專利名稱：一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光譜分析裝置，特別是一種 光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置，主要用于流體、薄膜、界 面、納米物質(zhì)等形態(tài)物質(zhì)的痕量濃度測(cè)試。 技術(shù)背景在環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國(guó)防安全、先進(jìn)制造工業(yè)等許多 領(lǐng)域存在大量的物質(zhì)痕量測(cè)量需求，并且對(duì)檢測(cè)靈敏度的要求越來(lái)越高。 腔衰蕩光譜分析由于具有檢測(cè)靈敏度高、絕對(duì)測(cè)量、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，成 為痕量物質(zhì)測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。腔衰蕩光譜分析技術(shù)多用來(lái)分析痕量 氣體濃度和組分，近些年來(lái)，研究者將腔衰蕩光譜分析技術(shù)應(yīng)用于流體物質(zhì)分析，在先技術(shù)中，有一種腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)(參見美國(guó)專利"Cavity ring down arrangement for non-cavity filing samples", 專利號(hào) US6，452，680B1)。該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，盡管可以將腔 衰蕩光譜分析技術(shù)功能擴(kuò)充，對(duì)流體物質(zhì)進(jìn)行分析測(cè)試，但是，仍然存在一 些不足1) 該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)只能用來(lái)測(cè)試分析流體物質(zhì)，不能對(duì)薄膜、 界面、納米物質(zhì)等形態(tài)物質(zhì)的痕量濃度測(cè)試；2) 該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工和定位要求高，激光 束入射和出射樣品池時(shí)，為了使光能量在界面不出現(xiàn)損失，均要以布魯斯 特角入射和出射，這樣就增加了樣品池機(jī)械定位要求和提供了光束方向控 制精度；3) 該測(cè)試系統(tǒng)中，激光束初次入射高精度腔鏡時(shí)發(fā)生透射和反射，透 射光在高精細(xì)度腔內(nèi)發(fā)生往返傳播，光電探測(cè)器探測(cè)此透射到腔內(nèi)光在某 一腔鏡的出射激光能量衰蕩變化，所以光能量很低，要求探測(cè)器具有高探 測(cè)靈敏度，對(duì)系統(tǒng)光電檢測(cè)部分提出高要求；4) 對(duì)流體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要至少填充樣品池，需要被檢測(cè)流體具有一 定體積數(shù)量，對(duì)具有少量的被測(cè)流體無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)；5) 該腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)中的高精細(xì)度腔有兩個(gè)或多個(gè)高反射率反射鏡光學(xué)元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且對(duì)光學(xué)元件相對(duì)位置具有高精度定位要 求。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的問題在于克服了上述在先技術(shù)的不足，提供一種 光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置，具有測(cè)量物質(zhì)范圍廣泛， 被測(cè)物質(zhì)所需量少，所需探測(cè)光學(xué)信號(hào)強(qiáng)，可光纖遠(yuǎn)距離傳輸，精細(xì)腔構(gòu) 成簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本實(shí)用新型將近場(chǎng)光學(xué)傳感、光纖長(zhǎng)距離傳播和光學(xué)外差分光電探測(cè) 技術(shù)應(yīng)用于腔衰蕩光譜分析技術(shù)。光纖將傳感探測(cè)部分和信息處理部分連 接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)試，光纖分布式測(cè)試系統(tǒng)。光學(xué)外差分中探測(cè)器探測(cè) 光強(qiáng)信號(hào)為直流光場(chǎng)振幅和有用弱變化光場(chǎng)振幅取和后模的平方，交叉項(xiàng) 含有用光信號(hào)，同時(shí)此信號(hào)振幅中含直流光場(chǎng)振幅參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)所需探測(cè) 光信號(hào)增強(qiáng)的效果。采用一個(gè)光學(xué)元件度高反射膜形成高精細(xì)強(qiáng)，采用近 場(chǎng)光消逝波區(qū)域測(cè)試物質(zhì)，所需物質(zhì)量小，并且測(cè)量范圍廣。本實(shí)用新型包括探測(cè)部件、光纖、光電探測(cè)器、分光鏡和激光光源。 所述的探測(cè)部件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柱體或半球體，內(nèi)部形成光反射腔，外表面 鍍有高反射膜。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與探測(cè)部件位置配合。激光光源 和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器分別設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)，激光光源的發(fā)射光方向與分光鏡的工作面的夾角為45。，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在發(fā)射光方向上。光電探測(cè)器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在分光鏡的工作面的同 一側(cè)面，并且設(shè)置在分光鏡的反射光方向上。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與 分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器通過(guò)光纖連接。所述的探測(cè)部件為截面呈半圓形的柱體，柱體的弧面鍍有高反射膜。 探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在半圓形的徑向方向上。所述的探測(cè)部件為截面呈等腰三角形的柱體，柱體的等腰面鍍有高反 射膜。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與等腰三角形一邊的腰平行設(shè)置。所述的半球體的探測(cè)部件的弧面鍍有高反射膜。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn) 直器設(shè)置在半球體的徑向方向上。所述的分光鏡為分光棱鏡；光纖為單模光纖、多模光纖、光纖束中的 -一一禾中。所述的分光鏡為偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直 器之間設(shè)置有四分之一波片，四分之一波片的光軸方向與偏振分光棱鏡的 出射光偏振方向的夾角為45。；所述的光纖為保偏光纖。所述的光電探測(cè)器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。 本實(shí)用新型裝置的工作過(guò)程為激光光源發(fā)出的線偏振光束，經(jīng)過(guò)分光 鏡，通過(guò)分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器進(jìn)入光纖。在光纖中傳播到探測(cè)部件，經(jīng) 過(guò)探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器轉(zhuǎn)化為激光束，透過(guò)探測(cè)部件的入射工作面， 在全反射工作面上發(fā)生全反射，全反射消逝波區(qū)域?yàn)闄z測(cè)被測(cè)物質(zhì)的區(qū)域， 全反射光束傳播到反射工作面發(fā)生反射。由于入射工作面和反射工作面均 鍍有高反射膜，所以形成了高精細(xì)度腔，光束在高精細(xì)度腔內(nèi)往返傳播， 每次經(jīng)過(guò)全反射工作面上發(fā)生全反射時(shí)與被測(cè)物質(zhì)發(fā)生作用，會(huì)有吸收， 光能量有損失形成吸收峰，光能量吸收強(qiáng)度與被測(cè)物質(zhì)被測(cè)量成比例。激 光束每次經(jīng)過(guò)入射工作面時(shí)，會(huì)有部分光發(fā)生透射。信號(hào)透射光束經(jīng)過(guò)入 射工作面，再由探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器傳播到光纖。信號(hào)透射光束在光 纖另一端經(jīng)過(guò)分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器入射到分光鏡。在分光鏡的分光面上 部分光發(fā)生反射，達(dá)到光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化 為電信號(hào)后傳到后臺(tái)信號(hào)處理控制系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)外差法信號(hào)處理，得到被 測(cè)物質(zhì)量。為提高激光光能量利用效率，分光鏡采用偏振分光棱鏡，對(duì)于入光偏 振態(tài)光束透射，偏振方向垂直于入射光束偏振方向的光束反射，同時(shí)在偏振分光棱鏡與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器之間加入四分之--波片9，四分之一 波片光軸方向與偏振分光棱鏡的出射光偏振方向成45度角，或是在分光鏡 靠近光纖耦合準(zhǔn)直器一側(cè)鍍有四分之一波長(zhǎng)光學(xué)薄膜，光纖采用保偏光纖。 激光光源發(fā)出的線偏振光束可以地光能損耗透射，經(jīng)過(guò)四分之一波片后轉(zhuǎn) 化為圓片偏振光，經(jīng)過(guò)保偏光纖傳到探測(cè)部件，含有被測(cè)物質(zhì)信息的反射光束經(jīng)過(guò)四分之一波片后，會(huì)轉(zhuǎn)化為線偏振光，此時(shí)的偏振方向垂直于入 射光束偏振方向，所以被偏振分光棱鏡高效率反射達(dá)到光電探測(cè)器上。光 電探測(cè)器將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳到后臺(tái)信號(hào)處理控制系統(tǒng)進(jìn) 行光學(xué)外差法信號(hào)處理，得到被測(cè)物質(zhì)量。 與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1) 將腔衰蕩光譜分析測(cè)量對(duì)象拓展到薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體；2) 測(cè)量時(shí)所需被測(cè)物質(zhì)量少；3) 精細(xì)腔構(gòu)成簡(jiǎn)單，只有一個(gè)光學(xué)元件；4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，對(duì)機(jī)械定位要求低；5) 所需探測(cè)光信號(hào)強(qiáng)；6) 光纖遠(yuǎn)距離傳輸，可構(gòu)成光纖分布式測(cè)試系統(tǒng)。

圖1為本實(shí)用新型的第一實(shí)施例示意圖；圖2為本實(shí)用新型的第二實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。 實(shí)施例1:本實(shí)施例的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu) 如圖1所示。光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)由探測(cè)部件1、光纖3、光電探測(cè)器5、分光鏡6和激光光源7構(gòu)成。探測(cè)部件1為對(duì)稱結(jié) 構(gòu)的半球體，外表面鍍有高反射膜，內(nèi)部形成光反射腔。探測(cè)部件光纖耦 合準(zhǔn)直器2與探測(cè)部件1位置配合，探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器2設(shè)置在探 測(cè)部件1半球面的徑向方向上。激光光源7和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4分 別設(shè)置在分光鏡6的兩側(cè)，激光光源7的發(fā)射光方向與分光鏡6的工作面 的夾角為45。，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在發(fā)射光方向上。光電探測(cè) 器5與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在分光鏡6的工作面的同一側(cè)面，并 且設(shè)置在分光鏡6的反射光方向上。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器2與分光鏡 光纖耦合準(zhǔn)直器4通過(guò)光纖3連接，光纖為多模光纖。光電探測(cè)器5為光 電倍增管。本實(shí)施例的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)如上所述結(jié) 構(gòu)，工作過(guò)程為激光光源7發(fā)出的線偏振光束，經(jīng)過(guò)分光鏡6，通過(guò)分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4進(jìn)入光纖3。在光纖3中傳播到探測(cè)部件1，經(jīng)過(guò)探測(cè) 部件光纖耦合準(zhǔn)直器2轉(zhuǎn)化為激光束，透過(guò)探測(cè)部件1的入射工作面，在 全反射工作面上發(fā)生全反射，全反射消逝波區(qū)域?yàn)闄z測(cè)被測(cè)物質(zhì)的區(qū)域， 全反射光束傳播到反射工作面發(fā)生反射。由于探測(cè)部件1的外球面工作面 均鍍有高反射膜，所以形成了高精細(xì)度腔，光束在高精細(xì)度腔內(nèi)往返傳播， 每次經(jīng)過(guò)全反射工作面上發(fā)生全反射時(shí)與被測(cè)物質(zhì)發(fā)生作用，會(huì)有吸收， 光能量有損失形成吸收峰，光能量吸收強(qiáng)度與被測(cè)物質(zhì)被測(cè)量成比例。激 光束每次經(jīng)過(guò)入射工作面時(shí)，會(huì)有部分光發(fā)生透射。信號(hào)透射光束經(jīng)過(guò)入 射工作面，再由探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器2傳播到光纖3。信號(hào)透射光束 在光纖3另一端經(jīng)過(guò)分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4入射到分光鏡6。在分光鏡6 的分光面上部分光發(fā)生反射，達(dá)到光電探測(cè)器5上。光電探測(cè)器5將探測(cè) 到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳到后臺(tái)信號(hào)處理控制系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)外差法信 號(hào)處理，得到被測(cè)物質(zhì)量。 實(shí)施例2:第二具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔 衰蕩光譜分析系統(tǒng)由探測(cè)部件l、光纖3、光電探測(cè)器5、四分之一波片8、 分光鏡6和激光光源7構(gòu)成。探測(cè)部件1為截面呈等腰三角形的柱體，柱 體的等腰面鍍有高反射膜，內(nèi)部形成光反射腔。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器 2與探測(cè)部件1位置配合，探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器2設(shè)置在探測(cè)部件1 半球面的徑向方向上。激光光源7和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4分別設(shè)置在 分光鏡6的兩側(cè)，激光光源7的發(fā)射光方向與分光鏡6的工作面的夾角為 45° ，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在發(fā)射光方向上。光電探測(cè)器5與分 光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4設(shè)置在分光鏡6的工作面的同一側(cè)面，并且設(shè)置在 分光鏡6的反射光方向上。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器2與分光鏡光纖耦合 準(zhǔn)直器4通過(guò)光纖3連接，光纖3采用保偏光纖，光電探測(cè)器5為光電倍 增管。分光鏡6采用偏振分光鏡，對(duì)于入光偏振態(tài)光束透射，偏振方向垂 直于入射光束偏振方向的光束反射，同時(shí)在分光鏡6與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4之間加入四分之一波片8，四分之一波片8光軸方向與分光鏡6光 束出射光偏振方向成45度角，或是在分光鏡6靠近分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器 4 一側(cè)鍍有四分之一波長(zhǎng)光學(xué)薄膜。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器4與等腰三 角形-邊的腰平行設(shè)置。本實(shí)施例的光纖式光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)如上所述結(jié) 構(gòu)，工作過(guò)程為激光光源7發(fā)出的線偏振光束，經(jīng)過(guò)分光鏡6和四分之一 波片8后，由線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光，再通過(guò)分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4 進(jìn)入光纖3。在光纖3中傳播到探測(cè)部件1，經(jīng)過(guò)探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器 2轉(zhuǎn)化為激光束，透過(guò)探測(cè)部件1的入射工作面，在全反射工作面上發(fā)生 全反射，全反射消逝波區(qū)域?yàn)闄z測(cè)被測(cè)物質(zhì)的區(qū)域，全反射光束傳播到反 射工作面發(fā)生反射。由于探測(cè)部件1為截面呈等腰三角形的柱體，柱體的 等腰面鍍有高反射膜，內(nèi)部形成高精細(xì)度腔，光束在高精細(xì)度腔內(nèi)往返傳 播，每次經(jīng)過(guò)全反射工作面上發(fā)生全反射時(shí)與被測(cè)物質(zhì)發(fā)生作用，會(huì)有吸 收，光能量有損失形成吸收峰，光能量吸收強(qiáng)度與被測(cè)物質(zhì)被測(cè)量成比例。 激光束每次經(jīng)過(guò)入射工作面時(shí)，會(huì)有部分光發(fā)生透射。信號(hào)透射光束經(jīng)過(guò) 入射工作面，再由探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器2傳播到光纖3。信號(hào)透射光 束在光纖3另一端經(jīng)過(guò)分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器4出射，再次經(jīng)過(guò)四分之一 波片8，由于四分之一波片8光軸方向與分光鏡6光束出射光偏振方向成 45度角，光束由圓偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光，偏正方向與激光光源7出射光 的偏振方向垂直，故高效率地被分光鏡6的分光面上發(fā)生反射，反射光達(dá) 到光電探測(cè)器5上。光電探測(cè)器5將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳到 后臺(tái)信號(hào)處理控制系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)外差法信號(hào)處理，即得到被測(cè)物質(zhì)量。
權(quán)利要求1、一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置，包括探測(cè)部件、光纖、光電探測(cè)器、分光鏡和激光光源，其特征在于所述的探測(cè)部件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柱體或半球體，內(nèi)部形成光反射腔，外表面鍍有高反射膜，探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與探測(cè)部件位置配合；激光光源和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器分別設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)，激光光源的發(fā)射光方向與分光鏡的工作面的夾角為45°，分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在發(fā)射光方向上；光電探測(cè)器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在分光鏡的工作面的同一側(cè)面，并且設(shè)置在分光鏡的反射光方向上；探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器通過(guò)光纖連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的探測(cè)部件為截面呈半圓形的柱體，柱體的弧面鍍有高反 射膜；探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在半圓形的徑向方向上。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的探測(cè)部件為截面呈等腰三角形的柱體，柱體的等腰面鍍 有高反射膜；探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與等腰三角形一邊的腰平行設(shè)置。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的半球體的探測(cè)部件的弧面鍍有高反射膜；探測(cè)部件光纖 耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在半球體的徑向方向上。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的分光鏡為分光棱鏡；光纖為單模光纖、多模光纖、光纖 束中的一種。
6、 如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的分光鏡為偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡與分光鏡光纖耦 合準(zhǔn)直器之間設(shè)置有四分之一波片，四分之一波片的光軸方向與偏振分光 棱鏡的出射光偏振方向的夾角為45° ;所述的光纖為保偏光纖。
7、 如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置， 其特征在于所述的光電探測(cè)器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一 種。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)外差法倏逝波腔衰蕩光譜分析裝置?，F(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能對(duì)薄膜、界面、納米物質(zhì)等進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)用新型的探測(cè)部件采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柱體或半球體，內(nèi)部形成光反射腔，外表面鍍有高反射膜。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與探測(cè)部件位置配合。激光光源和分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器分別設(shè)置在分光鏡的兩側(cè)。光電探測(cè)器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器設(shè)置在分光鏡的工作面的同一側(cè)面，并且設(shè)置在分光鏡的反射光方向上。探測(cè)部件光纖耦合準(zhǔn)直器與分光鏡光纖耦合準(zhǔn)直器通過(guò)光纖連接。本實(shí)用新型精細(xì)腔構(gòu)成簡(jiǎn)單，只有一個(gè)光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，對(duì)機(jī)械定位要求低，并且光譜分析測(cè)量對(duì)象能夠拓展到薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體。
文檔編號(hào)G01N21/25GK201173897SQ200820084729
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者健 王, 高秀敏 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)