专利名称：一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种光谱分析装置，特别是一种 光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置，主要用于流体、薄膜、界 面、纳米物质等形态物质的痕量浓度测试。 技术背景在环境分析、生命科学、医学医疗、国防安全、先进制造工业等许多 领域存在大量的物质痕量测量需求，并且对检测灵敏度的要求越来越高。 腔衰荡光谱分析由于具有检测灵敏度高、绝对测量、选择性好等优点，成 为痕量物质测量技术发展趋势之一。腔衰荡光谱分析技术多用来分析痕量 气体浓度和组分，近些年来，研究者将腔衰荡光谱分析技术应用于流体物质分析，在先技术中，有一种腔衰荡光谱分析系统(参见美国专利"Cavity ring down arrangement for non-cavity filing samples", 专利号 US6，452，680B1)。该腔衰荡光谱分析系统具有相当的优点，尽管可以将腔 衰荡光谱分析技术功能扩充，对流体物质进行分析测试，但是，仍然存在一 些不足1) 该腔衰荡光谱分析系统只能用来测试分析流体物质，不能对薄膜、 界面、纳米物质等形态物质的痕量浓度测试；2) 该腔衰荡光谱分析系统对系统结构的机械加工和定位要求高，激光 束入射和出射样品池时，为了使光能量在界面不出现损失，均要以布鲁斯 特角入射和出射，这样就增加了样品池机械定位要求和提供了光束方向控 制精度；3) 该测试系统中，激光束初次入射高精度腔镜时发生透射和反射，透 射光在高精细度腔内发生往返传播，光电探测器探测此透射到腔内光在某 一腔镜的出射激光能量衰荡变化，所以光能量很低，要求探测器具有高探 测灵敏度，对系统光电检测部分提出高要求；4) 对流体进行测量时，需要至少填充样品池，需要被检测流体具有一 定体积数量，对具有少量的被测流体无法进行检测；5) 该腔衰荡光谱分析系统中的高精细度腔有两个或多个高反射率反射镜光学元件构成，结构复杂，并且对光学元件相对位置具有高精度定位要 求。发明内容本实用新型要解决的问题在于克服了上述在先技术的不足，提供一种 光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置，具有测量物质范围广泛， 被测物质所需量少，所需探测光学信号强，可光纤远距离传输，精细腔构 成简单等特点。本实用新型将近场光学传感、光纤长距离传播和光学外差分光电探测 技术应用于腔衰荡光谱分析技术。光纤将传感探测部分和信息处理部分连 接，可实现远距离测试，光纤分布式测试系统。光学外差分中探测器探测 光强信号为直流光场振幅和有用弱变化光场振幅取和后模的平方，交叉项 含有用光信号，同时此信号振幅中含直流光场振幅参数，可实现所需探测 光信号增强的效果。采用一个光学元件度高反射膜形成高精细强，采用近 场光消逝波区域测试物质，所需物质量小，并且测量范围广。本实用新型包括探测部件、光纤、光电探测器、分光镜和激光光源。 所述的探测部件为对称结构的柱体或半球体，内部形成光反射腔，外表面 镀有高反射膜。探测部件光纤耦合准直器与探测部件位置配合。激光光源 和分光镜光纤耦合准直器分别设置在分光镜的两侧，激光光源的发射光方向与分光镜的工作面的夹角为45。，分光镜光纤耦合准直器设置在发射光方向上。光电探测器与分光镜光纤耦合准直器设置在分光镜的工作面的同 一侧面，并且设置在分光镜的反射光方向上。探测部件光纤耦合准直器与 分光镜光纤耦合准直器通过光纤连接。所述的探测部件为截面呈半圆形的柱体，柱体的弧面镀有高反射膜。 探测部件光纤耦合准直器设置在半圆形的径向方向上。所述的探测部件为截面呈等腰三角形的柱体，柱体的等腰面镀有高反 射膜。探测部件光纤耦合准直器与等腰三角形一边的腰平行设置。所述的半球体的探测部件的弧面镀有高反射膜。探测部件光纤耦合准 直器设置在半球体的径向方向上。所述的分光镜为分光棱镜；光纤为单模光纤、多模光纤、光纤束中的 -一一禾中。所述的分光镜为偏振分光棱镜，偏振分光棱镜与分光镜光纤耦合准直 器之间设置有四分之一波片，四分之一波片的光轴方向与偏振分光棱镜的 出射光偏振方向的夹角为45。；所述的光纤为保偏光纤。所述的光电探测器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。 本实用新型装置的工作过程为激光光源发出的线偏振光束，经过分光 镜，通过分光镜光纤耦合准直器进入光纤。在光纤中传播到探测部件，经 过探测部件光纤耦合准直器转化为激光束，透过探测部件的入射工作面， 在全反射工作面上发生全反射，全反射消逝波区域为检测被测物质的区域， 全反射光束传播到反射工作面发生反射。由于入射工作面和反射工作面均 镀有高反射膜，所以形成了高精细度腔，光束在高精细度腔内往返传播， 每次经过全反射工作面上发生全反射时与被测物质发生作用，会有吸收， 光能量有损失形成吸收峰，光能量吸收强度与被测物质被测量成比例。激 光束每次经过入射工作面时，会有部分光发生透射。信号透射光束经过入 射工作面，再由探测部件光纤耦合准直器传播到光纤。信号透射光束在光 纤另一端经过分光镜光纤耦合准直器入射到分光镜。在分光镜的分光面上 部分光发生反射，达到光电探测器上。光电探测器将探测到的光信号转化 为电信号后传到后台信号处理控制系统进行光学外差法信号处理，得到被 测物质量。为提高激光光能量利用效率，分光镜采用偏振分光棱镜，对于入光偏 振态光束透射，偏振方向垂直于入射光束偏振方向的光束反射，同时在偏振分光棱镜与分光镜光纤耦合准直器之间加入四分之--波片9，四分之一 波片光轴方向与偏振分光棱镜的出射光偏振方向成45度角，或是在分光镜 靠近光纤耦合准直器一侧镀有四分之一波长光学薄膜，光纤采用保偏光纤。 激光光源发出的线偏振光束可以地光能损耗透射，经过四分之一波片后转 化为圆片偏振光，经过保偏光纤传到探测部件，含有被测物质信息的反射光束经过四分之一波片后，会转化为线偏振光，此时的偏振方向垂直于入 射光束偏振方向，所以被偏振分光棱镜高效率反射达到光电探测器上。光 电探测器将探测到的光信号转化为电信号后传到后台信号处理控制系统进 行光学外差法信号处理，得到被测物质量。 与在先技术相比，本实用新型的优点1) 将腔衰荡光谱分析测量对象拓展到薄膜、界面、纳米物质、流体；2) 测量时所需被测物质量少；3) 精细腔构成简单，只有一个光学元件；4) 结构简单稳定，对机械定位要求低；5) 所需探测光信号强；6) 光纤远距离传输，可构成光纤分布式测试系统。
图1为本实用新型的第一实施例示意图；图2为本实用新型的第二实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。 实施例1:本实施例的光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析系统，具体结构 如图1所示。光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析系统由探测部件1、光纤3、光电探测器5、分光镜6和激光光源7构成。探测部件1为对称结 构的半球体，外表面镀有高反射膜，内部形成光反射腔。探测部件光纤耦 合准直器2与探测部件1位置配合，探测部件光纤耦合准直器2设置在探 测部件1半球面的径向方向上。激光光源7和分光镜光纤耦合准直器4分 别设置在分光镜6的两侧，激光光源7的发射光方向与分光镜6的工作面 的夹角为45。，分光镜光纤耦合准直器4设置在发射光方向上。光电探测 器5与分光镜光纤耦合准直器4设置在分光镜6的工作面的同一侧面，并 且设置在分光镜6的反射光方向上。探测部件光纤耦合准直器2与分光镜 光纤耦合准直器4通过光纤3连接，光纤为多模光纤。光电探测器5为光 电倍增管。本实施例的光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析系统如上所述结 构，工作过程为激光光源7发出的线偏振光束，经过分光镜6，通过分光镜光纤耦合准直器4进入光纤3。在光纤3中传播到探测部件1，经过探测 部件光纤耦合准直器2转化为激光束，透过探测部件1的入射工作面，在 全反射工作面上发生全反射，全反射消逝波区域为检测被测物质的区域， 全反射光束传播到反射工作面发生反射。由于探测部件1的外球面工作面 均镀有高反射膜，所以形成了高精细度腔，光束在高精细度腔内往返传播， 每次经过全反射工作面上发生全反射时与被测物质发生作用，会有吸收， 光能量有损失形成吸收峰，光能量吸收强度与被测物质被测量成比例。激 光束每次经过入射工作面时，会有部分光发生透射。信号透射光束经过入 射工作面，再由探测部件光纤耦合准直器2传播到光纤3。信号透射光束 在光纤3另一端经过分光镜光纤耦合准直器4入射到分光镜6。在分光镜6 的分光面上部分光发生反射，达到光电探测器5上。光电探测器5将探测 到的光信号转化为电信号后传到后台信号处理控制系统进行光学外差法信 号处理，得到被测物质量。 实施例2:第二具体实施例结构如图2所示。所述的光纤式光学外差法倏逝波腔 衰荡光谱分析系统由探测部件l、光纤3、光电探测器5、四分之一波片8、 分光镜6和激光光源7构成。探测部件1为截面呈等腰三角形的柱体，柱 体的等腰面镀有高反射膜，内部形成光反射腔。探测部件光纤耦合准直器 2与探测部件1位置配合，探测部件光纤耦合准直器2设置在探测部件1 半球面的径向方向上。激光光源7和分光镜光纤耦合准直器4分别设置在 分光镜6的两侧，激光光源7的发射光方向与分光镜6的工作面的夹角为 45° ，分光镜光纤耦合准直器4设置在发射光方向上。光电探测器5与分 光镜光纤耦合准直器4设置在分光镜6的工作面的同一侧面，并且设置在 分光镜6的反射光方向上。探测部件光纤耦合准直器2与分光镜光纤耦合 准直器4通过光纤3连接，光纤3采用保偏光纤，光电探测器5为光电倍 增管。分光镜6采用偏振分光镜，对于入光偏振态光束透射，偏振方向垂 直于入射光束偏振方向的光束反射，同时在分光镜6与分光镜光纤耦合准直器4之间加入四分之一波片8，四分之一波片8光轴方向与分光镜6光 束出射光偏振方向成45度角，或是在分光镜6靠近分光镜光纤耦合准直器 4 一侧镀有四分之一波长光学薄膜。探测部件光纤耦合准直器4与等腰三 角形-边的腰平行设置。本实施例的光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析系统如上所述结 构，工作过程为激光光源7发出的线偏振光束，经过分光镜6和四分之一 波片8后，由线偏振光转化为圆偏振光，再通过分光镜光纤耦合准直器4 进入光纤3。在光纤3中传播到探测部件1，经过探测部件光纤耦合准直器 2转化为激光束，透过探测部件1的入射工作面，在全反射工作面上发生 全反射，全反射消逝波区域为检测被测物质的区域，全反射光束传播到反 射工作面发生反射。由于探测部件1为截面呈等腰三角形的柱体，柱体的 等腰面镀有高反射膜，内部形成高精细度腔，光束在高精细度腔内往返传 播，每次经过全反射工作面上发生全反射时与被测物质发生作用，会有吸 收，光能量有损失形成吸收峰，光能量吸收强度与被测物质被测量成比例。 激光束每次经过入射工作面时，会有部分光发生透射。信号透射光束经过 入射工作面，再由探测部件光纤耦合准直器2传播到光纤3。信号透射光 束在光纤3另一端经过分光镜光纤耦合准直器4出射，再次经过四分之一 波片8，由于四分之一波片8光轴方向与分光镜6光束出射光偏振方向成 45度角，光束由圆偏振光转化为线偏振光，偏正方向与激光光源7出射光 的偏振方向垂直，故高效率地被分光镜6的分光面上发生反射，反射光达 到光电探测器5上。光电探测器5将探测到的光信号转化为电信号后传到 后台信号处理控制系统进行光学外差法信号处理，即得到被测物质量。
权利要求1、一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置，包括探测部件、光纤、光电探测器、分光镜和激光光源，其特征在于所述的探测部件为对称结构的柱体或半球体，内部形成光反射腔，外表面镀有高反射膜，探测部件光纤耦合准直器与探测部件位置配合；激光光源和分光镜光纤耦合准直器分别设置在分光镜的两侧，激光光源的发射光方向与分光镜的工作面的夹角为45°，分光镜光纤耦合准直器设置在发射光方向上；光电探测器与分光镜光纤耦合准直器设置在分光镜的工作面的同一侧面，并且设置在分光镜的反射光方向上；探测部件光纤耦合准直器与分光镜光纤耦合准直器通过光纤连接。
2、 如权利要求1所述的一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置， 其特征在于所述的探测部件为截面呈半圆形的柱体，柱体的弧面镀有高反 射膜；探测部件光纤耦合准直器设置在半圆形的径向方向上。
3、 如权利要求1所述的一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置， 其特征在于所述的探测部件为截面呈等腰三角形的柱体，柱体的等腰面镀 有高反射膜；探测部件光纤耦合准直器与等腰三角形一边的腰平行设置。
4、 如权利要求1所述的一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置， 其特征在于所述的半球体的探测部件的弧面镀有高反射膜；探测部件光纤 耦合准直器设置在半球体的径向方向上。
5、 如权利要求1所述的一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置， 其特征在于所述的分光镜为分光棱镜；光纤为单模光纤、多模光纤、光纤 束中的一种。
6、 如权利要求1所述的一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置， 其特征在于所述的分光镜为偏振分光棱镜，偏振分光棱镜与分光镜光纤耦 合准直器之间设置有四分之一波片，四分之一波片的光轴方向与偏振分光 棱镜的出射光偏振方向的夹角为45° ;所述的光纤为保偏光纤。
7、 如权利要求1所述的一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置， 其特征在于所述的光电探测器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一 种。
专利摘要本实用新型涉及一种光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置。现有技术结构复杂，不能对薄膜、界面、纳米物质等进行测试。本实用新型的探测部件采用对称结构的柱体或半球体，内部形成光反射腔，外表面镀有高反射膜。探测部件光纤耦合准直器与探测部件位置配合。激光光源和分光镜光纤耦合准直器分别设置在分光镜的两侧。光电探测器与分光镜光纤耦合准直器设置在分光镜的工作面的同一侧面，并且设置在分光镜的反射光方向上。探测部件光纤耦合准直器与分光镜光纤耦合准直器通过光纤连接。本实用新型精细腔构成简单，只有一个光学元件，结构简单稳定，对机械定位要求低，并且光谱分析测量对象能够拓展到薄膜、界面、纳米物质、流体。
文档编号G01N21/25GK201173897SQ200820084729
公开日2008年12月31日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者健 王, 高秀敏 申请人:杭州电子科技大学