专利名称：连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种光谱分析装置，特别是一种连 续锁模近场光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。
背景技术：
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，并且对痕量物质检测灵敏度的要 求越来越高。腔衰荡光谱分析技术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，研究者也将腔衰荡 光谱分析技术应用于流体物质分析。现有技术中，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， 680 Bl)。该腔衰荡光谱分析系统 具有相当的优点，但是，仍然存在一些不足1)该腔衰荡光谱分析系统 中采用线型精细腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，导致光强 分布不均，以及光束入射端腔镜的反射光易对激光器产生干扰；2)该测 试系统中，激光与腔耦合效率低，激光束初次入射高精细度腔镜时发生 透射和反射，透射光在高精细度腔内发生往返传播，光能利用率低，光 电探测器探测此透射到腔内光束通过某一腔镜的出的射激光能量衰荡变 化，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；3)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，对流体进行测量时，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；4)该腔衰荡 光谱分析系统对高精细度腔系统结构的机械加工和定位要求高，结构复 杂，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光束方向控制精度要求；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。
发明内容
本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种连续锁模近 场光腔衰荡光谱分析装置，具有光学行波环形高精细度腔中光强分布均 匀，反射光不易影响激光器性能，激光与高精细度腔实现连续锁模，测 量物质范围广泛，被测物质所需量少，系统构成简单等特点。
本发明的基本构思是将激光器出射光束分成具有不同偏振特性的 两束， 一束偏振光经过光学调制与控制构成测量光束，另一束经过频率 调控形成锁模光束，两束光经过偏振分光镜统一到同一路径后，入射单 一光学元件构成的环形高精细度腔，由于两束光存在频率和偏振差异， 在腔内不存在耦合相干，出射光束经过偏振分光镜分光，锁模光束被探 测后形成反馈信号经过分析处理单元控制移动部件，带动环形高精细度 腔与入射光束产生相对位移，从而确保入射光束与高精细度腔保持连续 锁模，出射的测量光束被另外探测器接受，形成衰荡信号，实现痕量物 质检测；环形高精细度腔的内全反射点处形成光学近场检测区，可对流
体、生物芯片、颗粒物质等形态物质测试。
本发明的技术解决方案为包括相干光源、入射偏振分光镜、光束 调制与控制器、频率调控器、分析控制单元、光学行波高精细度腔、探 测偏振分光镜、锁模探测器，信号探测器。光束整形隔离部件、入射偏 振分光镜和锁模光束反射镜依次置在相干光源的出射光束位置上。入射 偏振分光镜对S光反射，对p光透射，测量光束反射镜设置在入射偏振 分光镜的出射S偏振态光束光路上。在测量光束反射镜的反射光路上依
次设置有光学行波高精细度腔和探测偏振分光镜；合成偏振分光镜设置
在测量光束反射镜和光学行波高精细度腔之间，位于测量光束反射镜的 反射光路与锁模光束反射镜的反射光路的交点处，测量光束反射镜的反 射光路与锁模光束反射镜的反射光路以合成偏振分光镜的偏振分光面对 称。光束调制与控制器设置在测量光路上，频率调控器设置在锁模光路
上；所述的测量光路为光通过入射偏振分光镜、测量光束反射镜和合成 偏振分光镜的路径；所述的锁模光路为光通过入射偏振分光镜、锁模光 束反射镜和合成偏振分光镜的路径。锁模探测器设置在探测偏振分光镜的透射光光路上，信号探测器设置在探测偏振分光镜的反射光光路上。 所述的光学行波高精细度腔为等腰三角形棱镜或等腰梯形棱镜，两个腰 为高反射率入射面和高反射率出射面、底面为内全反射面；移动部件与 光学行波高精细度腔配合连接。相干光源、光束调制与控制器、频率调 控器、移动部件、锁模探测器和信号探测器均与分析控制单元电连接。
所述的相干光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体 激光器的一种。
所述的光束整形隔离部件是由扩束倍率可调的光束扩束光学部件与 光学隔离部件顺序连接构成。
所述的光束调制与控制器为液晶型空间光调制器、反射式空间光调 制器、声光电光调制器的一种。
所述的频率调控器为声光调制器、电光调制器、变频晶体调制器的一种。
所述的光束调制与控制器设置在入射偏振分光镜和测量光束反射镜 之间，或设置在测量光束反射镜和合成偏振分光镜之间。
所述的频率调控器设置在入射偏振分光镜和锁模光束反射镜之间， 或设置在锁模光束反射镜和合成偏振分光镜之间。
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。 所述的移动部件为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件中的一种。
本发明装置的工作过程为相干光源发射出光束，经过光束整形隔离 部件整形入射偏振分光镜；入射偏振分光镜对s光反射，对P光透射，出 射的s偏振态光束经过光束调制与控制器后，被测量光束反射镜反射后 入射合成偏振分光镜；出射的P偏振态光束被反射镜反射后，经过频率 调控器移频后，入射合成偏振分光镜；光束调制与控制器和频率调控器 与分析控制单元相连；合成偏振分光镜对s光透射，对p光反射，出射 的s和p偏振态光束共路径，入射到由单一光学元件构成的光学行波高 精细度腔；光学行波高精细度腔为等腰三角形棱镜，高反射率入射面和 高反射率出射为两个腰、内全反射面为地面，测试区为内全反射面的光 学近场区域；光束由高反射率入射面入射，在高反射率入射面、内全反射面和高反射率出射面反射形成行波，由高反射率出射面出射，由探测
偏振分光镜分光；探测偏振分光镜对s光反射，对p光透射，信号光s
光束被出射方向上置有信号探测器探测，锁模光p光束被出射方向上置
有锁模探测器探测；信号探测器和锁模探测器与分析控制单元相连；分 析控制单元与移动部件相连，移动部件与高精细度腔机械连接，锁模探 测器信号被分析控制单元反馈给移动部件，产生高精细度腔与腔入射光 束相对位移，实现光束与高精细度腔连续锁模；被测物质置于内全反射 面上，光束调制与控制器对s光束进行开关，得到测量衰荡信号，实现 测量。如果被测物质为具有一定量的流体，可在内全反射面上置有流通 池，实现动态连续测量。在光路布置上可以根据具体情况在光束上放置 反射镜改变光束行进方向，偏振分光镜在使用时可以选择适当的分光特 性。
本发明装置中通过分析控制单元控制相干光源、光束调制与控制器、 频率调控器、移动部件，以及锁模探测器和信号探测器将探测信号发送 给分析控制单元进行处理，这些都是成熟技术。本发明的发明点在于提 供一种可以连续锁模的近场光腔衰荡光谱分析的光路结构。
与现有技术相比，本发明的优点
1) 精细腔构成简单，只由一个光学元件构成环形高精细度腔，内部 形成光束行波，光强分布均匀，光束入射端腔镜的反射光不易对激光器 产生干扰；测试系统的结构简单稳定，对机械定位要求低；
2) 将激光器出射光束分成具有不同偏振特性的两束， 一束偏振态光 束用于实现光束和高精细度腔之间的锁模，另一种用于探测，实现了测 量过程中的连续锁模，提高了测量速度，同时提高了光能量利用率，探 测信号强度，降低了对探测电路要求；
3) 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，
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一歩说明。连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，包括相干光源1、入射偏振分
光镜14、光束调制与控制器3、频率调控器12、分析控制单元9、光学 行波高精细度腔6、探测偏振分光镜7、锁模探测器8，信号探测器IO。 实线为光路，虚线为电子连接。相干光源1出射光束上依次置有光束整 形隔离部件2、入射偏振分光镜14。入射偏振分光镜14对s光反射，对 p光透射，入射偏振分光镜14出射的s偏振态光束光路上依次置有光束 调制与控制器3和测量光束反射镜4，入射偏振分光镜14出射的p偏振 态光束光路上依次置有频率调控器12和锁模光束反射镜13;光束调制与 控制器3和频率调控器12与分析控制单元9相连；s和p偏振态光束方 向相交，相交处置有合成偏振分光镜5，合成偏振分光镜5对s光透射， 对P光反射，出射的s和p偏振态光束共路径，前进光路上置有由单一 光学元件构成的光学行波高精细度腔6;光学行波高精细度腔6为等腰三 角形棱镜，高反射率入射面和高反射率出射为两个腰601、内全反射面为 地面，测试区为内全反射面602的光学近场区域；光束由高反射率入射 面601入射，入射方向与底边平行，在高反射率入射面601、内全反射面 602和高反射率出射面603反射形成行波，由高反射率出射面603出射； 出射光束方向上置有探测偏振分光镜7，探测偏振分光镜7对s光反射， 对P光透射，信号光s光束出射方向上置有信号探测器10，锁模光p光 束出射方向上置有锁模探测器8，信号探测器10和锁模探测器8与分析 控制单元9相连；分析控制单元9与移动部件11相连，移动部件ll与 高精细度腔6机械连接，锁模探测器8信号被分析控制单元9反馈给移 动部件11，产生高精细度腔6与腔入射光束相对位移，实现光与高精细 度腔6连续锁模。
相干光源1为固体激光器，光束整形隔离部件2是由扩束倍率可调 的光束扩束光学部件与光学隔离部件顺序连接构成，光束调制与控制器3 为液晶型空间光调制器，频率调控器12为声光调制器，分析控制单元9 为计算机系统，信号探测器10和锁模探测器8均为雪崩管，移动部件ll 为压电陶瓷位移器。
本发明装置的工作过程为相干光源1发射出光束，经过光束整形隔 离部件2整形入射偏振分光镜14;偏振分光镜14对s光反射，对p光透 射，出射的s偏振态光束经过光束调制与控制器3后，被测量光束反射镜4反射后入射合成偏振分光镜5;出射的p偏振态光束被反射镜13反 射后，经过频率调控器12移频后，入射合成偏振分光镜5;光束调制与
控制器3和频率调控器12与分析控制单元9相连；合成偏振分光镜5对 s光透射，对p光反射，出射的s和p偏振态光束共路径，入射到由单一 光学元件构成的光学行波高精细度腔6;光束由高反射率入射面601入射， 在高反射率入射面601、内全反射面602和高反射率出射面603反射形成 行波，由高反射率出射面603出射，由偏振分光镜7分光；偏振分光镜7 对s光反射，对P光透射，信号光s光束被出射方向上置有信号探测器
IO探测，锁模光p光束被出射方向上置有锁模探测器8探测；信号探测
器10和锁模探测器8与分析控制单元9相连；分析控制单元9与移动部 件11相连，移动部件11与高精细度腔6机械连接，锁模探测器8信号 被分析控制单元9反馈给移动部件11，产生高精细度腔6与腔入射光束 相对位移，实现光束与光学行波高精细度腔6连续锁模；被测物质置于 内全反射面602上，光束调制与控制器3对s光束进行开关，得到测量 衰荡信号，实现测量，本实施例成功对流体形态物质进行了痕量浓度监
权利要求
1. 连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，包括相干光源、入射偏振分光镜、光束调制与控制器、频率调控器、分析控制单元、光学行波高精细度腔、探测偏振分光镜、锁模探测器，信号探测器，其特征在于光束整形隔离部件、入射偏振分光镜和锁模光束反射镜依次置在相干光源的出射光束光路上，测量光束反射镜设置在入射偏振分光镜的出射s偏振态光束光路上；在测量光束反射镜的反射光路上依次设置有光学行波高精细度腔和探测偏振分光镜；合成偏振分光镜设置在测量光束反射镜和光学行波高精细度腔之间，位于测量光束反射镜的反射光路与锁模光束反射镜的反射光路的交点处，测量光束反射镜的反射光路与锁模光束反射镜的反射光路以合成偏振分光镜的偏振分光面对称；光束调制与控制器设置在测量光路上，频率调控器设置在锁模光路上；所述的测量光路为光通过入射偏振分光镜、测量光束反射镜和合成偏振分光镜的路径；所述的锁模光路为光通过入射偏振分光镜、锁模光束反射镜和合成偏振分光镜的路径；锁模探测器设置在探测偏振分光镜的透射光光路上，信号探测器设置在探测偏振分光镜的反射光光路上；所述的光学行波高精细度腔为等腰三角形棱镜或等腰梯形棱镜，两个腰为高反射率入射面和高反射率出射面、底面为内全反射面；移动部件与光学行波高精细度腔配合连接；相干光源、光束调制与控制器、频率调控器、移动部件、锁模探测器和信号探测器均与分析控制单元电连接。
2、 如权利要求1所述的连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，其特 征在于所述的相干光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、 液体激光器的一种。
3、 如权利要求1所述的连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，其特 征在于所述的光束调制与控制器为液晶型空间光调制器、反射式空间 光调制器、声光电光调制器的一种。
4、 如权利要求1所述的连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，其特 征在于所述的频率调控器为声光调制器、电光调制器、变频晶体调制 器的一种。
5、 如权利要求1所述的连续锁模近场光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。
6、 如权利要求1所述的连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，其特 征在于所述的移动部件为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件 中的一种。
7、 如权利要求1所述的连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，其特 征在于所述的光束调制与控制器设置在入射偏振分光镜和测量光束反 射镜之间，或设置在测量光束反射镜和合成偏振分光镜之间。
8、 如权利要求1所述的连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，其特 征在于所述的频率调控器设置在入射偏振分光镜和锁模光束反射镜之 间，或设置在锁模光束反射镜和合成偏振分光镜之间。
全文摘要
本发明涉及一种连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置。现有装置采用线型精细腔，光机定位要求高、结构复杂，不能对薄膜、界面等进行测试。本发明将相干光源出射光束分成具有不同偏振特性的两束，一束偏振光经过光学调制与控制构成测量光束，另一束经过频率调控形成锁模光束，两束光经过偏振分光镜统一路径后，入射单一光学元件构成的环形高精细度腔，出射光束经过偏振分光镜分光，锁模光束被探测后形成反馈信号控制移动部件，带动光学行波高精细度腔产生位移，入射光束与高精细度腔在测量时保持连续锁模。本发明精细腔构成简单，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可为薄膜、界面、纳米物质、流体。
文档编号G01J3/28GK101294894SQ200810061918
公开日2008年10月29日 申请日期2008年5月27日 优先权日2008年5月27日
发明者健 王, 高秀敏 申请人:杭州电子科技大学