CN1653319A - 在腔环降光谱法中用于控制光源的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于在腔环降光谱法中控制光源的装置和方法。该装置包括一控制器，该控制器根据来自共振腔的能量信号与一阈值的比较来产生一控制信号，以激活和失活光源。根据光源的稳定时间和提供足够能量给共振腔所需的时间，将光源在一预定周期激活。此后，控制器通过通过中断其电流源而在一预定时间周期失活光源，以便在腔中的光能环降，以及以便可以测量分析物的存在。来自光源的光能被直接从光源耦合到共振腔。
Description
发明的领域
本发明一般地涉及吸收光谱法，并且具体地，涉及在腔环降光谱法中激活和失活与光谐振器一起使用的光源。
发明的背景
现在，参考附图，其中在全文中相同的参考数字表示相同的部件，图1描述了对数尺度(logarithmic scale)上的电磁光谱。光谱学这门科学研究光谱。与涉及光谱其它部分的科学相比，光学系统具体地涉及可见光和近可见光(波长分布在大约1mm到大约1nm的可利用光谱的很窄一部分)。近可见光包括比红色更红的颜色(红外)和比紫色更紫的颜色(紫外)。该范围分布在可见性(visibility)任意一侧仅仅足够远到仍然可以被常用材料制成的多数透镜和镜子所处理的光。常常必须考虑材料的光学属性对波长的依赖性。
吸收型光谱法提供高的灵敏度、微秒级的响应时间、对中毒的不敏感性、以及与不同于所研究核素(species)的分子核素的有限相互干扰。可以通过吸收光谱法检测和识别各种分子核素。这样，吸收光谱法提供一种检测重要跟踪核素的常用方法。在气相，这种方法的灵敏度和选择性被优化，因为这些核素具有它们集中在一组尖(sharp)的光谱线的吸收强度。
在许多工业过程中，必须以高的速度和精确度测量和分析在流动气流和液体中的跟踪核素之浓度。需要这种测量和分析是因为污染物的浓度对于最终产品的质量常常是非常关键的。例如N2、O2、H2、Ar以及He等气体被用于制造集成电路，并且在这些气体中杂质的存在(即使是十亿分子之一(ppb)水平)破坏和减少了运算电路的产量。因此，能够以相对高的灵敏度利用光谱方法监测水对于使用在半导体工业中的高纯度气体的制造者来说是很重要的。在其它工业应用中，必须检测各种杂质。另外，在液体中杂质的存在(固有的或者有意放置的)在后期是特别关心的问题。
对于高纯度气体中的气体污染物，光谱法已经获得百万分之一(ppm)水平的检测。在一些情况中，ppb水平的检测灵敏度是可以获得的。因此，多许光谱方法已经被应用到例如气体中定量污染物监测的应用中，包括：传统长光程长度细胞(long pathlength cell)的吸收检测、光声光谱法、频率调制光谱方法、以及腔内激光吸收光谱法。这些方法有几个特征(正如在授权给Lehmann的美国专利No.5528040中所讨论的)使它们很难利用或者用于工业应用是不实际的。因此，它们极大地局限于试验室研究。
相比较，连续波-腔环降光谱法(CW-CRDS)已经成为一种重要的光谱技术，其应用到科学、工业过程控制、以及大气跟踪气体检测。CW-CRDS已经被描述作为用于光吸收测量的技术，其在常用方法具有不足灵敏度的低吸收方式(regime)中是非常优越的。CW-CRDS在高精度光谐振器中利用光子的平均寿命作为吸收敏感的可观察量(observable)。
通常，谐振器由一对名义上等价的、窄带的、超高反射率的绝缘镜组成，它们被合适地构造，以形成一个稳定的光谐振器。激光脉冲通过镜子被注射进谐振器，以经历一平均寿命，该平均寿命取决于光子双程传送时间(round-trip transit time)、谐振器的长度、核素的吸收截面和数量密度、以及一个考虑固有谐振器损损失(当衍射损失是可忽略的时，固有谐振器损失很大程度上是由与频率有关的镜子反射率所引起)的因子。因此，光吸收的确定从常用功率比(power-ratio)测量转变为衰减时间的测量。CW-CRDS的灵敏度是由固有谐振器损失的大小所确定，其中，利用例如允许超低损失光学系统制造的超级抛光技术，可以使固有谐振器的损失最小化。
图2描述了常用CW-CRDS装置200。如图2所示，从窄带的、可调的、连续波的二极管激光器202产生光。通过温度控制器(未示出)对激光器202进行温度调谐，以便使其波长放置在期望的分析物光谱线上。声光调制器(AOM)204设置在激光器202的前面，并且与从激光器202发射的辐射成一直线。AOM 204是用于将来自激光器202的光206提供在沿谐振器218的光轴219方向上的装置。光206从AOM 204射出，并且被镜子208，210引导至腔镜子220，作为光206a。光沿着光轴219前进，并且在腔镜子220和222之间指数衰减。该衰减的测量可指示其中是否存在跟踪核素。检测器212耦合在光学腔218的输出与控制器214之间。控制器耦合到激光器202、处理器216和AOM 204。处理器216处理来自光检测器212的信号，以便确定在光谐振器218中跟踪核素的水平。
在AOM 204中，压力换能器(未示出)产生一声波，该声波通过光弹性效应调制有源非线性晶体(未示出)中的折射指数。声波产生布拉格(Bragg)衍射光栅，该光栅将进入的光色散成多级(order)，例如第零极以及第一级。不同的极具有不同的光束能量并且遵循不同的光束方向。在CW-CRDS中，通常，第一级光束206与入射到腔内耦合镜220上的腔218的光轴219对准，以及第零级光束224在一个不同的光学路径上被闲置(其它更高阶光束是很弱的，这样没有被提及)。这样，AOM 204控制光束206和224的方向。
当AOM 204接通时，大多数光功率(通常达到80％，取决于光束的尺寸、在AOM 204中的晶体、对准等等)沿着共振腔218的光轴219定位于第一级，作为光206。其余的光束功率定位到第零级(光224)或者其它更高级。第一级光束206被用于输入耦合光源；第零阶光束224通常闲置或者被用于诊断分量。一旦在腔内累积了光能，AOM 204就被切断。这导致所有光束功率定位到第零级，作为光224，并且没有光206耦合进共振腔218。在腔内存储的光能遵循指数衰减(环降)。
为了“切断”到光学腔218中的激光，这样允许光学腔218内的能量“环降”，AOM 204在控制器214控制下并且通过控制线224沿着路径224将来自激光器204的光改变方向(偏转)，这样，离开光谐振器218的光学路径219。但是，这种常用方法具有的缺点在于：基本上通过包含在AOM中的改变方向装置时存在光能损失。由于使用来将来自AOM 204的光引导至光学腔218的镜子208和210，其它的损失也能存在。由于这些损失，估计由激光器202发射的光的仅仅50％-80％最终到达光谐振器218，作为光206a。而且，这些常用系统是昂贵的，并且AOM需要系统内的附加的空间和AOM驱动器(未示出)。
为了克服常用系统的缺陷，提供一种用于提供和控制到共振腔的激光的改进系统和方法。本发明的目的在于利用简单并且价格合理的控制系统代替常用AOM/控制系统。
发明概述
为了实现上述和其它目的，并考虑其目标，本发明提供一种用于控制与共振腔一起使用的光源的改进装置和方法。该装置包括：控制器，用于接收一检测信号与一预定阈值的比较，比较器根据比较产生一控制信号，以激活或者失活光源；第一延迟电路，耦合到控制器，用于产生到控制器的第一延迟信号；以及第二延迟电路，耦合到比较器和控制器，用于根据检测信号与预定阈值的比较，产生到控制器的第二延迟信号。
根据本发明的另一方面，光源提供光作为到共振腔的输入，以测量共振腔中分析物的存在。
根据本发明的另一方面，来自光源的光通过光纤耦合到共振腔。
根据本发明的另一方面，一准直器将光耦合进共振腔。
根据本发明的另一方面，比较器根据检测信号与预定阈值的比较，产生到控制信号的输入信号。
根据本发明的另一方面，检测器耦合在共振腔的输出和比较器之间，并且根据来自共振腔的光输出，产生一信号。
根据本发明的另一方面，根据第一延迟信号，失活光源。
根据本发明的另一方面，在第一延迟周期结束之后，激活光源。
根据本发明的另一方面，在第一延迟周期结束之后，光源被激活，并且通过电流调制在腔内积累能量。
根据本发明的另一方面，在第一延迟周期期间，测量在共振腔中存在的分析物(anlyte)水平。
根据本发明的另一方面，控制器通过分流用于光源的电流供应而来失活光源。
根据本发明的另一方面，光源是一激光器。
该方法包括以下步骤：检测来自共振腔的光能信号输出；将检测信号与一预定阈值进行比较；根据比较产生一控制信号，以控制光源；产生到控制器的第一延迟信号；在第一延迟信号结束之后，产生第二延迟信号；提供电流调制；以及在第二延迟信号结束之后，测量分析物的水平。
应该理解，前述本发明总的说明以及以下详细说明都是示例性的，而非限定性的。
附图简单说明
通过参考附图阅读下面的详细说明，可更好地理解本发明。在此强调：根据惯例，附图中的各个特征不是按尺寸绘制。相反，为了清楚起见，各个特征的尺寸被放大或者缩小。附图包括以下图：
图1是描述对数尺度上的电磁光谱的示意图；
图2是描述现有CW-CRDS系统的示意图；
图3A是描述本发明示例性实施例的示意图；
图3B是描述本发明另一示例性实施例的示意图；
图4是描述本发明示例性控制器的示意图；
图5是描述根据本发明示例性实施例的各种延迟定时的示意图。
本发明的详细说明
图3A描述了本发明的示例性实施例。如图3A所示，从光源302产生光，光源302例如为窄带的、可调谐的、连续波的二极管激光器。光源302是通过温度控制器(未示出)可温度调谐的，以便将它的波长放置在期望的感兴趣的分析物的光谱线上。来自光源302的光能通过光纤304耦合到光纤准直器308。依次，光能306通过准直器208被提供到共振腔318，并且基本上平行它的光轴319。检测器312耦合在光学腔318与控制器314之间。控制器314耦合到光源302和数据分析系统316。数据分析系统316(例如个人计算机或者其它专用处理器)在控制器314控制下处理来自光检测器312的信号，以便确定光谐振器318中跟踪核素(分析物)的水平。
优选地，光源302是温度和电流可控的、可调谐的、窄线宽度辐射(narrrow line-width radiation)的半导体激光器，其在可见到近和中红外光谱下操作。可替换地，光源302可以是外腔半导体二极管激光器。
共振腔318优选地包括至少一对高反射率镜子320和322以及其上安装镜子的气室(gas cell)321。室321例如可以是流动室或者真空室。可替换地，如图3B所示，共振腔318可以由一对棱镜324和326和相应的气室321组成。
检测器212优选地是一光电检测器，例如，光电二极管或者光电倍增管(PMT)。
现在参考图4，显示了控制器314的详细方框图。正如图4所示，缓冲器402接收来自检测器312(图3A-3B所示)的信号313(代表环降信号的大小)。比较器406接收缓冲的信号313，并且执行与一阈值信号404的比较。在操作中，阈值信号向上增大，直到比较器输出为零状态。然后，阈值信号404减小，直到比较器406提供一输出信号。结果，阈值信号404基于环降信号(ring down signal)的电平。在这种方式下，控制电路408能够确定何时从检测器312输出的环降信号损耗。
控制电路408根据环降信号的损耗来产生控制信号408a，以便激活第一延迟电路412。在第一延迟周期结束时(正如图5所示时间t1)，产生信号412a，并将其提供给控制电路408。依次，控制电路408产生信号408b，以激活第二延迟电路414，并且将信号408c提供给开关电路410，开关电路410依次激活电源302(相对于图3A和3B的虚线所示以及上述说明)。在延迟周期时间t2结束时(图5所示)，延迟电路414产生信号414a给控制电路408，以指示光源302已经稳定，并且开始，第三时间周期t3(图5所示)。时间周期t3(相对于图5的以下详细描述)被用于确保共振腔318在测量分析物浓度之前被利用光能通过电流调制而充分地充电。在时间周期t3结束时，失活控制信号408c，其依次被开关电路410用来失活光源302。在本发明的一个实施例中，开关电路410利用转换功率设备分流来自光源302的电流302，以失活光源302。
与失活信号408c同步，也产生信号408d，并将其提供给数据分析系统316(相对于图3A和3B的虚线所示以及上述说明)虽然信号408c和408d被示为分开的信号，但优选地，如果需要，可以将它们结合成单个控制信号。在这种方法中，可以要求信号408c的调节，以来提供一个合适的控制信号逻辑电平(例如根据数字信号)，从而提供对数据分析系统316的合适控制。
信号408d(在两信号408c和408d的方法中)被数据分析系统316用来指示光源302已经被失活，并且分析物的测量应该开始。在该点，再次通过控制电路408初始化第一延迟电路412，处理重复自己，以测量连续的环降。
因为上述说明涉及即将进行的分析物测量，所以电路需要在第一次测量之前被初始化。为了完成该初始化，初始化信号420被提供作为第一延迟电路412的输入。例如，当激活初始化信号420时(例如通过按钮或者来自数据分析系统316的控制信号)，延迟时间t0开始。然后处理遵循上述程序。
在示例性实施例中，开关电路410提供三个功能：1)作为激光电流驱动器，提供用于期望激光功率输出的激光器驱动电流，2)提供导致在腔318内能量累积的电流调制，以及3)作为电流切换/分流，用于将电流驱动到光源302或者停止驱动电流到光源302。
结果，控制器314给光源302施加能量以产生能量到谐振器318，采用第一延迟以在寻找新数据之前使得光源302稳定，利用第二延迟来等候在室中充分累积能量，然后切断到光源302的能量。在从光源302移走能量之后，采用另一延迟，以允许光能完全环降。然后在给定温度下，对于单个波长环降数据，重复该过程。通过数据分析系统316处理环降光谱。所述各种延迟如图5所示。
正如图5所示，在时间t0，通过提供操作电流I来给光源302施加能量，操作电流I高于光源的阈值电流I0。阈值电流I0根据所使用的光源类型变化。延迟时间t2表示允许光源稳定的延迟。在一个示例性实施例中，延迟时间t2被设定为大约100毫秒。延迟时间t3表示允许电流调制以在共振腔318中累积的时间。应当注意：电流调制以在共振腔318中累积所需要的时间远远小于t3。
在一个示例性实施例中，延迟时间t3基于光源302的调制频率f，并且优选地等于大约1/f。时间延迟t1基于共振腔318的环降时间。为了允许足够的时间用于在共振腔318中光能“环降”，时间延迟t1优选地设定为腔环降时间的10(十)倍。
激光温度驱动器416在常用装置(未示出)的控制下对光源302提供温度控制，用于在给定温度下产生期望的光频率。根据感兴趣的特定分析物来选择频率。
通过本发明可实现各种优势，例如：
●允许使用几乎100％的光源202所产生的光功率(即使在光纤304和准直器308中具有可以忽略的未检测损失)。较高的腔内能量累积提供了较好的信噪比和减小了散粒噪声。当光源是很弱时，这是极其有利的。正如以上所述，通常，当光通过AOM时，仅仅大约50-80％的光功率到达第一级。
●简化的CW-CRDS设置。这允许设定配置的更多空间灵活性，以及消除了由AOM引起的对测试环境的机械和光学敏感性。
虽然在此参考某些特定的实施例作了以上图示和说明，但是本发明没有企图被局限于所示的细节。相反，在权利要求等效的范围内可以详细地做出各种修改，而没有偏离本发明的精神。
Claims (35)
1、一种用于控制与共振腔一起使用的光源的装置，该装置包括：
控制器，用于接收一检测信号与一预定阈值的比较；比较器根据所述比较而产生一控制信号，以实现激活和失活所述光源中至少一项；
第一延迟电路，耦合到所述控制器，用于产生到所述控制器的第一延迟信号；以及
第二延迟电路，耦合到所述比较器和所述控制器，用于根据所述检测信号与所述预定阈值的比较，产生到所述控制器的第二延迟信号。
2、根据权利要求1的装置，其中，所述第一延迟电路通过一初始化信号被初始化。
3、根据权利要求1的装置，其中，所述光源提供光作为到所述共振腔的输入，用于测量共振腔中分析物的存在。
4、根据权利要求1的装置，其中，来自所述光源的光通过光纤耦合到所述共振腔。
5、根据权利要求4的装置，进一步包括一光纤准直器，耦合在所述光纤和所述共振腔的输入之间。
6、根据权利要求1的装置，进一步包括一比较器，用于根据所述检测信号与所述预定阈值的比较来产生到所述控制器的输出信号。
7、根据权利要求6的装置，进一步包括一检测器，耦合在所述共振腔的输出与所述比较器之间，所述检测器产生检测信号。
8、根据权利要求1的装置，其中，根据所述第一延迟电路的时间周期，失活所述光源。
9、根据权利要求8的装置，其中，所述第一延迟周期基于所述共振腔的环降时间周期。
10、根据权利要求9的装置，其中，所述第一延迟周期是所述环降周期的大约10倍。
11、根据权利要求8的装置，其中，在所述第一延迟周期结束之后，所述光源被激活。
12、根据权利要求8的装置，其中，在所述第一延迟周期期间，测量存在于所述共振腔中的分析物水平。
13、根据权利要求1的装置，其中，所述第二延迟电路的周期基于所述光源的稳定时间。
14、根据权利要求13的装置，其中，所述第二延迟周期是大约100毫秒。
15、根据权利要求1的装置，其中，在第三延迟周期之后，产生所述第一延迟信号。
16、根据权利要求15的装置，其中，所述第三延迟周期基于所述光源的调制频率。
17、根据权利要求16的装置，其中，所述第三延迟周期是所述调制频率的倒数。
18、根据权利要求15的装置，其中，所述第三延迟周期跟随在所述第二延迟周期之后。
19、根据权利要求15的装置，其中，在所述第三延迟周期期间，光能在所述共振腔内累积。
20、根据权利要求1的系统，其中，所述光源是一个激光器。
21、一种用于与光源一起来测量共振腔中分析物存在的系统，该系统包括：
检测器，耦合到所述共振腔的输出，以根据来自所述共振腔的光输出来产生一检测信号；
控制器，耦合到所述光源，该控制器根据所述检测信号激活和失活所述光源；
处理器，耦合到所述控制器，用于处理所述检测信号以及确定在所述共振腔中存在的分析物的水平。
22、根据权利要求21的系统，其中，所述控制器通过分流用于所述光源的电流供应来失活所述光源。
23、根据权利要求21的系统，进一步包括一光纤，用于将来自所述光源的光能耦合到所述共振腔。
24、根据权利要求23的系统，进一步包括一光纤准直器，耦合在所述光纤的一端与所述共振腔之间。
25、根据权利要求21的系统，其中，所述控制器在第一预定时间周期激活所述光源，以及在第二预定时间周期失活所述光源。
26、根据权利要求25的系统，其中，所述第一预定周期大约基于所述光源的稳定时间。
27、根据权利要求26的系统，其中，所述第一预定周期进一步基于所述光源的调制频率。
28、根据权利要求21的系统，其中，所述光源是一个激光器。
29、根据权利要求21的系统，其中，所述能量是光能。
30、一种用于测量共振腔中分析物存在的方法，该方法包括以下步骤：
检测从所述共振腔输出的光能信号；
将所检测的信号与一预定阈值进行比较；
根据该比较，产生一控制信号，以控制所述光源；
产生到所述控制器的第一延迟信号；
在第一延迟周期结束之后，产生第二延迟信号；以及
在第二延迟周期结束之后，测量所述分析物的水平。
31、根据权利要求30的方法，进一步包括步骤：
在紧接着产生所述第二延迟信号之后，激活所述光源；以及
在至少所述第一延迟周期期间，失活所述光源。
32、根据权利要求30的方法，进一步包括步骤：
提供一初始化信号，以初始化所述第一延迟信号。
33、一种用于测量共振腔中分析物存在的系统，该系统包括：
检测装置，用于检测从所述共振腔输出的光能信号；
比较装置，用于将所检测的信号与一与预定阈值进行比较；
控制装置，用于根据所述比较而产生一控制信号，以控制所述光源；
第一延迟装置，用于产生到所述控制器的第一延迟信号，以及开始第一延迟周期；
第二延迟装置，用于在所述第一延迟周期结束之后，产生第二延迟信号，以及开始第二延迟周期；以及
处理装置，用于在所述第二延迟周期结束之后，测量所述分析物的水平。
34、根据权利要求33的系统，其中，所述处理装置在所述第一延迟周期期间测量分析物的水平。
35、一种用于控制使用在腔环降光谱法中的光源的装置，该装置包括：
控制器，用于接收一检测信号与一预定阈值的比较，比较器根据所述比较而产生一控制信号，以实现激活和失活所述光源中的至少一项；
第一延迟电路，耦合到所述控制器，用于产生到所述控制器的第一延迟信号；以及
第二延迟电路，耦合到所述比较器和所述控制器，用于根据所述检测信号与所述预定阈值的比较，产生到所述控制器的第二延迟信号。
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