TW584717B - System and method for controlling a light source for cavity ring-down spectroscopy - Google Patents

Description

584717 五、發明說明（l) ---- 發明所屬之技術領域 本發明是有關於一種吸收光譜，且特別是有一 腔體指數型衰減（r ing-d〇wn)光譜之光共振器之光源之活化 (activate)與去活化（deactivate)。 先前技術 ^考附圖，相似參考符號代表相似元件，第丄圖繪示指 ίΐίϊ5光譜。光譜技術研究光譜。才目比於有關於該光 ^之其他邛伤之科學，光學•特別有關於可見光與 (可用光譜之非常狹窄部份，其波長延伸於lmm〜。近可 見光包括紅於紅色之色彩（紅外線）與紫於紫色之色彩（紫外 線）。此範圍只延伸到由通常材質所組成之大部份透鏡盘鏡 子可以處理之光之可見度之某一邊。通常需考量光 徵之波長相關度。 τ負尤将 吸收型光譜提供高靈敏度，微秒等級之反應時間，無宝 性，與不同於現在研究物種之不受分子物種之干擾。各^ 子物種可由吸收光譜所偵測或分辨。因此，吸收光譜提供偵 測重要記錄（trace)物種之一般方法。在此氣相中，此方法 之靈敏度與選擇性是最佳化，因為此物種之吸收強度集中於 一組陡光譜線。在此光譜中之狹線可用以區別出大部份干擾 物種。 在許多工業處理中，在流動之氣體與液體中之記錄物種 中之集中度必需測量與分析於高速與高準確度。此種測量與 分析是需要的，因為污染物之集中度通常是終端產品之品質 之關鍵點。如氮，氧，氫，氬與氦之氣體係用於製造積體電

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584717 五、發明說明（2) 路’且存在於這些氣體中之雜質-即使為十億分之一（ppb， parts per billion)等級-仍造成損壞且降低操作電路之良 率。因而，能由水進行光譜監視所具有之超高靈敏度在製造 半導體工業所用之高純度氣體是重要的。各種雜質2需偵測 於其他工業應用中。甚至，在液體中之雜質之存在，不論是 本有地或故意放置的，已變成往後特別的考量。 在高純度氣體中，光譜已有氣相污染物之百萬分之一 (ppm ’ parts per million)等級偵測。Ppb等級的偵測靈敏 度在某些例中是可達到的。因此，數種光譜方法已廡用於如 氣體中定量污染監測之應用，包括：傳統長路徑長度晶胞中 之吸收測量·，光聲光譜；調頻先譜；以及腔體内雷射吸收光 譜。這些方法具數個特徵，已討論於Lehmann所申請之美國 專利號55 28040中，這係難於使用且不實用於工業應用中。 因而，這些已大大限制實驗研究。 相比之下，連續性波腔體指數型衰減光譜（c〇ntinu〇us wave-cavity ring-d〇Wn spectr〇sc〇py，CW_CRDS)變成科 學、工業製程控制與大氣記錄氣體偵測應用之重要光譜技 術。CW CRDS已δ正實忐成為良好光吸收之測量技術，其勝過 靈，度不夠之傳統低吸收方法<W_CRDS利用高技巧光 器中之光子平均生命周期及其顯著之吸收靈敏度。 -般’共振器是由—對名義上等效 電鏡子經適當架構而形成，以你々仓—， ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Μ Λ 以形成穩定光共振器。雷射脈衝 透過鏡子而射入至该共振器内，以經歷平均生命周期；平均 生命周期有關於光子來回僂鈐拄„ 丁 j王P门朋，十构 丁水口傅輸時間、該共振器之長度、該物

584717 五、發明說明（3) ’ 種之吸收截面積與數量密度以及内部共振器損失之計數因子 (當可省略衍射損失時，其主要產生於頻率相關鏡子之反射 係數）。因而，光吸收決定由傳統功率比測量對衰減時間測 量之轉換而得。CW-CRDS之最終靈敏度是由内部共振器損失 之大小所決定，其可利用允許超低損失光學製造之如超磨光 (super - p〇 1 ish)等技術而減至最低。 第2圖繪示傳統CW-CRDS裝置200。如第2圖所示，光由窄 頻’可調，連續波雷射二極•體202所產生。雷射202由溫度控 制器（未示出）來調整溫度以使其波長在分析儀之較佳光譜 線。光聲調變器（3(：〇113七〇-〇?1：1(；111〇(111181:〇1'，人0肘）204 位於 該雷射202前方且一致於該雷射2〇2所射出之輻射線。AOM2〇4 提供使得雷射202所射出之光206能沿著共振腔體218之光學 軸219傳播之裝置。光2〇6離開AOM2 04並由鏡子2〇8、21〇導向 至腔體鏡子220，成為光2〇6a。光沿著光學軸傳播，並呈指 數型衰減於腔體鏡子220與222之間。此衰減測量代表記錄物 種之存在或缺乏。偵測器212耦合於光腔體218之輸出端盥栌 制器214之間。控制器214耦合至雷射2〇2 ,處理器216與”工

AjM204。處理器216處理光偵測器212之信號以決定在光共振 器2 1 8内之§己錄物種之位階（1 e v e 1 )。 在AOM204内，壓力變換器（未示出）產生一聲波，其透 先弹（ph〇t〇elastic)效應而調變在一主動非線性結晶體（ 示出）内之折射指數。此聲波產生一布拉格（bragg)衍射光 拇’其將輸入光分射成多P皆，比如零階與第一階。不且 不同光束能並沿著不同光束方向行進。在(^_(:1?1)$中，一般、

584717 五、發明說明（4) 而言，第一階光束206沿著胪鲈91 β +止姐士 腔，為八於早？？η品十⑲體218先學轴219對準而射於 (其他更高階光束非常弱因予2=ldJe)^^ 光束206，224之方向。而不予时論）。因此，A〇圖控制 當AOM204導通時，大部份伞#、玄" ._ 人口M77先功率（一般高達80%，取決於 光束大小，AOM204内之結晶體，對進筮、VL # u 、、 氺與缸二土人妨 對準荨）沿者共振腔體218之 先子軸219而走向第一 ρ皆，成為光m。剩餘的光功率走 零階（光2 24 )或其纟更高ρ皆。第—階光束2〇6做為輸入柄合光 源；第？階光束224 -般會散射，或者可做為特徵元件。口一 旦光能量建立於該腔體内，Α〇Μ關閉。這導致所有光束功 走向第零階成為第零階光束224，而沒有光2()⑼合至 體218内。腔體内所存之光能量會呈現指數型衰減。、、 為將射入至光腔體2 1 8之雷射光”關閉”且因而許光腔體 218内之能量”指數型衰減”，A〇M2〇4在控制器214之控制&下 透過控制線226，沿著第零階光束2 24來反射雷射2〇4所射出 之光’因此使之遠離光共振器218之光學路徑219。然而，此 傳統方法之缺點在於，光能量主要透過A〇M内含之反射裝置 而損失。其他損失也可能因為用以將A0M204射出之光指向至 光腔體2 18之鏡子2〇8，210而損失。因為這些損失，估曰計雷 射202所射出之光大約只有5〇 —8〇%最後會以光2〇6a而到達光 共振Is 2 1 8。甚至，這些傳統系統很花成本，且A〇M需要額外 空間以及系統内之A0M驅動電路（未示出）。 為克服傳統系統之缺點，本發明提供一種改良系統與方 法來提供與控制雷射光至共振腔體。本發明之目的是用^化

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五、發明說明（5) 與低成本控制系 發明内容 為達上述及 光源之經改良之 一偵測信 較結果而 一第一延 該控制器 偵測信號 至該控制 根據 之一輸入 之存在。 根據 而雜合至 根據 振腔體内 根據 既定臨界 根據 一輸出端 生該彳貞測 根據 去活化。 號與一 產生一 遲電路 :以及 與該既 器。 本發明 ’用以 本發明 該共振 本發明 〇 本發明 之該比 本發明 與該比 仏ϊ虎。 本發明 統來取代傳統AOM/控制系統。 ^他目的，本發明提供一種控制共振腔體一 、，與方法。該裝置包括··一控制器，接收 既定臨界之一比較結果，該控制器根據該比 控制信號以至少活化與去活化該光源之一； ，耦合至該控制器以產生一第一延遲信號至 二第二延遲·電路，耦合至該控制器，根據該 定臨界之該比較結果以產生一第二延遲信號 之=觀點，該光源提供光做為該共振腔體 測量在該共振腔體内之一分析物（analyte) 之又另一觀點，該光源所提供之光由一光纖 腔體。 之另一觀點，一光纖準直儀將光耦合至該共 ^另一觀點，一比較器根據該偵測信號與該 較結果以產生一輸出信號至該控制器。 之f 一觀點，一偵測器耦合於該共振腔體之 較器之間，其根據該共振腔體輸出之光而產 之另一觀點，該光源根據該第一延遲信號而

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根據本發明之另 之結束後。 觀點 該光源活化於該第一延遲時期 根 物位階 根 供應電 根 該 量信號 來產生 控制器 以及在 為 易懂， 明如下 佩+發明 係測量於 據本發明 流而去活 據本發明 方法包括 ;比較該 一控制信 ，在一第 一第二延 讓本發明 下文特舉 該第一 之另 一 化該光 之另一 下列步 偵測信 號以控 一延遲 遲時期 觀點， 延遲時觀點， 源。觀點， 驟：偵 5虎與一 制該光 時期結 結束後 之上述和其他 一較佳實施例 存在於該共振腔體内 期内。 該控制器藉由分流該光源之— 之一分析 該光源是一雷射。 測該共振腔體所輸出 既疋6¾界值，根據該 源，產生一第一延遲 束後，產生一第二延 ’測量該分析物之一 目的、特徵、和優點 ，並配合所附圖式， 之一光能 比較結果 信號至該 遲信號； 位階。 能更明顯 作詳細說 實施方式： 、第3 A圖繪示本發明之一實施例。如第3 A圖所示，光由光 產生’光源3〇2比如為窄，可調式，連續波雷射二極 體。光源302由溫度控制器（未示出）調整溫度以將其波長調 於分析所需之光譜線上。光源302送出之光能係透過光纖3〇4 而耦δ至準直儀（c〇nimator)308。接著，光能量3〇6透過準 直儀308而輸入至共振腔體318内並本質上平行於光學軸 319。偵測器312耦合於共振腔體318之輸出端與控制器314之 間。控制器314耦合至光源302與資料分析系統316。資料分

584717 析系統31 6，比如為個人電腦或其他特殊處理器，在控制器 314之控制下處理偵測器312傳來之信號，以^定在共振腔體 3 1 8内之記錄物種（分析物）。 較好是，光源3 0 2是可受溫度與電流控制，可調式，窄 線寬輻射，操作於近可見光與紅外線中央光譜内之半導體雷 射。另外，光源3 0 2可為外-腔體半導體雷射二極體。 共振腔體318較好包括至少一對高反射鏡子32〇，322與 t置有鏡子之氣體反應槽（gas cell)321。氣體反應槽321比 如可為流式處理槽（f l〇w cel 1)或真空處理槽（vacuum cell)。另外，如第3B圖所示，共振腔體318可包括一對稜鏡 3 2 4 ’ 3 2 6以及一相關氣體反應槽3 2 1。 、—偵測器312較好為光電偵測器，比如為光二極或光電倍 增管（photo-multiplier tube，PMT)。 現參考第4圖，其顯示控制器3 1 4之詳細方塊圖。如第4 ，所示，緩衝區402接收偵測器31 2(顯示第3A-3B圖）傳來之 號3 1 3 (代表私數型哀減#號之振幅）。比較器4 〇 6接收被緩 衝之信號313並將之比較於臨界信號4〇4。在操作時，臨界信 號4σ〇4往上增加直到比較器406之輸出為零狀態。因此，臨^ 信號404有關於指數型衰減信號之振幅。依此，控制電路4〇^ 能決定何時偵測器312輸出之指數型衰減信號會消失。 〇 控制電路408根據指數型衰減信號之消失而產生控制信 號408a以活化第一延遲電路412。在第一延遲時期之^點（σ如 第5圖所示之時間t〇，產生信號41 2a並輸出至控制電路 408。接著，控制電路4〇8產生信號“扑以活化第二延遲電路

第13頁 584717 五、發明說明（8) 414並提供信號4〇8c至開關電路410，開關電路41〇接著活化 光源3 0 2 (假性示出，參考第3 A與3 B圖）。在延遲時期之終點 t2(如第5圖），第二延遲電路414產生信號414a至控制電路 408以代表光源302已穩定且開始第三時期“（如第5圖）。時 期13 (參考第5圖，將於底下描述）用以確認共振腔體3丨8在開 始測量分析物集中度之前已透過電流調變而完全充滿光能 量。在時期t3之末端，去活化控制信號4〇8c，其接著被^關 電路410用以去活化光源302。在本發明之一實施例中，&關 電路410使用傳統功率裝置來分流光源3〇2輸出之電流以^ 化光源3 0 2。 & ' 同時於信號408c之去活化，也產生信號4〇8d並輸出至資 料分析系統316(假性顯示，顯參考第3人與36圖之描述）。雖、 然信號408c與408d表示成獨立信號，如果需要的話， 將這兩個信號合併為單一控制信號。在此方式下，可 信號408^之條件以提供方便的控制信號邏輯電位（比如， 據數位h唬）以提供資料分析系統3丨6之適當控制。 信號408d(在兩個信號408c/4〇8d方 & ί31示光源302已被去活化以及必需_分t Λ „4°ΐ2. ^ ^ ^ - ^ ^ t 、地王往θ董後以測置連續之指數型衰減。 菌，ί丨亡Ϊ Ϊ述相關於分析物之不間斷測量，電路需要在 第-次測ϊ前被起動。為完成此/要在 至第一延遲電路412。一9、、舌介兮如“動以420係輸人 鍵或資料分析系統3 1 6輪出之心Γ，5 ^420，比如透過按 ^出之控制诣唬，開始了延遲時間

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10。此過程接著依照上述程序進行著。 •在該實施例中，開關電路410提供三個功能：（1)當成雷 射電/瓜驅動電路，以提供雷射功率之所需輸出之雷射驅動電 流；（2)提供電流調變，導致腔體3丨8内之能量建立丨以及 (3)當成電流開關/分流器以致能/失能光源3〇2之電流驅動。 因此，控制器314供給能量以光源3〇2以產生能量至共振 腔體318内’應用第一延遲以允許光源3〇2在尋找新資料之能 穩定下來’利用第二延遲以•等待單元内之足夠光能量之建 立’接著停止供給能量給光源3 02。在能量從光源3〇2去除 後’應用另一延遲以允許該光能量能夠完全衰減。在既定溫 度下重複此過程以做為單一波長指數型衰減資料。指數型衰 減光譜被資料分析系統3 1 6處理。這些不同延遲係繪示於第5 圖中。 如第5圖所示，在時間t 〇，提供高於該光源臨界電流I 〇 之操作電流I來供給能量至光源3 〇 2。臨界電流I 〇根據所用之 光源類型而改變。延遲時間12代表允許該光源穩定之延遲。 在一實施例中，時間延遲12設成為1 〇 〇微秒。延遲時間13代 表允許建立電流調變於共振腔體31 8内之時間。要注意，建 立電流調變於共振腔體3 1 8内之所需時間遠小於13。 在一實施例中，延遲時間13有關於光源3 0 2之調變頻率 f，且較好等於約1 / f。延遲時間t丨有關於共振腔體3 1 8之指 數型衰減時間。為允許光能量有足夠時間來”指數型衰減”於 共振腔體3 1 8内，延遲時間11較好設成約腔體之指數型衰減 時間之1 0倍。

l〇838pif.ptd 第15頁 584717 五、發明說明（10) 雷射溫度驅動電路416，在傳統裝置（未示出）之控制 哺i提供光源3〇2之溫度控制以在給定溫度下產生所需之光 頻率。此頻率係根據特殊分析物而選擇。 本發明之優點如下： .允許幾乎100%使用光源302所產生之光束功率（雖秋在 =4…儀内有無法谓測之損失先 的能气建立於腔體内能提供較佳之信號-雜訊比以 t雜=。这疋特別有利於當光源較 一 J而言’當光通過·’只有約5"。%的丄向該第一 •排除AOM所以能節省忐太 . 成本約$2_。 …本。-般通商上可取得之應之 •簡化CW-CRDS安裝-這允許安* 且減少A 0:所導致之對測試環境之機械與光靈敏少度工。曰… 乂限疋本4明，任何熟習此技蓺 栉 和範圍内，當可作些許之更動在：脫離本發明之精神 圍當視後附之申請專利範=界=為眾此本發明之保護範

584717 圖式簡單說明 一 --- 第1圖繪示成指數刻度之電磁光言普； 第2圖繪不傳統C W - C R D S系統； 第3 A圖繪不本發明之一實施例； 弟3 B圖繪不本發明之另一實施例； 第4圖繪示本發明之控制器之一例；以及 第5圖繪示根據本發明實施例之各種延遲時序圖。 圖式標示說明： 2 0 0 : CW-CRDS 裝置 20 2 i 30 2 :光源 204 :光聲調變器 208、210，220，222，320，322 :鏡子 2 1 2，3 1 2 :偵測器 2 1 4，3 1 4 ··控制器 216:處理器 218:共振腔體 219 :光學軸 224 :零階光束 304:光纖 308:準直儀 3 1 6 :資料分析系統 3 1 8 :共振腔體 321 :氣體反應槽 324, 326:稜鏡 4 0 2 :緩衝區 4 0 6 :比較器 4 0 8 :控制電路 4 1 0 :開關電路 412，414 :延遲電路 416 :驅動電路

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Claims (1)

1. ^〇外/丄7 範圍 ' ' B --- h 種控制一共振腔體之一光源之裝置，該裝置包括： 果，二控制器’接收一偵測信號與一既定臨界之一比較結 鱼忒控制器根據該比較結果而產生一控制信號以至少活化 >、去活化該光源之一； 第一延遲電路，耦合至該控制器以產生一第一延遲传 说至該控制器；以及 ° 今二第二延遲電路，耦合至該控制器，根據該偵測信號與 Γ既定臨界之該比較結果以產生一第二延遲信號至該控制

   ^ 2 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第一延遲 電路由一起動信號所起動。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光源提供 光，做為該共振腔體之一輸入，用以測量在該共振腔體内之 一分析物之存在。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光源所提 供之光由一光纖而搞合至該共振腔體。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之裝置，更包括一光纖準 直儀，其耦合於該光纖與該共振腔體之一輸入端之間。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括一比較 器’根據該偵測信號與該既定臨界之該比較結果以產生一輸 出信號至該控制器。 7 ·如申請專利範圍第6項所述之裝置，更包括一偵測 器，耦合於該共振腔體之〜輸出端與該比較器之間，該偵測 器產生該偵測信號。

   、申請專利範圍 _ 8.如申請專利範圍第！項所述之裝置，纟中 μ弟一延遲電路之一時期而去活化。 μ先源根據 9·如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該 、4係有關於該共振腔體之—指數型衰減時期。χ (遲 1 0.如申請專利範圍第9 之裝 時期約為該指數型衰減時期之10倍。 -中…延遲 其令該光源係活 其中存在於該共 11.如申請專利範圍第8項所述之裝置 於該第一延遲時期之一終•點之後。 12·如申請專利範圍第8項所述之裝置，其令存在 χ腔體内之一分析物位階係測量於該第一延遲時期内 電路之一時期係有關於該光源之思心吁η 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項所述之裝置 遲時期係約1 〇 〇微秒。 ^ 1 5 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置， 信號係在一第三延遲時期之後彥生。 、1 6·如申請專利範圍第丨5項所述之裝置 遲時期係有關於該光源之一調變頻率。 1 7 ·如申請專利範圍第丨6項所述之裝置 遲時期係該調變頻率之倒數。 1 8 ·如申請專利範圍第1 6項所 遲時期在該第二延遲時期之後。 1 9 ·如申請專利範圍第丨5項所述 該第三延遲時期之内建立於該共振胲體内 1 3 ·如申凊專利範圍第1項所述之裝置，其中該第二延遲 穩定時間。 1其中該第二延 其中該第一延遲 延 延 延 其中光能量在 10838pif.ptd 第19頁 584717

   六、申請專利範圍 2 0 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光源是一 雷射。 2 1 · —種用於一光源之系統，以測量一共振腔體内之一 分析物之存在’該系統包括： 一偵測器’耦合至該共振腔體之一輸出端以根據該共 振腔體輸出之一光而產生一偵測信號； 、一控制器’轉合至該光源，該控制器根據該偵測信號而 活化與去活化該光源；以及 一處理器’耦合至該控制器以處理該偵測信號並決定存 在於該共振腔體内之該分析物之位階。 务22·如申請專利範圍第21項所述之系統，其中該控制器 藉由分流該光源之一供應電流而去活化該光源。 2 3 ·如申請專利範圍第2 1項所述之系統，更包括一光 纖’其麵合該光源輸出之光能量至該共振腔體。 24·如申請專利範圍第23項所述之系統，更包括一光纖 準直併’其耦合於該光纖之一端點與該共振腔體之間。 2 5 ·如申請專利範圍第2 1項所述之系統，其中該控制器 在一第一既定時期内活化該光源，並在一第二既定時期内去 活化該光源。 2 6 ·如申請專利範圍第2 5項所述之系統，其中該第一既 定時期有關於該光源之一穩定時間。 2 7 ·如申請專利範圍第2 6項所述之系統，其中該第一既 定時期係更有關於該光源之一調變頻率。 2 8 ·如申請專利範圍第21項所述之系統，其中該光源是

   10838pif.ptd 第20頁 584717 六、申請專利範圍 一雷射。 29· 光能量 30· 如申請專利範圍第21項所述之系統，其中 該能量 法 該 偵 比 根 產 在 在 31 在 在 一種測量在1振腔體内之—分 方法包括下列步驟： ^仔社义万 測該共振腔體所輸出之一光能量信號； 較該偵測信號與一既定臨界值； 據該比較結果來產生•一控制信號以控制該光源； 生一第一延遲信號至該控制器； 一第一延遲時期結束後，產生一第二延遲信號；以及 一第二延遲時期結束後，測量該分析物之一位階。 •如申請專利範圍第3 〇項所述之方法，更包括： 產生該第二延遲信號之後活化該光源；以及 至少該第一延時期内該去活化該光源。 •如申請專利範圍第3 0項所述之方法’更包括：提供 一起動信號以起動該第一延遲信璩。、 3 3. —種測量在一共振腔體内之刀析物之存在之系 統’包括： 一偵測裝置，偵測該共振腔體所輸出之一光能量信號； -比較裝置，比較該偵測信號與一既定臨界值； 控制裝置，根據該比較結果來產生一控制信號以控制 32 該光源 起動一 第一延遲骏置，產生一第 第一延遲時期； 延遲信號至該控制袭置 並

   10838pif.ptd 第21頁 584717 六、申請專利範圍 一第 測量該分析物 一第二延遲裝置，在一第一延遲時 延遲信號並起動一第二延遲時期；以及 處理裝置，在該第二延遲時期結束後 之一位階。 34.如申請專利範圍第33項所 七七嘧 〜、 /T> ，-…祀固牙ϋ ο項尸迷之系统， 置在該第-延遲時期内測量該分析物之位階_ 3 5. —種控制用於一腔體指數型衰減光譜内之一光源之 裝置’该裝置包括： 一控制器，接收一偵測信號與一既定臨界之一比較結

   果，忒控制器根據該比較結果而產生一控制信號以至少活化 與去活化該光源之一； 一第一延遲電路，耦合至該控制器以產生一第〆延遲信 號至該控制器；以及 ° 一第二延遲電路，耦合至該控制器，根據該偵測信號與 該既定臨界之該比較結果以產生一第二延遲信號至該控制 器0