使用波導(dǎo)并采用激光介質(zhì)作為其自身發(fā)射檢測(cè)器的光譜系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】使用波導(dǎo)并采用激光介質(zhì)作為其自身發(fā)射檢測(cè)器的光譜系統(tǒng)
[0001 ]本申請(qǐng)要求2012年12月21日提交的編號(hào)為61/740，569的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及內(nèi)腔式激光吸收光譜領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于監(jiān)測(cè)微量分析物的內(nèi)腔式激光吸收紅外線光譜。
【背景技術(shù)】
[0003]能夠使用可靠的光譜技術(shù)檢測(cè)微量氣相分析物對(duì)于不同的行業(yè)是有益的，其中包括在國(guó)防領(lǐng)域、執(zhí)法領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域、食品領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和材料領(lǐng)域中的那些行業(yè)。該技術(shù)將允許它們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)諸如毒品、爆炸物和/或污染物等違禁品。然而，不幸的是，很少的光譜技術(shù)能靈敏到足以檢測(cè)微量的氣相分析物。
[0004]內(nèi)腔式激光吸收光譜或“ICLAS”是能夠完成上述工作的少數(shù)光譜技術(shù)中的一個(gè)。在ICLAS中，測(cè)試物質(zhì)被引入在一個(gè)波長(zhǎng)范圍上震蕩的激光器的腔內(nèi)。如果測(cè)試樣本包括了吸收該激光發(fā)射的波長(zhǎng)范圍的物質(zhì)，則該吸收特征對(duì)激光光譜的影響是可測(cè)量的量。ICLAS是很靈敏的，因?yàn)槠湓试S極長(zhǎng)的有效路徑長(zhǎng)度和高的光譜分辨率。
[0005]很多分子在紅外線波長(zhǎng)區(qū)域的特殊波段具有振動(dòng)的和/或旋轉(zhuǎn)的吸收光譜的特性。該頻段的波長(zhǎng)范圍從約3微米到約12微米，該波段被稱為“分子指紋區(qū)域”，因?yàn)榇蟛糠址肿拥幕拘D(zhuǎn)/振動(dòng)吸收波段落入這些波長(zhǎng)內(nèi)。由于每一種分子在指紋區(qū)域都顯示了獨(dú)特的吸收光譜，所以其常常被用于定性地識(shí)別分子。
[0006]量子級(jí)聯(lián)激光器或“QCL”是用于在紅外線波長(zhǎng)區(qū)域?qū)嵤㊣CLAS的可靠激光源，因?yàn)樗鼈兙哂袑捲鲆婀庾V、寬范圍的波長(zhǎng)、高輸出功率、高占空比和在室溫運(yùn)行的能力。用QCL可容易地獲取指紋區(qū)域。由于可能采取的長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度和波長(zhǎng)，結(jié)合QCL與ICLAS技術(shù)允許人們獲得最大的可能的吸收截面。
[0007]不幸的是，傳統(tǒng)的內(nèi)腔式激光吸收光譜儀并不是沒有它們的缺點(diǎn)；換句話說(shuō)，它們的靈敏度的高低受其所有光學(xué)組件配準(zhǔn)好壞的影響。
[0008]概述
[0009]在附圖和下面對(duì)優(yōu)選的實(shí)施方案的詳細(xì)描述的上下文中，本發(fā)明的這些和其它方面、實(shí)施方案和特征將會(huì)更好地被理解。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
[0011]圖1是依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的紅外線光譜系統(tǒng)的示意性說(shuō)明。
[0012]圖2是圖1中所示的紅外線光譜系統(tǒng)的示意性說(shuō)明，其中包括光譜儀的附加細(xì)節(jié)。
[0013]圖3是圖2中所示的紅外線光譜系統(tǒng)的示意性說(shuō)明，其中包括可選的檢測(cè)器。
[0014]圖4是圖3中所示的紅外線光譜系統(tǒng)的示意性說(shuō)明，其中的激光源被安裝在熱級(jí)(thermal stage)上。
[0015]圖5是激光器殼體的側(cè)視圖，其包括圖4所示的熱級(jí)。
[0016]優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述
[0017]在上面的概述和此優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中，參考了本發(fā)明的特定特征(包括方法步驟)。當(dāng)在本發(fā)明的特定方面或特定實(shí)施方案的上下文中公開特定特征時(shí)，該特定特征也可被用于，在可能的范圍，結(jié)合和/或在本發(fā)明的其它特定方面和特定實(shí)施方案的上下文中，并且在本發(fā)明中通用。
[0018]術(shù)語(yǔ)“包括”在本文中用于表示其它特征、要素、步驟等是可選地存在的。當(dāng)本文參考包括兩個(gè)或多于兩個(gè)所定義的步驟的方法時(shí)，該步驟可以任意順序或同時(shí)被實(shí)施(除非其上下文排除了該可能性)，并且該方法可包括在所定義的任何步驟之前、在兩個(gè)所定義的步驟之間或在所有所定義的步驟之后實(shí)施的一個(gè)或多個(gè)步驟(除非其上下文排除了該可能性)。
[0019]本發(fā)明可以很多不同的形式實(shí)施并不應(yīng)被理解為對(duì)本文所描述的實(shí)施方案的限制。事實(shí)上，這些實(shí)施方案的提供是為了使本公開將本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案?jìng)鬟_(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0020]現(xiàn)在參考圖1描述依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的紅外線光譜系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括光譜儀12，其與系統(tǒng)電子設(shè)備14電通信，系統(tǒng)電子設(shè)備14用于控制光譜儀12以及用于接收由一種或多種分析物對(duì)光譜儀12中的輻射的吸收的信號(hào)特性。系統(tǒng)電子設(shè)備14還包括儲(chǔ)存了用于實(shí)施系統(tǒng)10的功能的機(jī)器可讀指令的一種有形的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件和用于執(zhí)行所述指令的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器。
[0021]包括了用于多種化學(xué)分析物的光譜數(shù)據(jù)的化學(xué)分析數(shù)據(jù)庫(kù)16與系統(tǒng)電子設(shè)備14進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。光譜數(shù)據(jù)包括分析物的吸收參數(shù)(prof ile)。當(dāng)光譜被光譜儀12記錄時(shí)，系統(tǒng)電子設(shè)備14查詢光譜數(shù)據(jù)庫(kù)16并確定該光譜是否對(duì)應(yīng)于分析物的吸收參數(shù)。這使系統(tǒng)10不僅能檢測(cè)分析物的存在，也使其能識(shí)別它們。化學(xué)分析數(shù)據(jù)庫(kù)16允許在一定濃度范圍內(nèi)的目標(biāo)分析物的識(shí)別。系統(tǒng)電子設(shè)備14利用光譜數(shù)據(jù)并計(jì)算分析物的存在檢測(cè)的概率。被看作分析物的存在檢測(cè)的概率水平也在數(shù)據(jù)庫(kù)16中被定義。
[0022 ]參考圖2，光譜儀12的優(yōu)選的實(shí)施方案包括安裝了激光源18的激光器殼體17、空心光纖波導(dǎo)20和樣本單元22。光譜儀12被歸類為內(nèi)腔式激光光譜儀，這是因?yàn)闇y(cè)試樣本被放置在由激光源18和空心光纖波導(dǎo)20限定的激光器腔內(nèi)。
[0023]在傳統(tǒng)的內(nèi)腔式激光吸收光譜中，人們使用具有高品質(zhì)因數(shù)或“Q因數(shù)”的激光器腔，并通過(guò)調(diào)整其長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)該腔。這是特別不利的，因?yàn)檎{(diào)整激光器腔的長(zhǎng)度引起機(jī)械的不穩(wěn)定性。本發(fā)明人的光譜儀通過(guò)消除對(duì)調(diào)整腔的長(zhǎng)度的需求克服了這個(gè)缺點(diǎn)。這實(shí)質(zhì)上降低了 Q因數(shù)，但是低的Q因數(shù)卻通過(guò)提供大的路徑長(zhǎng)度被平衡，提供大的路徑長(zhǎng)度通過(guò)使激光束穿過(guò)由空心光纖波導(dǎo)20形成的連續(xù)回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0024]激光源18能夠發(fā)射紅外線光譜的分子指紋區(qū)域內(nèi)的紅外輻射。更優(yōu)選地，激光源18能夠發(fā)射從約3微米至約4微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外輻射。盡管QCL的使用并不旨在進(jìn)行限制，但由于幾個(gè)原因，優(yōu)選的激光源18是QCL;換句話說(shuō)，QCL發(fā)射優(yōu)選波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外輻射并允許不同的紅外線波長(zhǎng)以高分辨率被區(qū)分。激光源18的相對(duì)的端面24被覆蓋了抗反射涂層以使激光源18自身內(nèi)部的內(nèi)反射最小化。
[0025]空心光纖波導(dǎo)20是具有被覆蓋了高反射率材料的內(nèi)表面的空心管。它們通常由玻璃、塑料或藍(lán)寶石制成。內(nèi)部的涂層優(yōu)選是諸如金或銀的金屬?？招墓饫w波導(dǎo)20具有低至
0.ldB/m的損耗并可被彎曲到期望的半徑(radius)。
[0026]當(dāng)被激活后，激光源18發(fā)射光束(箭頭)穿過(guò)輸出端面24。被放置在光束的路徑內(nèi)的一對(duì)光學(xué)透鏡26將光束聚焦進(jìn)空心光纖波導(dǎo)20中，其將光束導(dǎo)向樣本單元22?？招墓饫w波導(dǎo)20被裝有光學(xué)透鏡30的連接器28機(jī)械地連接至樣本單元22。
[0027]空心光纖波導(dǎo)20將從端面24中的一個(gè)端面離開的激光束在實(shí)質(zhì)上封閉的回路中導(dǎo)向另一個(gè)端面24上。這種設(shè)計(jì)允許激光束連續(xù)地通過(guò)激光源18介質(zhì)和樣本單元22，從而提供了實(shí)質(zhì)上大的路徑長(zhǎng)度給激光束以與樣本相互作用。
[0028]樣本單元22包括外壁34和由空心光纖波導(dǎo)20制成的樣本室36。將被測(cè)試的樣本被放置在樣本室36中。樣本室36的對(duì)端被放置在光學(xué)透鏡30附近的光學(xué)窗38密封。在使用中，光學(xué)透鏡30同時(shí)在光束進(jìn)入和離開樣本單元22時(shí)聚焦光束。耦合器40牢固地將連接器28耦合至樣本單元22。
[0029]在某些實(shí)施方案中，樣本室36被抽成真空并隨后被裝載測(cè)試樣本。在這些實(shí)施方案中，優(yōu)選的是使樣本室36是氣密的。為了將一個(gè)樣本替換為另一個(gè)，包括新樣本的新樣本單元22可被插入。將被測(cè)試的氣體經(jīng)由針端口引入樣本室36中，針頭端口用于允許將包含氣體的注射器的針頭插入樣本室36。
[0030]在其它實(shí)施方案中，系統(tǒng)10通過(guò)將周圍空氣的樣本栗送進(jìn)樣本室36來(lái)實(shí)時(shí)采樣周圍環(huán)境。在這些實(shí)施方案中，優(yōu)選的是樣本室36包括用于將樣本引入樣本室36的輸入端口和用于將樣本從樣本室36中去除的輸出端口。相應(yīng)地，在這種實(shí)施方案中，樣本室36可從光譜儀12中去除。
[0031]系統(tǒng)電子設(shè)備14提供了激勵(lì)電壓給激光源18，促使其以脈沖或連續(xù)波的模式發(fā)射紅外輻射。當(dāng)QCL作為激光源18使用時(shí)，其以脈沖模