具有光學功率增強腔的穩定光聲示蹤氣體探測器的制作方法

專利名稱：具有光學功率增強腔的穩定光聲示蹤氣體探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于探測氣體混合物中的示蹤氣體的濃度的光聲示蹤 氣體探測器，所述光聲示蹤氣體探測器包括光源，其用于生成光束；光 學腔，其用于容納氣體混合物以及用于放大光束的光強，當光束的波長與 光學腔的長度的比率具有共振值時，光學腔提供最大的放大；比率調制器 件，其用于調制比率；以及換能器，其用于將氣體混合物中的聲波轉換為 電信號。
背景技術：
從Roosi等人發表于Applied Physics Letters上的文章"Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means of external Fabry-Perot cavity"中可以知曉這樣的探測器。該文獻中所述的探 測器發射穿過聲學室中所容納的氣體的斬波激光束。由周期性地中斷光束 的旋轉盤斬波器對激光束進行斬波。調諧激光波長以激發氣體的特定分子 到更高的能級。這一激發引起熱能增加，引起聲學室內溫度和壓力的局部 升高。如果斬波頻率與聲學室的共振頻率相匹配，則壓力變化引起駐聲波。 由聲學室中的麥克風對這些聲波進行探測。典型地，這樣的聲學室的共振 頻率為幾kHz的量級。在Rossi等人的探測器中，使用2.6kHz的斬波頻率。
Rossi等人還描述了通過將激光波長鎖定到腔長度而使用Fabry-Perot 腔以放大聲學室中的光強。由于探測器的靈敏度與激光功率成比例，所以 放大是非常有利的。從置于Fabry-Perot腔后的光電二極管獲取反饋信號。 為了生成反饋信號，通過將小正弦波加到電源電流上來對激光波長進行弱 調制。激光束穿過光學腔并聚焦于光電二極管上。之后，將光電二極管信 號用于激光波長的反饋，從而將激光波長鎖定到腔長度。
光聲示蹤氣體探測器的重要應用為呼吸測試。呼吸測試是醫學技術的 有前途的領域。呼吸測試為非侵入性的、用戶友好且成本低廉的。呼吸測
4試的主要示例為哮喘監測、酒精呼吸測試和胃病檢測以及急性器官排斥反 應。第一臨床試驗示出了在乳腺癌和肺癌的預篩選中的可能應用。這些揮
發性生物標記具有十億分之幾(ppb)范圍的典型濃度。 一氧化氮(NO) 是人呼吸中的最重要的示蹤氣體之一，且在哮喘患者中可以發現NO濃度 提高。當前，僅使用基于化學發光或光學吸收光譜的昂貴且笨重的裝置對 ppb濃度的呼出NO水平進行測量。小型、手持且成本低廉的NO傳感器形 成有用的設備，所述設備可以用于對氣道炎癥進行診斷和監測，并能夠用 于醫生辦公室中以及用于家庭藥物控制。
對于這些手持氣體分析設備，將足夠高的靈敏度(ppb水平)與具有簡 單設計和高魯棒性的小的便攜設備結合具有挑戰性。當前光聲示蹤氣體探 測器具有如下缺點，即波形因子小的激光器(如二極管激光器)不具有足 夠的激光功率以達到示蹤氣體探測所需的靈敏度。使用如Rossi等人所描述 的光學功率增強腔可以增加光學功率。但是，Rossi等人的設計在保持高魯 棒性的情況下不容易縮減到便攜尺寸。

發明內容
本發明的目的為根據開始部分的光聲示蹤氣體探測器提供更簡單的設計。
根據本發明的第一方面，通過提供根據開始部分的光聲示蹤氣體探測 器而實現此目的，其中，將比率調制器件配置為調制比率以將光束變換為 一系列光脈沖以生成聲波，聲波的振幅為對示蹤氣體的濃度的測量。
通過調制比率，同樣調制光學腔中的光強的放大。每次比率具有共振 值時，放大為最大。當比率遠離共振值時，放大為最小。選擇足夠大的比 率調制范圍以生成具有如下光強的光脈沖，即所述光強足夠在氣體混合物 寧生成聲波。聲波必須具有足夠的振幅以能夠從中導出示蹤氣體的濃度。 戶) 生成的聲音的量取決于感興趣的示蹤氣體的濃度。優選地，調制比率， 使得放大在最小放大和最大放大之間變化。光強的調制的振幅越高，示蹤 氣體探測的精確度越高。根據本發明的光聲探測器不需要斬波器，而是使 用腔的內在特性代替斬波器來調制腔中的激發功率。這引起需要更少組件 和更少移動部件的更簡單設計。優選地，將比率調制器件配置為圍繞共振值調制比率。在每個調制周
期期間，兩次獲取共振值； 一次為在增加比率時， 一次為在降低比率時。 結果，當以頻率f圍繞共振值調制比率時，在光學腔中生成頻率為2f的光 脈沖。同樣可以以頻率2f生成光聲信號。圍繞共振值調制是有利的，腔中 的功率將較高且光聲信號將較強。
在優選實施例中，探測器還包括用于調整放大的反饋回路，反饋回路 包括用于測量光脈沖的光強的光電探測器，以及耦合到光電探測器和比率 調制器件的調節器件，根據測得的光強，所述調節器件調節比率平均值， 使得圍繞共振值大致對稱地執行調制。
這一實施例，保持比率對稱地圍繞最優值并以固定時間間隔生成光脈 沖。結果，也可以以固定時間間隔生成氣體混合物中的壓力變化，從而有 助于示蹤氣體探測。
優選地，將調節器件配置為計算測得的光強的頻率分量。通過計算測 得的光強的頻率分量，確定所傳輸的信號在調制頻率f的多倍的振幅分量。 如果圍繞最優值精確對稱地執行調制，則可以以頻率2f的固定時間間隔生 成光脈沖，且光電二極管信號將只包括調制頻率f的偶數倍(2f，4f,…,2nf) ^振幅分量。如果圍繞最優值不精確對稱地執行調制，光電二極管信號中 ik將包括頻率f的奇數倍(lf，3f,…，(2n+l) f)。當調制精確地集中于最優 比率上時，這些奇頻率分量將為零。當探測奇頻率分量時，調節器件調節 比率的平均值，使得圍繞共振值大致對稱地執行調制。可以使用奇頻率信 號的相位確定反饋的方向。
通過調制光束的波長或者調制光學腔的長度可以實現比率調制。調制 光學腔的長度具有如下優點，即可以更快速和更精確地完成。調制光束波 長具有如下優點，即探測器不需要任何移動部分，這對制造魯棒的和小的 便攜式探測器來說是非常有利的。
在優選實施例中，換能器為晶體振蕩器。晶體振蕩器比用于上面提到 的現有技術系統中的麥克風更加靈敏。結果，可以獲得更加靈敏的光聲示 蹤氣體探測器。作為附加優勢，晶體振蕩器的高靈敏度使得不必使用聲學 室，從而簡化了探測器的構造。
在另一實施例中，晶體振蕩器為石英音叉。石英音叉具有高精確性。
6努外，石英音叉不是非常昂貴，這是因為其大規模地用于例如數字手表的 制造。
根據本發明的第二方面，提供一種方法，所述方法包括以下步驟生 成光束；將光束變換為一系列光脈沖以在氣體混合物中生成聲波；將聲波 的振幅作為對示蹤氣體濃度的測量；放大容納氣體混合物的光學腔中的光; 當光束波長與光學腔長度的比率具有共振值時，光學腔提供最大放大；以 及將聲波轉換為電信號。變換步驟包括調制比率。
通過之后描述的實施例，本發明的這些以及其他方面變得明顯，并且 參照之后描述的實施例對其進行說明。


在附圖中
圖1示意性地示出了根據本發明的光聲示蹤氣體探測器的實施例； 圖2示出了光學腔中的光強與光學腔長度的相關性；
圖3a示出了在比率調制過程中光學腔中的光強的時間相關性，圍繞最 優值對稱地執行調制；
圖3b示出了在圖3a中所示的測得的光強的頻率譜；
圖4a示出了在比率調制過程中光學腔中的光強的時間相關性，圍繞最 優值不對稱地執行調制；
圖4b示出了在圖4a中所示的測得的光強的頻率譜；以及
圖5示出了根據本發明的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明的典型光聲示蹤氣體探測器100。光源101提供 連續波光束。優選地，光源101提供激光束。將光束發射到光學腔中，所 述光學腔由兩個半透射鏡104a和104b限定。光束穿過入射鏡104a進入光 學腔，并在兩個腔鏡104a和104b之間反射多次。如果兩個鏡104a和104b 之間的距離與激光波長相匹配，則生成駐波并對光強進行放大。使用附著 在腔鏡104a、 104b之一上的例如壓電致動器105的致動器調制光學腔的長 度。通過調制光學腔的長度，對激光波長與腔長度的比率進行調制。在比
7率的共振值處達到光強的最大放大。調制電子器件111控制致動器105并 圍繞在頻率f下提供最大放大的長度改變腔的長度。在腔長度調制的每個周 期中，腔長度兩次與光束波長相匹配。以頻率2f生成光脈沖。可選地，調 制電子器件111在探測器中不需要致動器105的情況下通過改變光束的波 長來改變比率；或者通過改變所述腔的長度和波長來改變比率。
用光電探測器110對由輸出鏡104b傳輸的光進行測量。將來自光電探 測器110的信號用作光束波長或光學腔長度的反饋信號。如果圍繞最優值 精確對稱地執行調制，以頻率2f的固定時間間隔生成光脈沖，且光電探測 器信號將只包括調制頻率f的偶數倍(2f,4f,…,2nf)下的振幅分量。如果圍 繞最優值不精確對稱地執行調制，光電探測器信號中也將包括頻率f的奇數 倍(lf，3f，…，(2n+l) f)。當調制精確地集中于最優比率上時，這些奇頻率 分量將為零。當探測奇頻率分量時，由調節電子器件112控制調制電子器 件lll以調節比率的平均值，使得再一次圍繞共振值大致對稱地執行調制。
在光學腔內，氣室106用于容納待檢査的氣體混合物。任意地，氣室 106包括用于允許氣體流經氣室106的氣體入口 107和氣體出口 108。如果 將激光波長調諧為分子躍遷，即EI—EK，就會將處于較低能級EI中的一 些氣體分子激發到較高能級EK。通過與其他原子或分子碰撞，這些受激分 子可以將它們的激發能量傳遞為碰撞伴的平移能量、旋轉能量或振動能量。 在熱平衡下，這引起熱能增加，引起氣室106內的溫度和壓力的局部升高。 每個光脈沖將引起壓力增加，之后，壓力會在下一脈沖到達之前再次降低。 如上所述，這一壓力的增加和降低將引起具有兩倍調制頻率的聲波。位于 氣室106中間的中央的是換能器109 (例如麥克風)，其能夠拾取由氣體中 所吸收的光生成的聲波。優選地，換能器109為具有共振頻率的晶體振蕩 器(例如石英音叉)，其能夠拾取由氣體中所吸收的光生成的聲波。使用晶 體振蕩器可以省去由Rossi等人使用的聲學室。
圖2示出了光學腔中的光強(y軸)與光學腔長度(x軸)的相關性。 當腔長度與多倍光束波長相匹配時，腔內的光共振且腔內的光學功率增加。 當腔長度小于或大于共振長度時，腔中的光學功率降低為最大功率的一部 分。通過改變光束波長，而不是或者另外地改變所述腔的長度，可以獲取 相同的效果。
8優選地執行比率調制使得光強在最小值和最大值之間變化。優選地， 在具有位于中心的共振值的范圍21執行調制。圍繞共振值的調制得到穩定
的反饋回路。當以P20kHz、圍繞共振長度50以振幅5 (任意單位)對腔 長度進行調制時，腔將在是否共振方面來回變動。這生成如圖3a所示的傳 俞信號。圖3a示出了在比率調制過程中光學腔中的光強(y軸)的時間(x 軸)相關性。在腔長度調制的每個周期，腔長度兩次與多倍的光束波長相 匹配； 一次是當腔長度從45到55時， 一次是當腔長度從55回到45時。 以頻率2f生成光脈沖。因為圍繞比率的共振值對稱地執行調制，光學功率 峰值以固定時間間隔31出現。結果，氣體混合物中的壓力變化也以固定時 間間隔產生。換能器109探測聲波并將所述聲波轉換為包括關于氣體混合 物中的示蹤氣體濃度的信息的電信號。
圖3b示出了圖3a所示的測得的光強的頻率譜。通過計算測得的光強 的傅立葉變換來獲取頻率譜。在圖3b中，確定傳輸信號在多倍的調制頻率 f下的振幅分量。如果圍繞最優值精確對稱地執行調制，如在圖3a和3b中 所示的情況，貝似頻率2f的固定時間間隔生成光脈沖，且光電二極管信號 將只包括調制頻率f的偶數倍(2f,4f，…，2nf)下的振幅分量。
優選地，執行調制，使得光電二極管信號變為近似正弦波。結果，大 部分功率集中于最低諧波(2f)。這具有如下優勢，即大部分光聲信號會在 這一頻率生成。由于信號強度在較高頻率變得較弱，對光聲來說這一優勢 是重要的。
圖4a示出了在比率調制過程中光學腔中的光強的時間相關性，圍繞最 優值不對稱地執行調制。在圖4a所示的示例中，給定了調制范圍的偏移。 以圍繞長度52的振幅5對腔長度進行調制，而共振長度仍為50(參照圖2)。 傳輸信號的響應完全不同于圖3a中所示的響應。信號變得較不對稱，這導 致奇頻率分量的出現。
圖4b示出了在圖4a中所示的測得的光強的頻率譜。從圖4b中明顯看 出，由于偏移，光電二極管信號中也包括調制頻率的奇數倍(f,3f，…，(2n+l) f)。當探測奇頻率分量時，調節電子器件112調節比率的平均值，使得再次 圍繞共振值大致對稱地執行調制。通過減小在奇頻率處測得的信號分量找 到并保持共振調制帶。任一奇頻率或者奇頻率的任意組合都可以用于生成 誤差信號。當該信號為零時，找到最優位置。這一相對于驅動調制的分量
9的相位提供誤差信號標記。在上述實施例中，己經執行了傅立葉變換以生
成誤差信號。然而，本領域的技術人員也可以看到，例如可以使用電子濾
波器，結合解調和相位靈敏度探測來選擇某些頻率分量并生成反饋信號。 7TT;生44ii 7 n、 I 乂擊m々浴々i士 縣甘止匕4l布泰A縣:tIE rfi宜乇n 士H AV
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圖5示出了根據本發明的方法50的流程圖。用于探測氣體混合物中的 示蹤氣體濃度的方法50包括用于生成光束的光生成步驟51。優選地，光束 為調諧為示蹤氣體分子中分子躍遷的波長的連續波激光束。將光束發射到 光學腔中。在變換步驟52，將光朿變換為一系列光脈沖以在氣體混合物中 生成聲波。聲波的振幅為對示蹤氣體的濃度的測量。變換為對腔的長度進 行調制的效果，使得來自光束的光在是否共振方面來回變動。優選地，圍 繞腔的共振值執行調制。共振導致容納氣體混合物的光學腔中的光的放大。 如果腔中發生的最高和最低強度水平之間的差別足夠大，則光脈沖可以引 起壓力變化。在探測步驟53中壓力變化探測為聲波，并轉換為表示示蹤氣 體的測得的濃度的電輸出信號。在反饋步驟54，光電二極管110測量光學 腔后的光強，并根據光電二極管信號確定是否圍繞共振值精確地執行調制。 如果有必要，根據光電二極管信號，調節變換步驟52中的腔長度的調制以 提供更精確的示蹤氣體探測53。
要注意的是，原則上也可以使用不同的反饋回路和/或調制方式在示蹤 氣體探測器中實現光學腔和晶體振蕩器的有利結合。當使用晶體振蕩器代 替麥克風時，使用與晶體振蕩器的共振頻率匹配的調制頻率是重要的。
應該注意的是，以上提及的實施例是對本發明的示意而不是限制，本 領域的技術人員能夠在不背離所附權利要求的范圍的情況下設計許多替代 實施例。在權利要求中，置于括號內的任何參考標記不應該解釋為對權利 要求的限制。動詞"包括"的使用及其結合不排除在權利要求中列舉的元 件或步驟以外的那些元件或步驟的存在。元件前的冠詞"一"或"一個" 不排除存在多個這樣的元件。通過包括多個不同元件的硬件，以及通過合 適的編程計算機可以實現本發明。在權利要求中列舉了若干器件，通過一 個和同類硬件可以具體實施若干這些器件。事實是，在互不相同的從屬權 利要求中引用的某些測量并不代表這些測量的組合沒有優勢。例如，如由 多面體骨架制作的運轉件的一部分所述的元件也可以用在由蜂巢狀結構制 作的運轉件中，反之亦然。
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權利要求
1、一種用于探測氣體混合物中的示蹤氣體的濃度的光聲示蹤氣體探測器(100)，所述光聲示蹤氣體探測器(100)包括光源(101)，其用于生成光束；光學腔(104a，104b)，其用于容納所述氣體混合物并用于放大所述光束的光強，在所述光束的波長與所述光學腔(104a，104b)的長度的比率具有共振值時，所述光學腔(104a，104b)提供最大的放大；比率調制器件(105，111)，其用于調制所述比率；以及換能器(109)，其用于將所述氣體混合物中的聲波轉換為電信號，其特征在于，將所述比率調制器件(105，111)配置為調制所述比率以將所述光束變換為一系列光脈沖以生成所述聲波，所述聲波的振幅為對所述示蹤氣體的所述濃度的測量。
2、 如權利要求1所述的光聲示蹤氣體探測器(100)，其中，將所述比 率調制器件(105,111)配置為圍繞所述共振值調制所述比率。
3、 如權利要求1所述的光聲示蹤氣體探測器(100)，還包括用于調整 所述放大的反饋回路(110,112)，所述反饋回路包括光電探測器(110)，其用于測量所述光脈沖的所述光強，以及 調節器件(112)，其耦合到所述光電探測器(110)和所述比率調制器件(111)，根據測得的光強，所述調節器件(112)調節所述比率的平均值，使得圍繞所述共振值大致對稱地執行所述調制。
4、 如權利要求3所述的光聲示蹤氣體探測器(100)，其中，將所述調 節器件(112)配置為計算所述測得的光強的頻率分量。
5、 如權利要求1所述的光聲示蹤氣體探測器(100)，其中，將所述比 率調制器件(111)配置為調制所述光束的所述波長。
6、 如權利要求1所述的光聲示蹤氣體探測器(100)，其中，將所述比 率調制器件(105,111)配置為調制所述光學腔的所述長度。
7、 如權利要求1所述的光聲示蹤氣體探測器(100)，其中，所述換能 器(109)為晶體振蕩器。
8、 如權利要求7所述的光聲示蹤氣體探測器(100)，其中，所述晶體 振蕩器為石英音叉。
9、 一種用于對氣體混合物中的示蹤氣體的濃度進行探測的方法，所述 方法包括如下步驟生成(51)光束，將所述光束變換(52)為一系列光脈沖以在所述氣體混合物中生成聲 波，所述聲波的振幅為對所述示蹤氣體的所述濃度的測量，對容納所述氣體混合物的光學腔中的光進行放大，當所述光束的波長 與所述光學腔的長度的比率具有共振值時，所述光學腔提供最大的放大， 以及將所述聲波轉換(53)為電信號， 其特征在于，.所述變換(52)步驟包括調制所述比率。
全文摘要
本發明提供一種光聲示蹤氣體探測器(100)，其用于探測氣體混合物中的示蹤氣體的濃度。光聲示蹤氣體探測器(100)包括光源(101)、光學腔(104a，104b)、比率調制器件(105，111)和換能器(109)。光學腔(104a，104b)容納氣體混合物并放大光強。當光束的波長與光學腔(104a，104b)的長度的比率具有共振值時，提供最大的放大。比率調制器件(105，111)對比率進行調制以將光束變換為一系列光脈沖以生成聲波，聲波的振幅為對示蹤氣體的濃度的測量。換能器(109)將聲波轉換為電信號。
文檔編號G01N21/17GK101512317SQ200780031841
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月31日 優先權日2006年8月31日
發明者E·M·H·P·范戴克, J·卡爾克曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司