光譜分析方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明一般涉及光譜分析領域，具體地涉及基于法布里佩羅量子級聯激光器外差法的中紅外光譜分析技術。
【背景技術】
[0002]中紅外波段(3微米?30微米)是光子與許多氣體分子相互作用最強的震動/旋轉基態能級的波長區間。爆炸物分子(如TNT等)以及生物醫學里碳氫化合物分子的特征吸收譜區較寬，對于這些大分子的中紅外分析探測，需要光源的調諧覆蓋范圍大于50CHT1。另一方面，為了有效區分一些小分子的窄帶吸收譜，又需要光源的頻率分辨能力很強(頻率解析度〈0.1cnT1)。因此，開發出一種既能實現寬譜覆蓋，又具備高頻譜分辨率，小體積，低成本，穩定可靠的中紅外光譜氣體分子分析技術，對于環境保護，醫療，工業排放/過程監控，防爆反恐，國家安全等方面都具有十分重要的現實意義。
[0003]傅立葉變換紅外光譜分析技術(FourierTransform Infrared Spectroscopy,或FTIR)，是一種目前在化學分析，傳感領域最常用的中紅外光譜分析技術。FTIR的原理是基于邁克爾遜干涉原理。以寬帶光源為起始，此光源含所有波長的光譜，傅里葉轉換光譜就是利用此光來進行測量。光線射到了邁克爾遜干涉儀——由一定組態的鏡子所構成，其中一面鏡子會以馬達促使其移動。當鏡子移動時，光束中每個波長的光會借由干涉儀產生相干干涉，形成周期性的干涉條紋。不同的波長組分，由于樣品的吸收，會有不同強度的干涉條紋，所以在每個鏡子的移動時刻，光束在通過干涉儀后都會產生不同的光譜。如同先前所提，計算機處理是需要將原始的干涉數據(在每個鏡位的吸光值)轉變為所預期的結果(在每個波長下的吸光值)。此過程中所需的轉換是一種常見的算法，稱為傅立葉轉換(因此命名為"傅立葉變換紅外光譜")，而原始的數據也被稱為〃干涉圖"。
[0004]對于傅立葉變換紅外光譜技術，主要存在以下缺點:
[0005]1.由于所用的光源為黑體輻射產生的非相干光，光譜強度較低。
[0006]2.由于儀器體積的限制，常用的光譜分辨率并不太高(?0.1cnT1)。因為光譜分辨率與邁克爾遜干涉儀的干涉臂長度成反比關系。若想得到更高的光譜分辨率，需要更大而笨重的儀器，限制了儀器的便攜性。
[0007]3.數據獲取，處理時間較長。無法實時監測快速變化的光譜信息。
[0008]4.儀器中有活動的機械部件(干涉儀鏡片)，可靠性不高。
[0009]5.儀器成本非常高。
[0010]量子級聯激光器(quantum cascade laser or QCL)的發明及發展,為中紅外光譜分析與傳感技術注入新鮮的血液。QCL是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段單極激光光源。通過量子阱能帶設計，QCL的輸出波長可以被隨意設計，使其覆蓋中紅外波段任意氣體分子的特征吸收譜線。近年來，QCL光源研究領域的快速進展，使得它具有室溫下連續激射，體積小，光束質量高，壽命長等優點。這些優點，大大加速了基于中紅外波段光譜分析技術的氣體傳感器的開發與商用化。以QCL為光源發展出了多種中紅外波段的光譜分析與傳感技術。這些技術擺脫了液氮制冷，大體積，壽命短，操作復雜等實驗室條件的束縛，迅速走向實際應用領域。
[0011]基于QCL的光譜分析技術，一般都需要QCL的輸出為單縱模，通過對單縱模在頻率范圍內的調諧，實現對分子吸收譜的連續掃描。目前實現單縱模輸出的主要技術有兩種，一種是在QCL有源區的波導頂部外延生長出一條分布反饋光柵(Distributed FeedBack或DFB)，通過空間光柵的周期耦合來選擇激光器的輸出波長；另一種是利用外置的光柵形成激光器增益反饋端面，法布里佩羅(Fabry-Perot或FP_) QCL激光器作為增益介質，通過調整光柵角度來選擇激光器的輸出波長，這種技術也被稱為外腔(External Cavity，或EC_)QCL。最終對分子吸收光譜的分析，需要結合光電探測器，通過調諧以上兩種QCL的輸出波長，分析探測器信號，得到一定頻率范圍內的吸收光譜。
[0012]DFB-QCL光源具有窄線寬，體積小，可靠性高等特點，然而它的主要缺點是調諧波長有限。由于分布反饋光柵為半導體工藝制成，光柵空間周期不可調。DFB-QCL的波長最大僅可調諧1cnT1范圍。無法滿足對大分子寬光譜的特征分析。EC-QCL沒有預先生長好的分布反饋光柵，輸出波長是通過調整外腔光柵的角度來實現，因此可以更為有效的利用整個QCL的增益譜區，波長調諧范圍大大增加。但是EC-QCL也具有活動的機械部件(轉動光柵)，儀器可靠性較差，抗震動能力不強。另外，EC-QCL是相對復雜的光學機械系統，實現成本較高。
[0013]因此需要一種可靠性高、頻率解析度高、體積小以及成本低的光譜分析技術。
【發明內容】
[0014]本發明專利針對傳統的中紅外光譜分析技術的缺點，提出一種能夠增強光譜分析系統可靠性、提高頻率解析度、降低儀器體積以及成本的光譜分析方法和系統。
[0015]根據一個發明，本發明提供了一種光譜分析方法，包括:使第一光束通過待測氣體池；將通過待測氣體池后的第一光束與第二光束合并成一個光束，其中第二光束的各個縱模的頻率與第一光束的相應的各個縱模的頻率接近，且第二光束的縱模間距與第一光束的縱模間距不同，以使得第二光束的各個縱模與第一光束的相應的頻率接近的各個縱模之間能夠產生至少一個差頻信號；通過光電轉換將所述合并的光束轉換成電信號；以及分析所述電信號的電頻譜，以通過所述差頻信號的電頻譜獲得待測氣體的吸收光譜信息。
[0016]根據一個發明，本發明提供了一種光譜分析系統，包括:兩個法布里佩羅量子級聯激光器，分別發出第一光束和第二光束，其中第二光束的各個縱模的頻率與第一光束的相應的各個縱模的頻率接近，且第二光束的縱模間距與第一光束的縱模間距不同，以使得第二光束的各個縱模與第一光束的相應的頻率接近的各個縱模之間產生至少一個差頻信號；待測氣體池，所述第一光束通過該待測氣體池；第一透鏡組件，將通過待測氣體池后的第一光束與第二光束合并成一個光束；光電探測器，將所述合并的光束轉換成電信號；以及電頻譜分析儀，分析所述電信號的電頻譜，以通過所述差頻信號的電頻譜獲得待測氣體的吸收光譜信息。
【附圖說明】
[0017]通過下面的結合附圖對本發明進行的詳細說明，可以更全面地理解本發明，其中:
[0018]圖1示出了本發明的原理圖；
[0019]圖2示出了根據一個實施例的實現本發明的系統圖；
[0020]圖3示出了根據一個實施例的通過光譜儀和電譜分析儀得到的激光器的輸出光束的光譜圖以及差頻信號電譜圖；
[0021]圖4示出了根據一個實施例的通過光譜儀和電譜分析儀對氨氣(NH3)進行分析得到的結果圖；
[0022]圖5示出了根據一個實施例的對一氧化二氮(N2O)分子的吸收譜進行分析的結果圖；以及
[0023]圖6示出了根據一個實施例的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0024]現在將對本發明的特定實施例詳細做出參考。在附圖中示出了這些特定實施例的示例。雖然結合這些特定實施例描述本發明，但是應當理解，不預期將本發明限制到描述的實施例。相反地，意圖涵蓋可以被包括在如附加權利要求書所定義的本發明的精神和范圍之內的替換、修改和變化。在下面說明書中，闡述細節以便提供對本發明的更徹底的理解。在沒有某些或所有這些細節的情況下可以實踐本發明。此外，公知的特征可以不被詳細描述以避免不必要地模糊本發明。
[0025]首先參考圖1說明本發明的基本原理。
[0026]選取兩只普通的FP-QCL和一只中紅外光電探測器，所述中紅外光電探測器優選是寬帶的。
[0027]在選用FP-QCL光源時，優選地選擇兩只FP-QCL均為多縱模輸出，且FP-QCL的輸出波長盡量重疊，例如可以是在一個晶片上相鄰的兩只芯片。但兩只激光器的縱模間距或自由譜區(Free Spectral Range or FSR)要有一定的差異。這可以通過使得兩個激光器的波導脊寬和激光器腔長中的至少一個不同來實現。
[0028]如圖1所示，一個激光器的自由譜區寬度為FSR1，另一個為FSR2，二者之差為Af=FSR2-FSR10當兩路激光的輸出光合束并入射到一個光電探測器上時，由于外差原理，每一對縱模信號會產生一個差頻(拍頻)信號，而每一對縱模所產生的差頻信號頻率，都會由于他們FSR的微小差別，處于不同的電頻率范圍。如圖1所示，這一系列的差頻信號的頻率間隔就是兩只激光器的自由譜區之差Af。每一個差頻信號均攜帶有對應的一對縱模在光頻率上的幅度以及相位信息，通過電頻譜儀對光電探測器在電頻域內的分析，即可復原光頻域內的氣體吸收光譜信息。
[0029]由于本技術所采用的FP-QCL是沒有經過任何復雜工藝，直接由晶片上切割得到的，而FP-QCL的多模特性決定了其在中紅外波段本來就覆蓋一定的頻率范圍，因此理論上來講，只要光電探測器的帶寬能夠收集所有的外差頻率信號，這一技術可以復原FP-QCL的整個輸出波長范圍內的光譜信息。
[0030]下面描述利用一對FP-QCL光源和一個1.2GHz帶寬的締鎘萊探測器為例實現的實施例。但是，本領域技術人員應當清楚地理解，碲鎘汞探測器的帶寬可以為任意的，例如小于1.2GHz或大于1.2GHz，只要大于兩個激光器的縱模間距之差即可。
[0031]如圖2所示，兩只同一個晶片上取得的1.23mm長的FP-QCL被固定在一個散熱器上，例如銅質熱沉上，熱沉的溫度被溫度控制單元，例如半導體制冷器精確控制在1.25 V。一個FP-QCL的波導脊寬為3 μ m,另一個脊寬為5 μ m。不同的脊寬會形成稍有差異的FSR。這里的具體數值均為示例，本領域技術人員可以容易地想到其他實施方式，例如一個FP-QCL的波導脊寬為4 μ m，另一個脊寬為6 μ m，只要兩個激光器的縱模間距之差小于探測器的帶寬即可。兩只QCL的輸出波長都處在約8.4μπι范圍內。它們的偏置電流由兩只不同的激光器電流源(WavelengthElectronics QCL500 / 1000)獨立驅動，因此可以獨立控制任意一個激光器的輸出波長。
[0032]由于兩個激光器位置的不同，它們的輸出光通過透鏡組件，例如一只鍺透鏡，準直后，會在空間上分離。通過反射鏡調整，可以使一路作為信號光去通過氣體樣品池形成光譜吸收。另一路不形成任何光譜吸收，因此作為本振參考光。當兩路光重新通合束后，通過另一個透鏡組件將其聚焦在一個帶寬為1.2GHz的碲鎘汞光探測器(VIGO systemPV1-3TE-10.6/VPAC-1000F)上。光探測器的輸出信號在一臺