光室模塊組件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及光室模塊組件。一種氣體傳感器系統(tǒng)包括激光模塊、光室模塊以及氣體傳感器單元。該激光室模塊包括兩個激光源，所述激光源產(chǎn)生波長A1和A2的發(fā)射。該光室模塊的外殼包括用于使目標(biāo)氣體通過的一個入口及一個出口。該氣體傳感器單元匹配至該外殼的入口。在該光室模塊內(nèi)，一個非線性晶體接收波長λ1和A2的激光發(fā)射，并產(chǎn)生一個第三波長A3。該波長A3選擇為該目標(biāo)氣體的中紅外光譜吸收特征。該非線性光學(xué)晶體可被周期性極化，并被配置以將該第一和第二激光束轉(zhuǎn)換頻率。使用一個濾光器將來自所述兩個激光源的殘光從該中紅外光束移除。
【專利說明】光室模塊組件
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]根據(jù)U.S.C 35第119(e)條，本申請涉及并要求于2010年10月14日提交的、發(fā)明人為James J.Scherer和Joshua B.Paul、發(fā)明名稱為“單頻可調(diào)諧中紅外激光器(SingleFrequency Tunable Middle Infrared Laser) ”的共同未決的美國臨時申請第 61/393，023號的提交日的權(quán)益。本申請還涉及以本申請發(fā)明人名義并與本申請在同一日期提交的發(fā)明名稱為“基于高準(zhǔn)確度中IR激光器的氣體傳感器(High-Accuracy Mid-1R Laser-BasedGas Sensor) ”的共同未決的美國專利申請第13/229，511號(代理人案號5954US1/NAT)。上述共同未決申請通過引用以全文并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]單頻近紅外線激光器用于化學(xué)傳感器以產(chǎn)生所希望的、在目標(biāo)樣本的振動帶處的波長。因?yàn)樵S多化學(xué)物種在該區(qū)域內(nèi)具有低光吸收率，所以當(dāng)結(jié)合簡單直接吸收方法時，利用基于傳統(tǒng)激光源的傳感器系統(tǒng)不是特別靈敏。通過利用復(fù)雜及不穩(wěn)健的光譜法，可提高系統(tǒng)靈敏度。為了說明，利用超長路徑散光赫里奧特(Herriott)單元、共振光-聲方法或基于光腔的方法，如光腔衰蕩光譜(CRDS)及積分腔輸出光譜(ICOS)，可提高近紅外化學(xué)傳感器的靈敏度。
[0004]光-聲譜法，雖然能夠非常靈敏，但是頻率需要使用復(fù)雜的共振單元。此外，由于周圍氣體的光激發(fā)耦合的變化，難以解釋利用光-聲譜法的譜圖的相對強(qiáng)度。
[0005]散光多通單元相對較大、對取向靈敏、并且易受鏡污染影響。
[0006]基于光腔的方法更易受鏡污染影響，因?yàn)樵撔┓椒鞔_地由腔光學(xué)元件的超高反射率(通常R = 99.9%-99.99% )來獲取靈敏度。此外，CRDS對取向極其靈敏。IC0S，且尤其是“離軸” ICOS需要相對較大的樣品池，如2”直徑光學(xué)元件，從而增加了樣品池體積、泵送需求、以及整個系統(tǒng)尺寸。當(dāng)推廣該技術(shù)至中紅外范圍時，甚至需要更大的光學(xué)元件，從而進(jìn)一步增加了單元體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—種氣體傳感器系統(tǒng)包括激光模塊、光室模塊以及氣體傳感器單兀。該激光室模塊包括兩個激光源，所述激光源分別產(chǎn)生波長λ 1和λ 2的激光發(fā)射。每個光路可選地包括一個光隔離器。所述光路進(jìn)入該光室模塊的外殼，在光室模塊的外殼中，它們合并為一個第三波長λ。該光室模塊的外殼包括用于使所選目標(biāo)氣體通過的一個入口及一個出口。該氣體傳感器單元匹配至該外殼的入口。該目標(biāo)氣體通過鄰近的氣體單元并通過該入口進(jìn)入至該光室模塊。該目標(biāo)氣體通過該出口離開該光室模塊。
[0008]在該光室模塊內(nèi)，一個非線性晶體接收波長入1和λ 2的激光發(fā)射，并產(chǎn)生第三波長λ3。該波長λ 3選擇為在該目標(biāo)氣體的中紅外光譜吸收特征處，即特定化學(xué)物種的振動光譜內(nèi)的強(qiáng)吸收譜線，該氣體傳感器以其作為目標(biāo)。該第三波長λ3通過所述兩個激光發(fā)射的電場的相互作用而產(chǎn)生。該非線性晶體可被周期性地極化，并被配置以使該第一和第二激光束轉(zhuǎn)換頻率(frequency-convert)。使用一個吸收和/或反射性濾光器將來自所述兩個激光源的殘光從該中紅外光束移除。該濾光器可包含一個光帶通或邊緣濾光器，其傳輸波長λ 3的光同時排斥波長λ I的光及波長入2的光。替代性地，該濾光器可為一片拋光的鍺(具有或沒有介電涂層以增強(qiáng)入1和λ 2的反射率)，或者為一個透射光學(xué)基片，在一面或兩面上具有介電涂層以反射所述兩個激光源波長并傳輸波長λ3。該濾光器85還可被制成楔形以進(jìn)一步減小該濾光器的輸入光學(xué)面與輸出光學(xué)面之間的光學(xué)色偏。在該說明性實(shí)施例中，該楔形可為約3°至約5°。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1顯示了激光系統(tǒng)的框圖。
[0010]圖2為產(chǎn)生波長λ 3處的光發(fā)射的功能框圖。
[0011]圖3為圖1所示的光室模塊15的系統(tǒng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]圖1為使用激光室模塊12、光室模塊14及氣體傳感器單元16的氣體傳感器10的框圖。在電磁波譜的中紅外波段中，通過基頻振動帶，該系統(tǒng)能夠感測化學(xué)物種。
[0013]該激光室模塊12包括兩個激光源12Α、12Β,所述激光源12Α、12Β分別產(chǎn)生波長λ工和λ 2的激光發(fā)射。每個光路可選地包括光隔離器18Α、18Β。所述光路進(jìn)入一個光束選擇器19，如多路復(fù)用器。所選的光路進(jìn)入該光室模塊14的外殼20，在此處它們被合并為一個第三波長λ3。該外殼20包括用于使所選目標(biāo)氣體通過的一個入口 22及一個出口 24。該氣體傳感器單元12連接至該外殼的入口 22。該目標(biāo)氣體通過鄰近的氣體單元16并通過該入口 22進(jìn)入至該光室模塊14。該目標(biāo)氣體通過該出口 24離開該光室模塊14。
[0014]圖2為產(chǎn)生波長λ 3的光發(fā)射的功能框圖。波長λ 3為大約從4 μ m至大約5 μ m的光譜范圍內(nèi)的中紅外波長。
[0015]該第一激光源12A發(fā)出一個第一光束，該第一光束具有1500nm至約1650nm范圍內(nèi)的波長X1O第一光隔離器18A接收該第一光束。第二激光源12B發(fā)出一個第二光束,該第二光束具有1120nm至約1200nm范圍內(nèi)的波長λ2。第二光隔離器18Β接收該第二光束。光選擇器19如多路復(fù)用器通過第一和第二保偏光纖光學(xué)地耦合至該第一和第二光隔離器18Α、18Β，用以提供相對于與光混合器26如非線性光學(xué)晶體有關(guān)的有利軸而偏振的多路復(fù)用器輸出。該非線性光學(xué)晶體26光學(xué)地連接至多路復(fù)用器19的輸出。該光耦合可通過一個第三保偏光纖而完成。
[0016]該第一激光源12Α可為一個分布式反饋(DFB)激光器，其具有一種周期性地構(gòu)造為衍射光柵的激光增益介質(zhì)。DFB激光器內(nèi)增益介質(zhì)的周期性結(jié)構(gòu)構(gòu)成一維干涉光柵(布拉格散射)，這提供用于控制該第一激光源的光反饋。該DFB激光可在腔室的一端上具有一個抗反射涂層以及在腔室的相反端上具有一個高反射涂層。替代性地，該DFB激光器可為一個相偏移DFB激光器，其具有被抗反射涂層所覆蓋的兩端并在腔室內(nèi)具有相偏移，如腔室的中心的單一的四分之一波偏移或者該腔室內(nèi)分布的多個小偏移。替代性地，該第一激光源可為二極管激光器或光纖激光器(OFL)，其中該光纖激光器包括摻雜有稀土元素如鉺、鐿、釹、鏑、鐠和錢的光纖。[0017]該第二激光源12B可為量子點(diǎn)式半導(dǎo)體激光器，如具有1170nm自由激光波長的亞瓦級高應(yīng)變InGaAs/GaAs,其在1147nm至約1197nm范圍內(nèi)可調(diào)諧。量子點(diǎn)激光器包括一個量子點(diǎn)層，在其發(fā)光區(qū)域內(nèi)該量子點(diǎn)層作為活性增益介質(zhì)。由于三維電荷載流子的強(qiáng)約束，該量子點(diǎn)激光器顯示出與能夠藉由控制量子點(diǎn)維度或量子點(diǎn)材料組成而調(diào)節(jié)能級的原子相似的電子結(jié)構(gòu)。
[0018]在工作過程中，兩個激光器12A、12B在可行波長范圍內(nèi)以受控方式獨(dú)立可調(diào)。這可通過單線、窄線或多頻帶調(diào)諧來實(shí)現(xiàn)。通過以外腔配置的外部波長選擇器可以進(jìn)行外部調(diào)諧。通過對于二極管激光器在固定結(jié)溫度調(diào)整電流或者通過在固定溫度調(diào)整激光器驅(qū)動電流，可進(jìn)行內(nèi)部調(diào)諧。
[0019]光隔離器18A、18B允許單向光透射，例如光僅在一個方向上透射同時阻擋光在相反方向上傳播。單向透射抑制了至各激光器的增益介質(zhì)的不必要反饋。不必要的反饋可使激光器的頻率和/或幅值輸出不穩(wěn)定。所述光隔離器18A、18B可為偏振相關(guān)或偏振無關(guān)的。每個光隔離器18A、18B被優(yōu)化以在與其各自激光源的波長對應(yīng)的光譜區(qū)內(nèi)運(yùn)行。每個光隔離器18A、18B的輸出可被優(yōu)化以具有相似的偏振態(tài)，直到光組合器注入點(diǎn)。所述光隔離器18A、18B被光學(xué)地耦合，以便緊靠其各自激光源12A、12B的發(fā)射口。
[0020]多路復(fù)用器19可為一種在兩個不同波長具有顯著不同的反射或透射特性的分色激光鏡，該多路復(fù)用器工作而以已知方式結(jié)合具有不同波長的激光束。為了說明，該多路復(fù)用器19可反射第一激光束同時使第二激光束通過，用以提供沿著共光路朝向非線性光學(xué)晶體26的多路輸出，或者該多路復(fù)用器19可反射第二激光束并使第一激光束通過，用以提供沿著共光路朝向非線性光學(xué)晶體26的多路輸出。替代性地，該多路復(fù)用器19可為一種基于過濾器的裝置，其中所調(diào)諧的波長從一條光纖被該過濾器反射至輸出光纖并且固定的波長通過一個分色激光鏡透射。該結(jié)構(gòu)阻止了該多路復(fù)用器內(nèi)的光色偏或標(biāo)準(zhǔn)具作用(etaloning)，同時該激光源被調(diào)整頻率。這阻止了差頻激光λ 3的輸出功率的傳輸強(qiáng)度變化。
[0021]保偏光纖為在傳播期間發(fā)射至該光纖的線性偏振光的偏振態(tài)保持不變的光纖，在這些模之間具有較小的或沒有光功率的交叉耦合。所述保偏光纖可選地使用一個防護(hù)罩加固以緩解光纖彎曲應(yīng)力。
[0022]圖3為圖1所示的光室模塊15的系統(tǒng)圖。該光室模塊14進(jìn)行所接收的光的任何所需的調(diào)節(jié)或過濾并將所接收的光導(dǎo)向氣體單元16。自第一和第二光隔離器18Α、18Β接收第一和第二光束。這兩個光束在非線性晶體26內(nèi)結(jié)合。在通過該非線性晶體26之后，使用一個吸收和/或反射性濾光器28，將所述兩個激光源的殘光自中紅外光束移除。一系列轉(zhuǎn)向鏡30在適當(dāng)?shù)奈恢眉敖嵌忍帉⒐鈱?dǎo)向通過一個對中紅外透明的窗口。
[0023]衰減光沿著略微偏移出射光束34Α的路徑(從轉(zhuǎn)向鏡36至窗口)，通過對中紅外透明的窗口 32返回至光室模塊14。該略微偏移的衰減光束通過一個檢取(pickoff)鏡38進(jìn)一步與出射光束的路徑分離。在通過換向鏡40的可行的額外反射之后，所返回的衰減光束通過一個凹面鏡42聚集于一個光檢測器44上。該光檢測器44可為能夠響應(yīng)中紅外光的任意合適的檢測器，如眾所周知的碲鎘汞(MCT)檢測器。
[0024]該光室的外殼20包括一個入口 22以及一個出口 24。該入口 22為一種氣體配件，其連接至氣體傳感器單元16，用以允許感興趣的目標(biāo)氣體流過該單元。該目標(biāo)氣體通過出口 24離開該外殼。該出口 24經(jīng)由一個氣體配件(未顯示)連接至一個真空泵(未顯示)。
[0025]該光室模塊中的材料，如加工的裸鋁，加工及陽極化處理的鋁，銅，不銹鋼螺絲及墊圈，環(huán)氧樹脂，電路，電線和纜線，潤滑劑，以及潤滑油，可為許多氣體如甲烷、一氧化碳及二氧化碳的來源。當(dāng)光室模塊與圖1的氣體傳感器單元分離時，這些背景干擾氣體可將不希望的且顯著的背景信號增加至來自于流過氣體單元的樣氣的吸收信號。
[0026]當(dāng)用于氣體傳感器應(yīng)用中時，圖3的光室模塊14不再與圖1的氣體傳感器單元16分離。這兩個體積連接，并且樣氣流過氣體單元并進(jìn)入光室模塊中。該樣氣通過一個氣體配件離開該光室模塊，該氣體配件連接至一真空泵。
[0027]該光室模塊14以與氣體單兀相同的壓力運(yùn)行,并且該光室內(nèi)的氣體被該樣氣連續(xù)沖出。因此，該背景干擾氣體未積聚，而是被流動的樣氣沖走。該干擾氣體不再將背景信號增加至該吸收信號。
[0028]該非線性光學(xué)晶體可被周期性極化并配置以將第一和第二激光束轉(zhuǎn)換頻率。為了說明，通過人為構(gòu)建材料域，該周期性極化的非線性光學(xué)晶體可實(shí)現(xiàn)基頻光子及對應(yīng)的差頻光子的相位或準(zhǔn)相位匹配。該非線性光學(xué)晶體可配置以輸出滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式λ3= (A1入2) / ( λ ι_ λ 2)的差頻相干光束。該第三波長\ 3在約4 μ m至約5 μ m的范圍內(nèi)，如4.3 μ m、4.5μπι*4.8μπι。選擇第三波長λ 3，使得該波長與感興趣的特定化學(xué)物種的振動光譜內(nèi)的強(qiáng)吸收譜線一致。
[0029]選擇非線性晶體26，從而利用該晶體，通過兩個激光發(fā)射的電場的相互作用，在該晶體內(nèi)產(chǎn)生第三波長λ 3的共傳播光。該非線性光學(xué)晶體26可被周期性極化，并配置以將第一和第二激光束轉(zhuǎn)換頻率。為了說明，通過人為構(gòu)建材料域，該周期性極化的非線性光學(xué)晶體26可實(shí)現(xiàn)基頻光子及對應(yīng)差頻光子的相位或準(zhǔn)相位匹配。該周期性極化的非線性光學(xué)晶體26可包括任何種類的晶體材料，諸如，例如磷酸鈦氧鉀(KTP)、鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)以及II1-V材料。根據(jù)一個實(shí)施例，該非線性光學(xué)晶體為具有約IOmm至約60_范圍內(nèi)長度的周期性極化鈮酸鋰(PPLN)結(jié)構(gòu)。
[0030]該濾光器28接收該相干光束并移除原波長λ P λ 2的光部分,并且輸出具有以波長λ 3為特征的相干光束部分。該過濾器28為在前或后濾光器表面具有低反射的、波長λ 3的高透射相干光。該濾光器28可為一個光帶通或邊緣濾光器,其傳輸波長λ 3的光同時排斥波長X1的光及波長λ2的光。替代性地，該濾光器28可為一片拋光的鍺(具有或沒有介電涂層以增強(qiáng)入1和入2的反射率)，或者為一個透射光學(xué)基片，在一面或兩面上具有介電涂層以反射所述兩個激光源波長并透射波長λ3。該濾光器還可被制成楔形以進(jìn)一步減小該濾光器的輸入光學(xué)面與輸出光學(xué)面之間的光學(xué)色偏。在該說明實(shí)施例中，該楔形可為約3°至約5°。
[0031]自該濾光器28發(fā)出的相干光束的特征可以是具有小于約IOMHz的窄線寬。在一個說明實(shí)施例中，該濾光器的相干光束輸出的線寬可小于約2ΜΗζ-3ΜΗζ，或者小于1MHz。該相干光束的線寬作為以下寬度給出，即以頻率表示的光譜的半最大全寬度(FHWM)。該線寬還可以波數(shù)或波長表示。
【權(quán)利要求】
1.一種光室模塊組件，包含: 一個激光源，該激光源包括， 一個第一激光器，該第一激光器發(fā)射一個第一激光束，該第一激光束具有1500 nm至1650 nm范圍內(nèi)的波長λ 1; 一個第二激光器，該第二激光器發(fā)射一個第二激光束，該第二激光束具有1120 nm至1200 nm范圍內(nèi)的波長λ 2， 一個第一光隔離器，該第一光隔離器接收該第一激光束，以及一個第二光隔離器，該第二光隔離器接收該第二激光束；以及一個光室模塊，該光室模塊包括一個外殼，該外殼具有一個入口和一個出口、包括一個對中紅外透明的窗口，該對中紅外透明的窗口鄰近該入口，該外殼包括 一個非線性晶體，該晶體工作以接收該第一激光束和第二激光束，從而產(chǎn)生具有波長入3的一個第三光束，其中λ3 = (A1 λ2)/( A1- λ2)， 一個濾光器，該濾光器接收該第三光束，移除與該第一和第二激光束相關(guān)的殘光， 一個第一系列轉(zhuǎn)向鏡，該第一系列轉(zhuǎn)向鏡將該第三光束導(dǎo)向通過該對中紅外透明的窗Π, 一個檢取鏡，該檢取鏡接收一個衰減的光束、定位接近該對中紅外透明的窗口、反射該衰減的光束，` 一個光檢測器，以及 一個第二系列轉(zhuǎn)向鏡，該第二系列轉(zhuǎn)向鏡接收該衰減的光束并將該衰減的光束引導(dǎo)至該光檢測器。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是該濾光器選自包括吸收性及反射性濾光器的組。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是該光檢測器為一種碲鎘汞檢測器。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是該第一激光器為一種可調(diào)諧的分布式反饋二極管激光器。
5.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是該第二激光器為一種量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器。
6.如權(quán)利要求5所述的組件，其特征是該量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器發(fā)出等于1170nm的波長入
7.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是該第一激光器發(fā)出1500nm至1600 nm范圍內(nèi)的波長A1，該第二激光器發(fā)出1150 nm至1200 nm范圍內(nèi)的波長入2。
8.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是所述組件進(jìn)一步包括一個多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器介于該第一光隔離器與該非線性晶體之間、介于該第二光隔離器與該非線性晶體之間。
9.如權(quán)利要求8所述的組件，其特征是該多路復(fù)用器反射該第一激光束并使該第二激光束通過。
10.如權(quán)利要求8所述的組件，其特征是所述組件進(jìn)一步包含: 一個第一保偏光纖，該第一保偏光纖介于該第一光隔離器與該多路復(fù)用器之間； 一個第二保偏光纖，該第二保偏光纖介于該第二光隔離器與該多路復(fù)用器之間；以及 一個第三保偏光纖，該第三保偏光纖介于該多路復(fù)用器與該非線性晶體之間。
11.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是該非線性晶體具有一種周期性極化結(jié)構(gòu)，并且該非線性晶體的長度為10 nm至60 nm。
12.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征是該第一激光器包括一種第一增益介質(zhì)，一個第一輸出耦合器可工作以傳輸來自該第一增益介質(zhì)的光功率的一部分以產(chǎn)生該第一激光束，相對于該第一輸出I禹合器的外表面，該第一光隔離器以0.01 nm至5 nm范圍內(nèi)的距離連接至該第一輸出I禹合器。
13.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征是該第二激光器包括一種第二增益介質(zhì)，一個第二輸出耦合器可工作以傳輸來自該第二增益介質(zhì)的該光功率的一部分以產(chǎn)生該第二激光束，相對于該第二輸出耦合器的外表面，該第二光隔離器以0.01 nm至5 nm范圍內(nèi)的距離連接至該第二輸出耦合器。
14.如權(quán)利要求13所述的組件，其特征是所述組件進(jìn)一步包含一個處于外腔配置中的外部波長選擇元件，該外部波長選擇元件以0.01 nm至5 nm范圍內(nèi)的距離連接至該第二光隔離器的另一個外表面。
15.—種光室模塊組件,包含: 一個外殼，該外殼具有一個入口和一個出口，包括一個對中紅外透明的窗口，該對中紅外透明的窗口鄰近該入口，該外殼包括 一個非線性晶體，該晶體工作以接收具有波長X1的一個第一光束及具有波長λ 2的一個第二光束，從而產(chǎn)生具有波長λ 3的一個第三光束，其中λ3 = (λι λ 2)/( λ J- λ 2); 一個濾光器，該濾光器接收該第三光束，移除與該第一和第二光束相關(guān)的殘光； 一個第一系列轉(zhuǎn)向鏡，該第`一系列轉(zhuǎn)向鏡將該第三光束引導(dǎo)通過該對中紅外透明的窗π ； 一個檢取鏡，該檢取鏡接收一個衰減的光束、定位接近該對中紅外透明的窗口、反射該衰減的光束； 一個光檢測器；以及 一個第二系列轉(zhuǎn)向鏡，該第二系列轉(zhuǎn)向鏡接收該衰減的光束并將該衰減的光束引導(dǎo)至該光檢測器。
16.如權(quán)利要求15所述的組件，其特征是該濾光器為吸收性的。
17.如權(quán)利要求15所述的組件，其特征是該濾光器為反射性的。
18.如權(quán)利要求15所述的組件，其特征是該光檢測器為一種碲鎘汞檢測器。
19.如權(quán)利要求15所述的組件，其特征是該非線性晶體具有一種周期性極化結(jié)構(gòu)，并且該非線性晶體的長度為10 nm至60 nm。
【文檔編號】G01N21/00GK203595658SQ201190000795
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2010年10月14日
【發(fā)明者】J. 謝雷爾 J., B. 保羅 J., 喬斯特 H. 申請人:諾瓦威夫科技公司