光器12的输出光束进行采样。
第二调制器94与第一调制器90同步，从而第一调制器90周期性地允许泵光束96的全部强度到达增益介质20，而第二调制器94周期性地允许输出光束32的全部强度到达光学检测器16。使用调制器90和94，对增益介质20的增益与气态物质产生的吸收进行竞争的时间长度进行控制。具体说，tg的值，发生时间可以通过使用两个调制器90和94进行调整。如在此使用的，将发生时间限定为在ILS激光器12内的测量之前发生的模式竞争的时期。或者，不需要第一调制器90和/或第二调制器94，而通过对泵源74的输出进行脉冲控制，以改变发生时间tg，从而导致泵光束96在低强度和高强度值之间交替变化进而使增益介质20交替地低于或高于(或者在)阈值。
可以理解，可以使用多种设备实现对泵激的中断，包括，但是不仅限于使用机械操纵的断续器，电-光或声-光调制器，以及快门。或者，也可以对供给泵源74(例如，半导体二极管激光器76)的电源进行改变，从而使半导体二极管激光器的输出在高强度和低强度之间波动，进而周期性地使增益介质20高于和低于激光器工作所需要的阈值。
可以进一步理解的是，尽管第二调制器94包括一个声光调制器，在本发明的方法和装置中还可以适当使用，诸如机械控制的断续器或快门等其它设备。或者，不使用第二调制器94，而交替地开闭光学检测器16从而对ILS激光器12的输出进行周期性的采样。
图3显示，ILS激光器12的输出光束32经过波长选择光学器件52射到光学检测器16上。可以理解，可以通过一个光纤连接，即一根光纤或一光纤束，将来自ILS激光器12的光输出交替地传送到一个远处的光学检测器16所在的地点。
如上所述，本发明ILS激光器12的势在(或工作)波长波段Wlaser最好足够的窄，以至于其与被测气态物质的吸收光谱中的一个吸收波段或区域一致。对于图3所示的ILS激光器12，其中增益介质20包括Tm3+、Tb+3：YLF，波长带宽直接与水蒸气的吸收光谱中的一个吸收波段相重叠。
除了没有使用第一调制器90外，用ILS激光器12获取水蒸气的吸收数据与图3所简要表示的相类似。相应地，对半导体二极管激光器76的电源进行调制。此外，需要与图1a所示类似的光谱仪组件14，用来将ILS激光器12的输出进行色散从而产生图4所示的图表。然而，ILS激光器12包括一个由Tm3+、Tb+3：YLF构成的离子搀杂晶体，用半导体二极管激光器76对它进行光学激励。
图4显示了在氮气中有较高浓度的水蒸气情况下，规格化的激光器强度/水吸收相对波长的曲线图。图4显示了波长在1450纳米到1455纳米之间的波长区域中的水蒸气光谱特征。由箭头98和100分别表示在1452.5纳米和1452.1纳米处的水吸收线。认为这两条吸收线是由局部吸收最小值分隔开的吸收特征。这两条吸收线相互接合形成一个与二极管泵激的Tm3+、Tb+3：YLF的带宽相一致的吸收波段或区域。图4描述了二极管激光器泵激Tm3+、Tb+3：YLF ILS激光器的带宽大约类似于(准确的说是略微大于)两条水吸收线产生的水吸收波段。在足够高的浓度下，包括这两条线的吸收波段或区域将全部重叠和包围(即至少与其一样大)ILS激光器12的工作带宽。因而，ILS激光器12的输出波长将会改变或者ILS激光器的输出在一特殊波长上改变。
当ILS激光器12的势在或工作带宽Δvlaser与被测腔内气态物质的吸收波段的重叠部分的带宽Δvabsr相当时，本发明的方法和装置可用于识别气态物质和测量气态物质的浓度。
使用本发明的方法，可以使得ILS气体检测系统10比现有技术的ILS传感器更小、更简单、更便宜并且更加容易使用，现有技术的ILS传感器是依赖于ILS激光器12的输出的波长分布图的。作为其小尺寸、低成本和操作简便的结果，本发明的气体检测系统10会导致气体检测的一套完全独特的应用。
这样，介绍了用于在校准范围内检测一定浓度的气态物质的存在的方法和装置。对于本领域的普通技术人员来说很显然，在不脱离所附权利要求书所表达的本发明的范围的前提下，可以对器件的设计和设置进行多种改变。此外，可以根据需要改变气体检测系统10的应用以及ILS气体检测器的位置，例如在一个半导体生产装配场所。例如，只要其构成和布置适于使ILS激光器12的光激励以可重复的方式进行，就能够对在腔室72内的多个器件的具体布置以及气体检测系统10本身进行调整。这些和其它现在或以后由本领域普通技术人员进行的设计、布置以及本发明的应用方面的变型都落在所附权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种气体检测系统(10)，用于在校准的范围内，对气体样品内的一定浓度的气态物质的存在进行检测，所述的气态物质在连续波长的至少一个单独的区域内吸收光，所述的系统包括：
(a)一个ILS激光器(12)包括：
(i)激光器共振腔(24)；以及
(ii)包括离子搀杂晶体的增益介质(20)，
所述的ILS激光器(12)仅在完全包括于所述连续波长的一个波段内的波长上才工作，在所述的连续波长上，所述的气态物质发生吸收，而所述的由所述的气态物质产生的吸收足够大，以至于可以改变所述的激光器(12)的输出波长或在校准范围内一个具体波长上的强度；
(b)一个容器(22)，用于容纳在所述的激光器共振腔中的所述的气体样品，所述容器(22)使得从所述增益介质(20)射出的输出光束(32)在离开所述的激光器共振腔(24)之前穿过所述的气体样品；以及
(c)一个检测器(16)，用于量化一个特定波长上的绝对激光器输出功率；
(d)位于所述ILS激光器(12)外部和所述ILS激光器(12)与所述检测器(16)之间的波长选择光学器件(52)，这样从所述ILS激光器(12)射出的所述的输出(32)在到达所述的检测器(16)前必先经过所述的波长选择光学器件(52)，仅仅波长位于所述ILS激光器(12)的输出波长的一部分内的光才能够透过该波长选择光学器件(52)。
2.如权利要求1所述的气体检测系统(10)，其特征在于，所述的ILS激光器(12)仅在连续波长的一个单独的区域内才工作。
3.如权利要求1所述的气体检测系统(10)，其特征在于，所述的ILS激光器(12)包括阻止所述ILS激光器(12)在所述气态物质发生吸收的波段之外的波长工作的器件。
4.如权利要求3所述的气体检测系统(10)，其特征在于，在所述的激光器共振腔(24)内安置一个额外的波长选择光学器件(52｀)，所述的波长选择光学器件(52｀)阻止所述的ILS激光器(12)在所述气态物质发生吸收的波段之外的波长工作。
5.如权利要求3所述的气体检测系统(10)，其特征在于，所述的增益介质(20)具有足够窄的带宽，从而阻止所述的ILS激光器(12)在所述气态物质发生吸收的波段之外的波长工作，或者在其上具有一个光学涂层，它能够阻止所述的ILS激光器(12)在所述气态物质发生吸收的波段之外的波长工作。
6.如权利要求3所述的气体检测系统(10)，其特征在于，所述的容器(22)包括一个位于所述激光器共振腔(24)内的气体样品管(22)，所述的气体样品管(22)具有窗口(66，68)，它们使得来自所述增益介质(20)的输出光束(32)穿过所述的气体样品，上述窗口(66，68)中的至少一个，其上具有光学涂层，该涂层阻止所述的ILS激光器(12)在所述气态物质发生吸收的波段之外的波长工作。
7.如权利要求3所述的气体检测系统(10)，其特征在于，所述的激光器共振腔(24)至少由两个镜面(26，28)构成，并且至少所述镜面(26，28)中的一个上具有光学涂层，该光学涂层阻止所述的ILS激光器(12)在所述气态物质发生吸收的波段之外的波长工作。
8.如权利要求1所述的气体检测系统(10)，其特征在于，所述的光泵源(74)将光照射到所述的增益介质(20)上从而驱动所述的ILS激光器12。
9.如权利要求1所述的气体检测系统(10)，其特征在于，所述的气态物质发生吸收的波段包括(a)一个单独的吸收特征并且所述的ILS激光器(12)具有一个工作带宽，该工作带宽足够宽以维持多模式工作，并且该工作带宽要足够窄，以至于仅与所述的一个单独的吸收特征相重叠，或者(b)多个吸收特征，并且所述的ILS激光器(12)具有足够宽的工作带宽从而维持多模式工作，并且该工作带宽足够窄，以至于仅与至少一个吸收特征的波长相重叠。
10.用于检测在一校准范围内的气体样品中一定浓度的气态物质的存在的方法，该方法使用了如权利要求1所述的气体检测系统(10)，所述的方法包括：
(a)在校准范围内当所述的气态物质在所述的气体样品中存在一定量时，确定所述的气态物质在连续波长的至少一个单独的波段上吸收了光。
(b)提供如权利要求1所述的ILS激光器(12)；
(c)设置所述的增益介质(20)，使得所述增益介质(20)的输出光束(32)在离开所述的激光器共振腔(24)之前，穿过装在所述的激光器共振腔(24)中的所述气体样品；以及
(d)设置所述的检测器(16)，以便对ILS激光器(12)的输出强度进行检测，从而量化一特定波长上的所述的输出功率。
(e)在所述ILS激光器(12)的外部以及所述ILS激光器(12)和所述检测器(16)之间设置所述波长选择光学器件(52)，以使所述ILS激光器(12)的所述输出(32)在到达所述检测器(16)之前必须首先通过所述波长选择光学器件(52)，只有波长位于所述ILS激光器(12)的输出波长的一部分内的光才能透过所述波长选择光学器件(52)。
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