專利名稱：一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光譜分析裝置，特別是一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置，主要用于流體、薄膜、微小顆粒、生物分子、殘留農(nóng)藥等物質(zhì)的痕量濃度測(cè)試。
背景技術(shù)：
在先進(jìn)制造工業(yè)、環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國(guó)防安全等許多領(lǐng)域存在大量的物質(zhì)痕量測(cè)量需求，并且對(duì)痕量物質(zhì)檢測(cè)靈敏度的要求越來(lái)越高。高精細(xì)度腔吸收光譜技術(shù)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。高精細(xì)度腔光譜分析技術(shù)多用來(lái)分析痕量氣體濃度和組分，近些年來(lái)，研究者也將高精細(xì)度腔光譜分析技術(shù)應(yīng)用于流體物質(zhì)分析?，F(xiàn)有技術(shù)中，有一種高精細(xì)度腔光譜分析系統(tǒng)(參
見(jiàn)美國(guó)專利"Cavity ring down arrangement for no『cavity filingsamples",專利號(hào)US6， 452， 680 Bl)。該高精細(xì)度腔光譜分析系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是，仍然存在一些不足1)采用線型精細(xì)度腔結(jié)構(gòu)，激光在高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)駐波，導(dǎo)致光強(qiáng)分布不均，以及光束入射端腔鏡的反射光易對(duì)激光器產(chǎn)生干擾；2)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，對(duì)流體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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)；3)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)械定位要求和光束方向控制精度要求；4)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；5)光束從高精細(xì)度腔出射后沒(méi)有高精度分光就被光電傳感器接收，無(wú)法得到出射光高精度光譜信息，光譜信息精度不高，影響檢測(cè)精度和物質(zhì)辨別能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置，具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、近場(chǎng)光學(xué)行波吸收、法-珀腔高精度分光、光譜信息豐富、測(cè)量物質(zhì)范圍廣泛，被測(cè)物質(zhì)所需量少等特點(diǎn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是光源發(fā)射光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直整形后入射由單一光學(xué)元件等腰三角形棱鏡構(gòu)成的環(huán)形高精細(xì)度腔，兩個(gè)等腰面為高反射率面；光束從一個(gè)高反射率腰面入射，在棱鏡底面發(fā)生內(nèi)全反射形成近場(chǎng)光測(cè)試區(qū)域，在等腰三角形棱鏡內(nèi)形成光學(xué)行波，從另一個(gè)高反射率腰面出射；出射光束經(jīng)過(guò)由兩個(gè)高反射鏡構(gòu)成的法珀腔高精度分光單元，移動(dòng)部件帶動(dòng)法珀腔的一個(gè)高反射鏡沿軸向移動(dòng)，調(diào)節(jié)控制出射光譜信息；光電探測(cè)器接收法珀腔出射光束，形成高精度光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)痕量物質(zhì)檢測(cè)。
本發(fā)明包括光源、光束準(zhǔn)直整形器、近場(chǎng)光學(xué)行波腔、第一反射鏡、第二反射鏡、光電傳感器、移動(dòng)部件。
光源的出射光束光路上依次設(shè)置有光束準(zhǔn)直整形器和近場(chǎng)光學(xué)行波腔；近場(chǎng)光學(xué)行波腔為等腰三角形棱鏡，兩個(gè)腰面為高反射率反射面，底面為內(nèi)全反射面，測(cè)試區(qū)為底面內(nèi)全反射的光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域；光束準(zhǔn)直整形器的出射光束由第一腰面入射近場(chǎng)光學(xué)行波腔，入射方向與等腰三角形棱鏡底面平行，在第一腰面、第二腰面和底面構(gòu)成的近場(chǎng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)行波，由第二腰面出射；近場(chǎng)光學(xué)行波腔的第二腰面出射光束光路上依次平行設(shè)置有的第一反射鏡和第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡均與光束傳播方向垂直，第一反射鏡的反射面和第二反射鏡的反射面相對(duì)，第一反射鏡和第二反射鏡構(gòu)成法珀腔；光電傳感器設(shè)置在第二反射鏡的光束出射一側(cè)的光路上；移動(dòng)部件與第二反射鏡連接，帶動(dòng)第二反射鏡沿光束方向移動(dòng)，調(diào)節(jié)第一反射鏡和第二反射鏡的間距。
所述的光源為半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體激光器的一種。
所述的光束準(zhǔn)直整形器是伽利略型準(zhǔn)直整形器、開(kāi)普勒型準(zhǔn)直整形器中的一種。
所述的光電傳感器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。所述的移動(dòng)部件為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移元件中的一種。本發(fā)明裝置的工作過(guò)程為光源發(fā)射出的光束經(jīng)過(guò)光束準(zhǔn)直整形器準(zhǔn)直整形后射向近場(chǎng)光學(xué)行波腔，入射光由第一腰面入射近場(chǎng)光學(xué)行波腔，入射方向與等腰三角形棱鏡底面平行；在第一腰面、第二腰面和底面構(gòu)成的近場(chǎng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)行波，由第二腰面出射；在底面發(fā)生內(nèi)全反射，測(cè)試區(qū)為底面的內(nèi)全反射的光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域，被測(cè)流體形態(tài)物質(zhì)設(shè)置在底面的內(nèi)全反射的光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。光束攜帶有被測(cè)物質(zhì)信息從第二腰面出射，經(jīng)過(guò)第一反射鏡和第二反射鏡后，被光電傳感器接收。第一反射鏡和第二反射鏡構(gòu)成法珀腔，通過(guò)移動(dòng)部件帶動(dòng)第二反射鏡沿光束方向移動(dòng)，改變第一反射鏡和第二反射鏡的間距，調(diào)節(jié)法珀腔光譜透過(guò)特性，光電傳感器上得到了被測(cè)物質(zhì)的近場(chǎng)光學(xué)行波吸收光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了痕量濃度測(cè)量。
本發(fā)明裝置中移動(dòng)部件及其控制是成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于提供一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置的光路結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1) 系統(tǒng)中高精細(xì)度腔構(gòu)成簡(jiǎn)單，只由一個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成近場(chǎng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔，內(nèi)部形成光場(chǎng)行波，光強(qiáng)分布均勻，光束入射端腔鏡的反射光不易對(duì)激光器產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械定位要求低；
2) 采用近場(chǎng)光學(xué)行波吸收技術(shù)，將分析測(cè)量對(duì)象拓展到薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，并且測(cè)量時(shí)所需被測(cè)物質(zhì)量少；
3) 光束從近場(chǎng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔出射后，經(jīng)過(guò)了由兩個(gè)高反射鏡構(gòu)成的法珀腔高精度分光單元，移動(dòng)部件帶動(dòng)法珀腔的一個(gè)高反射鏡沿軸向移動(dòng)，調(diào)節(jié)控制出射光譜信息，光電探測(cè)器接收法珀腔出射光束，可以得到出射光高精度光譜信息，光譜信息精度高，檢測(cè)精度高、物質(zhì)辨別能力強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示， 一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置，包括光源l、光束準(zhǔn)直整形器2、近場(chǎng)光學(xué)行波腔3、第一反射鏡4、第二反射鏡5、光電傳感器6、移動(dòng)部件7。
光源l的出射光束光路上依次設(shè)置有光束準(zhǔn)直整形器2、近場(chǎng)光學(xué)行波腔3;近場(chǎng)光學(xué)行波腔3為等腰三角形棱鏡，兩個(gè)腰面301和303為高反射率反射面，底面302為內(nèi)全反射面，測(cè)試區(qū)為底面302內(nèi)全反射的光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域;光束準(zhǔn)直整形器2的出射光束由第一腰面301入射近場(chǎng)光學(xué)行波腔3，入射方向與等腰三角形棱鏡底面302平行，在第一腰面301、第二腰面303和底面302構(gòu)成的近場(chǎng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)行波，由第二腰面303出射；近場(chǎng)光學(xué)行波腔3的第二腰面303出射光束光路上依次平行設(shè)置有的第一反射鏡4和第二反射鏡5，第一反射鏡4和第二反射鏡5均與光束傳播方向垂直，第一反射鏡4的反射面和第二反射鏡5的反射面相對(duì)，第一反射鏡4和第二反射鏡5構(gòu)成法珀腔；光電傳感器6設(shè)置在第二反射鏡5的光束出射一側(cè)的光路上；移動(dòng)部件7與第二反射鏡5相連接，帶動(dòng)第二反射鏡5沿光束方向移動(dòng)，調(diào)節(jié)第一反射鏡4和第二反射鏡5的間距。
光源l為固體激光器，光束準(zhǔn)直整形器2是伽利略型準(zhǔn)直整形器，第一反射鏡4和第二反射鏡5均為反射率大于97%的平面反射鏡，光電傳感器6為雪崩管，移動(dòng)部件7為壓電陶瓷位移器。
本發(fā)明裝置的工作過(guò)程為光源1發(fā)射出的光束經(jīng)過(guò)光束準(zhǔn)直整形器2準(zhǔn)直整形后射向近場(chǎng)光學(xué)行波腔3，入射光由第一腰面301入射近場(chǎng)光學(xué)行波腔3，入射方向與等腰三角形棱鏡底面平行；在第一腰面301、第二腰面303和底面302構(gòu)成的近場(chǎng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)行波，由第二腰面303出射；在底面302發(fā)生內(nèi)全反射，測(cè)試區(qū)為底面302的內(nèi)全反射的光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域，本實(shí)施例中被測(cè)流體形態(tài)物質(zhì)含有痕量農(nóng)藥，設(shè)置在底面302的內(nèi)全反射的光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)；光束攜帶有被測(cè)物質(zhì)信息從第二腰面303出射，經(jīng)過(guò)第一反射鏡4和第二反射鏡5后，被光電傳感器6接收。第一反射鏡4和第二反射鏡5構(gòu)成法珀腔，通過(guò)移動(dòng)部件7改變第一反射鏡4和第二反射鏡5的間距，調(diào)節(jié)法珀腔光譜透過(guò)特性，故光電傳感器6上得到了被測(cè)物質(zhì)的近場(chǎng)光學(xué)行波吸收光譜信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了高精度痕量濃度測(cè)量，本實(shí)施例成功對(duì)流體形態(tài)物質(zhì)進(jìn)行了痕量濃度檢測(cè)。
權(quán)利要求
1、一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置，包括光源、光束準(zhǔn)直整形器、近場(chǎng)光學(xué)行波腔、第一反射鏡、第二反射鏡、光電傳感器、移動(dòng)部件，其特征在于光源的出射光束光路上依次設(shè)置有光束準(zhǔn)直整形器和近場(chǎng)光學(xué)行波腔；所述的近場(chǎng)光學(xué)行波腔為等腰三角形棱鏡，兩個(gè)腰面為高反射率反射面，底面為內(nèi)全反射面，測(cè)試區(qū)為底面內(nèi)全反射的光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域；光束準(zhǔn)直整形器的出射光束由第一腰面入射近場(chǎng)光學(xué)行波腔，入射方向與等腰三角形棱鏡底面平行，在第一腰面、第二腰面和底面構(gòu)成的近場(chǎng)光學(xué)行波高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)行波，由第二腰面出射；近場(chǎng)光學(xué)行波腔的第二腰面出射光束光路上依次平行設(shè)置有的第一反射鏡和第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡均與光束傳播方向垂直，第一反射鏡的反射面和第二反射鏡的反射面相對(duì)，第一反射鏡和第二反射鏡構(gòu)成法珀腔；光電傳感器設(shè)置在第二反射鏡的光束出射一側(cè)的光路上；移動(dòng)部件與第二反射鏡連接，帶動(dòng)第二反射鏡沿光束方向移動(dòng)，調(diào)節(jié)第一反射鏡和第二反射鏡的間距。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝 置，其特征在于所述的光源為半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、 液體激光器的一種。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝 置，其特征在于所述的準(zhǔn)直整形器是伽利略型準(zhǔn)直整形器、開(kāi)普勒型準(zhǔn)直 整形器中的一種。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝 置，其特征在于所述的光電傳感器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中 的一種。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝 置，其特征在于所述的移動(dòng)部件為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移 元件中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置?，F(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光機(jī)要求高，無(wú)法得到高精度光譜信息。本發(fā)明將由單一光學(xué)元件等腰三角形棱鏡構(gòu)成的環(huán)形高精細(xì)度腔，兩個(gè)等腰面為高反射率面；光束從一個(gè)高反射率腰面入射，在棱鏡底面發(fā)生內(nèi)全反射形成近場(chǎng)光測(cè)試區(qū)域，在等腰三角形棱鏡內(nèi)形成光學(xué)行波，從另一個(gè)高反射率腰面出射；出射光束經(jīng)過(guò)由兩個(gè)高反射鏡構(gòu)成的法珀腔高精度分光單元，移動(dòng)部件帶動(dòng)法珀腔的一個(gè)高反射鏡沿軸向移動(dòng)，調(diào)節(jié)控制出射光譜信息；光電探測(cè)器接收法珀腔出射光束，形成高精度光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)痕量物質(zhì)檢測(cè)。本發(fā)明具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單穩(wěn)定、光譜信息精度高、所需測(cè)物量少、適用范圍廣等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101592598SQ20091010038
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者高秀敏 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)