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    空腔 光谱 检测器
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110038177.7

    申请日:

    2011.02.15

    公开号:

    CN102192880A

    公开日:

    2011.09.21

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 21/01申请日:20110215|||公开
    IPC分类号: G01N21/01; G01N21/31 主分类号: G01N21/01
    申请人: 霍尼韦尔国际公司
    发明人: B·E·科尔; J·A·科克斯; T·M·马塔; R·H·索尔兰
    地址: 美国新泽西州
    优先权: 2010.02.16 US 12/658918
    专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 李娜;蒋骏
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110038177.7

    授权公告号:

    CN102192880B||||||

    法律状态公告日:

    2015.04.22|||2013.03.20|||2011.09.21

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及空腔衰荡光谱法检测器??涨凰サ捶止馄靼ㄋサ纯涨唬?10)。触发检测器(135)被光耦合在衰荡空腔(110)内部以生成指示衰荡空腔(110)中期望辐射水平的信号??刂破鳎?15)被耦合到触发检测器(135),以控制提供给衰荡空腔(110)的光。然后可以测量衰荡时间。

    权利要求书

    1.?一种装置,包括:衰荡空腔(110);触发检测器(135),其光耦合在所述衰荡空腔内部以生成指示所述衰荡空腔(110)中期望辐射水平的信号;和控制器(150),其耦合到所述触发检测器(135)以控制提供给所述衰荡空腔(110)的光。2.?根据权利要求1所述的装置,进一步包括衰减检测器(130),其光耦合到所述衰荡空腔(110)以检测来自所述衰荡空腔的光的衰减。3.?根据权利要求2所述的装置,其中所述控制器(150)操作来在光从所述期望辐射水平的每次衰荡之后,重复控制到所述衰荡空腔(110)的光。4.?根据权利要求1所述的装置,其中所述触发检测器(135)检测从在所述衰荡空腔(110)中具有被调节成提供期望的散射量的表面的镜(120)散射的光。5.?根据权利要求4所述的装置,其中所述镜(120)表面是通过退火、研磨和在微观水平上指数失配中的至少一种而被调节的。6.?一种方法,包括:向具有待检测样品的衰荡空腔(110)提供光(210);通过位于所述衰荡空腔(110)中的检测器(135)检测期望的辐射水平(220);在检测到所述期望的辐射水平后,停止向所述衰荡空腔(110)提供光(230);和测量所述衰荡空腔(110)内的光的衰荡时间(240)。7.?根据权利要求6所述的方法,其中位于所述衰荡空腔(110)内的检测器(135)被放置在用于检测从具有被调节成在所述衰荡空腔(110)内提供期望散射量的表面的镜(120)散射的光的位置。8.?根据权利要求7所述的方法,其中在光从所述期望辐射水平的每次衰荡之后,光被重复(250)提供给所述衰荡空腔(110),且空腔(110)在检测期望的辐射水平之前被调谐。9.?一种系统(100),包括:衰荡空腔(110),其包括适于产生通过所述空腔(110)中的分子的三角形光路径的三个镜(115,120,125);触发检测器(135),其光耦合在所述衰荡空腔(110)内以检测来自至少一个镜(120)散射的光,并生成指示所述衰荡空腔(110)中的期望辐射水平的触发信号;和控制器(150),其耦合到所述触发检测器(135),以根据所述触发信号来控制提供给所述衰荡空腔(110)的光。10.?根据权利要求9所述的系统,进一步包括衰减检测器(130),其光耦合到所述衰荡空腔(110),以根据从所选镜(115)透射出所述衰荡空腔(110)的光,检测来自所述衰荡的光的衰减。

    说明书

    空腔衰荡光谱法检测器

    技术领域

    本发明涉及空腔衰荡光谱法检测器。

    背景技术

    空腔衰荡光谱法(CRDS)系统包括在自身内部反射光的空腔,以提供通过样品的长路径。来自空腔的光强度随时间的衰减可以用来确定样品吸收的强度。从探针波长的已知吸收横截面中,可以获得由衰荡时间度量的来自样品的腔损耗,样品的测量值,如气体浓度。虽然通过单个镜获得输入和输出在光强度方面而言具有明显的好处,但一些系统通过使用压电驱动的调谐镜来调谐路径长度,使空腔与激光波长谐振。由于输入光的反射部分直接与环境光重合,所以前者可扰乱空腔光的测量,并使得难以确定何时光耦合到空腔中或者不到达空腔仅反射到检测器上。

    发明内容

    空腔衰荡分光器包括衰荡空腔。触发检测器光耦合在衰荡空腔内部以生成指示衰荡空腔中期望辐射水平的信号??刂破黢詈系酱シ⒓觳馄?,以控制提供给衰荡空腔的光。然后可以测量衰荡时间。

    附图说明

    图1是根据示例性实施例的空腔衰荡分光器的框图。

    图2是图解说明根据示例性实施例操作该分光器的方法的流程图。

    图3是根据示例性实施例的可替代空腔衰荡分光器的框图。

    图4是用于执行根据一个示例性实施例的方法的示例性系统的框图。

    具体实施方式

    在下文的描述中,参考构成其一部分的附图,其中通过图解示出可以实施的特定实施例。足够详细地描述了这些实施例,使得本领域技术人员能够实施本发明,并且应理解可以采用其它实施例,在不偏离本发明的范围下可以进行结构、逻辑和电学变化。因此,下文对示例性实施例的描述不是在限制意义上进行的,本发明的范围是由所附权利要求限定的。

    本文描述的功能或者算法可以在一个实施例中以软件或者以软件和人为实现的程序的组合来实现。软件可包括存储在计算机可读介质,如存储器或者其它类型的存储装置上的计算机可执行指令。而且,这些功能对应于???,这些??槭侨砑?、硬件、固件或者其组合。如果需要,可在一个或者多个??橹兄葱卸喔龉δ?,所描述的实施例只是例子。软件可以在数字信号处理器、ASIC、微处理器、或在计算机系统上运行的其它类型的处理器如个人计算机、服务器或其它计算机系统上执行。

    图1是空腔衰荡系统(CRDS)100的框图,其具有空腔110,光在空腔110中通过包含所关心分子的样品在两个或者更多个镜之间反射??涨?10可以有几个镜115、120和125,目的是如在三角形路径中反射光。一些镜,如镜120和125可以是完全反射的,使得光不透射通过它们。由于至少有两个镜不会造成系统100中的总的透射损耗,所以这样的镜改善了系统100的品质。在一个实施例中,要求高的Q谐振结构。镜115可以是至少部分透射的,使反射光的一部分可被衰荡检测器130检测到。

    在一个实施例中,至少镜120表现出一些光散射,这也是系统100的总损耗的一部分。内腔强度检测器135被放置在紧邻镜120的位置,以便检测散射损耗。当散射损耗达到预定阈值水平时,泵浦光被停止。在一个实施例中,光是由输入激光器140提供的,并由声光(AO)调制器145控制。

    在不同实施例中,可以通过许多方式在镜中产生ppm(百万分之几)水平的散射。在一个实施例中,具有有意控制结晶程度的膜可以形成于镜的顶表面上。结晶度可以通过退火到足够高温度来产生,使得薄膜材料产生散射点。散射也可以通过使镜的表面粗糙来产生。这可以通过用离子束轻轻研磨镜的表面从而产生由表面粗燥度产生的单位为ppm范围的受控散射水平来实现。期望的散射量也可以通过可控制地加入杂质或散射点在微观水平上具有指数失配而产生。在一个实施例中,散射水平小到不会明显不利地影响激光的功率水平,而大到可由内腔检测器135检测。

    在另外的实施例中,输入激光器和AO调制器可以被组合在单个装置中,或者诸如镜的不同装置可以用来控制光是否被泵浦到空腔110中。声光调制器(AOM)也被称作布拉格单元,其通过使用声波(通常是射频)采用声光效应来衍射并位移光的频率。

    在预定光水平,触发检测器135给AO调制器145发信号,如通过控制器150,以使来自激光器140的输入辐射不再提供给空腔110。衰荡检测器130被放置在测量透射通过镜115的光的衰减的位置,而不必计及从激光器140中泵浦到空腔中的附加光。在一个实施例中,光在空腔中的衰减所用的时间表示光源和空腔被调谐以检测空腔中元素的量或者存在。

    内腔强度检测器135,有时也称作触发检测器,可安装在各个不同位置,如空腔内的一个镜附近。检测器135可被优选放置在散射发生的位置以有效检测空腔中反射的光的强度。在一个实施例中,观察内部镜之一的散射。尽管由于镜损耗低至ppm范围,散射光具有低的强度,空腔光强度的幅值提供用于激活AO调制器的足够强的信号。在一些现有的方法中,触发检测器被放置在空腔外部位置,检测透射通过具有标称约为1?ppm透射损耗的镜的光。检测器注视透射通过该镜的光的积累。

    当在内部检测器135中的强度积累到高水平时,检测器通过控制器150触发AO调制器145,所述控制器使到空腔的输入激光消失。此时,到达衰减检测器的唯一的光是来自空腔的光。在一个实施例中,光可在10微秒内充分衰减,使光行进长的路径长度通过分子,如在该实施例中是3千米。光由于系统损耗如镜透射和散射损耗,还由于被包含所关心分子的样品气体的吸收而衰减。在一个实施例中,由于气体造成的损耗在幅值上可与系统损耗相当。

    在用光充满空腔并使光衰减的时间段中,在一个实施列中大约是毫秒,空腔是看不见的,由于热漂移可失去谐振。当完成衰荡时,通常在小于毫秒之内,输入光可通过AO调制器状态改变被重新导向空腔,压力镜轻微移动并与触发检测器结合找到内腔强度被恢复以开始另一周期条件下的新的镜位置。压力镜可以是任一镜115、120。镜125通常没有压电元件,其原因是它必须将激光透射到空腔中,并使正在退出空腔的光透射到检测器上。

    所示的控制器150接收来自检测器135的感测散射信息,并控制AO调制器145熄灭输入到空腔110中的光??刂破?50或者其它单独的控制器可用来协调不同实施例中的另外不同的检测器、调制器和镜。

    在一个实施例中,控制器150或者另一控制器帮助实现如图2中的流程图200中图解所示的算法。在210,光被泵浦到空腔中,空腔被可选择地调谐到与光源和待检测分子一致的期望频率。内部检测器135或者衰荡检测器135可用来测量空腔110中的光,并帮助进行调谐。

    在220,在可选的调谐之后,由内部检测器135检测空腔内的光强度。在230,当空腔中的光被检测为预定阈值水平时,停止泵浦。在泵浦被停止之后,在240,衰荡检测器130用来检测光衰减到期望水平所用的时间量。如250所示,该过程被重复,再次可选择地包括调谐以至少补偿热漂移。在260,可执行多个衰荡测量,可执行统计计算,如平均衰荡时间,且与期望分子是否存在相关联。在一些实施例中的统计分析可以允许在万亿分之几的范围内检测分子。

    通过使用内部强度检测器,用来反射光的镜可具有较低的透射损耗,使系统具有高的Q。唯一的损耗可以是通过镜,使光到达衰荡检测器。通过使用内部检测器检测散射,直接激光不会不利地影响触发激光关闭的检测。三个镜、三角形配置的使用保持激光的偏振,进一步得到具有增大的品质因数Q的谐振空腔?;箍梢允顾サ醇觳馄鞑唤邮罩苯蛹す?。

    可替代的两个镜系统图示于图3中的框图图式的300。激光310和AO调制器315通过第一镜325给空腔320提供光。光在空腔320中的第一镜325和第二镜330之间来回反射。内部光检测器335被放置在紧邻第二镜330以检测表示空腔320内的全部光强度的光散射的位置。第三镜340被放置以使激光通过它进入空腔320但还反射通过第一镜325透射到空腔320之外的光。光被反射到衰荡检测器345上。该系统300以类似于图2中图解的方式工作,但只利用两个镜来提供通过空腔中的待检测分子的长的光路径长度。

    在一个实施例中,可提供气体输入350和输出355。含有待检测分子的气体可通过输入350提供,通过输出355从空腔移除。在一个实施例中,气体被提供并在检测发生时被保持在空腔中。在另外的实施例中,气体可在检测期间流动以便不中断生产工艺流程。输入和输出在横截面上可小于空腔,或者可与空腔大小相同或在需要时甚至比空腔更大。图1中的环形检测器可以相同方式使用。在另外的实施例中,环形检测器可被设置在运载可能关心的分子的较大的管子中?;沸渭觳馄骺捎牍茏哟笮∠嗤?,并放置在类似于管子的节段之间的垫圈的位置。

    执行用于实现上述算法的编程的计算机系统的框图示于图4中。形式为计算机410的通用计算装置可包括处理单元402、存储器404、可移动存储装置412、和不可移动存储装置414。存储器404可包括易失性存储器406和非易失性存储器408。计算机410可包括或可访问包括各种计算机可读介质,如易失性存储器406和非易失性存储器408、可移动存储装置412和不可移动存储装置414的计算环境。计算机存储装置包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或其它存储技术、光盘只读存储器(CD?ROM)、数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或者其它磁存储装置、或能够存储计算机可读指令的其它任何介质。计算机410可包括或可访问包括输入416、输出418和通信连接420的计算环境。计算机可通过使用通信连接以连接到一个或者更多个远程计算机而工作于联网环境中。远程计算机可包括个人计算机(PC)、服务器、路由器、网络PC、对等装置或者其它通用网络节点等等。通信连接可包括局域网(LAN)、广域网(WAN)或其它网络。

    执行上文描述的方法和算法的计算机可读指令可被存储在计算机可读介质上,如所示的,程序存储装置425是可由计算机410的处理单元402执行的。硬盘驱动器、CD-ROM和RAM是包括计算机可读介质的物品的一些例子。

    提交提供以符合37?C.F.R.§1.72(b)的摘要,理解为不用来解释或限制权利要求书的范围或意思。

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