CN203595658U - 光室模块组件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及光室模块组件。一种气体传感器系统包括激光模块、光室模块以及气体传感器单元。该激光室模块包括两个激光源，所述激光源产生波长A1和A2的发射。该光室模块的外壳包括用于使目标气体通过的一个入口及一个出口。该气体传感器单元匹配至该外壳的入口。在该光室模块内，一个非线性晶体接收波长λ1和A2的激光发射，并产生一个第三波长A3。该波长A3选择为该目标气体的中红外光谱吸收特征。该非线性光学晶体可被周期性极化，并被配置以将该第一和第二激光束转换频率。使用一个滤光器将来自所述两个激光源的残光从该中红外光束移除。

Description

光室模块组件
相关申请的交叉引用
根据U.S.C 35第119(e)条，本申请涉及并要求于2010年10月14日提交的、发明人为James J.Scherer和Joshua B.Paul、发明名称为“单频可调谐中红外激光器(Single Frequency Tunable Middle Infrared Laser)”的共同未决的美国临时申请第61/393,023号的提交日的权益。本申请还涉及以本申请发明人名义并与本申请在同一日期提交的发明名称为“基于高准确度中IR激光器的气体传感器(High-Accuracy Mid-IR Laser-Based Gas Sensor)”的共同未决的美国专利申请第13/229,511号(代理人案号5954US1/NAT)。上述共同未决申请通过引用以全文并入本文中。
背景技术
单频近红外线激光器用于化学传感器以产生所希望的、在目标样本的振动带处的波长。因为许多化学物种在该区域内具有低光吸收率，所以当结合简单直接吸收方法时，利用基于传统激光源的传感器系统不是特别灵敏。通过利用复杂及不稳健的光谱法，可提高系统灵敏度。为了说明，利用超长路径散光赫里奥特(Herriott)单元、共振光-声方法或基于光腔的方法，如光腔衰荡光谱(CRDS)及积分腔输出光谱(ICOS)，可提高近红外化学传感器的灵敏度。
光-声谱法，虽然能够非常灵敏，但是频率需要使用复杂的共振单元。此外，由于周围气体的光激发耦合的变化，难以解释利用光-声谱法的谱图的相对强度。
散光多通单元相对较大、对取向灵敏、并且易受镜污染影响。
基于光腔的方法更易受镜污染影响，因为该些方法明确地由腔光学元件的超高反射率(通常R＝99.9％-99.99％)来获取灵敏度。此外，CRDS对取向极其灵敏。ICOS，且尤其是“离轴”ICOS需要相对较大的样品池，如2”直径光学元件，从而增加了样品池体积、泵送需求、以及整个系统尺寸。当推广该技术至中红外范围时，甚至需要更大的光学元件，从而进一步增加了单元体积。
发明内容
一种气体传感器系统包括激光模块、光室模块以及气体传感器单元。该激光室模块包括两个激光源，所述激光源分别产生波长λ1和λ2的激光发射。每个光路可选地包括一个光隔离器。所述光路进入该光室模块的外壳，在光室模块的外壳中，它们合并为一个第三波长λ。该光室模块的外壳包括用于使所选目标气体通过的一个入口及一个出口。该气体传感器单元匹配至该外壳的入口。该目标气体通过邻近的气体单元并通过该入口进入至该光室模块。该目标气体通过该出口离开该光室模块。
在该光室模块内，一个非线性晶体接收波长λ1和λ2的激光发射，并产生第三波长λ3。该波长λ3选择为在该目标气体的中红外光谱吸收特征处，即特定化学物种的振动光谱内的强吸收谱线，该气体传感器以其作为目标。该第三波长λ3通过所述两个激光发射的电场的相互作用而产生。该非线性晶体可被周期性地极化，并被配置以使该第一和第二激光束转换频率(frequency-convert)。使用一个吸收和/或反射性滤光器将来自所述两个激光源的残光从该中红外光束移除。该滤光器可包含一个光带通或边缘滤光器，其传输波长λ3的光同时排斥波长λ1的光及波长λ2的光。替代性地，该滤光器可为一片抛光的锗(具有或没有介电涂层以增强λ1和λ2的反射率)，或者为一个透射光学基片，在一面或两面上具有介电涂层以反射所述两个激光源波长并传输波长λ3。该滤光器85还可被制成楔形以进一步减小该滤光器的输入光学面与输出光学面之间的光学色偏。在该说明性实施例中，该楔形可为约3°至约5°。
附图说明
图1显示了激光系统的框图。
图2为产生波长λ3处的光发射的功能框图。
图3为图1所示的光室模块15的系统图。
具体实施方式
图1为使用激光室模块12、光室模块14及气体传感器单元16的气体传感器10的框图。在电磁波谱的中红外波段中，通过基频振动带，该系统能够感测化学物种。
该激光室模块12包括两个激光源12A、12B，所述激光源12A、12B分别产生波长λ1和λ2的激光发射。每个光路可选地包括光隔离器18A、18B。所述光路进入一个光束选择器19，如多路复用器。所选的光路进入该光室模块14的外壳20，在此处它们被合并为一个第三波长λ3。该外壳20包括用于使所选目标气体通过的一个入口22及一个出口24。该气体传感器单元12连接至该外壳的入口22。该目标气体通过邻近的气体单元16并通过该入口22进入至该光室模块14。该目标气体通过该出口24离开该光室模块14。
图2为产生波长λ3的光发射的功能框图。波长λ3为大约从4μm至大约5μm的光谱范围内的中红外波长。
该第一激光源12A发出一个第一光束，该第一光束具有1500nm至约1650nm范围内的波长λ1。第一光隔离器18A接收该第一光束。第二激光源12B发出一个第二光束，该第二光束具有1120nm至约1200nm范围内的波长λ2。第二光隔离器18B接收该第二光束。光选择器19如多路复用器通过第一和第二保偏光纤光学地耦合至该第一和第二光隔离器18A、18B，用以提供相对于与光混合器26如非线性光学晶体有关的有利轴而偏振的多路复用器输出。该非线性光学晶体26光学地连接至多路复用器19的输出。该光耦合可通过一个第三保偏光纤而完成。
该第一激光源12A可为一个分布式反馈(DFB)激光器，其具有一种周期性地构造为衍射光栅的激光增益介质。DFB激光器内增益介质的周期性结构构成一维干涉光栅(布拉格散射)，这提供用于控制该第一激光源的光反馈。该DFB激光可在腔室的一端上具有一个抗反射涂层以及在腔室的相反端上具有一个高反射涂层。替代性地，该DFB激光器可为一个相偏移DFB激光器，其具有被抗反射涂层所覆盖的两端并在腔室内具有相偏移，如腔室的中心的单一的四分之一波偏移或者该腔室内分布的多个小偏移。替代性地，该第一激光源可为二极管激光器或光纤激光器(OFL)，其中该光纤激光器包括掺杂有稀土元素如铒、镱、钕、镝、镨和铥的光纤。
该第二激光源12B可为量子点式半导体激光器，如具有1170nm自由激光波长的亚瓦级高应变InGaAs/GaAs，其在1147nm至约1197nm范围内可调谐。量子点激光器包括一个量子点层，在其发光区域内该量子点层作为活性增益介质。由于三维电荷载流子的强约束，该量子点激光器显示出与能够藉由控制量子点维度或量子点材料组成而调节能级的原子相似的电子结构。
在工作过程中，两个激光器12A、12B在可行波长范围内以受控方式独立可调。这可通过单线、窄线或多频带调谐来实现。通过以外腔配置的外部波长选择器可以进行外部调谐。通过对于二极管激光器在固定结温度调整电流或者通过在固定温度调整激光器驱动电流，可进行内部调谐。
光隔离器18A、18B允许单向光透射，例如光仅在一个方向上透射同时阻挡光在相反方向上传播。单向透射抑制了至各激光器的增益介质的不必要反馈。不必要的反馈可使激光器的频率和/或幅值输出不稳定。所述光隔离器18A、18B可为偏振相关或偏振无关的。每个光隔离器18A、18B被优化以在与其各自激光源的波长对应的光谱区内运行。每个光隔离器18A、18B的输出可被优化以具有相似的偏振态，直到光组合器注入点。所述光隔离器18A、18B被光学地耦合，以便紧靠其各自激光源12A、12B的发射口。
多路复用器19可为一种在两个不同波长具有显著不同的反射或透射特性的分色激光镜，该多路复用器工作而以已知方式结合具有不同波长的激光束。为了说明，该多路复用器19可反射第一激光束同时使第二激光束通过，用以提供沿着共光路朝向非线性光学晶体26的多路输出，或者该多路复用器19可反射第二激光束并使第一激光束通过，用以提供沿着共光路朝向非线性光学晶体26的多路输出。替代性地，该多路复用器19可为一种基于过滤器的装置，其中所调谐的波长从一条光纤被该过滤器反射至输出光纤并且固定的波长通过一个分色激光镜透射。该结构阻止了该多路复用器内的光色偏或标准具作用(etaloning)，同时该激光源被调整频率。这阻止了差频激光λ3的输出功率的传输强度变化。
保偏光纤为在传播期间发射至该光纤的线性偏振光的偏振态保持不变的光纤，在这些模之间具有较小的或没有光功率的交叉耦合。所述保偏光纤可选地使用一个防护罩加固以缓解光纤弯曲应力。
图3为图1所示的光室模块15的系统图。该光室模块14进行所接收的光的任何所需的调节或过滤并将所接收的光导向气体单元16。自第一和第二光隔离器18A、18B接收第一和第二光束。这两个光束在非线性晶体26内结合。在通过该非线性晶体26之后，使用一个吸收和/或反射性滤光器28，将所述两个激光源的残光自中红外光束移除。一系列转向镜30在适当的位置及角度处将光导向通过一个对中红外透明的窗口。
衰减光沿着略微偏移出射光束34A的路径(从转向镜36至窗口)，通过对中红外透明的窗口32返回至光室模块14。该略微偏移的衰减光束通过一个检取(pickoff)镜38进一步与出射光束的路径分离。在通过换向镜40的可行的额外反射之后，所返回的衰减光束通过一个凹面镜42聚集于一个光检测器44上。该光检测器44可为能够响应中红外光的任意合适的检测器，如众所周知的碲镉汞(MCT)检测器。
该光室的外壳20包括一个入口22以及一个出口24。该入口22为一种气体配件，其连接至气体传感器单元16，用以允许感兴趣的目标气体流过该单元。该目标气体通过出口24离开该外壳。该出口24经由一个气体配件(未显示)连接至一个真空泵(未显示)。
该光室模块中的材料，如加工的裸铝，加工及阳极化处理的铝，铜，不锈钢螺丝及垫圈，环氧树脂，电路，电线和缆线，润滑剂，以及润滑油，可为许多气体如甲烷、一氧化碳及二氧化碳的来源。当光室模块与图1的气体传感器单元分离时，这些背景干扰气体可将不希望的且显著的背景信号增加至来自于流过气体单元的样气的吸收信号。
当用于气体传感器应用中时，图3的光室模块14不再与图1的气体传感器单元16分离。这两个体积连接，并且样气流过气体单元并进入光室模块中。该样气通过一个气体配件离开该光室模块，该气体配件连接至一真空泵。
该光室模块14以与气体单元相同的压力运行，并且该光室内的气体被该样气连续冲出。因此，该背景干扰气体未积聚，而是被流动的样气冲走。该干扰气体不再将背景信号增加至该吸收信号。
该非线性光学晶体可被周期性极化并配置以将第一和第二激光束转换频率。为了说明，通过人为构建材料域，该周期性极化的非线性光学晶体可实现基频光子及对应的差频光子的相位或准相位匹配。该非线性光学晶体可配置以输出满足数学关系式λ3＝(λ1 λ2)/(λ1-λ2)的差频相干光束。该第三波长λ3在约4μm至约5μm的范围内，如4.3μm、4.5μm或4.8μm。选择第三波长λ3，使得该波长与感兴趣的特定化学物种的振动光谱内的强吸收谱线一致。
选择非线性晶体26，从而利用该晶体，通过两个激光发射的电场的相互作用，在该晶体内产生第三波长λ3的共传播光。该非线性光学晶体26可被周期性极化，并配置以将第一和第二激光束转换频率。为了说明，通过人为构建材料域，该周期性极化的非线性光学晶体26可实现基频光子及对应差频光子的相位或准相位匹配。该周期性极化的非线性光学晶体26可包括任何种类的晶体材料，诸如，例如磷酸钛氧钾(KTP)、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)以及III-V材料。根据一个实施例，该非线性光学晶体为具有约10mm至约60mm范围内长度的周期性极化铌酸锂(PPLN)结构。
该滤光器28接收该相干光束并移除原波长λ1、λ2的光部分，并且输出具有以波长λ3为特征的相干光束部分。该过滤器28为在前或后滤光器表面具有低反射的、波长λ3的高透射相干光。该滤光器28可为一个光带通或边缘滤光器，其传输波长λ3的光同时排斥波长λ1的光及波长λ2的光。替代性地，该滤光器28可为一片抛光的锗(具有或没有介电涂层以增强λ1和λ2的反射率)，或者为一个透射光学基片，在一面或两面上具有介电涂层以反射所述两个激光源波长并透射波长λ3。该滤光器还可被制成楔形以进一步减小该滤光器的输入光学面与输出光学面之间的光学色偏。在该说明实施例中，该楔形可为约3°至约5°。
自该滤光器28发出的相干光束的特征可以是具有小于约10MHz的窄线宽。在一个说明实施例中，该滤光器的相干光束输出的线宽可小于约2MHz-3MHz，或者小于1MHz。该相干光束的线宽作为以下宽度给出，即以频率表示的光谱的半最大全宽度(FHWM)。该线宽还可以波数或波长表示。

Claims (19)

1.一种光室模块组件，包含：
一个激光源，该激光源包括，
一个第一激光器，该第一激光器发射一个第一激光束，该第一激光束具有1500 nm至1650 nm范围内的波长λ1，
一个第二激光器，该第二激光器发射一个第二激光束，该第二激光束具有1120 nm至1200 nm范围内的波长λ2，
一个第一光隔离器，该第一光隔离器接收该第一激光束，以及
一个第二光隔离器，该第二光隔离器接收该第二激光束；以及
一个光室模块，该光室模块包括一个外壳，该外壳具有一个入口和一个出口、包括一个对中红外透明的窗口，该对中红外透明的窗口邻近该入口，该外壳包括
一个非线性晶体，该晶体工作以接收该第一激光束和第二激光束，从而产生具有波长λ3的一个第三光束，其中λ3 = (λ1 λ2)/( λ1- λ2)，
一个滤光器，该滤光器接收该第三光束，移除与该第一和第二激光束相关的残光，
一个第一系列转向镜，该第一系列转向镜将该第三光束导向通过该对中红外透明的窗口，
一个检取镜，该检取镜接收一个衰减的光束、定位接近该对中红外透明的窗口、反射该衰减的光束，
一个光检测器，以及
一个第二系列转向镜，该第二系列转向镜接收该衰减的光束并将该衰减的光束引导至该光检测器。
2.如权利要求1所述的组件，其特征是该滤光器选自包括吸收性及反射性滤光器的组。
3.如权利要求1所述的组件，其特征是该光检测器为一种碲镉汞检测器。
4.如权利要求1所述的组件，其特征是该第一激光器为一种可调谐的分布式反馈二极管激光器。
5.如权利要求1所述的组件，其特征是该第二激光器为一种量子点半导体激光器。
6.如权利要求5所述的组件，其特征是该量子点半导体激光器发出等于1170 nm的波长λ2。
7.如权利要求1所述的组件，其特征是该第一激光器发出1500 nm至1600 nm范围内的波长λ1，该第二激光器发出1150 nm至1200 nm范围内的波长λ2。
8.如权利要求1所述的组件，其特征是所述组件进一步包括一个多路复用器，该多路复用器介于该第一光隔离器与该非线性晶体之间、介于该第二光隔离器与该非线性晶体之间。
9.如权利要求8所述的组件，其特征是该多路复用器反射该第一激光束并使该第二激光束通过。
10.如权利要求8所述的组件，其特征是所述组件进一步包含：
一个第一保偏光纤，该第一保偏光纤介于该第一光隔离器与该多路复用器之间；
一个第二保偏光纤，该第二保偏光纤介于该第二光隔离器与该多路复用器之间；以及
一个第三保偏光纤，该第三保偏光纤介于该多路复用器与该非线性晶体之间。
11.如权利要求1所述的组件，其特征是该非线性晶体具有一种周期性极化结构，并且该非线性晶体的长度为10 nm至60 nm。
12.如权利要求1所述的组件，其特征是该第一激光器包括一种第一增益介质，一个第一输出耦合器可工作以传输来自该第一增益介质的光功率的一部分以产生该第一激光束，相对于该第一输出耦合器的外表面，该第一光隔离器以0.01 nm至5 nm范围内的距离连接至该第一输出耦合器。
13.如权利要求12所述的组件，其特征是该第二激光器包括一种第二增益介质，一个第二输出耦合器可工作以传输来自该第二增益介质的该光功率的一部分以产生该第二激光束，相对于该第二输出耦合器的外表面，该第二光隔离器以0.01 nm至5 nm范围内的距离连接至该第二输出耦合器。
14.如权利要求13所述的组件，其特征是所述组件进一步包含一个处于外腔配置中的外部波长选择元件，该外部波长选择元件以0.01 nm至5 nm范围内的距离连接至该第二光隔离器的另一个外表面。
15.一种光室模块组件，包含：
一个外壳，该外壳具有一个入口和一个出口，包括一个对中红外透明的窗口，该对中红外透明的窗口邻近该入口，该外壳包括
一个非线性晶体，该晶体工作以接收具有波长λ1的一个第一光束及具有波长λ2的一个第二光束，从而产生具有波长λ3的一个第三光束，其中λ3 = (λ1 λ2)/( λ1- λ2)；
一个滤光器，该滤光器接收该第三光束，移除与该第一和第二光束相关的残光；
一个第一系列转向镜，该第一系列转向镜将该第三光束引导通过该对中红外透明的窗口；
一个检取镜，该检取镜接收一个衰减的光束、定位接近该对中红外透明的窗口、反射该衰减的光束；
一个光检测器；以及
一个第二系列转向镜，该第二系列转向镜接收该衰减的光束并将该衰减的光束引导至该光检测器。
16.如权利要求15所述的组件，其特征是该滤光器为吸收性的。
17.如权利要求15所述的组件，其特征是该滤光器为反射性的。
18.如权利要求15所述的组件，其特征是该光检测器为一种碲镉汞检测器。
19.如权利要求15所述的组件，其特征是该非线性晶体具有一种周期性极化结构，并且该非线性晶体的长度为10 nm至60 nm。
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