專利名稱：空腔衰蕩光譜法檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空腔衰蕩光譜法檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
空腔衰蕩光譜法(CRDS)系統(tǒng)包括在自身內(nèi)部反射光的空腔，以提供通過樣品的長路徑。來自空腔的光強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減可以用來確定樣品吸收的強(qiáng)度。從探針波長的已知吸收橫截面中，可以獲得由衰蕩時(shí)間度量的來自樣品的腔損耗，樣品的測(cè)量值，如氣體濃度。雖然通過單個(gè)鏡獲得輸入和輸出在光強(qiáng)度方面而言具有明顯的好處，但一些系統(tǒng)通過使用壓電驅(qū)動(dòng)的調(diào)諧鏡來調(diào)諧路徑長度，使空腔與激光波長諧振。由于輸入光的反射部分直接與環(huán)境光重合，所以前者可擾亂空腔光的測(cè)量，并使得難以確定何時(shí)光耦合到空腔中或者不到達(dá)空腔僅反射到檢測(cè)器上。

發(fā)明內(nèi)容
空腔衰蕩分光器包括衰蕩空腔。觸發(fā)檢測(cè)器光耦合在衰蕩空腔內(nèi)部以生成指示衰蕩空腔中期望輻射水平的信號(hào)。控制器耦合到觸發(fā)檢測(cè)器，以控制提供給衰蕩空腔的光。然后可以測(cè)量衰蕩時(shí)間。


圖1是根據(jù)示例性實(shí)施例的空腔衰蕩分光器的框圖。圖2是圖解說明根據(jù)示例性實(shí)施例操作該分光器的方法的流程圖。圖3是根據(jù)示例性實(shí)施例的可替代空腔衰蕩分光器的框圖。圖4是用于執(zhí)行根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的方法的示例性系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式在下文的描述中，參考構(gòu)成其一部分的附圖，其中通過圖解示出可以實(shí)施的特定實(shí)施例。足夠詳細(xì)地描述了這些實(shí)施例，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)理解可以采用其它實(shí)施例，在不偏離本發(fā)明的范圍下可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、邏輯和電學(xué)變化。因此，下文對(duì)示例性實(shí)施例的描述不是在限制意義上進(jìn)行的，本發(fā)明的范圍是由所附權(quán)利要求限定的。本文描述的功能或者算法可以在一個(gè)實(shí)施例中以軟件或者以軟件和人為實(shí)現(xiàn)的程序的組合來實(shí)現(xiàn)。軟件可包括存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，如存儲(chǔ)器或者其它類型的存儲(chǔ)裝置上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。而且，這些功能對(duì)應(yīng)于模塊，這些模塊是軟件、硬件、固件或者其組合。如果需要，可在一個(gè)或者多個(gè)模塊中執(zhí)行多個(gè)功能，所描述的實(shí)施例只是例子。軟件可以在數(shù)字信號(hào)處理器、ASIC、微處理器、或在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的其它類型的處理器如個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器或其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行。圖1是空腔衰蕩系統(tǒng)(CRDS) 100的框圖，其具有空腔110，光在空腔110中通過包含所關(guān)心分子的樣品在兩個(gè)或者更多個(gè)鏡之間反射。空腔110可以有幾個(gè)鏡115、120和 125，目的是如在三角形路徑中反射光。一些鏡，如鏡120和125可以是完全反射的，使得光不透射通過它們。由于至少有兩個(gè)鏡不會(huì)造成系統(tǒng)100中的總的透射損耗，所以這樣的鏡改善了系統(tǒng)100的品質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，要求高的Q諧振結(jié)構(gòu)。鏡115可以是至少部分透射的，使反射光的一部分可被衰蕩檢測(cè)器130檢測(cè)到。在一個(gè)實(shí)施例中，至少鏡120表現(xiàn)出一些光散射，這也是系統(tǒng)100的總損耗的一部分。內(nèi)腔強(qiáng)度檢測(cè)器135被放置在緊鄰鏡120的位置，以便檢測(cè)散射損耗。當(dāng)散射損耗達(dá)到預(yù)定閾值水平時(shí)，泵浦光被停止。在一個(gè)實(shí)施例中，光是由輸入激光器140提供的，并由聲光(AO)調(diào)制器145控制。在不同實(shí)施例中，可以通過許多方式在鏡中產(chǎn)生ppm (百萬分之幾)水平的散射。 在一個(gè)實(shí)施例中，具有有意控制結(jié)晶程度的膜可以形成于鏡的頂表面上。結(jié)晶度可以通過退火到足夠高溫度來產(chǎn)生，使得薄膜材料產(chǎn)生散射點(diǎn)。散射也可以通過使鏡的表面粗糙來產(chǎn)生。這可以通過用離子束輕輕研磨鏡的表面從而產(chǎn)生由表面粗燥度產(chǎn)生的單位為ppm范圍的受控散射水平來實(shí)現(xiàn)。期望的散射量也可以通過可控制地加入雜質(zhì)或散射點(diǎn)在微觀水平上具有指數(shù)失配而產(chǎn)生。在一個(gè)實(shí)施例中，散射水平小到不會(huì)明顯不利地影響激光的功率水平，而大到可由內(nèi)腔檢測(cè)器135檢測(cè)。在另外的實(shí)施例中，輸入激光器和AO調(diào)制器可以被組合在單個(gè)裝置中，或者諸如鏡的不同裝置可以用來控制光是否被泵浦到空腔110中。聲光調(diào)制器(AOM)也被稱作布拉格單元，其通過使用聲波(通常是射頻)采用聲光效應(yīng)來衍射并位移光的頻率。在預(yù)定光水平，觸發(fā)檢測(cè)器135給AO調(diào)制器145發(fā)信號(hào)，如通過控制器150，以使來自激光器140的輸入輻射不再提供給空腔110。衰蕩檢測(cè)器130被放置在測(cè)量透射通過鏡115的光的衰減的位置，而不必計(jì)及從激光器140中泵浦到空腔中的附加光。在一個(gè)實(shí)施例中，光在空腔中的衰減所用的時(shí)間表示光源和空腔被調(diào)諧以檢測(cè)空腔中元素的量或者存在。內(nèi)腔強(qiáng)度檢測(cè)器135，有時(shí)也稱作觸發(fā)檢測(cè)器，可安裝在各個(gè)不同位置，如空腔內(nèi)的一個(gè)鏡附近。檢測(cè)器135可被優(yōu)選放置在散射發(fā)生的位置以有效檢測(cè)空腔中反射的光的強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，觀察內(nèi)部鏡之一的散射。盡管由于鏡損耗低至ppm范圍，散射光具有低的強(qiáng)度，空腔光強(qiáng)度的幅值提供用于激活A(yù)O調(diào)制器的足夠強(qiáng)的信號(hào)。在一些現(xiàn)有的方法中，觸發(fā)檢測(cè)器被放置在空腔外部位置，檢測(cè)透射通過具有標(biāo)稱約為1 PPm透射損耗的鏡的光。檢測(cè)器注視透射通過該鏡的光的積累。當(dāng)在內(nèi)部檢測(cè)器135中的強(qiáng)度積累到高水平時(shí)，檢測(cè)器通過控制器150觸發(fā)AO調(diào)制器145，所述控制器使到空腔的輸入激光消失。此時(shí)，到達(dá)衰減檢測(cè)器的唯一的光是來自空腔的光。在一個(gè)實(shí)施例中，光可在10微秒內(nèi)充分衰減，使光行進(jìn)長的路徑長度通過分子， 如在該實(shí)施例中是3千米。光由于系統(tǒng)損耗如鏡透射和散射損耗，還由于被包含所關(guān)心分子的樣品氣體的吸收而衰減。在一個(gè)實(shí)施例中，由于氣體造成的損耗在幅值上可與系統(tǒng)損耗相當(dāng)。在用光充滿空腔并使光衰減的時(shí)間段中，在一個(gè)實(shí)施列中大約是毫秒，空腔是看不見的，由于熱漂移可失去諧振。當(dāng)完成衰蕩時(shí)，通常在小于毫秒之內(nèi)，輸入光可通過AO調(diào)制器狀態(tài)改變被重新導(dǎo)向空腔，壓力鏡輕微移動(dòng)并與觸發(fā)檢測(cè)器結(jié)合找到內(nèi)腔強(qiáng)度被恢復(fù)以開始另一周期條件下的新的鏡位置。壓力鏡可以是任一鏡115、120。鏡125通常沒有壓電元件，其原因是它必須將激光透射到空腔中，并使正在退出空腔的光透射到檢測(cè)器上。所示的控制器150接收來自檢測(cè)器135的感測(cè)散射信息，并控制AO調(diào)制器145熄滅輸入到空腔Iio中的光?？刂破?50或者其它單獨(dú)的控制器可用來協(xié)調(diào)不同實(shí)施例中的另外不同的檢測(cè)器、調(diào)制器和鏡。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器150或者另一控制器幫助實(shí)現(xiàn)如圖2中的流程圖200中圖解所示的算法。在210，光被泵浦到空腔中，空腔被可選擇地調(diào)諧到與光源和待檢測(cè)分子一致的期望頻率。內(nèi)部檢測(cè)器135或者衰蕩檢測(cè)器135可用來測(cè)量空腔110中的光，并幫助進(jìn)行調(diào)諧。在220，在可選的調(diào)諧之后，由內(nèi)部檢測(cè)器135檢測(cè)空腔內(nèi)的光強(qiáng)度。在230，當(dāng)空腔中的光被檢測(cè)為預(yù)定閾值水平時(shí)，停止泵浦。在泵浦被停止之后，在對(duì)0，衰蕩檢測(cè)器130 用來檢測(cè)光衰減到期望水平所用的時(shí)間量。如250所示，該過程被重復(fù)，再次可選擇地包括調(diào)諧以至少補(bǔ)償熱漂移。在沈0，可執(zhí)行多個(gè)衰蕩測(cè)量，可執(zhí)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，如平均衰蕩時(shí)間， 且與期望分子是否存在相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施例中的統(tǒng)計(jì)分析可以允許在萬億分之幾的范圍內(nèi)檢測(cè)分子。通過使用內(nèi)部強(qiáng)度檢測(cè)器，用來反射光的鏡可具有較低的透射損耗，使系統(tǒng)具有高的Q。唯一的損耗可以是通過鏡，使光到達(dá)衰蕩檢測(cè)器。通過使用內(nèi)部檢測(cè)器檢測(cè)散射， 直接激光不會(huì)不利地影響觸發(fā)激光關(guān)閉的檢測(cè)。三個(gè)鏡、三角形配置的使用保持激光的偏振，進(jìn)一步得到具有增大的品質(zhì)因數(shù)Q的諧振空腔。還可以使衰蕩檢測(cè)器不接收直接激光。可替代的兩個(gè)鏡系統(tǒng)圖示于圖3中的框式的300。激光310和AO調(diào)制器315 通過第一鏡325給空腔320提供光。光在空腔320中的第一鏡325和第二鏡330之間來回反射。內(nèi)部光檢測(cè)器335被放置在緊鄰第二鏡330以檢測(cè)表示空腔320內(nèi)的全部光強(qiáng)度的光散射的位置。第三鏡340被放置以使激光通過它進(jìn)入空腔320但還反射通過第一鏡325 透射到空腔320之外的光。光被反射到衰蕩檢測(cè)器345上。該系統(tǒng)300以類似于圖2中圖解的方式工作，但只利用兩個(gè)鏡來提供通過空腔中的待檢測(cè)分子的長的光路徑長度。在一個(gè)實(shí)施例中，可提供氣體輸入350和輸出355。含有待檢測(cè)分子的氣體可通過輸入350提供，通過輸出355從空腔移除。在一個(gè)實(shí)施例中，氣體被提供并在檢測(cè)發(fā)生時(shí)被保持在空腔中。在另外的實(shí)施例中，氣體可在檢測(cè)期間流動(dòng)以便不中斷生產(chǎn)工藝流程。輸入和輸出在橫截面上可小于空腔，或者可與空腔大小相同或在需要時(shí)甚至比空腔更大。圖1 中的環(huán)形檢測(cè)器可以相同方式使用。在另外的實(shí)施例中，環(huán)形檢測(cè)器可被設(shè)置在運(yùn)載可能關(guān)心的分子的較大的管子中。環(huán)形檢測(cè)器可與管子大小相同，并放置在類似于管子的節(jié)段之間的墊圈的位置。執(zhí)行用于實(shí)現(xiàn)上述算法的編程的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖示于圖4中。形式為計(jì)算機(jī) 410的通用計(jì)算裝置可包括處理單元402、存儲(chǔ)器404、可移動(dòng)存儲(chǔ)裝置412、和不可移動(dòng)存儲(chǔ)裝置414。存儲(chǔ)器404可包括易失性存儲(chǔ)器406和非易失性存儲(chǔ)器408。計(jì)算機(jī)410可包括或可訪問包括各種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，如易失性存儲(chǔ)器406和非易失性存儲(chǔ)器408、可移動(dòng)存儲(chǔ)裝置412和不可移動(dòng)存儲(chǔ)裝置414的計(jì)算環(huán)境。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)裝置包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)和電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPR0M)、閃存或其它存儲(chǔ)技術(shù)、光盤只讀存儲(chǔ)器(⑶ROM)、數(shù)字通用光盤(DVD)或其
5它光盤存儲(chǔ)裝置、磁帶盒、磁帶、磁盤存儲(chǔ)裝置或者其它磁存儲(chǔ)裝置、或能夠存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可讀指令的其它任何介質(zhì)。計(jì)算機(jī)410可包括或可訪問包括輸入416、輸出418和通信連接 420的計(jì)算環(huán)境。計(jì)算機(jī)可通過使用通信連接以連接到一個(gè)或者更多個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)而工作于聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可包括個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、服務(wù)器、路由器、網(wǎng)絡(luò)PC、對(duì)等裝置或者其它通用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等等。通信連接可包括局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)或其它網(wǎng)絡(luò)。執(zhí)行上文描述的方法和算法的計(jì)算機(jī)可讀指令可被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，如所示的，程序存儲(chǔ)裝置425是可由計(jì)算機(jī)410的處理單元402執(zhí)行的。硬盤驅(qū)動(dòng)器、⑶-ROM 和RAM是包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的物品的一些例子。提交提供以符合37 C. F. R. § 1. 72(b)的摘要，理解為不用來解釋或限制權(quán)利要求書的范圍或意思。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括衰蕩空腔(110)；觸發(fā)檢測(cè)器(135)，其光耦合在所述衰蕩空腔內(nèi)部以生成指示所述衰蕩空腔(110)中期望輻射水平的信號(hào)；和控制器(150)，其耦合到所述觸發(fā)檢測(cè)器(135)以控制提供給所述衰蕩空腔(110)的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括衰減檢測(cè)器(130)，其光耦合到所述衰蕩空腔(110)以檢測(cè)來自所述衰蕩空腔的光的衰減。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述控制器(150)操作來在光從所述期望輻射水平的每次衰蕩之后，重復(fù)控制到所述衰蕩空腔(110)的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述觸發(fā)檢測(cè)器(135)檢測(cè)從在所述衰蕩空腔 (110)中具有被調(diào)節(jié)成提供期望的散射量的表面的鏡(120)散射的光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述鏡(120)表面是通過退火、研磨和在微觀水平上指數(shù)失配中的至少一種而被調(diào)節(jié)的。
6.一種方法，包括向具有待檢測(cè)樣品的衰蕩空腔(110)提供光(210)；通過位于所述衰蕩空腔(110)中的檢測(cè)器(135)檢測(cè)期望的輻射水平(220)；在檢測(cè)到所述期望的輻射水平后，停止向所述衰蕩空腔(110)提供光(230);和測(cè)量所述衰蕩空腔(110 )內(nèi)的光的衰蕩時(shí)間(240 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中位于所述衰蕩空腔(110)內(nèi)的檢測(cè)器(135)被放置在用于檢測(cè)從具有被調(diào)節(jié)成在所述衰蕩空腔(110)內(nèi)提供期望散射量的表面的鏡(120) 散射的光的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中在光從所述期望輻射水平的每次衰蕩之后，光被重復(fù)(250)提供給所述衰蕩空腔(110)，且空腔(110)在檢測(cè)期望的輻射水平之前被調(diào)諧。
9.一種系統(tǒng)(100)，包括衰蕩空腔(110)，其包括適于產(chǎn)生通過所述空腔(110)中的分子的三角形光路徑的三個(gè)鏡(115，120，125)；觸發(fā)檢測(cè)器(135 )，其光耦合在所述衰蕩空腔(110)內(nèi)以檢測(cè)來自至少一個(gè)鏡(120)散射的光，并生成指示所述衰蕩空腔(110)中的期望輻射水平的觸發(fā)信號(hào)；和控制器(150)，其耦合到所述觸發(fā)檢測(cè)器(135)，以根據(jù)所述觸發(fā)信號(hào)來控制提供給所述衰蕩空腔(110)的光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括衰減檢測(cè)器(130)，其光耦合到所述衰蕩空腔(110)，以根據(jù)從所選鏡(115)透射出所述衰蕩空腔(110)的光，檢測(cè)來自所述衰蕩的光的衰減。
全文摘要
本發(fā)明涉及空腔衰蕩光譜法檢測(cè)器?？涨凰ナ幏止馄靼ㄋナ幙涨?110)。觸發(fā)檢測(cè)器(135)被光耦合在衰蕩空腔(110)內(nèi)部以生成指示衰蕩空腔(110)中期望輻射水平的信號(hào)?？刂破?115)被耦合到觸發(fā)檢測(cè)器(135)，以控制提供給衰蕩空腔(110)的光。然后可以測(cè)量衰蕩時(shí)間。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102192880SQ20111003817
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月16日
發(fā)明者B·E·科爾, J·A·科克斯, R·H·索爾蘭, T·M·馬塔 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司