通過監測腔內激光器輸出的強度進行的雜質鑒定和濃度確定的制作方法

專利名稱：通過監測腔內激光器輸出的強度進行的雜質鑒定和濃度確定的制作方法
相關申請的對照本申請涉及一申請號為09/166,003的同日申請。該申請涉及到一種方法，用于監測氣體樣品中一定濃度的氣態物質的存在，該方法使用具有波長選擇器件的ILS激光器來測量傳感器的光譜輸出的變化。本申請使用不具有任何波長選擇器件的ILS激光器，從而利用總的激光輸出強度來確定氣態物質的濃度。
發明的技術領域一般來說，本發明涉及氣體中雜質的檢測，尤其涉及運用通常稱為腔內激光器光譜學的激光技術對氣體分子、原子、原子團和/或離子的高靈敏度檢測。
本發明的背景技術可以將一個最簡單的激光器概括地描述為在兩面鏡子之間設置了一個增益介質。位于激光器共振腔中的光在兩面鏡子之間被來回反射，每次經過該增益介質，它就產生光增益。第一鏡面上的反射面是完全反射，而第二鏡面的反射面是部分反射，因而一些光從激光器共振腔中泄漏掉。在鏡子的反射表面之間的空間區域為激光共振器或共振腔，在本發明的上、下文中指所謂的“腔內區域”。
激光器輸出的強度是波長范圍以及共振器件的反射率的函數，在上述的波長范圍上增益介質起作用。通常，這一輸出較寬并且沒有明顯的、與眾不同的光譜特征。
運用激光器光譜學對氣態物質進行鑒定需要激光器的輸出在物質發生吸收的波長區域內，所述的氣態物質包括原子、分子、原子團或離子。在通常使用激光器檢測氣態物質的應用中，用激光輻射激勵位于激光器之外的氣體樣品，以產生一第二信號，諸如電離或熒光。或者，在常規的吸收光譜中，激光穿過位于激光器之外的一氣體樣品，并對隨波長變化的衰減進行觀測。
大約二十年前，另一種檢測方法，即腔內激光器光譜學(ILS)被首先披露，參見G.Atkinson等人在Journal Of ChemicalPhysics第59卷第350-354頁(1973年7月1日)上發表的“Detection of Free Radicals by an Intracavity Dye LaserTechnique(利用腔內染料激光技術檢測自由基)”一文。在ILS中，激光器本身被用作檢測器。將待分析的氣體樣品放入多模式、均勻加寬的激光器的光學共振腔中。在上文中，Atkinson等人說明，將基態或激態的氣態分子、原子、原子團和/或離子置于光學共振腔中，可以改變激光器的輸出。更具體地說，腔內物質的吸收光譜出現在激光器的輸出光譜中。
由發生吸收的氣態物質產生的腔內損耗導致了激光器輸出中獨特的吸收特征。(如在此使用的，吸收特征對應于一系列在光強-波長曲線圖上光強達到一局部最小值的連續的波長。)在一個多模式激光器中，腔內吸收損耗通過正常的動態模式與激光器增益進行競爭。因而，可以在腔內吸收特征與激光器的增益競爭更激烈的波長處的激光器輸出強度中觀測到衰減。吸收特征越強，在這些波長處的激光器輸出強度衰減越大。
通過將吸收氣態物質插入激光器共振腔中，ILS可以提供較之常規光譜學方法更高的檢測靈敏度。ILS技術的檢測靈敏度得以增強是由于(1)激光器增益介質產生的增益以及(2)吸收體損耗之間的非線性競爭產生的。因而，ILS可以用于檢測微弱的吸收和/或外部的小吸收體濃度。
根據其各自的吸收光譜或標記，可以對光學共振腔中的每一種氣態物質唯一地進行識別。此外，一旦對傳感器進行了適當的校準，就可以使用光譜標記中的特征或特殊的吸收特征的強度來確定氣態物質的濃度。(如在此使用的，術語“光譜標記”對應于針對吸收強度或吸收率的曲線圖上的唯一識別所述氣態物質的波長。)可以將ILS激光器的輸出相對于波長進行色散從而獲得氣態物質的光譜標記。通常使用兩種檢測方案將ILS激光器的輸出色散從而獲得氣態物質的光譜標記。ILS激光器的輸出可以經過一固定波長的色散光譜儀，并且可以使用一多通道檢測器來記錄這一光譜儀分解的具體的光學區域；參見1998年5月5日授權給G.H.Atkinson等人的題為“Diode Laser-Pumped Laser System for Ultra-sensitiveGas Detection via Intracavity Laser Spectroscopy(ILS)(經腔內激光光譜作超靈敏氣體檢測的二極管激光泵浦激光器系統)”的第5,747,807號美國專利。此外，可以使用能夠進行波長掃描的光譜儀對不同的光譜區域進行有選擇的分解，用上文中的單通道檢測器對上述光譜區域進行記錄。
現有技術的ILS檢測系統使用的ILS激光器具有相對于被測腔內物質的吸收光譜的吸收特征的寬度更寬的光譜寬度；參見1997年11月18日授權給，G.H.Atkinson等人的題為“Intracavity LaserSpectroscope for High Sensitivity Detection of Contaminants”的第5,689,334號美國專利。具體說，激光器系統擁有一個工作波長寬度，該工作波長寬度至少是被測氣態物質的吸收特征的三倍。
現有技術中實施ILS的方法，雖然在實驗室中得以成功演示，但是對許多商業應用來說依然過于大而復雜。具體說，用于對激光器的輸出光譜進行色散的光譜儀，以及用于分析吸收特征的計算機，為檢測系統增加了尺寸和復雜程度。事實上，經濟方面的限制現實地決定了氣體檢測器應當具有方便的尺寸，相對廉價和可靠。
這樣，所需要的就是能夠顯著降低(1)ILS測量儀器的復雜程度以及(2)ILS測量儀器的尺寸的方法，例如，通過去除光譜儀和計算機。
發明的概要本發明公開了一種方法，用于檢測在氣體樣品中特定濃度的氣態物質的存在。該方法包括(a)確定在連續波長的至少一個單獨的波段內所述氣態物質吸收了光并且在校準的范圍內確定所述氣態物質的濃度；(b)提供一個ILS激光器，包括(i)激光器共振腔，以及(ii)增益介質，其中ILS激光器構造成僅在完全包括在氣態物質發生吸收的連續波長范圍內進行工作，并且由于所述氣態物質而產生的吸收足夠大，以便可以在校準的范圍內，改變激光器的總輸出強度；(c)放置增益介質，使得從增益介質射出的光束可以直接穿過在離開激光器共振腔之前就包含在激光器共振腔中的氣體樣品；以及(d)放置一檢測器，從而可以對ILS激光器的輸出進行檢測以量化所述的絕對輸出功率或激光器輸出功率的相對變化。
此外，提供一種用于檢測氣體樣品中的氣態物質在校準范圍內的具體濃度的氣體檢測系統，其中所述的氣態物質在連續波長中至少一段寬度上吸收光，并因而對ILS激光器的輸出強度產生一定量的改變。所述的氣體檢測系統包括(a)一個ILS激光器包括(i)激光器共振腔；以及(ii)增益介質，所述的ILS激光器構造成僅在完全包括氣態物質發生吸收的連續波長范圍內進行工作，并且由于所述氣態物質而產生的吸收足夠大，以便可以在校準的范圍內，改變激光器的總輸出強度；(b)用于在激光器共振腔內容納氣體樣品的容器，所述的容器允許從所述增益介質發射出的光束在離開激光器共振腔之前經過氣體樣品；以及(c)一檢測器，用于確定所述ILS激光器的輸出強度從而量化所述的絕對輸出功率或激光器輸出功率中的相對變化。
根據本發明，本發明人設計了一種更小、更簡便并且較之任何現有技術中披露的ILS激光器系統來說制造費用較低的可商業實施的雜質傳感器系統。
考慮以下具體的描述并結合附圖，本發明的其它目的、特征和優點將會更明顯，其中，相同的附圖標記代表附圖中相同的技術特征。


除了特別注明的外，本說明書中的附圖不是按比例繪制的。
圖1a是一個剖視圖，描述了現有技術的氣體檢測系統，包括一個ILS激光器、一個光譜儀組件、一個光學檢測器以及一個用于分析光學檢測器的電輸出的計算機；圖1b，在強度和波長坐標系上，是一個現有技術的ILS激光器在(i)當在激光器共振腔內存在吸收氣態物質時以及(ii)在激光器共振腔中不存在吸收氣態物質時的光譜分解輸出的曲線圖；圖2a是一個剖視圖，它描述了本發明的氣體檢測系統，包括一個ILS激光器以及一個光學檢測器；圖2b，在強度和濃度坐標系上，是一個本發明ILS激光器針對兩個不同的ILS激光器工作條件的總輸出功率曲線圖；圖3是本發明的ILS激光器的另一個實施例的簡要表示；圖4，在激光器強度/水吸收(任意單位)和波長(以納米為單位)的坐標系上，是一個表示高濃度水蒸氣在1450到1455納米波長范圍上的吸收光譜；以及圖5，在激光器強度/水吸收(任意單位)和水濃度(以pptv為單位)的坐標系上，是一個表示激光器強度相對于氮氣中的水濃度的圖形，氮氣中的水濃度是通過一個用于將水從氮氣中去除掉的在線氣體凈化器來確定的。
最佳實施例的描述現在參照本發明的一個具體實施例，該實施例描述了發明人目前實施本發明的最佳方式。同時也適當對其它實施例進行了簡要的描述。
本發明旨在利用ILS激光器進行氣態物質的高靈敏度檢測。在此使用的術語“氣態物質”指的是分子、原子、原子團和/或離子物質，它們可能出現在例如硅膜制作中所使用的氣體材料中。因此，本發明的ILS氣體檢測系統可以用作檢測氣體材料(例如，氮氣)中的雜質(例如，水)的存在。換言之，ILS檢測可以用作確定是否已經對一條氣體管線(例如，氮氣管線)的氣態材料(即氮)進行了徹底凈化。
圖1a和圖1b簡要介紹了現有技術中進行ILS檢測的方法。具體說，圖1a，所示為一ILS氣體檢測系統10的剖視圖，它包括一個ILS激光器12，一個光譜儀組件14，一個光學檢測器16以及一個用于分析光學檢測器的電輸出的計算機18。
圖1a中所描述的ILS激光器12包括一個增益介質20以及一個位于由位于鏡面26和28之間的整個光路長度限定的光學共振腔24中的樣品管22。另外，所述的ILS激光器12最好具有一個泵源(未示出)，諸如一個光泵源，它對所述的增益介質進行光照射，從而驅動所述的ILS激光器12。
圖1a顯示，所述增益介質20中產生的光對準氣體樣品管22，并且穿過其中的氣體樣品。如上所述，假如吸收特征位于所述的ILS激光器12的工作波長范圍內，那么位于光學共振腔或激光器共振腔24，以及具體的說是位于氣體樣品管22中的氣態物質就會引起吸收損耗。因而，可以對激光器12的輸出光束32進行分析，從而可以通過確定從所述的ILS激光器射出的輸出光束是否包含了與所述氣態物質的光譜標記相同的吸收特征來識別在激光器共振腔24中的發生吸收的氣態物質的存在。值得注意的是光譜標記包含強度和波長的信息。
如在此所使用的，吸收特征是對應于吸收線的，即光強-波長曲線圖中的一段可見連續波長，它包括一個光強的局部最小值(即，在那里吸收最強)，并位于該值的附近。每條吸收線都有確定的波長帶寬和達到最大吸收值的點(或輸出強度達到最小值)就本發明而言，吸收特征很重要，因為所有構成吸收特征的波長都是氣態物質發生吸收的波長。
此外，如在此所使用的，將術語“吸收波段”定義為吸收光譜中的一個單獨的連續波長區域，在那里，在每個波長上發生吸收。因此，如果吸收光譜包含兩條由不發生吸收的區域B隔開的吸收線，A1和A2，那么兩條吸收線A1和A2對應于不同的吸收波段。然而，如果兩條吸收線A1和A1之間僅隔了一個局部的最小吸收值(或局部最大強度)，則所述的兩條吸收線A1和A2對應于一個單獨的吸收波段。例如，在第一濃度分開并且不同的吸收線可以在第二濃度，更高的濃度，混和在一起并組成一個吸收波段。可以理解，溫度、發生時間以及泵送功率都會影響輸出光譜以及測量的吸收光譜。因此，在測量到的吸收光譜中的吸收波段的數量也會隨著溫度、發生時間以及泵送功率的變化而變化。
為了分析所述ILS激光器12的光譜輸出，將ILS激光器的ILS輸出光束32送至光譜儀組件14，它將所述的輸出光束依據波長色散。在圖1a中，使用衍射光柵38和40將從ILS激光器12射出的輸出光束32色散開。透鏡34和36在輸出光束32入射到衍射光柵38和40之前，將其擴展。透鏡42將光譜儀組件14的輸出聚焦到光學檢測器16上。
在一種現有技術的方法中，(1)光譜儀組件14包含一個能夠針對波長進行掃描的色散光學器件，以及(2)光學檢測器16包含一個單通道檢測器。圖1a將這種掃描色散光學器件描述成一個衍射光柵38。
當透過光譜儀組件14的光穿過置于(單通道)光學檢測器16之前的一個適當的小孔46時，通過掃描所述的色散光學器件(光柵38)可以獲得在激光器共振腔24中的氣態物質的光譜標記。(小孔46也可以簡單地包括一個狹縫。)在對衍射光柵38進行了掃描后，用光學檢測器16測量透過光譜儀組件14的光的強度。光學檢測器16輸出一電信號以表征這一強度。(例如，電信號可以正比于ILS激光器的強度。)此外，由光譜儀將電信號傳送到計算機18，它表示了各自的波長。在這種方式中，計算機18將由光學檢測器16確定的強度與由光譜儀組件14確定的波長聯系起來。這樣，光譜儀組件14和光學檢測器16與計算機18協同工作，從而對從ILS激光器12射出的光束32的光譜分布進行測量。
圖1b簡要描述了現有技術的ILS檢測方法得到的數據的種類。曲線48代表一個典型的光譜色散的ILS激光器輸出光譜(或吸收光譜)，該曲線是通過掃描波長并對透過光譜儀組件14的光強進行測量而得到的。在存在吸收特征的波長位置，ILS激光器12的強度就衰減。箭頭49表示了6個這樣的吸收特征。(曲線50描述了不存在任何氣態物質的ILS激光器12的光譜分布。)計算機18可以使用曲線48所示的吸收光譜來識別所述的氣態物質。具體說，對包括ILS激光器12的輸出光譜中的多個吸收特征的吸收光譜進行測量，并且與已知被測氣態物質的光譜標記進行比較。可以使用所述氣態物質的特殊吸收特征的位置和相對強度來唯一地識別所述被測氣態物質。當用已知濃度預先對幅值進行了校準時，根據在吸收光譜中發現的吸收特征的幅值能夠確定激光器共振腔24中的腔內氣態物質的濃度或數量。
在另一個現有技術的方法中，(1)使從ILS激光器12中射出的光束32穿過一個具有固定色散光學器件的光譜儀(即光柵38和40是非掃描的)，并且(2)，光學檢測器16包括一個多通道檢測器陣列。由光譜儀組件14產生ILS激光器12工作的光譜區域，并將其空間轉移到(多通道陣列)光學檢測器16上。置于光學檢測器16前面的小孔46(如果有)要足夠大，以便照亮在檢測器陣列中的多個檢測器，這樣，在檢測器陣列中的多個檢測器同時跟蹤多個波長。
因而，(多通道陣列)光學檢測器16同時測量由光譜儀組件14分解的具體光譜區域。計算機18操縱(多通道陣列)光學檢測器16并讀取檢測器測量到的強度值。此外，光譜儀組件14將一電信號傳送給計算機18，該信號表示了由光譜儀組件14分解的波長。對計算機18進行編程，使其將來自(多通道陣列)光學檢測器16和光譜儀組件14的電信號分別轉換成強度和波長。用這種方式，計算機將由光學檢測器16確定的強度和由光譜儀組件14確定的波長聯系起來。
這樣，光譜儀組件14和(多通道陣列)光學檢測器16與計算機18協同工作以測量和記錄ILS激光器12射出的輸出光束32的光譜分布。可以產生類似于圖1b所示的吸收特征。
如上所述，用光譜特征來識別在激光器共振腔24內的氣態物質。計算機記錄測量到的包括ILS激光器12的輸出光譜內的線或多個吸收特征的吸收波段，并且將其與已知的被測氣態物質的光譜標記進行比較。一旦用已知的濃度對幅值進行了校準，就可以根據在光譜標記中發現的吸收特征的幅度來確定腔內物質的濃度。
然而，可以理解，現有技術的方法需要用計算機18通過在多個波長處測量和記錄強度值從而有效地產生強度-波長曲線，上述波長包括對應于所述吸收特征的波長以及在吸收為最小的吸收特征附近的波長。
相反，本發明的方法從概念上比這些現有技術的手段要更為簡單。不在多個波長上監測強度分布，本發明僅確定在工作，即在預定的波長區域內產生光的過程中ILS激光器12共產生了多少輸出強度。本發明的方法實質上使用了ILS激光器12在其工作的整個波長區域上吸收的全部變化。這樣，在現有技術中通過將激光器輸出色散得到的吸收特征在本方法中用來影響ILS激光器12的總輸出強度。不需要測量和記錄在ILS激光器12的光譜中的多種吸收特征。
本發明的方法還在另一個方面從概念上區別于現有技術的方法；也就是，在本發明中使用的ILS激光器12最好具有一個與相關吸收特征的帶寬相應的帶寬。現有技術的ILS檢測方法使用的ILS激光器12的光譜帶寬實質上大于與被測腔內物質相聯系的各個吸收特征的帶寬。具體說，現有技術的ILS激光器12的工作波長帶寬最好至少三倍于被監測的氣態物質的吸收特征的寬度。
有許多種理由贊成使用波長帶寬比氣態物質產生的吸收特征的帶寬更寬的ILS激光器12。如上所述，光譜標記中的多種吸收特征有助于計算機18識別被測的具體氣態物質。這樣，現有技術的識別發生吸收的氣態物質的方法依賴于光譜帶寬足夠大以至于不僅僅包含了一個吸收特征的ILS激光器12。此外，由于ILS技術檢測靈敏度的提高主要來自于多模式激光器的非線性增益與損耗之間的競爭，所以具有多種縱向模式的ILS激光器12就很優越。因此，現有技術的方法使用了其光譜帶寬足夠大以至于包含了多個縱向模式的ILS激光器12。
然而，本發明的第一實施例中的ILS激光器12最好具有一個與被測腔內氣態物質相關的吸收波段相當或略小的工作帶寬。此外，為了成功地實施本發明的方法，必須將ILS激光器12的工作帶寬調整到完全重疊所述的吸收波段。(如上文所討論的，吸收波段可以包括一個吸收特征或多個連續的吸收特征。)ILS激光器12的勢在帶寬或工作帶寬(Δvlaser)是由增益介質20能夠工作的波長區域，鏡面26和28的光譜特性以及在光學共振腔24內的每個光學器件透光的波長范圍限定的。具體說，由鏡面26和28以及增益介質20的帶寬以及任何其它的獨立腔內光學器件的帶寬也一樣，例如激光器共振腔24內的薄膜或雙折射調諧器，的卷積限定了Δvlaser。
ILS激光器12的工作帶寬與吸收帶重疊部分的帶寬(包括，例如，一個吸收特征或多個連續的吸收特征)之比最好是1比1。ILS激光器12的工作帶寬(1)足夠寬從而可以維持多模式工作，但是(2)又足夠窄，從而僅與被測氣態物質相關的吸收波段相重疊。吸收波段的重疊部分在后面表示為Wabs，而其帶寬則表示為Δvabs。
如上所述，使用具有足夠寬的帶寬從而可以進行多模式操作的ILS激光器12保持了ILS能夠達到的提高的檢測靈敏度。然而，由于ILS12的工作帶寬足夠小以至于僅與被測氣態物質相關的吸收波段相重疊，因此，激光器輸出的光強將從數量上隨氣態物質的濃度改變而改變。
當發生吸收的氣態物質的帶寬的重疊部分，Δvabs，以及ILS激光器12的帶寬，Δvlaser，相適應時(即Wabs與Wlaser完全重疊)時，來自腔內氣態物質的吸收能夠對激光器產生的光量進行限制。ILS激光器12不能在發現吸收損耗的波長區域內有效的工作。如果發生吸收的氣態物質存在，于是ILS激光器12能夠工作的唯一區域被吸收帶占據，這就阻止了激光器的工作。
隨著氣態物質濃度的提高，吸收損耗將會更高，而在增益介質20中產生足夠的光(或增益)以克服損耗的任務變得更困難。這樣，隨著腔內氣態物質濃度的增加，ILS激光器12輸出的光強度將減少。作為腔內吸收物濃度的函數的光輸出強度可用于校準ILS傳感器。這一概念可以在非線性光學propees，雙折射濾波器以及它們的組合上起作用。
可以理解，勢在(或工作)波長波段，Wlaser，(以及帶寬，ILS激光器12的(laser))。
因此，當使用本發明的ILS方法時，為了從數量上確定發生吸收的氣態物質的濃度僅需要監測ILS激光器12輸出的強度。
圖2a和2b簡要描述了本發明的方法和裝置，本發明旨在檢測氣體樣品中的氣態物質。具體說，圖2a表示了一個根據本發明構造的ILS氣體檢測系統10的剖視圖，而圖2b在強度和濃度坐標系上繪制了一幅本發明的ILS激光器在三個不同的ILS激光器工作條件下的全部輸出功率圖。
本發明的ILS氣體檢測系統10簡單地包括了一個ILS激光器12和一個光檢測器16用來量化激光器輸出強度的絕對值或者是激光器輸出強度的相對變化量。
圖2a中所示的本發明實施例所描述的ILS激光器12包括一個增益介質20，一個氣體樣品管22以及一個波長選擇光學器件52，所有這些部分都位于形成于鏡面26和28之間的光學共振腔24中。
盡管在圖2a中所示的光學共振腔24是一個線形共振腔，可以理解，其它的共振腔設計也可以應用于本發明。只要ILS激光器12的勢在(或工作)波長帶寬Δvlaser與被測氣態物質相關的吸收波段Δvabs的帶寬的重疊部分相適應，即比為1比1，或者前者位于后者之間，就可以使用這些其它的共振腔設計。
在圖2a所示的ILS激光器中，所述的波長選擇光學器件52的作用是(1)使帶寬縮小以及(2)調整ILS激光器12的波長。具體說，對波長選擇光學器件52進行選擇，以確保ILS激光器12具有不大于吸收波段重疊部分的帶寬的工作帶寬。此外，波長選擇光學器件52保證將ILS激光器12的工作帶寬調整到與吸收波段相適應，所述的吸收波段包括一個吸收特征或多個連續的吸收特征。
圖2a所示的波長選擇光學器件52包括一個金屬制作的薄膜，它作為一個提供所需窄帶調整的薄的高反射法布里-珀羅標準具。用金屬材質提高了標準具的精密技巧，并且縮窄了帶寬從而產生一個窄帶帶通濾波器。可以通過將所述的標準具旋轉到一定角度，而在該角度可以令所需的波長通過，從而實現了將ILS激光器12調整到適當的波長。在本發明中還可以使用其它的波長選擇光學器件52，包括光學帶通濾波器、衍射光柵、棱鏡、光電帶通濾波器，單片或多片雙折射濾波器以及它們的組合。
可以理解，ILS激光器12的勢在(或工作)波長波段Wlaser(以及帶寬Δvlaser)依賴于增益介質20和位于光學共振腔24中的光學器件上形成的任何光學涂層，以及形成在鏡面26和28上的任何光學涂層。因而，可以不在光學共振腔24中引入波長選擇光學器件52，可以對增益介質以及激光器12所使用的光學器件上的任何涂層，進行設計以縮窄并調整ILS激光器的勢在(或工作)帶寬Wlaser，從而使得其僅以上述方式與被測氣態物質相關聯的吸收波段相重疊，上述光學器件可以是，例如鏡面26和28，或氣體樣品管22的小窗，或者是在晶體20上的涂層。
可以進一步理解的是，ILS激光器12需要一個泵源(未示出)，用來將ILS激光器驅動到其閾值或略高于其閾值。例如，可以使用一個將光照射到增益介質20上的光泵源。然而，對于圖2a所示的ILS激光器12來說，ILS激光器12的勢在(或工作)波長波段Wlaser是由增益介質20工作的波長波段，鏡面26和28發生反射的波長波段以及鏡面28發生透光的波長波段以及在光學共振腔24中的任何其它腔內光學器件(例如波長選擇光學器件)透光的波長波段的卷積限定的。
圖2a顯示，增益介質20內產生的激光射到氣體樣品管22上并從其中的樣品中穿過。如上所述，光學共振腔24中的氣態物質，具體說就是在氣體樣品管22中的氣態物質可以產生吸收損耗。然而，根據本發明，ILS激光器12的勢在帶寬Δvlaser與被測氣態物質相關聯的吸收波段的重疊部分Wabs的帶寬Δvabs相適應。這樣腔內氣態物質的吸收將會減低ILS激光器12的輸出功率，因而，為了確定所述氣態物質的濃度，必須在嚴格限定的工作條件內對ILS激光器12進行校準。由光學檢測器16對從激光器中射出的輸出光束32進行檢測。
最簡單的光學檢測器16包括一個單通道檢測器，諸如一個光敏二極管，一個光敏三極管或者一個光電倍增管。在本發明中可以使用其它的檢測器。對光學檢測器16唯一的要求就是能夠感測ILS激光器光束32并產生一個相關的電信號。因此，在圖2a中描述了一個從光學檢測器16延伸出來的電輸出端子54。
本發明的氣體檢測系統10與圖1a所示的現有技術的系統不同，它不使用光譜儀組件14和計算機18。圖2a所描述的氣體檢測系統10還不需要掃描色散光學器件，多通道檢測器陣列或者是置于光學檢測器16之前的狹縫。
此外，現有技術所示的氣體檢測系統10不包括光學共振腔24中的波長選擇光學器件52，它可以將ILS激光器12的工作帶寬變窄并對其進行調整，從而使它僅與被測氣態物質的吸收波段相適應。
在現有技術的方法中，ILS激光器12的工作帶寬實質上是大于重疊的吸收波段的帶寬的，即使是當有大濃度的吸收物質出現在光學共振腔24中時，激光器依然會繼續工作。相對于ILS激光器12的全部勢在增益帶寬來說很窄的光學損耗會導致激光器對吸收損耗缺失或減少的波長區域中的光能量進行重分配。這樣，激光器將繼續工作，但卻是在不同的波長上。
相反，本發明通過確保吸收損耗成為ILS激光器12的整個工作帶寬Δvlaser的主要部分，來抑制了光能量在其它波長區域的重分配。
可以理解，由于ILS提供了比現有技術的方法更高的靈敏度，用本發明的氣體檢測系統10可以首次測量到從前未測量到的微弱的變化。必須根據對被測氣體物質的光譜研究得知在何處對ILS激光器12進行調整，上述對被測氣態物質的光譜研究顯示了多種吸收特征的光譜位置。還需要獲知如何對ILS激光器12的工作帶寬和波長進行光學控制以配合具有吸收特征的激光器的光譜輸出。
另外，為了避免可能導致錯誤正讀數的光譜干擾，需要對任何可能存在于給定氣體樣品中的其它氣態物質進行光譜研究。如果這些額外的氣態物質不是被檢測的物質，那么ILS激光器12的光譜輸出就一定要遠離由這些額外的氣態物質導致的任何吸收特征。來自其它氣態物質的吸收特征的勢在分布將不會存在于ILS激光器12發射光的波長區域內。這樣，必須對ILS激光器12的工作波長進行選擇，(1)從而使其與和被測氣態物質相關的吸收特征相一致，以及(2)以避免無關的氣態物質帶來的光譜干擾。如果上述要求得到滿足，則與ILS激光器12的輸出的光譜相互作用將僅追蹤被測氣態物質的吸收。因而，ILS激光器12輸出強度，當進行了校準時，將對被測氣態物質的濃度進行精確的測量。
由于所選擇的ILS激光器12工作的光譜區域只與同被測氣態物質相關的吸收波段一致，于是氣態物質的特性就可知了。
在嚴格限制的條件下，通過用光學共振腔24中的已知濃度的氣態物質對ILS激光器12的輸出強度進行校準，可以得知氣態物質的濃度。這一濃度取決于一組具體的工作參數，包括溫度、壓力、激光增益、發生時間(tg)，即允許發生腔內模式競爭的周期，以及其它任何影響ILS激光器12輸出強度的參數。可以理解必須保持工作參數的恒定以確保氣體檢測系統10保持校準后的狀態。或者，改變這些工作參數將改變氣體檢測系統校準后的靈敏度，這樣，可以在不同的嚴格限制的工作條件進行多次校準，從而擴大所述氣體檢測系統的動態范圍。無論如何，需要了解影響ILS激光器12輸出強度的具體工作參數，以便設計一種能夠在擴展使用時維持校準狀態氣體檢測系統10。
現在參照附圖2b，展示了在兩個不同的工作條件下，針對雜質濃度的ILS激光器12的輸出強度。曲線56對應于較靠近閾值工作的ILS激光器12，其中雜質濃度的中等程度的變化能夠產生激光器輸出強度的更靈敏的改變。還描繪了一種特殊的情形，其中雜質濃度增加到激光器不再能夠達到閾值的點，而激光器工作停止。曲線58對應于高于閾值工作(即，更高的增益)的ILS激光器12，其中響應給定的雜質濃度的變化的激光器輸出變化弱于曲線56所體現的工作條件的情形。然而在曲線58體現的工作條件下，氣體檢測系統的動態范圍得以擴大。曲線58還表示了雜質濃度增加到激光器不再能夠達到閾值的點，而激光器工作停止的特殊情形。然而，對于曲線58所體現的工作條件，閾值在一個較高的雜質濃度上出現。
現在參照圖3，它展示了本發明的一個單獨的實施例。根據本發明，圖3描述的ILS激光器12的勢在(或工作)波長帶寬(Δvlaser)足夠的窄，以至于專門同被測氣態物質的吸收波段或區域(Wabs)相一致。因而，在光學共振腔24中沒有插入波長選擇光學器件52。
如上所述，將術語“吸收波段”定義為吸收光譜中的一段單獨的不間斷的波長區域，其中，在每個波長上都發生吸收。因此，如果吸收光譜包括兩條吸收線，由沒有觀察到吸收的區域B分隔開的A1和A2，則兩條吸收線A1和A2對應于不同的吸收波段。然而，如果兩條吸收線A1和A2僅由一個局部吸收最小值(或局部強度最大值)分隔開，則兩條吸收線A1和A2對應于一個單獨的吸收波段。
根據本發明，圖3所描繪的氣體檢測系統10包括一個ILS激光器12和一個光學檢測器16。ILS激光器12包括一個增益介質20，增益介質20位于由鏡面26和28限定的光學共振腔24中。所述的光學共振腔24是一個線性共振腔，增益介質20包括一種離子攙雜的晶體。通過在離子攙雜晶體的一端60上附著一反射涂層，從而形成第一鏡面26。第二鏡面28包括一曲面發射器。
盡管圖3所示的光學共振腔24是一個線性共振腔，可以理解，根據本發明，可以使用其它設計的共振腔。只要ILS激光器12的工作帶寬Δvlaser與被測氣態物質的吸收波段的重疊部分的帶寬相適應，即比為1比1，或者是位于其間，這種共振腔就是可以被接受的。
在本發明的這一第二實施例中，用作增益介質20的離子攙雜晶體是Tm3+，Tb3+YLF晶體。然而，可以理解，可以使用其它的離子攙雜晶體以適應所考慮的特殊應用。因此，并不僅限于下列離子攙雜晶體。
可以應用于本發明的方法和裝置的離子攙雜晶體的樣品包括CrTmHoYAG、Cr4+YSO、Cr4+YAG、Cr4+YSAG、Er3+GSGG、Er3+YSGG、Er3+YLF、Er3+Yb3+glass、Ho3+YSGG、Ho3+Tm3+LUAG、Tm3+Ho3+YLF、Tm3+Ho3+YAG、Tm3+Ca Y SOAP、Tm3+YLF、Tm3+glass、Tm3+Ca La SOAP、Tm3+YOS、Tm3+YSGG、Tm3+YAG、Tm3+YVO4、Yb3+YAG、CrForsterite、ErYbGlass、CO2MgF2、Cr2+ZnSe、以及Cr2+ZnS/ZnSe/ZnTe。無論是氣態、液態或固態的其它材料也可以用作增益介質20。
圖3還描繪了一個位于光學共振腔24中的氣體樣品管22。所述的氣體樣品管22將氣體樣品與激光器組件隔離開。可以理解，對于非腐蝕性的氣體樣品不需要使用氣體樣品管22，在這種情況下，氣體樣品容納在整個激光器共振腔24中。
氣體樣品管22配有進口管62和出口管64。在氣體樣品管22的末端裝有各自的小窗66和68，從而使得光束70穿過被測試的氣體樣品。小窗66和68還對氣體樣品管22進行密封。
當容納ILS激光器12的腔室72中存在氣體樣品管22時，有必要將被測氣態物質從腔室中去除或排除掉。通過將氣態物質從腔室72中去除掉，使用氣體檢測系統10得到的系統響應就會準確地反映在氣體樣品管22中氣態物質的存在和濃度。在將腔室72中的氣態物質清除掉之后，將氣體樣品經由進口管62和出口管64注入到氣體樣品管22中(例如，當氣體樣品中包括腐蝕性氣體的情況下)。然而，在這種情況下，當氣體樣品不會與激光器組件發生化學反應時，可以將氣體樣品送入腔室72中。
如上所述，ILS激光器12需要一個泵源74用來泵激增益介質20。由泵源74提供對離子攙雜晶體增益介質20進行的光激勵，泵源74包括一個半導體二極管激光器76。
可以理解，泵源74可以包括任何能夠驅動ILS激光器12的適合的光泵源，相干的非相干的，連續的或脈沖的。例如，泵源74可以包括固態晶體激光器(例如NdYAG)、氣體激光器、一個或多個閃光燈、纖維激光器或任何適于泵激ILS激光器12的泵源。
圖3表示了由電源78供電并由熱電冷卻器80冷卻的的半導體二極管激光器76。半導體二極管激光器76和熱電冷卻器80安裝在用于散發半導體二極管激光器76產生的熱量的散熱器82中。
然而，將半導體二極管激光器76用作一泵源74，通常需要在半導體二極管激光器76和ILS激光器12之間使用光束成型部件84以便于光學匹配。光束調整光學部件包括衍射光學部件、折射光學部件、其折射指數軸向變化的梯度指數光學部件，其梯度指數徑向變化的梯度指數光學部件、微光學部件以及它們的組合。圖3顯示，光束成型光學部件84包括宏觀光學部件，它包括一對合成棱鏡和一對透鏡88。或者也可以使用置于幾個微米的半導體二極管激光器76內的光束擴大望遠鏡或微光學器件。
圖3進一步顯示了插在光束成型光學部件84和增益介質20之間的第一調制器90。所述的第一調制器90由調制器驅動器92供電并控制。第一調制器90交替地使半導體二極管激光器76發射的泵光束96衰減和透過，從而周期性地阻止泵光束對增益介質20的泵激。用這種方式，第一調制器90導致泵光束96重復泵激增益介質20這樣可以開閉ILS激光器12。
將第二調制器94插入從ILS激光器12射出的輸出光束32的光路中。第二調制器94交替地使光學共振腔24射出的輸出光束32衰減和通過，從而通過將輸出傳送到光學檢測器16周期性地對來自ILS激光器12的輸出光束進行采樣。
第二調制器94與第一調制器90同步，從而第一調制器90周期性地允許泵光束96的全部強度到達增益介質20，而第二調制器94周期性地允許輸出光束32的全部強度到達光學檢測器16。使用調制器90和94，對增益介質20的增益與氣態物質產生的吸收進行競爭的時間長度進行控制。具體說，tg的值，發生時間可以通過使用兩個調制器90和94進行調整。如在此使用的，將發生時間限定為在ILS激光器12內的測量之前發生的模式競爭的時期。或者，不需要第一調制器90和/或第二調制器94，而通過對泵源74的輸出進行脈沖控制，以改變發生時間tg，從而導致泵光束96在低強度和高強度值之間交替變化進而使增益介質20交替地低于或高于(或者在)閾值。
可以理解，可以使用多種設備實現對泵激的中斷，包括，但是不僅限于使用機械操縱的斷續器，電-光或聲-光調制器，以及快門。或者，也可以對供給泵源74(例如，半導體二極管激光器76)的電源進行改變，從而使半導體二極管激光器的輸出在高強度和電強度之間波動，進而周期性地使增益介質20高于和低于激光器工作所需要的閾值。
可以進一步理解的是，盡管第二調制器94包括一個聲光調制器，在本發明的方法和裝置中還可以適當使用，諸如機械控制的斷續器或快門等其它設備。或者，不使用第二調制器94，而交替地開閉光學檢測器16從而對ILS激光器12的輸出進行周期性的采樣。
圖3顯示，ILS激光器12的輸出光束32射到光學檢測器16上。可以理解，可以通過一個光纖連接，即一根光纖或一光纖束，將來自ILS激光器12的光輸出交替地傳送到一個遠處的光學檢測器16所在的地點。
如上所述，本發明ILS激光器12的勢在(或工作)波長波段Wlaser最好足夠的窄，以至于其只與被測氣態物質的吸收光譜中的一個吸收波段或區域一致。對于圖3所示的ILS激光器12，其中增益介質20包括Tm3+、Tb+3YLF，波長帶寬直接與水蒸氣的吸收光譜中的一個單獨的吸收波段相重疊。
除了沒有使用第一調制器90外，用ILS激光器12獲取水蒸氣的吸收數據與圖3所簡要表示的相類似。相應地，對半導體二極管激光器76的電源進行調制。此外，需要與圖1a所示類似的光譜儀組件14，用來將ILS激光器12的輸出進行色散從而產生圖4所示的圖表。然而，ILS激光器12包括一個由Tm3+、Tb+3YLF構成的離子攙雜晶體，用半導體二極管激光器76對它進行光學激勵。
圖4顯示了在氮氣中有較高濃度的水蒸氣情況下，規格化的激光器強度/水吸收相對波長的曲線圖。圖4顯示了波長在1450納米到1455納米之間的波長區域中的水蒸氣光譜特征。由箭頭98和100分別表示在1452.5納米和1452.1納米處的水吸收線。認為這兩條吸收線是由局部吸收最小值分隔開的吸收特征。這兩條吸收線相互接合形成一個與二極管泵激的Tm3+、Tb+3YLF的帶寬相一致的吸收波段或區域。圖4描述了二極管激光器泵激Tm3+、Tb+3YLF ILS激光器的帶寬大約類似于(準確的說是略微大于)兩條水吸收線產生的水吸收波段。在足夠高的濃度下，包括這兩條線的吸收波段或區域將全部重疊和包圍(即至少與其一樣大)ILS激光器12的工作帶寬。因而，ILS激光器12的輸出強度將會衰減或消失。
圖5圖示了相對于氮氣(每1012分之一-體積)中的水濃度的激光器強度/水吸收的曲線圖。(用一聯機氣體凈化器進行氮氣的水凈化。)圖5示范了在吸收線上的ILS激光器12的光輸出強度是如何隨著濃度的增加而降低的。
曲線102，基于實驗數據，建立了水蒸氣濃度升高導致ILS激光器12輸出強度減少的趨勢。曲線104，曲線102的擬合，顯示了將水蒸氣濃度外推到比曲線102所示的濃度更高的濃度時的ILS激光器12的強度。曲線104證明，在足夠高的水蒸氣濃度下，ILS激光器12的輸出將完全消失。
這樣，當ILS激光器12的勢在或工作帶寬Δvlaser與被測腔內氣態物質的吸收波段的重疊部分的帶寬Δvabsr相當時，本發明的方法和裝置可用于識別氣態物質和測量氣態物質的濃度。
使用本發明的方法，可以使得ILS氣體檢測系統10比現有技術的ILS傳感器更小、更簡單、更便宜并且更加容易使用，現有技術的ILS傳感器是依賴于ILS激光器12的輸出的波長分布圖的。作為其小尺寸、低成本和操作簡便的結果，本發明的氣體檢測系統10會導致氣體檢測的一套完全獨特的應用。
這樣，介紹了用于檢測預定濃度的氣態物質的存在的方法和裝置。對于本領域的普通技術人員來說很顯然，在不脫離所附書所表達的本發明的范圍的前提下，可以對器件的設計和設置進行多種改變。此外，可以根據需要改變氣體檢測系統10的應用以及ILS氣體檢測器的位置，例如在一個半導體生產裝配場所。例如，只要其構成和布置適于使ILS激光器12的光激勵以可重復的方式進行，就能夠對在腔室72內的多個器件的具體布置以及氣體檢測系統10本身進行調整。這些和其它現在或以后由本領域普通技術人員進行的設計、布置以及本發明的應用方面的變型都落在所附權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種氣體檢測系統(10)，用于在校準的范圍內，對氣體樣品內的一定濃度的氣態物質的存在進行檢測，所述的氣態物質在連續波長的至少一個單獨的區域內吸收光，所述的系統包括(a)一個ILS激光器(12)包括(i)激光器共振腔(24)；以及(ii)包括離子攙雜晶體的增益介質(20)，所述的ILS激光器(12)僅在完全包括于所述連續波長的至少一個波段內的波長上才工作，在所述的連續波長上，所述的氣態物質發生吸收，而所述的由所述氣態物質產生的吸收足夠大，以至于可以改變所述的激光器(12)在校準范圍內的總輸出強度；(b)一個容器(22)，用于容納在所述的激光器共振腔(24)中的所述氣體樣品，所述容器(22)使得從所述增益介質(20)射出的輸出光束(32)在離開所述的激光器共振腔(24)之前穿過所述的氣體樣品；以及(c)一個檢測器(16)，用于量化絕對激光器輸出功率或激光器輸出功率的相對改變。
2.如權利要求1所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，所述的ILS激光器(12)僅在連續波長的一個單獨的區域內才工作。
3.如權利要求1所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，所述的ILS激光器(12)包括阻止所述的ILS激光器(12)在所述氣態物質發生吸收的波段之外的波長工作的器件。
4.如權利要求3所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，在所述的激光器共振腔(24)內安置一個波長選擇光學器件(52)，所述的波長選擇光學器件(52)阻止所述的ILS激光器(12)在所述氣態物質發生吸收的波段之外的波長工作。
5.如權利要求3所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，所述的增益介質(20)具有足夠窄的帶寬，從而阻止所述的ILS激光器(12)在所述氣態物質發生吸收的波段之外的波長工作，或者在其上具有一個光學涂層，它能夠阻止所述的ILS激光器(12)在所述氣態物質發生吸收的波段之外的波長工作。
6.如權利要求3所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，所述的容器(22)包括一個位于所述激光器共振腔(24)內的氣體樣品管(22)，所述的氣體樣品管(22)具有窗口(66，68)，它們使得來自所述增益介質(20)的輸出光束(32)穿過所述的氣體樣品，上述窗口(66，68)中的至少一個，其上具有光學涂層，該涂層阻止所述的ILS激光器(12)在所述氣態物質發生吸收的波段之外的波長工作。
7.如權利要求3所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，所述的光學共振腔(24)至少由兩個鏡面(26，28)構成，并且至少所述鏡面(26，28)中的一個上具有光學涂層，該光學涂層阻止所述的ILS激光器(12)在所述氣態物質發生吸收的波段之外的波長工作。
8.如權利要求1所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，所述的光泵源(74)將光照射到所述的增益介質(20)上從而驅動所述的ILS激光器12。
9.如權利要求1所述的氣體檢測系統(10)，其特征在于，所述的氣態物質發生吸收的波段包括(a)一個單獨的吸收特征并且所述的ILS激光器(12)具有一個工作帶寬，該工作帶寬足夠寬以維持多模式工作，并且該工作帶寬要足夠窄，以至于僅與所述的一個單獨的吸收特征相重疊，或者(b)多個吸收特征，并且所述的ILS激光器(12)具有足夠寬的工作帶寬從而維持多模式工作，并且該工作帶寬足夠窄，以至于僅與至少一個吸收特征的波長相重疊。
10.用于檢測在一校準范圍內的氣體樣品中一定濃度的氣態物質的存在的方法，該方法使用了如權利要求1所述的氣體檢測系統(10)，所述的方法包括(a)在校準范圍內當所述的氣態物質在所述的氣體樣品中存在一定量時，確定所述的氣態物質在連續波長的至少一個波段上吸收了光。(b)提供如權利要求1所述的ILS激光器(12)；(c)設置所述的增益介質(20)，使得所述增益介質(20)的輸出光束(32)在離開所述的光學共振腔(24)之前，穿過裝在所述的光學共振腔(24)中的所述的氣體樣品；以及(d)設置所述的檢測器(16)，以便對ILS激光器(12)的輸出強度進行檢測，從而量化所述的絕對輸出功率或者是所述ILS激光器(12)輸出功率的相對變化。
全文摘要
本發明公開了一種用于檢測在一校準范圍內的氣體樣品中一定濃度的氣態物質的存在的方法和裝置。本發明的ILS氣體檢測系統(10)簡單地包括一個ILS激光器(12)和一個光學檢測器(16)。然而,所述的ILS激光器(12)的勢在或工作波長帶寬最好完全被包括在被測腔內氣態物質的吸收波段或區域內。這樣,在校準范圍內,氣態物質的存在改變了ILS激光器(12)輸出的激光強度。因此,當使用本發明的ILS激光器方法時,為了從數量上確定所述氣態物質的濃度僅需要監測ILS激光器(12)的輸出強度。
文檔編號G01N21/35GK1329718SQ99814091
公開日2002年1月2日 申請日期1999年9月30日 優先權日1998年10月2日
發明者G·H·阿特金森, J·S·皮爾格林 申請人:創新激光有限公司