專(zhuān)利名稱(chēng)：基于前向簡(jiǎn)并四波混頻的超高靈敏度同位素檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非線(xiàn)性光譜技術(shù)范疇，涉及一種同位素檢測(cè)方法，具體涉及一種基于前向簡(jiǎn)并四波混頻(Forward degenerate four-wave mixing，F(xiàn)DFWM)的超高靈敏度同位素檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
同位素分析在地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)、核技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)示蹤、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。同位素分析是一種主要的巖石和地質(zhì)學(xué)事件年代測(cè)定手段，借助于υ-Pb，K-Ar, Rb-Sr和其他一些用于年齡測(cè)定的同位素，提供了從時(shí)序上研究地質(zhì)學(xué)事件或過(guò)程的資料。 同樣，同位素測(cè)年技術(shù)在考古學(xué)中也具有明顯的意義，如C-14測(cè)年法，Pb同位素比值法測(cè)文物年代和產(chǎn)地法等。在核工業(yè)中，人們通過(guò)對(duì)U, Pu, Li，T，B，D等產(chǎn)物的鑒定和產(chǎn)生過(guò)程的分析，監(jiān)測(cè)核燃料循環(huán)中的燃耗情況。生物醫(yī)學(xué)等研究中，人們以D，13C, 14C, 18O等代替有機(jī)分子中的H，12C, 160，對(duì)食物、藥物、毒物、代謝物、細(xì)菌等加以標(biāo)記，就有可能在生理情況下追蹤研究這些物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的轉(zhuǎn)移及其轉(zhuǎn)移速度、代謝轉(zhuǎn)變；找出反應(yīng)產(chǎn)物或現(xiàn)存代謝物的前身，從而確定代謝途徑；可以研究轉(zhuǎn)變的速度、發(fā)生的條件機(jī)制等(劉炳寰等編著，質(zhì)譜學(xué)方法與同位素分析，科學(xué)出版社，1983，pl47)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們認(rèn)識(shí)世界的程度不斷深入，同位素分析技術(shù)越來(lái)越要求具有“準(zhǔn)”，“精”，“少”，“稀”，“快”等特點(diǎn)。迄今為止，質(zhì)譜技術(shù)是同位素分析的主要手段。然而，質(zhì)譜技術(shù)存在很多缺陷，如成本高、樣品前處理復(fù)雜、檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)等。質(zhì)譜技術(shù)的耗樣量大(微克級(jí))，這一弊端使得其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足無(wú)損及近無(wú)損檢測(cè)的要求，如珍貴文物等。質(zhì)譜技術(shù)的另外一個(gè)致命缺陷是同重元素干擾，這使得很多同位素不能被分辨(Dominic Lariviere, Vivien F. Taylor, R. Douglas Evans, R. Jack Cornett. Spectrochimica. Acta Part B 2006, 61 877.)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于FDFWM的超高靈敏度同位素光譜檢測(cè)方法，該方法應(yīng)用了一種全新的思路來(lái)分析同位素，用非線(xiàn)性光譜學(xué)技術(shù)測(cè)量同位素，能夠提高同位素檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)近無(wú)損檢測(cè)，使用本發(fā)明的方法來(lái)檢測(cè)同位素，能夠降低檢出限、減少取樣量，且使用設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，便于操作，具有超高靈敏度和檢測(cè)精度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案
一種基于前向簡(jiǎn)并四波混頻光譜技術(shù)的同位素檢測(cè)方法，其特征在于，具體按照以下步驟進(jìn)行
(1)將一束激光分為三束光；
(2)調(diào)整三束光的空間相對(duì)位置，使得三束光滿(mǎn)足以下條件 光程相等；傳播方向相同； 傳播路徑相互平行；
在三束光的傳播路徑的任意截面上，三束光的光斑形成一個(gè)腰長(zhǎng)不大于1厘米的等腰直角三角形；
(3)將步驟(2)得到的三束光聚焦，該三束光與位于聚焦點(diǎn)的待測(cè)同位素樣品相互作用產(chǎn)生FDFWM信號(hào)；
(4)掃描激光器的中心頻率，用光電探測(cè)器測(cè)量待測(cè)同位素樣品的FDFWM信號(hào)，獲得 FDFWM信號(hào)隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號(hào)譜；
(5)根據(jù)獲得的FDFWM信號(hào)譜的峰位判斷待測(cè)同位素樣品的種類(lèi)，再根據(jù)待測(cè)同位素樣品的種類(lèi)、FDFWM信號(hào)譜的峰值高度來(lái)獲得待測(cè)同位素樣品的含量信息。本發(fā)明還包括如下其他技術(shù)特征 所述激光存在待測(cè)同位素樣品的能級(jí)共振頻率。所述激光線(xiàn)寬小于待測(cè)同位素樣品的光譜間隔。輸出所述激光的激光器在待測(cè)同位素樣品的能級(jí)共振頻率附近能夠連續(xù)調(diào)諧。與現(xiàn)有的質(zhì)譜技術(shù)相比，本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)簡(jiǎn)化了設(shè)備、降低了操作難度、節(jié)約了成本。(2)經(jīng)驗(yàn)證，檢出限達(dá)到阿克量級(jí)。大大降低了檢出限、減少了取樣量； (3)由于FDFWM信號(hào)是相干光，使檢測(cè)精度大大提高，避免了同重干擾。(4)采用二分之一波片加偏振分束立方體組合來(lái)分光，通過(guò)旋轉(zhuǎn)二分之一波片角度控制三束入射激光的強(qiáng)度比例，得到最大的信號(hào)強(qiáng)度，另外，該分光技巧還能控制FDFWM 的偏振狀態(tài)，有效避免背景干擾、提高信噪比。


圖1是本發(fā)明的光路示意圖。圖中標(biāo)號(hào)含義1-激光器；21-第一全反鏡；22-第二全反鏡；23-第三全反鏡；24-第四全反鏡；25-第五全反鏡；26-第六全反鏡；31-第一偏振分束立方體；32-第二偏振分束立方體；33-第三偏振分束立方體；34-第四偏振分束立方體；41-第一二分之一波片；42-第二二分之一波片；43-第三二分之一波片；51-第一凸透鏡；52-第二凸透鏡；6-樣品池；7-空間濾光器；8-光電探測(cè)器。圖2是銣樣品的FDFWM譜。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
準(zhǔn)備如下測(cè)試器件
激光器，根據(jù)待測(cè)同位素選用適用的激光器，該激光器發(fā)射的激光中心頻率與待測(cè)同位素樣品的能級(jí)共振頻率相同，激光線(xiàn)寬小于待測(cè)同位素樣品的光譜間隔，且激光器在待測(cè)同位素樣品的能級(jí)共振頻率附近能夠連續(xù)調(diào)諧。具體選用可連續(xù)調(diào)諧的窄帶寬環(huán)形染料激光器或半導(dǎo)體激光器。相同的全反鏡6個(gè)，根據(jù)激光器發(fā)射激光的頻率對(duì)全反鏡鍍上該激光頻率范圍的45° 高反膜(>99%)。相同的偏振分束立方體4個(gè)，選擇適用激光頻率范圍的偏振分束立方體。相同的二分之一波片3個(gè)，選擇適用激光頻率范圍的二分之一波片。相同的凸透鏡2個(gè)，根據(jù)激光器發(fā)射激光的頻率對(duì)凸透鏡鍍上激光頻率范圍的高透膜(>99%)，焦距大于1米。樣品池，本實(shí)施例中采用銣樣品池，在樣品池外纏繞加熱帶。空間濾光器。光電探測(cè)器，選擇在激光波長(zhǎng)范圍高響應(yīng)的光電探測(cè)器。如圖1所示，本發(fā)明的基于前向簡(jiǎn)并四波混頻光譜技術(shù)的同位素檢測(cè)方法，具體按照以下步驟進(jìn)行
設(shè)定一個(gè)坐標(biāo)體系xyz，其中，xy面規(guī)定為水平桌面所在的面。(1)將激光器1置于水平桌面上A點(diǎn)，開(kāi)啟激光器1輸出激光，該激光為偏振方向平行于水平面的水平線(xiàn)偏振光，沿X軸負(fù)向傳播。在該激光的路徑上的B、C兩點(diǎn)依次設(shè)置第一二分之一波片41、第一偏振分光立方體31，所述激光依次正入射第一二分之一波片41 和第一偏振立方體31。第一二分之一波片41的光軸方向平行于y軸，第一偏振立方體31 的膠合面與xy面的夾角為90°，該膠合面與XZ面的夾角為45°。旋轉(zhuǎn)第一二分之一波片 41使其光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)35°，從而將所述水平線(xiàn)偏振光的偏振方向沿其所在的豎直面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)70°成為PO光。經(jīng)過(guò)第一偏振分光立方體31后，PO光的水平線(xiàn)偏振分量透射后成為Pl光，PO光的豎直線(xiàn)偏振分量反射后成為Sl光。在Sl光的路徑上的E、F兩點(diǎn)依次放置第二二分之一波片42、第二偏振分光立方體32，使激光依次正入射第二二分之一波片42和第二偏振立方體32。第二二分之一波片 42的光軸方向平行于ζ軸，第二偏振立方體32的膠合面與xy面的夾角為90°，該膠合面與xz面的夾角為45°。旋轉(zhuǎn)第二二分之一波片42使其光軸順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)22. 5°，使得Sl 光的偏振方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)45°變?yōu)镾2光；經(jīng)過(guò)第二偏振分光立方體32后，S2光的水平線(xiàn)偏振分量透射后成為P2光，S2光的豎直線(xiàn)偏振分量反射后成為S4光。至此，激光器1輸出的一束激光分成了三束光P1光、S4光和P2光。(2)在Pl光路徑上的D點(diǎn)放置第一全反鏡21，第一全反鏡21的鍍膜面與xy面的夾角為90°，鍍膜面法平面相對(duì)于XZ面為負(fù)45°，Pl光經(jīng)過(guò)第一全反鏡21反射后沿y軸的負(fù)向傳播。在P2光路徑上的G點(diǎn)設(shè)置第三二分之一波片43，使得P2光正入射第三二分之一波片43 ；第三二分之一波片43的光軸方向平行于χ方向；旋轉(zhuǎn)第三二分之一波片43使其光軸順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)45°，從而使P2光變?yōu)樨Q直線(xiàn)偏振的S3光；在S3光路徑上的H點(diǎn)放置第三全反鏡23，第三全反鏡23的鍍膜面與xy面的夾角為90°，該鍍膜面法平面相對(duì)于xz面為135° ；S3光經(jīng)第三全反鏡反射后沿χ軸負(fù)向傳播；
在S4光路徑上的J點(diǎn)設(shè)置第二全反鏡22，第二全反鏡22的鍍膜面與xy面的夾角為 90°，該鍍膜面法平面相對(duì)于XZ面為負(fù)45°，線(xiàn)段FJ小于線(xiàn)段⑶的長(zhǎng)度；S4光經(jīng)第二全反鏡22反射后沿y軸負(fù)向傳播；在S4光路徑上的I點(diǎn)設(shè)置第四全反鏡M，線(xiàn)段JI的長(zhǎng)度比線(xiàn)段H!的長(zhǎng)度大1厘米，第四全反鏡M的鍍膜面與xy面的夾角為90°，該鍍膜面法平面相對(duì)于xz面為135° ；注意在放置第四全反鏡M時(shí)，使第四全反鏡M能夠反射S4光且不阻擋S3光，并微調(diào)第四全反鏡對(duì)，使得S4光在第四全反鏡M的光斑與S3光的距離為1 厘米；S4光經(jīng)第四全反鏡M反射后沿χ軸負(fù)向傳播，且S4光與xy面的距離等于S3光到 xy面的距離。在Pl光的傳播路徑上的K點(diǎn)設(shè)置第三偏振分光立方體33，使線(xiàn)段 DK等于線(xiàn)段CH，從而使得S 3光、S4光入射第三偏振立方體3 3 ；第三偏振立方體33的膠合面與xy面的夾角為90 °，該膠合面與XZ面的夾角為45 ° ；Pl光透過(guò)第三偏振分光立方體33，S4光和S3光分別經(jīng)第三偏振分光立方體反射；
以Pl光為參考光，微調(diào)放置第三偏振分光立方體33的棱鏡臺(tái)下方的螺絲來(lái)調(diào)節(jié)第三偏振分光立方體33的俯仰角度，使得Pl光和S3光經(jīng)過(guò)第三偏振立方體33后滿(mǎn)足在二者的傳播路徑上的任意截面上，S3光的光斑與Pl光的光斑的連線(xiàn)平行于ζ軸，且S3光的光斑在Pl光的光斑在ζ軸方向的正上方1厘米處。至此，三束入射光的空間相對(duì)位置已經(jīng)確定，Pl光、S3光、S4光相互平行且同向傳播，且在三者路徑的任意截面上，三者的光斑形成一個(gè)腰長(zhǎng)為1厘米的等腰直角三角形，其中S3光的光斑為該等腰直角三角形的直角頂點(diǎn)。(3)在Pl光的路徑上L點(diǎn)設(shè)置第五全反鏡25，同時(shí)使S3光、S4光也能夠入射第五全反鏡25，線(xiàn)段DL的長(zhǎng)度大于線(xiàn)段DK，第五全反鏡25的鍍膜面與xy面夾角為90°，該鍍膜面的法平面相對(duì)于xz面為45° ；Pl光、S3光和S4光經(jīng)過(guò)第五全反鏡25反射后均沿 χ軸正向傳播；
在Pl光的路徑上依次放置凸透鏡51和凸透鏡52，使得該凸透鏡51和凸透鏡52組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，同時(shí)使得Pl光、S3光和S4光正入射凸透鏡51。在兩個(gè)凸透鏡之間放置樣品池6，使第一凸透鏡51的后焦點(diǎn)在樣品池6中央。Pl光、S3光和S4光經(jīng)過(guò)第一凸透鏡51后聚焦在樣品池6中央一點(diǎn)，共同與待測(cè)同位素樣品相互作用而產(chǎn)生FDFWM信號(hào)；Pl光、S3光、S4光和FDFWM信號(hào)經(jīng)過(guò)第二凸透鏡 52后相互平行前進(jìn)。用空間濾光器7濾掉Pl光、S3光、S4光，只剩余FDFWM信號(hào)；在空間濾光器7之后依次放置第四偏振分光立方體34、第六全反鏡沈，第四偏振放光立方體34的膠合面與xy 面的夾角為90°，該膠合面與XZ面的夾角為45° ；第六全反鏡沈的鍍膜面與xy面的夾角為90°，該鍍膜面的法平面相對(duì)于XZ面為負(fù)135° ；FDFWM信號(hào)通過(guò)第四偏振分光立方體 34后經(jīng)第六全反鏡沈反射，然后，在經(jīng)第六全反鏡沈反射后的FDFWM信號(hào)的路徑上放置光電探測(cè)器8，使FDFWM信號(hào)正入射光電探測(cè)器8的感光面。(4)掃描激光器的中心頻率，并用光電探測(cè)器8測(cè)量待測(cè)同位素樣品的FDFWM信號(hào)，獲得隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號(hào)譜。(5)根據(jù)步驟(4)獲得的FDFWM信號(hào)譜的峰位判斷待測(cè)同位素樣品的種類(lèi)，再根據(jù)待測(cè)同位素樣品的種類(lèi)、FDFWM信號(hào)譜的峰值高度來(lái)獲得待測(cè)同位素樣品的含量信息。如圖2所示，使用本方法對(duì)銣(Rb)原子樣品進(jìn)行測(cè)試后，得到銣原子的D2線(xiàn)的 FDFWM譜，步驟(4)中，在780. 220nm-780. 550 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描激光器的中心頻率。圖中，c、b為Rb-85的FWDWM譜，a、d為Rb_87的FDFWM譜；圖2是在Rb樣品池溫度為18°C 時(shí)得到的，此時(shí)，參與FDFWM過(guò)程的Rb-85原子為0. 57阿克(10_18克)，參與FDFWM過(guò)程的Rb-87為0. 22阿克；而質(zhì)譜技術(shù)的檢出限通常為微克(10_6克)級(jí)；由此可見(jiàn)，本發(fā)明的方法具有超低檢出限，超高靈敏度。實(shí)施例1為本發(fā)明較優(yōu)的實(shí)施例，但本發(fā)明不僅限于該實(shí)施例，任何按照本發(fā)明的方法檢測(cè)同位素含量的方法均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。以下根據(jù)理論過(guò)程做進(jìn)一步說(shuō)明
激光器1輸出水平線(xiàn)偏振光，設(shè)其電場(chǎng)強(qiáng)度大小為&，第一二分之一波片41能夠改變水平線(xiàn)偏光的偏振方向，電場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量和垂直分量的大小分別為
Ex=E::cos(20), ￡.. = Siii(M),其中，θ為二分之一波片3相對(duì)其主軸方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度，水平分量經(jīng)第一偏振分束立方體31透射，垂直分量經(jīng)第一偏振分束立方體31反射。水平分量為；
同理，第二二分之一波片42與第二偏振分束立方體32的組合將垂直分量分為兩束相互垂直的光其中，水平分量為云，，垂直分量為孟；
兩個(gè)凸透鏡構(gòu)成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，在兩個(gè)凸透鏡之間，三束入射光I 和離沿
著一個(gè)空間正棱柱的三個(gè)體對(duì)角線(xiàn)傳播，經(jīng)過(guò)第一個(gè)凸透鏡51聚焦于樣品池6中央一
點(diǎn)，E- 和f(共同與待測(cè)物質(zhì)相互作用時(shí)，在滿(mǎn)足相位匹配條件，即四波的波矢滿(mǎn)足 * i. ▲
ki=t+k2~ g時(shí)，產(chǎn)生FDFWM信號(hào)，F(xiàn)DFWM信號(hào)沿著空間正棱柱的第四個(gè)體對(duì)角線(xiàn)傳播；1 ￡, ￡；以及FDFWM信號(hào)經(jīng)第二個(gè)凸透鏡5后相互平行；
產(chǎn)生的DFWM信號(hào)左_的光強(qiáng)為
r 、 …r r r 1 I χ P'' = ZyilMllE1ET(O
為三階非線(xiàn)性極化強(qiáng)度，為三階非線(xiàn)性極化率，￡ ￡ 分別為三束入射
.,JL-I ■ JL~r "i jL~r "；
光的電場(chǎng)強(qiáng)度。因?yàn)?為水平偏振光、^^和為垂直偏振光，因此公式(1)可以改為標(biāo)量形式，即
/(//-,Δ,Γ)是躍遷偶極矩"eg，失諧量Δ和弛豫系數(shù)r的函數(shù)。正比于粒子數(shù)密度，所以FDFWM信號(hào)強(qiáng)度正比于粒子數(shù)密度的平方。
權(quán)利要求
1.一種基于前向簡(jiǎn)并四波混頻光譜技術(shù)的同位素檢測(cè)方法，其特征在于，具體按照以下步驟進(jìn)行(1)將一束激光分為三束光；(2)調(diào)整三束光的空間相對(duì)位置，使得三束光滿(mǎn)足以下條件光程相等；傳播方向相同；傳播路徑相互平行；在三束光的傳播路徑的任意截面上，三束光的光斑形成一個(gè)腰長(zhǎng)不大于1厘米的等腰直角三角形；(3)將步驟(2)得到的三束光聚焦，該三束光與位于聚焦點(diǎn)的待測(cè)同位素樣品相互作用產(chǎn)生FDFWM信號(hào)；(4)掃描激光器的中心頻率，用光電探測(cè)器測(cè)量待測(cè)同位素樣品的FDFWM信號(hào)，獲得 FDFWM信號(hào)隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號(hào)譜；(5)根據(jù)獲得的FDFWM信號(hào)譜的峰位判斷待測(cè)同位素樣品的種類(lèi)，再根據(jù)待測(cè)同位素樣品的種類(lèi)、FDFWM信號(hào)譜的峰值高度來(lái)獲得待測(cè)同位素樣品的含量信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于所述激光存在待測(cè)同位素樣品的能級(jí)共振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于所述激光線(xiàn)寬小于待測(cè)同位素樣品的光譜間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的方法，其特征在于輸出所述激光的激光器在待測(cè)同位素樣品的能級(jí)共振頻率附近能夠連續(xù)調(diào)諧。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于FDFWM光譜技術(shù)的同位素檢測(cè)方法將一束激光分為光程相等的三束光；調(diào)節(jié)三束光的空間位置；將三束光聚焦，該三束光與位于聚焦點(diǎn)的待測(cè)同位素樣品相互作用產(chǎn)生FDFWM信號(hào)；掃描激光器的中心頻率，用光電探測(cè)器測(cè)量待測(cè)同位素樣品的FDFWM信號(hào)，獲得FDFWM信號(hào)隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號(hào)譜；根據(jù)FDFWM信號(hào)譜獲得待測(cè)同位素樣品的含量信息。本發(fā)明的方法能夠提高同位素檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)近無(wú)損檢測(cè)，使用本發(fā)明的方法來(lái)檢測(cè)同位素，能夠降低檢出限、減少取樣量，且使用設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，便于操作，具有超高靈敏度和檢測(cè)精度。
文檔編號(hào)G01N21/27GK102252975SQ201110073960
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者任兆玉, 白晉濤, 程雪梅, 苗一珠, 陳浩偉 申請(qǐng)人:西北大學(xué)