專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)監(jiān)測(cè)內(nèi)腔式激光器的時(shí)間特性鑒別雜質(zhì)并確定濃度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在氣體中雜質(zhì)的檢測(cè)，并且更具體而言，涉及借助通常被稱(chēng)為內(nèi)腔激光光譜學(xué)的激光技術(shù)的氣體分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子的高靈敏度檢測(cè)。
背景技術(shù)：
激光器按其最簡(jiǎn)單的形式可被示意地說(shuō)明為包括被放置在兩面鏡子之間的增益媒質(zhì)。在激光器腔內(nèi)的光在鏡子之間被來(lái)回反射，每次都穿過(guò)增益媒質(zhì)，媒質(zhì)產(chǎn)生光學(xué)增益。在第一面鏡子上的鏡涂層可以是全反射的，而在第二面鏡子上的鏡涂層可以是部分反射的，因而容許有些光從激光腔貫穿。鏡子反射面之間的空間區(qū)域確定了激光器的諧振器或腔，而在本發(fā)明的上下文中涉及所謂的“腔內(nèi)區(qū)域”。
激光器輸出的光強(qiáng)隨增益媒質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)所遍及的波長(zhǎng)區(qū)域和諧振器元件的反射率二者而變。通常這種輸出是寬闊的而沒(méi)有尖銳的、特殊的光譜特征。通過(guò)激光光譜學(xué)對(duì)氣體品種，例如原子、分子、原子團(tuán)或離子的鑒別，需要激光器的輸出在品種吸收的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)。在激光器檢測(cè)氣體品種的常規(guī)應(yīng)用中，激光輻射被用于激發(fā)在激光器外面的氣體樣品以便產(chǎn)生諸如電離或熒光的二級(jí)征象。另一方面，在常規(guī)的吸收光譜學(xué)中，激光穿過(guò)被放置在激光器外部的氣體樣品并且隨波長(zhǎng)改變的衰減被監(jiān)測(cè)。
大約二十年以前，另一種檢測(cè)方法學(xué)，內(nèi)腔激光光譜學(xué)(ILS)首先被探索；查看，例如G.Atkinson等人的“借助內(nèi)腔式染料激光器技術(shù)檢測(cè)自由基”，Journal of Chencical Phyaics，59卷350-354頁(yè)(1973年7月1日)。在ILS中，激光器本身被用作檢測(cè)器。待分析的氣體樣品被放入多模的、被均勻擴(kuò)展的激光器的光學(xué)腔內(nèi)。Alkinson等人在上文指出通過(guò)將處于它們基態(tài)或激發(fā)態(tài)的氣體分子、原子、原子團(tuán)和/或離子放置在光學(xué)腔內(nèi)，激光器的輸出能被改變。特別是，腔內(nèi)品種的吸收光譜呈現(xiàn)在激光器的光輸出中。
在激光器輸出中的特殊的吸收特征起源于由吸收的氣體品種所引入的腔內(nèi)損耗。(作為在這里所使用的，吸收特征表示在光強(qiáng)對(duì)波長(zhǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)圖中的光強(qiáng)上光強(qiáng)達(dá)到單獨(dú)的局部最小值的一系列相繼的波長(zhǎng)。)在多模的激光器中，腔內(nèi)吸收損耗與通過(guò)正常模動(dòng)態(tài)特性的激光器增益相競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)果，在激光器輸出光強(qiáng)中的衰減能在較強(qiáng)的腔內(nèi)吸收特征與激光器增益有效競(jìng)爭(zhēng)的波長(zhǎng)處被觀(guān)察到。吸收特征越強(qiáng)，在那些波長(zhǎng)激光器輸出光強(qiáng)的減小就越大。
通過(guò)把吸收的氣體品種放入激光器的揩振器的內(nèi)部，ILS能提供超過(guò)常規(guī)光譜學(xué)方法的增強(qiáng)的檢測(cè)靈敏度。ILS技術(shù)的增強(qiáng)的檢測(cè)靈敏度來(lái)源于(1)在激光器增益媒質(zhì)中所產(chǎn)生的增益與(2)吸收體的損耗之間的非線(xiàn)性競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)果，ILS能被采用以檢測(cè)弱吸收和/或極小的吸收體濃度兩者。
光學(xué)腔中的每個(gè)氣體品種能借助各自的吸收光譜或標(biāo)記圖被唯一地鑒別。另外，一旦傳感器被恰當(dāng)?shù)匦?zhǔn)，在光譜標(biāo)記圖特定的吸收特征或特征等的強(qiáng)度能被用于確定氣體品種的濃度。(作為在這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“光譜標(biāo)記圖”表示所繪出的波長(zhǎng)對(duì)吸收強(qiáng)度或唯一鑒別氣體品種的吸收系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。)氣體品種的光譜標(biāo)記圖能通過(guò)使ILS激光器的輸出根據(jù)波長(zhǎng)散開(kāi)被獲得。兩種檢測(cè)方案通常被使用以散開(kāi)ILS激光器的輸出并從而獲得氣體品種的光譜標(biāo)記圖。ILS激光器的輸出能被穿過(guò)固定波長(zhǎng)的色散光譜儀，并且被這個(gè)光譜儀所分解的特定的光譜區(qū)域能使用多通道檢測(cè)器被記錄；查看1998年5月5日公布的G.H.Atkinson等人的題為“用于通過(guò)內(nèi)腔激光光譜學(xué)(ILS)超靈敏檢測(cè)氣體的二極管激光器抽運(yùn)的激光器系統(tǒng)”的5,747,807號(hào)美國(guó)專(zhuān)利。另一方面，能按波長(zhǎng)掃描的光譜儀能被使用以選擇分解不同的波長(zhǎng)區(qū)域，它們用單通道檢測(cè)器被記錄，見(jiàn)上文。
現(xiàn)有技術(shù)的ILS檢測(cè)系統(tǒng)使用具有較之在腔內(nèi)待檢測(cè)的品種的吸收光譜中吸收特征帶寬基本上寬的光譜帶寬的ILS激光器；查看1997年11月18日公布的G.H.Atkinson等人的題為“用于雜質(zhì)的高靈敏度檢測(cè)的內(nèi)腔激光光譜學(xué)”的5,689,334號(hào)美國(guó)專(zhuān)利。特別是，激光系統(tǒng)具有至少三倍于象被監(jiān)測(cè)的氣體品種吸收特征一樣寬的運(yùn)轉(zhuǎn)波長(zhǎng)帶寬。
然而，實(shí)施ILS的現(xiàn)有技術(shù)的方法，盡管在實(shí)驗(yàn)室中被成功地演示，但對(duì)于許多商業(yè)用途卻過(guò)于巨大和復(fù)雜。特別是，對(duì)于光譜儀去散開(kāi)激光器的光譜輸出以及對(duì)于計(jì)算機(jī)去分析吸收特征，加上檢測(cè)系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。相反，商業(yè)上現(xiàn)實(shí)性的制約限定氣體檢測(cè)器應(yīng)是方便地定尺寸，比較廉價(jià)，并且可靠。
用于根據(jù)時(shí)間特性測(cè)量雜質(zhì)濃度的一種途徑是所謂的“腔截止”。這種技術(shù)使光學(xué)吸收的測(cè)量能使用脈動(dòng)的光源被完成并且提供高于使用穩(wěn)定的連續(xù)光源所實(shí)現(xiàn)的靈敏度。這項(xiàng)技術(shù)是基于被限制在閉合光學(xué)腔內(nèi)光脈沖的吸收速率的測(cè)量而不是吸收數(shù)量的測(cè)量。腔截止的實(shí)例在下列文獻(xiàn)中被描述例如在A(yíng).O＇Keefe等人的“用于使用脈沖激光源吸收測(cè)量的腔截止光譜儀”，Reviews of Scienfific Instruments，59卷，12期，2544-2551頁(yè)(1998年12月)；J.J.Scherer等人的“腔截止激光吸收光譜學(xué)歷史，發(fā)展及對(duì)脈動(dòng)的分子束的應(yīng)用”，ChernicolReviews，97卷，1期，25-52頁(yè)(1997年2月5日)；1996年6月18日公布的K.K.Lehman的5,528,040號(hào)美國(guó)專(zhuān)利；以及1998年9月29日公布的R.N.Zare等人的5,815,277號(hào)美國(guó)專(zhuān)利。
腔截止激光吸收光譜學(xué)是用于檢測(cè)在氣相中微量雜質(zhì)熟知的并被成功采用的技術(shù)。然而，它在幾個(gè)方面不同于本發(fā)明的方法。(1)腔截止在被動(dòng)的光學(xué)諧振器中被實(shí)現(xiàn)，即沒(méi)有主動(dòng)的光學(xué)元件例如增益媒質(zhì)。相反，本發(fā)明涉及在主動(dòng)的光學(xué)諧振器，具體地講，激光諧振器內(nèi)部的時(shí)間征兆的測(cè)量及表征。(2)退出腔截止諧振器的光子脈沖由注入被動(dòng)諧振器的激光脈沖的往返時(shí)間被周期性地隔開(kāi)。相反，本發(fā)明的時(shí)間征兆可能包括或可能完全不包括光子脈沖。即使光子脈沖被生成并被測(cè)量，它們將不被腔的往返時(shí)間隔開(kāi)除了作為巧合。(3)退出腔截止諧振器的光子脈沖向零輸出光強(qiáng)衰減。相反，即使本發(fā)明中光子脈沖被生成，它們衰減到由激光器輸出功率的連續(xù)波(CW)給定的無(wú)零輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定狀態(tài)。(4)在腔截止中，吸收體的存在并不改變退出被動(dòng)諧振器的光子脈沖的周期，由于這是由往返時(shí)間所確定的，而往返時(shí)間由光速及腔的長(zhǎng)度決定。相反，在本發(fā)明中吸收體的存在可能并通常將改變退出主動(dòng)諧振器的光子脈沖的周期。
因而，存在著對(duì)方法學(xué)的需要，它充分降低(1)ILS測(cè)量的復(fù)雜性及(2)ILS測(cè)試設(shè)備的尺寸，例如，通過(guò)消除對(duì)光譜儀和計(jì)算機(jī)的需要。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，用于使用ILS激光器的檢測(cè)在氣體樣品中存在于校準(zhǔn)范圍內(nèi)氣體品種特定濃度的方法被公開(kāi)。該方法包含(a)確定ILS激光器具有至少一個(gè)可測(cè)量的時(shí)間特性，在那里氣體品種吸收光而由氣體品種所導(dǎo)致的吸收大到足以在校準(zhǔn)范圍內(nèi)改變激光器的時(shí)間特性到可測(cè)量的程度；(b)配置ILS激光器，使它包含(i)激光腔；以及(ii)增益媒質(zhì)，其中ILS激光器具有至少一個(gè)可測(cè)量的時(shí)間特性；(c)設(shè)置增益媒質(zhì)以使來(lái)自增益媒質(zhì)的輸出光束在退出激光腔之前被引導(dǎo)通過(guò)包含在激光腔內(nèi)的氣體樣品；以及(d)設(shè)置具有時(shí)間帶寬足以檢測(cè)至少一個(gè)時(shí)間特性的檢測(cè)器以便檢測(cè)激光器時(shí)間特性的改變。
另外，用于檢測(cè)氣體樣品中存在于校準(zhǔn)范圍內(nèi)氣體品種特定濃度的氣體檢測(cè)系統(tǒng)被提供，其中氣體品種在吸收連續(xù)波長(zhǎng)的至少一個(gè)單獨(dú)波段內(nèi)的光并從而使ILS激光器的輸出的時(shí)間特性改變特定的量。氣體檢測(cè)系統(tǒng)包含(a)ILS激光器，它包含(i)激光腔；以及(ii)增益媒質(zhì)，ILS激光器當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)在氣體品種吸收的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的具有至少一個(gè)可測(cè)量的時(shí)間特性并且由氣體品種所導(dǎo)致的吸收大到足以在校準(zhǔn)范圍內(nèi)改變激光器的時(shí)間特性到可測(cè)量的程度；(b)用于容納激光腔中氣體樣品的容器，容器使從增益媒質(zhì)發(fā)出的輸出光束在退出激光腔之前能穿過(guò)氣體樣品；以及(c)具有足以測(cè)量時(shí)間特性的時(shí)間帶寬的檢測(cè)器。
根據(jù)本發(fā)明，發(fā)明者已經(jīng)創(chuàng)造出商業(yè)上可行的雜質(zhì)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)比起在現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的任何ILS激光器系統(tǒng)都更小、更簡(jiǎn)易且更廉價(jià)去制造。
本發(fā)明的其他目的、特性和優(yōu)點(diǎn)在考慮到以下的詳述及附圖時(shí)將變得明白，在附圖中全部插圖中同樣的參考符號(hào)代表同樣的性能。
附圖簡(jiǎn)述在這個(gè)描述中涉及的附圖應(yīng)當(dāng)理解到除了被特別指出時(shí)外并不是按比例被繪制的。


圖1a是描繪現(xiàn)有技術(shù)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)的截面圖，該系統(tǒng)包含ILS激光器、光譜儀組合、光學(xué)檢測(cè)器、以及用于分析來(lái)自光學(xué)檢測(cè)器電輸出的計(jì)算機(jī)；圖1b是在光強(qiáng)和波長(zhǎng)座標(biāo)上現(xiàn)有技術(shù)的ILS激光器的被光譜分解的輸出的曲線(xiàn)圖，有兩種情況(i)當(dāng)吸收的氣體品種存在于激光腔中，以及(ii)當(dāng)吸收的氣體品種不存在于激光腔中；圖2是描繪本發(fā)明的包含ILS激光器和光學(xué)檢測(cè)器的氣體檢測(cè)系統(tǒng)的截面圖；圖3是本發(fā)明的ILS激光器的另一種實(shí)施例的示意圖；圖4是在光強(qiáng)和時(shí)間坐標(biāo)上本發(fā)明的ILS激光器的在時(shí)間上被分解的輸出的曲線(xiàn)圖，該圖展示ILS激光器的時(shí)間輸出的振蕩性質(zhì)；圖5是在光強(qiáng)和時(shí)間坐標(biāo)上本發(fā)明的ILS激光器的在時(shí)間上被分解的輸出的曲線(xiàn)圖，對(duì)于在激光腔內(nèi)吸收氣體品種的兩種情況(i)不存在及(ii)存在在可檢測(cè)的程度；以及圖6是在時(shí)間(按微秒計(jì))和濃度(按百萬(wàn)分率計(jì))坐標(biāo)上在ILS激光器發(fā)動(dòng)時(shí)間上的改變隨吸收體氣體，這里為CO2，的濃度而變的曲線(xiàn)圖。
優(yōu)選實(shí)施例描述現(xiàn)在詳細(xì)提到本發(fā)明的特定實(shí)施例，它說(shuō)明被發(fā)明者目前思考的用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式。替代的實(shí)施例作為能應(yīng)用的也被簡(jiǎn)單地描述。
本發(fā)明針對(duì)使用ILS傳感器的氣體品種的極高靈敏度檢測(cè)。作為在這里所使用的術(shù)語(yǔ)“氣體品種”指的是分子的、原子的、原子團(tuán)的和/或離子的品種，它們可能存在于例如在制作硅薄膜中被使用的氣體材料中。因此，本發(fā)明的ILS氣體檢測(cè)系統(tǒng)可被用于檢測(cè)在氣體材料(如氮)中雜質(zhì)(如水)的存在。另一方面，ILS檢測(cè)可被用于確定氣體譜線(xiàn)(例如，氮?dú)庾V線(xiàn))是否已經(jīng)從氣體材料(即水)中被充分清除。
圖1a和1b示意地說(shuō)明完成ILS檢測(cè)的現(xiàn)有技術(shù)的方法。具體地說(shuō)，在圖1a中，ILS氣體檢測(cè)系統(tǒng)10的剖面被示出，它包含ILS激光器12、光譜儀組合14、光學(xué)檢測(cè)器16和用于分析來(lái)自光學(xué)檢測(cè)器電輸出的計(jì)算機(jī)18。
在圖1a中所描繪的ILS激光器12包括增益媒質(zhì)20和氣體樣品室22，它們被設(shè)置在由鏡26與28之間的全部光程長(zhǎng)度所確定的光學(xué)諧振器24內(nèi)。將被理解到ILS激光器12另外需要抽運(yùn)源(未被示出)，例如放出光輻射到增益媒質(zhì)20從而驅(qū)動(dòng)ILS激光器12的光學(xué)抽運(yùn)源。
圖1a示出在增益媒質(zhì)20內(nèi)生成的激光是向著氣體樣品室22的并在那里穿過(guò)氣體樣品。如上面所描述的，光學(xué)揩振器或激光腔24內(nèi)的以及，特別是，氣體樣品室22內(nèi)的氣體品種，可引入吸收損耗，如果吸收特征位于ILS激光器12運(yùn)轉(zhuǎn)的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)。因此，ILS激光器12的輸出光束32能被分析以鑒別激光腔24的吸收氣體品種的存在，這通過(guò)確定退出ILS激光器的輸出光束是否含有等同于在氣體品種光譜標(biāo)記圖中的那些吸收特征來(lái)完成。應(yīng)該指出光譜標(biāo)記圖包含關(guān)于光強(qiáng)和波長(zhǎng)的信息。
作為在這里所使用的，吸收特征對(duì)應(yīng)于吸收譜線(xiàn)，即在光強(qiáng)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)中包括并圍繞在光強(qiáng)中單獨(dú)的局部極小(即，在那里吸收達(dá)到極大)的可觀(guān)察的連續(xù)波長(zhǎng)區(qū)域。每條吸收線(xiàn)具有有限的帶寬及吸收達(dá)到極大(或輸出光強(qiáng)達(dá)到極小)的一點(diǎn)。關(guān)于本發(fā)明，吸收特征是重要的因?yàn)榻M成吸收特征的全部波長(zhǎng)是氣體品種在吸收的波長(zhǎng)。
另外，作為在這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“吸收帶”被定義作在吸收出現(xiàn)在各種波長(zhǎng)的吸收光譜中單獨(dú)的不間斷的波長(zhǎng)區(qū)域。因此，如果吸收光譜包含被沒(méi)有觀(guān)察到吸收的區(qū)域B所隔開(kāi)的兩條吸收線(xiàn)，A1和A2，則兩條吸收線(xiàn)，A1和A2，對(duì)應(yīng)于分離的吸收帶。然而，如果兩條吸收線(xiàn)，A1和A2，只被局部的吸收極小(或在光強(qiáng)上的局部極大)所隔開(kāi)，則兩條吸收線(xiàn)A1和A2對(duì)應(yīng)于單個(gè)的吸收帶。例如，在第一種濃度被隔開(kāi)且截然不同的兩根吸收線(xiàn)可能在第二種，較高的濃度，會(huì)連接在一起并合并以形成單個(gè)吸收帶。將被理解到溫度，生成時(shí)間，及抽運(yùn)功率也將影響輸出光譜及所測(cè)得的吸收光譜。因此，在所測(cè)得的吸收光譜中吸收帶的數(shù)目也將隨溫度、生成時(shí)間及抽運(yùn)功率改變。
被檢測(cè)到的吸收帶的數(shù)目還取決于吸收的腔內(nèi)品種的濃度。
為了分析ILS激光器12的光譜輸出，來(lái)自ILS激光器的輸出光束32被傳送到光譜儀組合14，它使輸出光束根據(jù)波長(zhǎng)散開(kāi)。在圖1a中，衍射光柵38和40被使用以使退出ILS激光器12的輸出光束根據(jù)波長(zhǎng)散開(kāi)。透鏡34和36使輸出光束32在入射到衍射光柵38和40上之前擴(kuò)展。透鏡42使光譜儀組合14的輸出會(huì)聚到光學(xué)檢測(cè)器16上。
在一種現(xiàn)有技術(shù)的方法中，(1)光譜儀組合14包含色散光學(xué)元件，它能根據(jù)波長(zhǎng)被掃描，及(2)光學(xué)檢測(cè)器16包含單通道檢測(cè)器。圖1a作為衍射光柵38描繪這個(gè)掃描的色散光學(xué)元件。
在激光腔24中的氣體品種的光譜標(biāo)記圖當(dāng)通過(guò)光譜儀組合14所傳播的光穿過(guò)被設(shè)置在(單通道)光學(xué)檢測(cè)器16前面適當(dāng)?shù)目讖?6時(shí)借助掃描色散光學(xué)元件(光柵38)被獲得。(孔徑46可僅僅包含狹縫。)通過(guò)光譜儀組合14所傳播的光的強(qiáng)度借助光學(xué)檢測(cè)器16當(dāng)衍射光柵38被掃描時(shí)被測(cè)量。光學(xué)檢測(cè)器16輸出電信號(hào)以表明這個(gè)光強(qiáng)。(例如，電信號(hào)可能正比于ILS激光器的光強(qiáng)。)另外，光譜儀傳送電信號(hào)到計(jì)算機(jī)18，信號(hào)指示相應(yīng)的波長(zhǎng)。按這種方式，計(jì)算機(jī)18使由光學(xué)檢測(cè)器16所確定的光強(qiáng)與由光譜儀組合14所確定的波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)。因而，光譜儀組合14和光學(xué)檢測(cè)器16連同計(jì)算機(jī)18被運(yùn)轉(zhuǎn)以使從ILS激光器12發(fā)出的輸出光束32的光譜分布能被測(cè)量。
圖1b示意地說(shuō)明從現(xiàn)有技術(shù)的ILS檢測(cè)方法所獲得的數(shù)據(jù)的種類(lèi)。曲線(xiàn)48表示通過(guò)掃描波長(zhǎng)并測(cè)量通過(guò)光譜儀組合14所傳播的光的強(qiáng)度所獲得的典型的光譜上色散的ILS激光器輸出光譜(或吸收光譜)。在吸收特征所在的波長(zhǎng)處，ILS激光器12的光強(qiáng)被減弱。箭頭49指明6個(gè)這樣的吸收特征。(曲線(xiàn)50描繪不存在任何吸收的氣體品種的ILS激光器12的光譜分布。)計(jì)算機(jī)18能使用在曲線(xiàn)48中所示的吸收光譜去鑒別氣體品種。特別是，包含在ILS激光器12的輸出光譜內(nèi)的許多吸收特征的吸收光譜被測(cè)量并且與待監(jiān)測(cè)的氣體品種的已知的光譜標(biāo)記圖相比較。氣體品種的特定的吸收特征的位置和相對(duì)強(qiáng)度能被利用去唯一地鑒別待檢測(cè)的氣體品種。當(dāng)量值事先用已知的濃度校準(zhǔn)時(shí)，在激光腔24內(nèi)的腔內(nèi)氣體品種的濃度或數(shù)量能從在吸收光譜中所發(fā)現(xiàn)的吸收特征的量值被確定。
在現(xiàn)有技術(shù)可替換的方法中，(1)從ILS激光器12發(fā)出的輸出光束32被穿過(guò)具有固定的色散光學(xué)元件(即，光柵38和40不被掃描)的光譜儀，及(2)光學(xué)檢測(cè)器16包含多通道檢測(cè)器陣列。ILS激光器12運(yùn)轉(zhuǎn)所遍及的光譜區(qū)域由光譜儀組合14產(chǎn)生并在空間上被移動(dòng)跨越(多通道陣列)光學(xué)檢測(cè)器16。被放置在光學(xué)檢測(cè)器16前面的孔徑46(如果有的話(huà))足夠大以提供在檢測(cè)器陣列中多個(gè)檢測(cè)器的照明，以致多種波長(zhǎng)被檢測(cè)器陣列中的多個(gè)檢測(cè)器同時(shí)跟蹤。
因此，由光譜儀組合14所分解的特定的光譜區(qū)域用(多通道陣列)光學(xué)檢測(cè)器16被同時(shí)測(cè)量。計(jì)算機(jī)18操縱(多通道陣列)光學(xué)檢測(cè)器16并讀取從多個(gè)檢測(cè)器那里所測(cè)得的光強(qiáng)。另外，光譜儀組合14傳送表示被光譜儀組合14所分解波長(zhǎng)的電信號(hào)到計(jì)算機(jī)18。計(jì)算機(jī)18被編程以把來(lái)自(多通道陣列)光學(xué)檢測(cè)器16和光譜儀組合14的電信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)和波長(zhǎng)。按這種方式，計(jì)算機(jī)使由光學(xué)檢測(cè)器16所確定的光強(qiáng)與作為由光譜儀組合14所確定的波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)。
因而，光譜儀組合14和(多通道陣列)光學(xué)檢測(cè)器16連同計(jì)算機(jī)18被運(yùn)轉(zhuǎn)以測(cè)量并記錄從ILS激光器12發(fā)出的輸出光束32的光譜分布。類(lèi)似于在圖1b中所示的吸收標(biāo)記圖可被生成。
如以上所描述的，光譜標(biāo)記圖被用于鑒別在激光腔24中的氣體品種。計(jì)算機(jī)記錄包含在ILS激光器12的輸出光譜內(nèi)的眾多吸收特征或譜線(xiàn)的被測(cè)量的吸收帶并且把它們與待監(jiān)測(cè)的氣體品種的已知的光譜標(biāo)記圖相比較。一旦使用已知的濃度量值被校準(zhǔn)，腔內(nèi)品種的濃度就能從在光譜標(biāo)記圖中所得知的吸收特征的量值被確定。
然而，將被理解到這些現(xiàn)有技術(shù)的方法要求計(jì)算機(jī)18通過(guò)測(cè)量并記錄在多種波長(zhǎng)處的光強(qiáng)有效地生成光強(qiáng)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)，這些波長(zhǎng)包括對(duì)應(yīng)于吸收特征的波長(zhǎng)以及圍繞吸收為極小處吸收特征的波長(zhǎng)區(qū)域。
相反，本發(fā)明的方法在概念上比現(xiàn)有技術(shù)的途徑簡(jiǎn)單得多。并不監(jiān)測(cè)遍及多種波長(zhǎng)的光強(qiáng)分布，本發(fā)明的方法僅牽涉到確定ILS激光器12在運(yùn)轉(zhuǎn)期間的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間特性，即在預(yù)定的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)生成光。并不需要測(cè)量和記錄在ILS激光器12光譜內(nèi)的眾多吸收特征。
現(xiàn)有技術(shù)的途徑依賴(lài)于測(cè)量激光器輸出光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。本發(fā)明的方法靠測(cè)量激光器輸出光強(qiáng)隨時(shí)間的變化關(guān)系。這個(gè)測(cè)量?jī)H用單通道檢測(cè)器被獲取而不用在ILS激光器與檢測(cè)器之間的波長(zhǎng)選擇元件。在現(xiàn)有技術(shù)途徑中的靈敏度限制往往被所使用的波長(zhǎng)選擇元件的色散能力給出。在本發(fā)明中，這些元件是不需要的。因而，靈敏度被其他因素限制，例如，檢測(cè)器的時(shí)間帶寬、計(jì)時(shí)起伏和/或增益抽運(yùn)的穩(wěn)定性。用于減少在本發(fā)明中這些限制的技術(shù)解決辦法通常是可獲得的，并且技術(shù)的改進(jìn)作為借助工業(yè)的重大的研究工作的結(jié)果不斷地被完成。減少在現(xiàn)有技術(shù)途徑中的靈敏度限制是更加困難的，因?yàn)樵鰪?qiáng)色散通常意味著增加測(cè)試設(shè)備的尺寸。
本發(fā)明的方法在概念上不同于現(xiàn)有技術(shù)的用于ILS氣體檢測(cè)的方法還在另一方面；即在本發(fā)明中所使用的檢測(cè)器16具有涉及到無(wú)論什么時(shí)間特性在被測(cè)量的時(shí)間帶寬?，F(xiàn)有技術(shù)的ILS檢測(cè)的方法使用檢測(cè)器16，它或者在光譜儀的情況是光電二極管陣列，或者是波長(zhǎng)上固定的波長(zhǎng)選擇元件，或者是連同被掃描的波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件被使用的單通道檢測(cè)器。檢測(cè)器的任務(wù)是測(cè)量退出ILS激光器的光在由波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件的分辨率所確定的特定波長(zhǎng)或一組波長(zhǎng)的光強(qiáng)。在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，時(shí)間檢測(cè)器的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍或象素間距是第一位重要的。檢測(cè)器的時(shí)間帶寬通常不是關(guān)鍵性的，只要檢測(cè)器足夠快去真實(shí)地生成信號(hào)以響應(yīng)在測(cè)量期間，數(shù)十或數(shù)百微秒，ILS激光器的輸出。具有比這個(gè)測(cè)量范圍快得多的時(shí)間帶寬的檢測(cè)器將并不導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)方法的更高的靈敏度性能。高的時(shí)間帶寬將主要被遍及測(cè)量期間積分。事實(shí)上，高的時(shí)間帶寬將是有害的，因?yàn)樗鼘⒁鹋cILS信號(hào)無(wú)關(guān)的較高頻率噪音組成的干擾。
在本發(fā)明中，檢測(cè)器的時(shí)間帶寬是第一位重要的。所要求的實(shí)際時(shí)間帶寬取決于待測(cè)的特定的時(shí)間現(xiàn)象、ILS激光器的結(jié)構(gòu)及ILS激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。例如，在抽運(yùn)過(guò)程的啟動(dòng)與ILS激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的開(kāi)動(dòng)之間的時(shí)間延遲能從少于1微秒改變到幾微秒，取決于抽運(yùn)功率、諧振器的調(diào)整、激光器晶體的溫度、腔內(nèi)吸收體的存在等。在另一方面，個(gè)別的光子脈沖過(guò)程可出現(xiàn)在毫微秒的量級(jí)。能測(cè)量脈沖形狀的檢測(cè)器將需要可與過(guò)程長(zhǎng)度相比的時(shí)間帶度并且最好有相同的量級(jí)或更加快。不同的ILS激光器對(duì)于檢測(cè)器的時(shí)間帶寬還將具有不同的要求，由于時(shí)間現(xiàn)象涉及活性媒質(zhì)的特別的增益性質(zhì)。
固態(tài)激光器對(duì)腔內(nèi)吸收體存在的時(shí)間反應(yīng)被用于確定在校準(zhǔn)范圍內(nèi)的吸收體的特定濃度。固態(tài)激光器受到作為抽運(yùn)過(guò)程結(jié)果的清晰的時(shí)間特性的支配。特定的實(shí)例是張弛振蕩的存在。這些張弛振蕩敏感地依賴(lài)于激光腔的增益和損耗性質(zhì)。因而，腔內(nèi)吸收體引入的損耗將導(dǎo)致對(duì)張弛振蕩時(shí)間分布圖的擾亂。
作為對(duì)ILS激光器12的時(shí)間特性依賴(lài)的結(jié)果，一些特征會(huì)出現(xiàn)。
例如，沒(méi)有光譜儀或波長(zhǎng)選擇元件被要求在ILS激光器的外邊，由于只有激光器的分布圖在時(shí)間范疇內(nèi)需要被確定。另外，只有具有能分辨張弛振蕩周期或其他時(shí)間特性的時(shí)間帶寬的單通道檢測(cè)器被需要。光電二極管陣列并不需要。然而，具有較高時(shí)間帶寬的檢測(cè)器可以能夠測(cè)量在單個(gè)輸出脈沖的線(xiàn)形上的改變。
為響應(yīng)在腔內(nèi)氣體品種吸收上改變的ILS激光器的時(shí)間輸出的任何特征可被用作校準(zhǔn)的原始資料。這些包括，但不被限制為(1)在ILS激光器初始抽運(yùn)與激光器運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)之間的延遲；(2)至少?gòu)埑谡袷幍闹芷诤皖l率之一；(3)作為脈沖數(shù)目的函數(shù)張弛振蕩周期的增大或減小；(4)在指數(shù)或雙指數(shù)衰減分布的情況中張弛振蕩衰減的持續(xù)時(shí)間；(5)作為使ILS激光器的全部或部分時(shí)間分布圖適合于分解的波形的結(jié)果在配合參數(shù)上的任何改變；(6)作為借助數(shù)字算法調(diào)整ILS激光器的全部或部分時(shí)間分布圖的結(jié)果在配合參數(shù)上的任何改變；(7)一個(gè)或多個(gè)單個(gè)的輸出脈沖的線(xiàn)形；(8)當(dāng)腔內(nèi)氣體吸收體存在時(shí)，時(shí)間分布圖對(duì)在運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)上改變的響應(yīng)；以及
(9)在氣體檢測(cè)系統(tǒng)的混沌性質(zhì)上的可用數(shù)量表示的增大或減小以響應(yīng)腔內(nèi)氣體品種的存在，結(jié)果ILS激光器的輸出是渾沌的。
在本發(fā)明的實(shí)例中，沒(méi)有聲光調(diào)制器或瞬時(shí)激光器輸出調(diào)節(jié)器被需要，由于整個(gè)在時(shí)間上分解的激光器分布圖借助單通道檢測(cè)器16被獲得。
腔內(nèi)的波長(zhǎng)選擇元件，例如薄膜、雙折射調(diào)諧器、光柵等，可通過(guò)限制ILS激光器光譜帶寬僅與腔內(nèi)氣體品種的吸收特征相吻合而增強(qiáng)ILS激光器12的時(shí)間響應(yīng)，盡管該系統(tǒng)也能被寬帶運(yùn)行。腔內(nèi)波長(zhǎng)選擇元件按在52處的幻象被示于圖2和3中，由于它是任選的。
ILS激光器12可以借助單個(gè)或多重縱橫和單個(gè)或多重橫模運(yùn)行。
計(jì)算機(jī)18可取決于數(shù)據(jù)采集和分析的復(fù)雜性任選地被使用。例如，計(jì)算機(jī)不需要去操縱基于時(shí)間延遲的系統(tǒng)(上述的條目1)。
當(dāng)氣體室22即使有非腐蝕性氣體或可接受的較慢的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，整個(gè)激光腔24能運(yùn)轉(zhuǎn)。或換一種方法，腔內(nèi)的氣體室22能被包含對(duì)較快的響應(yīng)時(shí)間和腐蝕性氣體的兼容性。
影響ILS激光器12時(shí)間分布圖的任何外部條件必須被或數(shù)量化、校準(zhǔn)，或控制。例如，上述條目1的時(shí)間延遲靈敏地依賴(lài)于環(huán)境(系統(tǒng))溫度及抽運(yùn)激光器的功率。影響ILS激光器12時(shí)間分布圖的其他外部條件包括，但并不被局限于，激光器抽運(yùn)的工作循環(huán)，激光器抽運(yùn)的極化，激光器抽運(yùn)脈沖的長(zhǎng)度及激光器晶體的溫度。
系統(tǒng)10對(duì)于特殊的一組氣體樣品組分必須被校準(zhǔn)，由于雜質(zhì)和未知的氣體可能導(dǎo)致不真實(shí)的實(shí)際讀數(shù)。
幾種原因趨于支持使用具有寬度基本上以由氣體品種所生成的吸收特征的光譜帶寬為標(biāo)準(zhǔn)的光譜帶寬的ILS激光器。如上面所描述的，在光譜標(biāo)記圖中不同的吸收特征支持計(jì)算機(jī)18鑒別待檢測(cè)的特殊的氣體品種。因而，鑒別吸收的氣體品種現(xiàn)有技術(shù)的方法依賴(lài)于具有光譜帶寬大得足以包括多過(guò)一個(gè)吸收特征的ILS激光器。另外，具有多重縱模的ILS激光器12是最有利的，因?yàn)镮LS技術(shù)的被增強(qiáng)的檢測(cè)靈敏度主要從多模激光器的非線(xiàn)性增益對(duì)損耗的競(jìng)爭(zhēng)中得到。因此，現(xiàn)有技術(shù)的方法使用具有光譜帶寬大得足以包含多重縱模的ILS激光器12。
然而，本發(fā)明的ILS激光器當(dāng)光譜帶寬減小到小于腔內(nèi)吸收體的吸收帶寬時(shí)將逐漸變得更加靈敏。當(dāng)光譜帶寬被降低到單個(gè)縱模時(shí)本發(fā)明甚至能作為傳感器運(yùn)轉(zhuǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)中，在有窄帶吸收體的情況下靈敏度來(lái)源于寬帶激光器的振蕩的激光模之間的競(jìng)爭(zhēng)。在本發(fā)明中，激光器的時(shí)間特性取決于激光諧振器的增益和損耗性質(zhì)。在有窄帶腔內(nèi)吸收體的情況下時(shí)間特性改變。當(dāng)由腔內(nèi)吸收體所引入的損耗是全部諧振器損耗的顯著的部分時(shí)，這個(gè)改變被加重。因而，當(dāng)腔內(nèi)吸收體被引入時(shí)，直接根據(jù)腔內(nèi)吸收特征的窄帶激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)將在ILS激光器的時(shí)間特性上引起大的改變。然而，即使在寬帶運(yùn)轉(zhuǎn)的情形，ILS激光器的時(shí)間特性仍將改變以響應(yīng)腔內(nèi)吸收體的存在。在這種情況下靈敏度可能被稍微降低。
ILS激光器12的光譜帶寬(ΔVLaser)由增益媒質(zhì)20運(yùn)轉(zhuǎn)所遍及波長(zhǎng)區(qū)域，鏡26和28的光譜特性，以及光學(xué)腔24內(nèi)各個(gè)光學(xué)元件傳播能遍及的波長(zhǎng)區(qū)域被確定。特別是，ΔVLaser，由增益媒質(zhì)20和鏡26及28的光譜帶寬，以及任何其他分離的腔內(nèi)光學(xué)元件例如激光腔24內(nèi)的薄膜或雙折射調(diào)諧器光譜帶寬的卷積被確定。
因此，當(dāng)使用本發(fā)明的ILS方法時(shí)，為了定量地確定吸收的氣體品種的濃度，僅僅ILS激光器12輸出的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間特性需要被監(jiān)測(cè)。
圖2示意地說(shuō)明了本發(fā)明的方法和儀器，它是針對(duì)檢測(cè)氣體樣品中氣體品種的。特別是，圖2示出根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造ILS氣體檢測(cè)系統(tǒng)10的剖面。
本發(fā)明的ILS氣體檢測(cè)系統(tǒng)10簡(jiǎn)單地包含激光器12和具有足夠的時(shí)間帶寬以測(cè)量ILS激光器時(shí)間特性的光學(xué)檢測(cè)器16。
如在示于圖2的本發(fā)明的實(shí)施例中所描繪的，ILS激光器12包括增益媒質(zhì)20、氣體樣品室22以及任選的波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52，它們?nèi)课挥谠阽R26與28之間所形成的光學(xué)諧振器24內(nèi)。
雖然圖2中所示的激光腔24是線(xiàn)性腔，將被理解到根據(jù)本發(fā)明的替代的腔設(shè)計(jì)能被使用。一個(gè)實(shí)例是用于校正象散所設(shè)計(jì)的三個(gè)或較大鏡子的諧振器。另一個(gè)實(shí)例是行波諧振器，如環(huán)形激光器。
在圖2中所示的ILS激光器中，任選的波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52可用來(lái)(1)使光譜帶寬變窄及(2)調(diào)諧ILS激光器12的波長(zhǎng)。最好，波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52被選擇以保證ILS激光器12具有不比吸收帶重疊部分的光譜帶寬更大的光譜帶寬。另外，波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52保證ILS激光器12的光譜帶寬被調(diào)諧到與包含，例如，一個(gè)吸收特征或多個(gè)相繼的光譜特征的吸收帶相吻合。
在圖2中所示的任選的波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52包含充當(dāng)薄的高反射率的法布里-玻羅標(biāo)準(zhǔn)具的金屬化的薄膜，該標(biāo)準(zhǔn)具提供所需要的窄帶調(diào)諧。金屬化提高了標(biāo)準(zhǔn)具的技能并且使光譜帶變窄，從而生成窄帶的帶通濾波器。調(diào)諧ILS激光器12到適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)能通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)具旋轉(zhuǎn)到通過(guò)所期望波長(zhǎng)的角度被完成?？珊线m地被使用在本發(fā)明中的其他波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52的實(shí)例包括光學(xué)帶通濾波器、衍射光柵、棱鏡、電光帶通濾波器、單個(gè)或多個(gè)平板雙折射濾光器、及其組合。
將被理解到ILS激光器12的可能(或運(yùn)轉(zhuǎn)的)波長(zhǎng)帶取決于增益媒質(zhì)20和任何在位于激光腔24的光學(xué)組件上形成的光學(xué)涂層以及在鏡26和28上形成的光學(xué)涂層。因此，替代著將波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52引入到激光腔24，增益媒質(zhì)和任何在被使用在ILS激光器12的光學(xué)組件例如鏡26和28上的涂層，或氣體樣品室22上的窗口，或晶體20上的涂層，能被設(shè)計(jì)去使光譜帶寬變窄并調(diào)諧ILS激光器的波長(zhǎng)僅與按上面所描述的方式的待監(jiān)測(cè)氣體品種相聯(lián)系的吸收帶重疊。
然而，對(duì)于圖2中所描述的ILS激光器12，ILS激光器12的可能的(或運(yùn)轉(zhuǎn)的)波長(zhǎng)帶由增益媒質(zhì)20運(yùn)轉(zhuǎn)所能遍及的波長(zhǎng)帶，鏡26和28反射所遍及的波長(zhǎng)帶，鏡28傳播所遍及的波長(zhǎng)帶，以及在激光腔24內(nèi)任何其他腔內(nèi)光學(xué)元件(例如波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件)傳播所遍及的波長(zhǎng)帶的卷積被確定。將進(jìn)一步理解到ILS激光器12需要抽運(yùn)源(未被示出)以驅(qū)動(dòng)ILS恰在或稍高于其閥。例如，放出光輻射到增益媒質(zhì)20的光學(xué)抽運(yùn)源可被使用。這個(gè)光學(xué)抽運(yùn)源可以取激光器、激光二極管或閃光燈的形式。這些源可被單獨(dú)或組合使用。眾多相同或不同抽運(yùn)源的使用是被期待的。
圖2示出在增益媒質(zhì)20內(nèi)所生成的激光是向著氣體樣品室22并且在那里穿過(guò)氣體樣品的。如上面所描述，在激光腔24內(nèi)并且，特別是，在氣體樣品室22內(nèi)的氣體品種可引入吸收損耗。因而，來(lái)自腔內(nèi)氣體品種的吸收將增大在ILS激光諧振器24中的損耗，并從而改變激光器的時(shí)間特性。因此，要確定氣體品種的濃度，ILS激光器12必須在清晰的運(yùn)轉(zhuǎn)條件內(nèi)被校準(zhǔn)。從激光器發(fā)出的輸出光束32直接被光學(xué)檢測(cè)器16檢測(cè)。
在其最簡(jiǎn)單的形式中，光學(xué)檢測(cè)器16包含單通道檢測(cè)器例如光電二極管、光敏電阻或光電倍增管。其他的檢測(cè)器可被適當(dāng)?shù)厥褂迷诒景l(fā)明中。對(duì)光學(xué)檢測(cè)器16的一個(gè)要求是檢測(cè)器必須能檢測(cè)ILS激光束32并且生成作為結(jié)果的信號(hào)。因此，從光學(xué)檢測(cè)器16延伸的電輸出端54被描繪在圖2中。對(duì)光學(xué)檢測(cè)器16的另一個(gè)要求是它具有足夠測(cè)量ILS激光器12時(shí)間特性的時(shí)間帶寬，該特性由氣體吸收體的存在被改變。
本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10與在圖1a中所示的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的不同在于既沒(méi)有光譜儀組合14也沒(méi)有計(jì)算機(jī)18被需要。在圖2中所描繪的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10也不需要掃描的色散光學(xué)元件、多通道檢測(cè)器陣列、或被放置在光學(xué)檢測(cè)器16前面的狹縫。
另外，在現(xiàn)有技術(shù)中所示的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10不包括在激光腔24內(nèi)的任選的波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52，該元件收窄并調(diào)諧ILS激光器12的光譜帶寬使之僅與涉及待檢測(cè)的氣體品種的吸收帶吻合。
將被理解到由于ILS提供超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)方法的增大的靈敏度，先前未被測(cè)得的弱的躍遷用本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10或許第一次變得可測(cè)量。往哪里去調(diào)諧ILS激光器12的知識(shí)必須從所關(guān)心的氣體品種的光譜學(xué)研究中被獲得，該研究示出不同的吸收特征的光譜位置。對(duì)如何在光學(xué)上調(diào)節(jié)ILS激光器12的波長(zhǎng)和光譜帶寬的理解還要求將激光器的光譜輸出與吸收特征(或特征等)相比較。
另外，為了消除所引起不真實(shí)的實(shí)際讀數(shù)的光譜干擾的可能性，對(duì)可能出現(xiàn)在給定氣體樣品中任何的氣體品種的光譜學(xué)研究是需要的。如果這種附加的氣體品種不是待檢測(cè)的，ILS激光器12的光譜輸出必須被調(diào)諧到遠(yuǎn)離由這些其他的氣體品種所產(chǎn)生的任何吸收特征。來(lái)自由其他氣體品種引起的吸收特征的可能分布然后將不存在于ILS激光器12發(fā)光的波長(zhǎng)區(qū)域。因而，ILS激光器12的運(yùn)轉(zhuǎn)波長(zhǎng)必須被選擇(1)與待測(cè)的氣體品種相聯(lián)系的吸收特征吻合，及(2)避免來(lái)自不被關(guān)心的氣體品種的光譜干擾。如果上述要求被滿(mǎn)足，則與ILS激光器12輸出的光譜的相互作用將只被追溯到來(lái)自待監(jiān)測(cè)氣體品種的吸收。因此，當(dāng)校準(zhǔn)時(shí)，ILS激光器12時(shí)間特性的改變將精確地測(cè)量所監(jiān)測(cè)氣體品種的濃度。
氣體品種的本體被認(rèn)識(shí)到，因?yàn)楸贿x定的ILS激光器12運(yùn)轉(zhuǎn)所遍及的光譜區(qū)域只與待監(jiān)測(cè)氣體品種相聯(lián)系的吸收帶吻合。
氣體品種的濃度通過(guò)用激光腔24的氣體品種的已知濃度校準(zhǔn)ILS激光器12的在清晰的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下時(shí)間特性的改變被了解到。這個(gè)校準(zhǔn)依賴(lài)于特定的一組操作參數(shù)，包括溫度、壓強(qiáng)、激光器增益、激光器抽運(yùn)的工作循環(huán)，以及任何改變ILS激光器12的增益或損耗的其他參數(shù)。將被理解到這些操作參數(shù)必須被維持恒定以保證氣體檢測(cè)系統(tǒng)10保持被校準(zhǔn)。另一方面，使這些操作參數(shù)變化將改變氣體檢測(cè)系統(tǒng)已校準(zhǔn)的靈敏度，因而使在不同的清晰的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的多重校準(zhǔn)能增大氣體檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。無(wú)論如何，影響ILS激光器12時(shí)間特性的特定的操作參數(shù)的知識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)保持校準(zhǔn)遍及推廣使用的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10是需要的。
現(xiàn)在參看圖3，本發(fā)明的獨(dú)立的實(shí)施例被示出。根據(jù)本發(fā)明，圖3中所描繪的ILS激光器12的光譜帶寬(ΔVLaser)窄到僅足以與涉及待監(jiān)測(cè)的氣體品種的吸收帶或吸收區(qū)域相吻合。此外，正如圖2的情況一樣，波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件52被任選地插在激光腔24內(nèi)。
如上面所討論的，術(shù)語(yǔ)“吸收帶”被定義為在吸收光譜中吸收出現(xiàn)在各種波長(zhǎng)的單獨(dú)的連續(xù)波長(zhǎng)區(qū)域。因此，如果吸收光譜含有被沒(méi)有觀(guān)察到吸收的區(qū)域B隔開(kāi)的兩條吸收線(xiàn)A1和A2，則兩條吸收線(xiàn)A1和A2對(duì)應(yīng)于分立的吸收帶。然而，如果兩條吸收線(xiàn)A1和A2只是被局部的吸收極小(或在光強(qiáng)上的局部極大)隔開(kāi)，則兩條吸收線(xiàn)，A1和A2，對(duì)應(yīng)于單個(gè)的吸收帶。
根據(jù)本發(fā)明，在圖3中被描繪的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10包含ILS激光器12和光學(xué)檢測(cè)器16。ILS激光器12包括位于由鏡26和28所限制的激光腔24內(nèi)的增益媒質(zhì)20。激光腔24是線(xiàn)性腔而增益媒質(zhì)20包含摻入離子的晶體。第一面鏡26通過(guò)在摻入離子的晶體的一端60上噴鍍反射涂層被構(gòu)成。第二面鏡28包含彎曲的反射物。
雖然在圖3中所示的激光腔24是線(xiàn)性腔，將被理解到替換的腔的設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明能被使用，如上面所列舉的。
在本發(fā)明的實(shí)施中，摻入離子的晶體被用作增益媒質(zhì)20的晶體。將被理解到作為適合于所期待的特殊應(yīng)用任何摻入離子的晶體可被使用。因此，并不企圖在這里被具體公開(kāi)的摻入離子的晶體，包括那些在下面被列舉的，不是詳盡無(wú)遺的。
能被適合于使用在本發(fā)明的方法和儀器中摻入離子的晶體的抽樣包括Tm3+，Tb3+∶YLF，Cr∶Tm∶Ho∶YAG，Cr4+∶YSO，Cr4+∶YAG，Cr4+∶YSAG，Er3+∶GSGG，Er3+∶YSGG，Er3+∶YLF，Er3+∶Y3+∶glass，Ho3+∶YSGG，Ho3+∶Tm3+∶LUAG，Tm3+∶Ho3+∶YLF，Tm3+∶Ho3+∶YAG，Tm3+∶Ca Y SOAP，Tm3+∶YLF，Tm3+∶glass，Tm3+∶Ca LaSOAP，Tm3+∶YOS，Tm3+∶YSGG，Tm3+∶YAG，Tm3+∶YVO4，Yb3+∶YAG，Cr∶Forsterite，Er∶Yb∶Glass，CO2∶MgF2，Cr2+∶ZnSe和Cr2+∶ZnS/ZnSe/ZnTe。其他材料，無(wú)論氣體、液體或固體，也可被用作增益媒質(zhì)20。
圖3額外地示出位于激光腔24內(nèi)的氣體樣品室22。氣體樣品室22把氣體樣品與激光器組件隔開(kāi)。將被理解到氣體樣品室22對(duì)非腐蝕性氣體樣品是不需要的，在那種情況下，氣體樣品可被容納在整個(gè)激光腔24內(nèi)。
氣體樣品室22被配置有入口導(dǎo)管62和出口導(dǎo)管64。各個(gè)室窗66和68被安裝在氣體樣品室22的末端并且允許光束70穿過(guò)待分析的氣體樣品。窗66和68還密封氣體樣品室22。
結(jié)果氣體樣品室22存在于含有ILS激光器12的盒72內(nèi)，待檢測(cè)的氣體品種從盒72被移開(kāi)或清除是需要的。經(jīng)過(guò)從盒72移開(kāi)氣體品種，通過(guò)使用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10所獲得的系統(tǒng)的響應(yīng)精確地指明氣體樣品室22內(nèi)所包含的氣體品種的存在和數(shù)量。在吹洗或抽空氣體品種的盒72后，氣體樣品通過(guò)入口導(dǎo)管62和出口導(dǎo)管64被饋入氣體樣品室22(例如，當(dāng)氣體樣品包含腐蝕性氣體)。然而，在氣體樣品不與激光器組件起化學(xué)反應(yīng)那樣的情況下，氣體樣品可被傳遞入盒72。
如以上所討論，ILS激光器12需要抽運(yùn)源74以激發(fā)增益媒質(zhì)20。摻入離子的晶體增益媒質(zhì)20的光激發(fā)由包含半導(dǎo)體二極管激光器76的抽運(yùn)源74被提供。
應(yīng)理解到抽運(yùn)源74可包含驅(qū)動(dòng)ILS激光器12的任何適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)抽運(yùn)源，相干的或不相干的，連續(xù)的或脈動(dòng)的。例如，抽運(yùn)源74可替換地包含固態(tài)晶體激光器(例如，Nd∶YAG)、氣體激光器、一個(gè)或多個(gè)閃光燈、光纖激光器、或任何適用于抽運(yùn)ILS激光器12的其他抽運(yùn)源。
圖3示出由電源78驅(qū)動(dòng)并且由熱電冷卻器80被冷卻的半導(dǎo)體二極管激光器76。半導(dǎo)體二極管激光器76和熱電冷卻器80被安裝在散熱器82內(nèi)，散熱器被配置以消散由半導(dǎo)體二極管激光器所生成的熱。
然而，使用半導(dǎo)體二極管激光器76作為抽運(yùn)源74一般要求使用光束成形光學(xué)器件以促進(jìn)在半導(dǎo)體二極管激光器76的輸出與ILS激光器12之間的光學(xué)匹配。光束修正光學(xué)器件的實(shí)例包括衍射光學(xué)器件、折射光學(xué)器件、折射率軸向變化的折射率遞減光學(xué)器件、折射率徑向變化的折射率遞減光學(xué)器件、微光學(xué)器件、及其組合。圖3示出含有包括一對(duì)合成的棱鏡86和一對(duì)透鏡88的宏觀(guān)光學(xué)器件的光束成形光學(xué)器件84。另一方面，放置在半導(dǎo)體二極管激光器76幾微米之內(nèi)的光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡或微光學(xué)器件可被使用。
圖3另外示出插入在光束成形光學(xué)器件84與增益媒質(zhì)20之間的第一個(gè)調(diào)制器90。第一個(gè)調(diào)制器90被調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器92驅(qū)動(dòng)并控制。第一個(gè)調(diào)制器90交替地衰減和傳播從半導(dǎo)體二極管激光管76發(fā)出的抽運(yùn)光束96并從而周期性地防止抽運(yùn)光束抽運(yùn)增益媒質(zhì)20。按這種方式，第一個(gè)調(diào)制器90導(dǎo)致抽運(yùn)光束96可重復(fù)地抽運(yùn)增益媒質(zhì)20以致ILS激光器12將被接通和斷開(kāi)。
將被理解到在抽運(yùn)上的中斷能利用種種的手段被實(shí)現(xiàn)，包括但不被局限于使用機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的斷續(xù)裝置、電光或聲光調(diào)制器，及光閘。另一方面，供應(yīng)給抽運(yùn)源74(例如，半導(dǎo)體二極管激光器76)的電功率能被變化，從而致使半導(dǎo)體二極管激光器的輸出在高與低的光強(qiáng)級(jí)之間起伏，這周期性地引起增益媒質(zhì)20恰好高于和低于激光器運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的閾。
圖3描繪出從ILS激光器12的輸出光束32是向著光學(xué)檢測(cè)器16的。將被理解到ILS激光器12的光輸出能通過(guò)光纖接線(xiàn)，即光纖或光纖束被替換著傳播到光學(xué)檢測(cè)器被放置的遠(yuǎn)程的地點(diǎn)。
光學(xué)檢測(cè)器16被選定具有足夠分解待用于校準(zhǔn)的ILS激光器12的特定時(shí)間特性的時(shí)間帶寬。檢測(cè)器可以易于獲得ILS激光器12全部在時(shí)間上被分解的輸出。
圖4示出使用具有足夠的時(shí)間帶寬以分解激光器輸出時(shí)間特性的檢測(cè)器的ILS激光器輸出。ILS激光器在這種情況下使用抽運(yùn)Tm3+∶YAG晶體的半導(dǎo)體二極管激光器。如以上所描述，抽運(yùn)激光輻射交替地被接通和斷開(kāi)。
本系統(tǒng)的時(shí)間特性遵循被稱(chēng)為張弛振蕩的熟知的激光現(xiàn)象。這些張馳振蕩由固態(tài)激光器響應(yīng)不平衡的激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所引起。當(dāng)激光器試圖到達(dá)平衡的反轉(zhuǎn)以響應(yīng)快速的向上抽運(yùn)率時(shí)，它們發(fā)生。激光器時(shí)間輸出的一些特性是顯然的，它們?nèi)Q于諧振器的增益和損耗，如在圖4中所示(1)在從零時(shí)刻開(kāi)始的光學(xué)抽運(yùn)的啟動(dòng)與ILS激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)之間有顯著的時(shí)間延遲，用A表示。(2)在ILS激光器相繼的脈沖之間有時(shí)間延遲，用B表示。(3)在激光器相繼的輸出脈沖的振幅上有降低，用C表示。(4)在激光器相繼的輸出脈沖之間在激光器的基線(xiàn)輸出上有升高，用D表示。
重要的是注意振蕩的張弛是由本發(fā)明所期待的一組時(shí)間特性的特定的實(shí)例。其他特性，例如對(duì)于ILS激光器運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)的上面所提到的時(shí)間延遲可能存在于甚至不具有可測(cè)量的張弛振蕩的激光器系統(tǒng)中。
被描述的時(shí)間特性取決于ILS激光器諧振器的增益和損耗。例如，所有其他參數(shù)都等同，按較高速率被抽運(yùn)的ILS激光器將具有在激光器運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)之前較短的延遲。其他時(shí)間特性也將隨抽運(yùn)速率、晶體溫度、系統(tǒng)溫度、抽運(yùn)的工作循環(huán)等改變。由于這些時(shí)間特性依賴(lài)于激光器的增益和損耗雙方，損耗的增大，例如由腔內(nèi)吸收體的存在所引起的，將引起在這些時(shí)間特性上的改變。另外，增大的損耗將導(dǎo)致在時(shí)間特性上更顯著的改變。因而，改變將取決于腔內(nèi)吸收的數(shù)量而后者依賴(lài)于吸收體的濃度。這導(dǎo)致基于對(duì)吸收體已知濃度的一種或多種時(shí)間特性的特定的改變?nèi)バ?zhǔn)濃度的技能。
對(duì)于腔內(nèi)吸收體不存在和存在兩種情況，激光器光強(qiáng)隨時(shí)間(按秒計(jì))改變的曲線(xiàn)圖被示于圖5中。在這個(gè)實(shí)例中腔內(nèi)吸收體是二氧化碳。圖5顯示從ILS激光器12的光輸出的時(shí)間特性如何隨二氧化碳的存在而改變。
基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)102圖解說(shuō)明當(dāng)經(jīng)歷張弛振蕩時(shí)來(lái)自ILS激光器12的一系列脈沖。在這種情況沒(méi)有二氧化碳存在。
同樣基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)104示出在氮中二氧化碳，在這里是1％體積，的存在改變了張馳振蕩的時(shí)間特性。在兩種情況下對(duì)應(yīng)脈沖的振幅在二氧化碳存在時(shí)被降低。另外，ILS激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)在有二氧化碳時(shí)相對(duì)于二氧化碳不存在的情形被延遲。最后，衰減到極限值振幅的速率在有二氧化碳時(shí)較快。所有這些參數(shù)都作為歸因于由二氧化碳腔內(nèi)吸收的在ILS激光諧振器中被增大的損耗的結(jié)果而改變。由吸收所引入的損耗正比于吸收體，二氧化碳，的濃度。因而，被增大的濃度導(dǎo)致被增大的損耗并從而在所測(cè)量的時(shí)間特性上的更大的改變。
圖6圖解說(shuō)明ILS激光器發(fā)動(dòng)時(shí)間(按微秒計(jì))的改變對(duì)氣體品種，在這里即氮中的二氧化碳，濃度的依賴(lài)關(guān)系。就此而論，本發(fā)明的方法和儀器可被使用在任何氣體品種的分析中。
因而，當(dāng)ILS激光器12的光譜帶寬ΔVLaser可與歸因于待監(jiān)測(cè)的腔內(nèi)氣體品種的吸收帶重疊部分的光譜帶寬ΔVabs相比時(shí)，本發(fā)明的方法和儀器能被使用以通過(guò)測(cè)量ILS激光器的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間特性來(lái)測(cè)量氣體品種的濃度。所檢測(cè)的氣體品種的本體借助ILS激光器的波長(zhǎng)與吸收特征的光譜重疊已被確定。
本發(fā)明方法的使用導(dǎo)致ILS氣體檢測(cè)系統(tǒng)比依賴(lài)于繪制ILS激光器12輸出的波長(zhǎng)分布的現(xiàn)有技術(shù)傳感器，基本上更小、更簡(jiǎn)單、更廉價(jià)、并更易于使用。作為其較小尺寸，較低價(jià)格，及操作的簡(jiǎn)單化的結(jié)果，本發(fā)明的氣體檢測(cè)器10能被針對(duì)在氣體檢測(cè)中完全不同的一批用途。
因而，用于檢測(cè)存在于校準(zhǔn)范圍內(nèi)氣體品種特定濃度的方法和儀器已被公開(kāi)。對(duì)熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員將很容易明白，這里所陣述的元件在設(shè)計(jì)和配置上不同的改進(jìn)可以被作出而不違反在附加的權(quán)利要求中所表明的本發(fā)明的范圍。另外，氣體檢測(cè)系統(tǒng)10的應(yīng)用以及ILS氣體檢測(cè)器的位置，例如在半導(dǎo)體制作物組合中，能按可能被期望的來(lái)改變。例如，不同的元件在ILS盒72內(nèi)的特定的布局和氣體檢測(cè)器10本身可以被變更只要它們的結(jié)構(gòu)和布局能適合于使ILS激光器12的光激發(fā)能處于容易重現(xiàn)的狀態(tài)。這些和其他的在本發(fā)明的設(shè)計(jì)、配置和應(yīng)用上的變更，如現(xiàn)在已知的或今后由熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員所創(chuàng)造的是被附加的權(quán)利要求所注視的。
權(quán)利要求
1.用于檢測(cè)在氣體樣品中，存在于校正范圍內(nèi)的氣體品種特定濃度的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，該氣體品種吸收在連續(xù)波長(zhǎng)的至少一個(gè)單獨(dú)波段內(nèi)的光，該系統(tǒng)包含(a)IIIS激光器(12)，它包含(i)激光腔(24)；以及(ii)增益媒質(zhì)(20)，該ILS激光器(12)具有至少一個(gè)可測(cè)量的時(shí)間特性，在那里該氣體品種吸收光而由該氣體品種所導(dǎo)致的該吸收大到足以在校準(zhǔn)范圍內(nèi)改變激光器(12)的時(shí)間特性到可測(cè)量的程度；(b)用于容納在該激光腔(24)中該氣體樣品的容器(22)，該容器(22)使從增益媒質(zhì)(20)發(fā)出的輸出光束(32)在退出該激光腔之前能穿過(guò)該氣體樣品；以及(c)具有足以測(cè)量該時(shí)間特性的時(shí)間帶寬的檢測(cè)器(16)。
2.權(quán)利要求1的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中該檢測(cè)器(16)是單通道檢測(cè)器。
3.權(quán)利要求1的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中該ILS激光器(12)包括防止該ILS激光器(12)僅在該氣體品種吸收的該波段外面的波長(zhǎng)處運(yùn)轉(zhuǎn)的元件(52)。
4.權(quán)利要求3的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件(52)被設(shè)置在該激光腔(24)內(nèi)，該波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件(52)防止該ILS激光器(12)僅在該氣體物種吸收的該波段外面的波長(zhǎng)處運(yùn)轉(zhuǎn)。
5.權(quán)利要求3的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中該增益媒質(zhì)(20)具有的光譜帶寬窄到足以防止該ILS激光器(12)僅在該氣體品種吸收的該波段外面的波長(zhǎng)處運(yùn)轉(zhuǎn)或在其上具有光學(xué)涂層防止該ILS激光器(12)僅在該氣體品種吸收的該波段外面的波長(zhǎng)處運(yùn)轉(zhuǎn)。
6.權(quán)利要求3的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中該容器(22)包含被設(shè)置在該激光腔(24)內(nèi)的氣體樣品室(22)，該氣體樣品室(22)具有使來(lái)自該增益媒質(zhì)(20)的該輸出光束(32)能穿過(guò)該氣體樣品的窗口，該窗口中的至少一個(gè)在其上具有光學(xué)涂層以防止該ILS激光器(12)僅在該氣體品種吸收的該波段外面的波長(zhǎng)處運(yùn)轉(zhuǎn)。
7.權(quán)利要求3的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中該激光腔(24)由至少兩面反射鏡(26，28)構(gòu)成，并且該鏡(26，28)中的至少一個(gè)在其上有光學(xué)涂層以防止該ILS激光器(12)僅在該氣體品種吸收的該波段外面的波長(zhǎng)處運(yùn)轉(zhuǎn)。
8.權(quán)利要求1的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中光學(xué)抽運(yùn)源(74)將光輻射傳送到該增益媒質(zhì)(20)從而驅(qū)動(dòng)該ILS激光器(12)。
9.權(quán)利要求1的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中該氣體品種吸收的該波段包含至少一個(gè)吸收特征，并且該ILS激光器(12)具有寬到足以與該至少一個(gè)吸收特征至少部分重疊的光譜帶寬。
10.權(quán)利要求1的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其中該可測(cè)量的時(shí)間響應(yīng)被選自由以下特征組成的組合(1)在ILS激光器(12)的初始抽運(yùn)與激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)之間的延遲；(2)ILS激光器(12)的張馳振蕩的周期和頻率中的至少一個(gè)；(3)作為脈沖數(shù)目的函數(shù)張弛振蕩周期的增大或減少；(4)在指數(shù)或雙指數(shù)衰減分布的情況中張弛振蕩衰減的持續(xù)時(shí)間；(5)由于ILS激光器的全部或部分時(shí)間分布圖適合于分解的或始終如一的波形在配合參數(shù)上的任何改變；(6)由于借助數(shù)字算法調(diào)整ILS激光器的全部或部分時(shí)間分布圖在配合參數(shù)上的任何改變；(7)一個(gè)或多個(gè)輸出脈沖的線(xiàn)形；(8)當(dāng)腔內(nèi)氣體吸收體存在時(shí)ILS激光器的時(shí)間分布圖對(duì)在運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)上的改變的響應(yīng)；(9)在氣體檢測(cè)系統(tǒng)的渾沌特性上可用數(shù)量表示的增大或減小，以響應(yīng)腔內(nèi)氣體品種的存在，假如ILS激光器的輸出是渾沌的。
11.使用權(quán)利要求1的該ILS激光器(12)的用于檢測(cè)存在于校準(zhǔn)范圍內(nèi)的氣體樣品中氣體品種特定濃度的方法，該方法包含(a)確定該ILS激光器(12)具有至少一個(gè)可測(cè)量的時(shí)間特性，在那里該氣體品種吸收光并且由該氣體品種所導(dǎo)致的吸收大到足以在校準(zhǔn)范圍內(nèi)改變激光器時(shí)間特性到可測(cè)量的程度；(b)提供該ILS激光器(12)；(c)設(shè)置該增益媒質(zhì)(20)以使來(lái)自該增益媒質(zhì)(20)的輸出光束(32)在退出該激光腔(24)以前被引導(dǎo)通過(guò)被容納在該激光腔(24)內(nèi)的該氣體樣品；以及(d)設(shè)置具有時(shí)間帶度足以檢測(cè)該至少一個(gè)時(shí)間特性的檢測(cè)器(16)以便檢測(cè)激光器(12)在時(shí)間特性上的改變。
全文摘要
用于檢測(cè)在氣體樣品中存在于校準(zhǔn)的范圍內(nèi)的氣體品種特定濃度的方法和儀器(10)被公開(kāi)。本發(fā)明的內(nèi)腔激光光譜學(xué)(ILS)氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)僅僅包含ILS激光器(12)和光學(xué)檢測(cè)器(16)。然而,ILS激光器(12)的光譜帶寬最好被全部包括在歸因于所監(jiān)測(cè)腔內(nèi)氣體品種的吸收帶或吸收區(qū)域中的一個(gè)以?xún)?nèi)。因而,在校準(zhǔn)的范圍內(nèi),氣體品種的存在改變了ILS激光器(12)的時(shí)間特性。從而,當(dāng)使用本發(fā)明的ILS方法時(shí)為了定量地確定吸收氣體品種的濃度,只有ILS激光器(12)輸出的時(shí)間特性需要被監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/25GK1369060SQ99815662
公開(kāi)日2002年9月11日 申請(qǐng)日期1999年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月16日
發(fā)明者G·H·阿特金森, J·S·皮格里姆 申請(qǐng)人:創(chuàng)新激光有限公司