一種腔增強(qiáng)物質(zhì)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種物質(zhì)分析方法，特別是一種腔增強(qiáng)物質(zhì)分析方法，主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、食品安全、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、生物研宄、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、過程控制、國防安全等領(lǐng)域中物質(zhì)檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)物質(zhì)檢測(cè)的需求廣泛存在于環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、食品安全、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、生物研宄、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、過程控制、國防安全等領(lǐng)域，并且對(duì)物質(zhì)檢測(cè)的要求越來越高，希望檢測(cè)方法的檢測(cè)靈敏度要高，對(duì)物質(zhì)檢測(cè)的下限要低。高精細(xì)度腔吸收光譜技術(shù)由于具有檢測(cè)靈敏度高、功能易于擴(kuò)充、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，成為物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)之一，并且已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。在先技術(shù)中存在一種高精細(xì)度腔增強(qiáng)物質(zhì)檢測(cè)方法，參見授權(quán)發(fā)明專利，專利名稱為《一種基于近場(chǎng)光學(xué)行波吸收的痕量物質(zhì)分析裝置》，專利號(hào):ZL200910100385.8，授權(quán)公告時(shí)間為2010年09年29日，此在先技術(shù)中的腔增強(qiáng)痕量物質(zhì)檢測(cè)方法雖然具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在不足:基于等腰三角形棱鏡構(gòu)成的近場(chǎng)光學(xué)行波腔，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械定位要求高，被檢測(cè)物放置在光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域，對(duì)被檢測(cè)物存在一定要求，使用不靈活、影響應(yīng)用范圍；被檢測(cè)區(qū)域?yàn)楣鈱W(xué)近場(chǎng)區(qū)域，為薄層區(qū)域，難于檢測(cè)分子濃度低的物質(zhì)，難度實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體等較低物質(zhì)密度的被檢測(cè)物的分析，對(duì)于較低物質(zhì)密度的被檢測(cè)物的檢測(cè)靈敏度不夠高；在先技術(shù)采用腔外光束導(dǎo)入方式，即采用無源腔增強(qiáng)技術(shù)構(gòu)架，光束進(jìn)入高精細(xì)度腔時(shí)存在損耗，光能利用率低，并且本質(zhì)上腔內(nèi)光場(chǎng)強(qiáng)度低直接影響物質(zhì)檢測(cè)靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)的不足，提供一種腔增強(qiáng)物質(zhì)分析方法，具有系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)單、機(jī)械定位要求低、便于實(shí)現(xiàn)、對(duì)被檢測(cè)樣品要求低、使用靈活、應(yīng)用范圍廣、可檢氣態(tài)物質(zhì)、靈敏度尚、光能利用率尚、可靠性尚、光能功能易于擴(kuò)充等特點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明的基本構(gòu)思是:基于有源高精度腔增強(qiáng)原理，將激光激勵(lì)源設(shè)置在高精度腔內(nèi)，在高精度腔內(nèi)形成強(qiáng)光場(chǎng)；被檢測(cè)物質(zhì)設(shè)置在高精度腔內(nèi)的激光區(qū)域，被檢測(cè)物質(zhì)受激光激發(fā)而發(fā)射特征光場(chǎng)，特征光場(chǎng)經(jīng)過柱面鏡匯聚線性光場(chǎng)導(dǎo)入光纖束中；光纖束的特性光場(chǎng)入射端的光纖端面排列成矩形，與柱面鏡匯聚光場(chǎng)強(qiáng)度分布相匹配；光纖束的特性光場(chǎng)出射端設(shè)置有光電探測(cè)部件，用于探測(cè)特性光場(chǎng)信息；在光電探測(cè)部件和激光區(qū)域之間的特征光場(chǎng)光路上設(shè)置有濾光附件；通過數(shù)據(jù)分析得到本檢測(cè)物質(zhì)信息。
[0005]本發(fā)明的一種腔增強(qiáng)物質(zhì)分析方法，其具體的技術(shù)方案如下:
步驟(I)基于高精度腔構(gòu)建原理，利用高反射率反射面構(gòu)建高精細(xì)度光學(xué)諧振腔，每個(gè)反射面的反射率不低于93% ；
步驟(2)將激光增益介質(zhì)設(shè)置在高精細(xì)度光學(xué)諧振腔內(nèi)，光增益介質(zhì)和激勵(lì)部件相結(jié)合，激勵(lì)部件對(duì)光增益介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，在高精細(xì)度光學(xué)諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的激光光場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)有源高精細(xì)度諧振腔；
步驟(3)被檢測(cè)物質(zhì)設(shè)置在高精度腔內(nèi)的激光光束區(qū)域，被檢測(cè)物質(zhì)受激光激發(fā)而發(fā)射特征光場(chǎng)；
步驟(4)在設(shè)置有被檢測(cè)物質(zhì)的激光光束區(qū)域的側(cè)面設(shè)有柱面鏡，柱面鏡無曲率變化的縱向方向與激光光束的夾角小于20度，在柱面鏡的焦線區(qū)域設(shè)置有光纖束的一端，特征光場(chǎng)經(jīng)過柱面鏡匯聚線性光場(chǎng)導(dǎo)入光纖束中，光纖束的特性光場(chǎng)入射端的光纖端面排列成長(zhǎng)條形，與柱面鏡匯聚光場(chǎng)強(qiáng)度分布相匹配；
步驟(5)光纖束的特性光場(chǎng)出射端設(shè)置有光電探測(cè)部件，用于探測(cè)特性光場(chǎng)信息；在光電探測(cè)部件和激光區(qū)域之間的特征光場(chǎng)光路上設(shè)置有濾光部件；通過數(shù)據(jù)分析得到本檢測(cè)物質(zhì)信息。
[0006]所述的激光增益介質(zhì)為固體增益介質(zhì)、氣態(tài)增益介質(zhì)、燃料增益介質(zhì)、半導(dǎo)體增益介質(zhì)的一種。
[0007]所述的激勵(lì)部件為光學(xué)激勵(lì)部件、電學(xué)激勵(lì)部件一種。
[0008]所述的高精細(xì)度光學(xué)諧振腔為線形高精細(xì)度光學(xué)諧振腔、環(huán)形高精細(xì)度光學(xué)諧振腔的一種。
[0009]所述的柱面鏡為透射式柱面鏡、反射式柱面鏡、復(fù)合式柱面鏡的一種。
[0010]所述的光纖束光纖端面排列成長(zhǎng)條形為矩形、橢圓形、菱形的一種。
[0011]所述的光纖束光場(chǎng)出射斷面的光纖排成矩形、橢圓形的一種。
[0012]所述的濾光部件為帶通濾光片、截止濾光片的一種。
[0013]所述的光電探測(cè)器為光譜檢測(cè)部件、單色儀、半導(dǎo)體光電管、光電倍增管、雪崩管的一種。
[0014]本發(fā)明中增益介質(zhì)技術(shù)、泵浦光技術(shù)、高精細(xì)度腔原理、光纖束制作技術(shù)、光電探測(cè)器、機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)、信息分析技術(shù)等均為成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于基于有源高精度腔增強(qiáng)原理，被檢測(cè)物質(zhì)的特征光場(chǎng)經(jīng)過柱面鏡匯聚線性光場(chǎng)導(dǎo)入光纖束中，光纖束的特性光場(chǎng)入射端的光纖端面排列成矩形，與柱面鏡匯聚光場(chǎng)強(qiáng)度分布相匹配，光纖束的特性光場(chǎng)出射端設(shè)置有光電探測(cè)部件，探測(cè)特性光場(chǎng)信息，通過數(shù)據(jù)分析得到本檢測(cè)物質(zhì)信息，給出一個(gè)具有系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)單、機(jī)械定位要求低、便于實(shí)現(xiàn)、對(duì)被檢測(cè)樣品要求低、使用靈活、應(yīng)用范圍廣、可檢氣態(tài)物質(zhì)、靈敏度尚、光能利用率尚、可靠性尚、光能功能易于擴(kuò)充等特點(diǎn)的腔增強(qiáng)物質(zhì)分析方法。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
1)在先技術(shù)基于等腰三角形棱鏡構(gòu)成的近場(chǎng)光學(xué)行波腔，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械定位要求高，被檢測(cè)物放置在光學(xué)近場(chǎng)區(qū)域，對(duì)被檢測(cè)物存在一定要求，使用不靈活、影響應(yīng)用范圍。本發(fā)明基于有源高精度腔增強(qiáng)原理，被檢測(cè)物質(zhì)的特征光場(chǎng)經(jīng)過柱面鏡匯聚線性光場(chǎng)導(dǎo)入光纖束中，光纖束的特性光場(chǎng)入射端的光纖端面排列成矩形，與柱面鏡匯聚光場(chǎng)強(qiáng)度分布相匹配，光纖束的特性光場(chǎng)出射端設(shè)置有光電探測(cè)部件，探測(cè)特性光場(chǎng)信息，通過數(shù)據(jù)分析得到本檢測(cè)物質(zhì)信息，本發(fā)明具有系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)單、機(jī)械定位要求低、便于實(shí)現(xiàn)、對(duì)被檢測(cè)樣品要求低、使用靈活、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)；
2)在先技術(shù)被檢測(cè)區(qū)域?yàn)楣鈱W(xué)近場(chǎng)區(qū)域，為薄層區(qū)域，難于檢測(cè)分子濃度低的物質(zhì)，難度實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體等較低物質(zhì)密度的被檢測(cè)物的分析，對(duì)于較低物質(zhì)密度的被檢測(cè)物的檢測(cè)靈敏度不夠高。本發(fā)明本質(zhì)上不受限于近場(chǎng)，被檢測(cè)物質(zhì)和光束相互作用區(qū)域可以靈活控制，可以根據(jù)不同被檢測(cè)物質(zhì)特性選擇適當(dāng)作用區(qū)域，用以增加檢測(cè)靈敏度，本方法使用靈活，可以檢測(cè)低物質(zhì)密度的物質(zhì)，包括氣態(tài)物質(zhì)，并且檢測(cè)靈敏度高；
3)在先技術(shù)采用腔外光束導(dǎo)入方式，即采用無源腔增強(qiáng)技術(shù)構(gòu)架，光束進(jìn)入高精細(xì)度腔時(shí)存在損耗，光能利用率低，并且本質(zhì)上腔內(nèi)光場(chǎng)強(qiáng)度低直接影響物質(zhì)檢測(cè)靈敏度。本發(fā)明中采用有源腔增強(qiáng)技術(shù)，激光內(nèi)部產(chǎn)生，極大地提高了光能量利用率，并且腔內(nèi)產(chǎn)生的高能量光場(chǎng)可以直接增加光場(chǎng)進(jìn)過被檢測(cè)物質(zhì)的往返作用效應(yīng)，本質(zhì)上提高了檢測(cè)靈敏度；被檢測(cè)物質(zhì)設(shè)置在高精度腔內(nèi)的激光區(qū)域，被檢測(cè)物質(zhì)受激光激發(fā)而發(fā)射特征光場(chǎng)，特征光場(chǎng)經(jīng)過柱面鏡匯聚線性光場(chǎng)導(dǎo)入光纖束中；光纖束的特性光場(chǎng)入射端的光纖端面排列成矩形，與柱面鏡匯聚光場(chǎng)強(qiáng)度分布相匹配，進(jìn)