專利名稱：多光束寬帶crds腔傳感器和檢測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣體傳感器或檢測器。更具體地，本發明涉及可用于檢測多種氣體的 腔衰蕩分光計(cavity ring-down spectrometer, CRDS)類型的傳感器。
背景技術：
已知多種類型的腔衰蕩傳感器/檢測器。它們已經被發現在檢測少量的污染物或 不受歡迎的氣體的情況下尤其有用。這些包括，例如HF、 HCI和NH3。 代表性的傳感器/檢測器包括2007年10月18日公布的題為"CavityRing-down Spectrometer Having Mirror Isolation"的Cole公布的申請2007/0242266A1, 2008年10 月2日公布的題為"CRDS Mirror forNormal Incidence Fiber Optic Coupling，，的Cole公 布的申請2008/0239299Al，以及2008年5月6日授權的Cole等人的題為"CavityRing-down Spectrometer for Semiconductor Processing"的美國專利號7， 369， 242B2。上述專利全 都為本申請的受讓人所擁有并且通過引用將其全部合并于此。 有時希望使用CRDS衰蕩技術來測量盡可能多的氣體，但是感興趣的氣體的吸收 線可能不是非常密集。這通常將需要使用可調諧的激光檢測器或被設計成在感興趣的范圍 中具有高度反射性的鏡、使用多個不同的腔來測量感興趣的具有任何一個波長范圍的每種 (或多種)氣體。 存在著對CRDS類型的傳感器的需要，這種傳感器能夠被用于檢測多種不同氣體 的存在。優選地這樣的單元將能夠以成本有效的方式實施以便比多個單獨的檢測器更便且。
圖1是體現本發明的多氣體檢測器的俯平視圖；并且
圖2是圖示出圖1的檢測器的特性的圖。
具體實施例方式
盡管本發明的實施例能夠采取許多不同的形式，但是其特定實施例在附圖中示出
并且將在此進行詳細地描述，應理解的是本公開將被認為是本發明的原理的例證以及實現
本發明原理的最佳方式，而不意在將本發明限制于所說明的特定實施例。 本發明的實施例能夠通過使用一個腔來測量多種不同的氣體，這些氣體的光譜
(spectra)相隔很遠。該腔包括呈現高反射率而僅在相當窄的頻帶內透射的一對鏡。這些
鏡所具有的傳輸特性使得它們合乎使用單一波長激光器或可調諧激光器的光輸入和輸出
的需要。 —種鏡是超高反射率壓電鏡。通過向該堆(stack)添加附加的四分之一波長對來 使得該元件反射性更強，有可能使得該鏡在非常寬的光譜范圍上基本上是全反射性的。使 用這種類型的鏡，從不同角度入射在鏡上的光束(beam)將呈現波長移位的(shifted inwavelength)反射率。這是因為各層的光學厚度在不同的角度是不同的。該特性能夠被用 于在公共腔內實施兩個或更多環(ring)。 對于更為垂直的光束，反射率移到更長的波長。本發明的一個實施例將能夠利用 一個腔來測量三種氣體，例如HF、 HCI和NH3。長波長HF光譜將在相對于壓電鏡更為垂直 的角度測量。HCI線能夠在中間角測量并且短波長NH3線能夠在相對于壓電鏡更為切向入 射地測量。 通過將光束長度保持大致相同，還可以使用類似的曲面鏡。這些鏡能夠被實現為 側鏡之一或者還能夠被結合到壓電鏡中。 該CRDS腔將優選地具有被調諧到感興趣的氣體線的輸入激光器。其還將優選地 用諸如玻璃之類的低膨脹材料制成。內中心區域將對流過它的氣體開放以考慮到輻射的吸 收。壓電鏡將是可移動的以使得該腔能夠被耦合到例如多個(例如兩個或三個)激光束。
多個激光器和檢測器能夠使用相同的壓電鏡而基本上同時地操作。多個光束將 響應于壓電鏡的運動而在不同時間耦合到腔中。因此，在腔中光束基本上將不會彼此干涉 (interfere)。 在本發明的另一方面中，曲面鏡能夠是壓電鏡的一部分。可替換地，兩個其他鏡中 的一個或兩個能夠是曲面的(curved)。 圖1圖示了體現本發明的檢測器10。檢測器IO包括具有外殼(housing) 12的 CRDS類型的傳感器，所述外殼限定了內部腔R，氣流能夠流動通過所述內部腔。
外殼12承載(carry)著壓電鏡20，所述壓電鏡20能夠是曲面的。其能夠通過單 元22而被驅動以表現出往復軸向運動20a。 外殼12承載著高反射率鏡26a、b和28a、b。固定或可調諧波長激光器30發射由 腔R中感興趣的第一氣體所吸收的波長的輻射能量光束Bl。該輻射能量光束Bl被耦合到 腔R中，其中它在閉合路徑P1上傳播。 第二激光器32發射為腔R中感興趣的第二不同氣體所吸收的不同波長的輻射能 量光束B2。第二輻射能量光束B2在腔R中在不同的閉合路徑P2上傳播。
如本領域技術人員將會理解的那樣，路徑Pl、 P2上的流通(circulating)輻射能 量光束由相應的目標氣體(例如NH3、 HCI或HF)所吸收，并且部分經由相應的鏡26b、28b 而發射以撞擊在檢測元件Dl或D2上。 來自D1、D2的輸出能夠被耦合到控制電路40以用于進行評估。控制電路40繼而 耦合到驅動單元22和壓電鏡20。鏡20被驅動并且移動以使得兩個(或更多)激光束Bl、 B2能夠在不同的時間耦合到腔R。激光器30、32因此能夠在腔中彼此沒有干涉的情況下同 時操作。 圖2圖示了圖1的實施例10的附加方面。Ll激光器30具有適合于檢測氣體吸 收的波長，所述氣體吸收由于在鏡20擺動時路徑P1上的HCL或NH3而引起。在那一點上， 光束Bl被沿路徑Pl耦合于腔R并且以相對于軸20b的角度Al (約為45度)與鏡20相交 (intersect)，其中鏡20處于一個位置。光束B2被耦合到腔R并且沿路徑P2流通并且以 相對于軸20b的角度A2 (約為15度)與鏡20相交，其中鏡20處于第二位置。因而，兩個 光束B1、B2彼此不干涉。 圖1中所示出的實施例10能夠被擴展為具有第三激光源、鏡和相關聯的檢測器以實現第三環，該第三環在基本上為路徑P1、P2的交點位置所共同的位置處與鏡20相交。將 會理解的是，激光波長或特定鏡參數都不是對本發明的限制。 根據上文，將會觀察到可以在不偏離本發明的精神和范圍的情況下實施許多變化 和修改。將會理解的是，不希望也不應該推斷對在此說明的特定設備的限制。當然，意在由 所附權利要求來覆蓋落入權利要求范圍內的所有這樣的修改。
權利要求
一種氣體感測設備，包括外殼，其限定了內部區域，其中氣體能夠流動通過所述內部區域；以及壓電鏡，由外殼承載，其中該鏡至少部分限定了通過內部區域的多于一個輻射能量傳輸路徑。
2. 如權利要求1所述的設備，其包括至少第二和第三鏡，這二者都由外殼承載，其中所有三個鏡彼此間隔開，其中壓電鏡和第二鏡與一個輻射能量傳輸路徑相關聯，并且壓電鏡和第三鏡與第二不同輻射能量傳輸路徑相關聯。
3. 如權利要求2所述的設備，其中所述一個輻射能量傳輸路徑以與第二輻射能量傳輸路徑不同的角度入射在壓電鏡上。
4. 如權利要求1所述的設備，其中壓電鏡呈現所選擇的曲面。
5. 如權利要求4所述的設備，其中第一輻射能量傳輸路徑以與第二輻射能量傳輸路徑不同的角度入射在壓電鏡上。
6. 如權利要求5所述的設備，其中入射在壓電鏡上并且被壓電鏡反射的第一輻射能量具有第一波長，并且其中入射在壓電鏡上并且被壓電鏡反射的第二輻射能量具有第二波長。
7. 如權利要求6所述的設備，其包括第一和第二源，所述第一和第二源以第一波長發射第一輻射能量光束并且以第二波長發射第二輻射能量光束。
8. 如權利要求7所述的設備，其中第一和第二光束通過與壓電鏡間隔開的第二和第三鏡而被耦合到外殼中。
9. 如權利要求8所述的設備，其包括耦合到外殼的第一和第二輻射能量傳感器，所述第一和第二輻射能量傳感器分別接收第一和第二波長的輻射能量。
10. 如權利要求9所述的設備，其包括第三波長的輻射能量的第三源，第三源發射輻射能量，該輻射能量被耦合到外殼中并且以與第一和第二輻射能量光束不同的第三角度反射離開壓電鏡。
11. 如權利要求10所述的設備，其包括耦合到源、傳感器和壓電鏡的控制電路，以用于在外殼內以相應的波長建立多個反射光束，所述反射光束能夠由相應的傳感器檢測并且對應于外殼中預定的不同氣體的存在。
12. 如權利要求11所述的設備，其包括從第二和第三鏡布置開的至少第四和第五鏡，用于將至少部分第一和第二波長的入射輻射能量反射到壓電鏡并且用于將至少部分第一和第二波長的入射輻射能量透射到相應的第一和第二傳感器。
13. 如權利要求12所述的設備，其中第二和第三鏡具有共曲率。
14. 一種方法，包括在區域中建立多個閉合輻射能量通行路徑，其中所述路徑在公共反射區域處相交；改變反射區域的位置參量以便在不同的時間將所述路徑上的輻射能量反射離開公共反射區域。
15. 如權利要求14所述的方法，包括以往復運動來基本上線性地移動反射區域。
16. 如權利要求15所述的方法，包括將第一波長的輻射能量耦合到第一個通行路徑以及將第二不同波長的輻射能量耦合到第二個通行路徑。
17. 如權利要求16所述的方法，包括將第三波長的輻射能量耦合到第三個通行路徑。
18. 如權利要求16所述的方法，包括提供與多個路徑相交的氣體流。
19. 如權利要求16所述的方法，包括從至少一些路徑獲得輻射能量的標記。
20. 如權利要求19所述的方法，包括處理所述標記以確定所選擇氣體的存在。
全文摘要
本發明涉及多射束寬帶CRDS腔傳感器和檢測器。一種公共多氣體衰蕩檢測器包括腔，該腔具有壓電鏡和至少兩個移置的鏡以便在腔中限定兩個不同的通行路徑。兩個路徑以不同的角度在壓電鏡處相交。具有第一和第二不同波長的兩個不同的激光束能夠通過軸向地驅動壓電鏡而在不同時間耦合到所述腔。光束輸出能夠被評估以確定所選擇的氣體在腔中的存在。
文檔編號G01N21/31GK101793687SQ20101010823
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月28日 優先權日2009年1月29日
發明者B·E·科爾 申請人:霍尼韋爾國際公司