专利名称：具有可变光强调制器的光学腔增强性的光声示踪气体检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光声示踪气体检测器，用于检测示踪气体在气体混合 物中的浓度，光声示踪气体检测器包括光源，用于产生光束；光调制器， 用于将光束调制为一系列光脉冲，以便在气体混合物中产生声波，声波的 振幅是浓度的测量值；光学腔，用于包含气体混合物，并用于光脉冲的光 强度放大；换能器，用于将声波转换为电信号；以及反馈回路，用于在光 学腔中调整光脉冲的光强度放大，该反馈回路包括光电检测器，用于测量 光脉冲的光强度。
背景技术：
从Rossi等人发表在Applied Physics Letters中的文章"Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means of external Fabry-Perot cavity"中了解了这种检测器。在此所述的检测器发送 断续的激光束(chopped laser beam)穿过包含在声学室中的气体。激光束 是通过旋转的圆盘截断器(chopper)而变得断续，圆盘截断器周期性地中 断光束。调谐激光波长以便将气体的特定分子激发到更高的能级。这个激 发导致了热能的增加，结果产生声学室内的温度和压力的局部上升。如果 这个截断频率与声学室的共振频率相匹配，则压力变化就导致声学驻波。 由声学室中的麦克风检测该声波。这种声学室的共振频率通常在几kHz数 量级。在Rossi等人的检测器中，使用了 2.6kHz的截断频率。
Rossi等人还说明了通过将激光波长锁定为腔长度，而使用Fabry-Perot 腔来放大声学室中的光强度。该放大是非常有利的，因为检测器的灵敏度 与激光功率成正比。从放置在Fabry-Perot腔后面的光电二极管获得反馈信 号。传输穿过该腔的强度用于反馈激光波长。其缺点是，当截断器阻塞激 光束且使传输的强度为0时，就不存在反馈信号。因此，在这些时间段内 不能为激光提供腔反馈，当受到扰动时，腔会变得无法锁定。结果就是损失光功率并伴随着光声信号强度的降低。由Rossi等人提出的解决方案使用 了具有大时间常数的信号解调，以便在多个时间段上对所产生的反馈信号 进行平均。结果，使得腔锁定机制很慢。
光声示踪气体检测器的一个重要应用是呼吸测试。呼吸测试是医学技 术的有前途的领域。呼吸测试是非侵入性的、用户友好且低成本的。呼吸 测试主要的实例是哮喘的监测、酒精呼吸测试和胃病检测及急性器官排异 反应。最初的临床试验显示了在呼吸和肺癌的预筛选中可能的应用。这些 不稳定的生物标志在每十亿(ppb)范围的部分中具有典型的浓度。氧化氮 (NO)是人呼吸中最重要的示踪气体之一，会在哮喘病患者中发现NO的 浓度升高。当前，基于化学发光或光学吸收光谱法，采用昂贵且笨重的设 备，仅能够测量ppb浓度的呼出的NO程度。紧凑的、手持的且低成本的 NO传感器构成了一种令人感兴趣的设备，其能够用于诊断并监测气道炎 症，并能够在医生办公室中使用，以及用于在家庭中的医疗控制。
对于这些手持气体分析设备来说，将足够高的灵敏度(ppb等级)与高 鲁棒性相结合是有挑战性的。当前的光声示踪气体检测器的缺点是小形状 因子的激光器(即二极管激光器)不具有足够的激光功率以达到示踪气体 检测所需的灵敏度。使用如由Rossi等人所述的光学功率增强腔会增大光学 功率，但会导致较慢的反馈。如上所述，当结合光声学使用光学增强腔时， 由截断器间断地开启和关闭反馈信号。因此，腔锁定机制变得非常慢，这 导致产生了对于便携式应用不够鲁棒的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种按照开头段落的具有快速反馈回路的光声示 踪气体检测器。
根据本发明的第一方面，通过提供按照开头段落的光声示踪气体检测 器来实现这个目的，其中，将光调制器设置为在非零的较低强度级与较高 强度级之间调制光束。
因为光强度没有下降到0，所以提供了不中断的反馈信号。以这个方式， 可以实现快速且更稳定的反馈锁定环，并可以实现检测器的便携式应用。
在优选实施例中，检测器还包括用于调整较低强度级的高度的装置。用于调整的所述装置允许用户或自动化系统相对于经过光声调制的信 号，调整反馈回路的反馈信号强度。当需要强反馈信号时，将较多的光强 度用于反馈回路。在更稳定的条件下，可以将较多的光强度用于提供气体 流动室中的压力变化，较少的光强度用于反馈信号，导致了示踪气体检测 器精度的提高。用于调整的所述装置例如可以包括具有可调透明度的滤光 器。
在优选实施例中，将光调制器设置为调制具有第一偏振的光，而不调 制具有第二偏振的光，并且反馈回路包括用于仅将具有第二偏振的光提供
给光检测器的装置。
在该实施例中，可以连续地获得具有第二偏振的光，以用作反馈信号， 同时调制具有第一偏振的光，来在气体流动室中引起预期的压力变化。这 个实施例的优点是反馈信号相对稳定，且不受提供光脉冲所需的光强度跃 迁的影响。
优选地，光声示踪气体检测器还包括偏振旋转器，其放置在光源与光 调制器之间，用于能够改变具有第一偏振的光的强度与具有第二偏振的光 的强度之间的比率。
通过旋转激光的偏振，可以改变具有第一和第二偏振的光的强度的比 率。这允许用户或自动化系统相对于经过光声调制的信号，调整用于反馈 回路的反馈信号。
在优选实施例中，换能器是晶体振荡器。晶体振荡器比在上述现有技 术系统中所用的麦克风灵敏得多。因此，获得了更灵敏的光声示踪气体检 测器。作为额外的优点，晶体振荡器的高灵敏度使得声学室的使用变得并 非是必不可少的，从而简化了检测器的结构。
在进一步的实施例中，晶体振荡器是石英音叉。石英音叉具有高精度。 而且，石英音叉不很贵，因为在大规模使用它们，例如，在数字钟表的制 造中。
下文中将参考实施例来阐明本发明的这些及其它方面，并由此变得显 而易见。
在附图中
图la示意性地显示了根据本发明的光声示踪气体检测器的一个实施
例，
图lb示意性地显示了根据本发明的光声示踪气体检测器的另一实施
例，
图2a显示了根据现有技术的调制光的光强度的时间依赖性，
图2b显示了根据本发明的一个实施例的调制光的光强度的时间依赖
性，
图3显示了两个截断器，其被设置为与根据本发明的示踪气体检测器 一起使用，
图4显示了根据本发明另一实施例的调制光的光强度的时间依赖性，
图5显示了根据本发明的一个实施例的调制光的波长依赖性，
图6显示了根据包括基于偏振的调制器的本发明实施例的调制光的光
强度的两个时间依赖性，并且
图7显示了根据包括基于偏振的调制器的本发明实施例，具有两个不
同偏振的调制光的光强度的时间依赖性。
具体实施例方式
图la显示了根据本发明的典型光声示踪气体检测器100。光源101提 供了连续波激光束，并且例如由截断器(chopper) 103、快门或声光调制器 调制为在特定"截断"频率上的一系列光脉冲。可替换地，光源101自身 可以以固定频率提供光脉冲。将光脉冲发射到光学腔中，它由两个半透明 镜104a和104b定义。将光隔离器102可任选地设置在光源101与输入镜 104a之间，以减小从腔镜104a到光源101的光反射。光脉冲通过输入镜104a 进入到光学腔中，并在这两个腔镜104a与104b之间反射许多次。如果在 这两个镜104a与104b之间的距离与激光的波长发生共振，就出现驻波， 并放大了光强度。用光检测器110测量由输出镜104b传输的光。将来自光 检测器110的信号用作激光波长或光学腔长度的反馈信号。
在锁定的腔的方案中，激光和腔以相同的固定波长工作。在大多数方 案中，调节激光波长或者腔长度，并用光检测器110监测穿过腔的激光的
7透射或反射。随后，将该传输中的变化用作反馈信号，该反馈信号或者用
于驱动连接到腔镜104a、 104b之一上的致动器，例如压电驱动器(腔长度 调节)，或者用于设定激光频率(激光波长调节)。如果激光波长对于腔是 锁定的，则通常在腔共振的脉冲波前(flank)上扫描激光波长。当激光波 长脱离了与腔的共振(不包括激光的小波长调节)，传输的强度改变。随后 将反馈信号发送到激光二极管101，以修正波长，并将传输带回到预期程度。 注意在最大腔传输上，激光的波长调节通常不会造成传输中的变化。因此， 优选地，应当刚好在最大传输以下操作腔。当激光强度变化时(由于激光 的不稳定性)，共振峰值的高度变化，并造成了反馈振幅的变化。锁定机制 会将激光移动到新共振曲线上的另一个频率，直到实现新的平衡为止。
在光学腔内，设置气体室106，以包含要检查的气体样本。可替代地， 由气体室106包围光学腔。可任选地，气体室106包括气体入口 107和气 体出口 108，用于允许气体流动穿过气体室106。如果将激光波长调谐到分 子跃迁，即^—EK，就会将在较低能级E,中的一些气体分子激发到较高能 級Ek。通过与其它原子或分子碰撞，这些激发的分子会将其激发能量转移 为碰撞对象的平移、旋转或振动能量。在热平衡时，这引起了热能的增加， 导致了气体室106内温度和压力的局部上升。每一个光脉冲都会引起压力 的增加，其后在下一个脉冲到达前压力会再次减小。这个压力的增加和减 小会产生在截断频率上的声波。在气体室106中间中心处的是换能器109， 例如麦克风，其能够拾取由吸收的光在气体中产生的声波。优选地，换能 器109是晶体振荡器，例如石英音叉，其所具有共振频率能够拾取由吸收 的光在气体中产生的声波。晶体振荡器的使用可以使得声学室变得不必要。
图2a显示了在现有技术检测器中的调制光的光强度(y轴)，其是时间 进程(x轴)的函数。例如在根据Rossi等人的示踪气体检测器中，周期性 地阻塞光束，以便从来自光源的连续波激光束产生光脉冲。结果，调制光 的光强度在两个脉冲之间的时间期间中是O,中断了反馈信号。中断期间不 太容易縮短，因为使用较高截断频率的检测器会需要具有非常小尺寸的声 学室，以致于它是无效的。
图2b显示了根据本发明的一个实施例的调制光的光强度的时间依赖 性。在此，以这样的方式调制光即，使得光强度从不下降到O。在较高与较低强度级之间对光进行调整，该较低强度级基本上大于o。以此方式，从
不中断反馈信号，反馈回路的响应时间可以比现有技术状况中的短得多。
图3显示了两个截断器103，其被设置为与根据本发明的示踪气体检测器100 —起使用。截断器103用于将光束调制为一系列光脉冲。图3中的截断器103是可旋转圆盘，包括具有较低透射系数的第一段301和具有较高透射系数的第二段302。所述较低透射系数基本上高于0。所述较高透射系数高于第一透射系数，并优选地等于l或大致等于l。在操作中，以恒定角速度旋转截断器103，当光束照射在具有较低透射系数的段301上时，光的大部分被阻塞。在截断器103之后，低强度的光束不会激发气体中的许多分子，但为光检测器110提供了足够的光，以提供反馈信号。当光束照射在具有较高透射系数的段302上时，透射光的全部或大部分。在截断器103之后，高强度的光束激发了气体中的许多分子(如果可获得)，这导致热能的增加，结果引起在气体室106中的温度和压力的局部上升。可以借助于使用吸收滤光器或反射滤光器来实现段的透射系数。图3所示的第二实施例使用了具有小孔303和大孔304的阵列的板，以相应地在低等级和高等级之间对强度进行调制。可以使用狭缝来代替孔。可替代地，可以不改变孔或狭缝的尺寸，而是改变孔或狭缝的密度。孔或狭缝的总面积正比于所需的透射。为了在任一调制状态中实现相对恒定的强度，孔或狭缝应比光束直径小得多。如果有必要，可以用光束扩展器加上随后的准直器来实现它。光脉冲的频率及产生的声波取决于截断器103的角速度和圆盘上的段的数量。声光信号的强度正比于在脉冲的高强度级与较暗时间期间中的低强度级之间的差值。可以不使用截断器103，而是使用其它种类的调制器，例如象快门或声光调制器。
图4显示了根据本发明的另一实施例的调制光的光强度的时间依赖性。光强度具有用于光声检测的低频截断成分和用于腔锁定的高频调制。可以通过将激光波长调节到平均波长附近来提供高频调制。可替代地，可以用例如连接到腔镜104a、 104b之一的压电驱动器来调节腔长度。如果激光波长对于腔是锁定的，则通常在腔共振的脉冲波前上扫描激光波长。当激光波长脱离了与腔的共振(不包括激光的小波长调节)，传输的强度改变。随后将反馈信号发送到激光二极管IOI，以修正波长，并将传输带回到预期的
9级别。注意在最大腔传输上，对激光波长的调节通常不会导致传输中的变 化。因此，应刚好在最大传输以下操作腔。当激光强度变化时(由于激光 的不稳定性)，共振峰值的高度变化，并造成了反馈振幅的变化。
图5显示了根据本发明的一个实施例的调制光的波长依赖性。在截断 频率上的光强度的调制导致了如图5所示的较小的波长偏移。在小波长间 隔51上的高频波长调制导致了沿着具有特定振幅52的腔共振的斜坡的强 度调制。当传输从低到高变化时，共振峰值的高度在振幅上增大。结果， 改变了共振曲线的斜率和反馈振幅。由于反馈振幅53必须保持恒定，因此 将反馈信号发送到激光，以改变激光的中心波长来实现相同的反馈振幅。 这会导致较小的波长偏移54。用以下参考图6所述的实施例就不会出现这 个不想要的波长偏移54。
图lb显示了根据本发明的光声示踪气体检测器100的优选实施例。这 个实施例使用了基于偏振的调制器103，这导致了对用于示踪气体分子的光 声激发的偏振波束的调制，但不调制用于反馈的正交偏振的波束。这可以 通过沿着机械截断器的周边设置一系列交替的"p"偏振器和开放的叶片来 实现。由"p"偏振器阻塞"s"波束，而"p"波束不受截断器的任何叶片 的影响，因此具有恒定的振幅。以一个角度来安装激光，使得输出波束包 含"p"和"s"成分。波束随后进入整个气体分析系统，如图la所示，并 由在光学腔下游的偏振波束分离器82分离。随后可以由第一光检测器83 测量传输的"s"偏振波束，以充当给光声信号的参考信号。由第二光检测 器84检测传输的"p"偏振波束，并用电子系统111进行解调，其中其振 幅用于将激光锁定到腔。调制器103的目的是调制用于示踪气体的光声激 发的"s"波束，同时实现用于腔锁定的"p"波束的恒定传输。因为这个恒 定传输，这个实施例不显示出图5所示的实施例所述的波长偏移54，因此
不是非常稳定。
在优选实施例中，检测器包括偏振旋转器81，设置在光源101与光调 制器103之间，用于能够改变具有不同偏振的光强度之间的比率。在稳定 状况下，当反馈不是非常重要时，减小用于反馈回路的光强度，并增大用 于光声检测的光强度。
图6显示了根据包括偏振旋转器81和基于偏振的调制器103的本发明实施例的调制光的光强度的两个时间依赖性。在图6所示的情况下，"s"偏 振成分相对较大。图6a显示了在调制器之后的总光强度("s"和"p"的总 和)。在高强度级与低强度级62之间的相对高的差值61导致了较强的光声 信号。
图6b显示了对于不太稳定状况的在调制器之后的总光强度，例如当检 测器遇到较大震动时(例如当手拿着检测器行走时)。偏振旋转器81旋转 光束的偏振，以便将更多的具有不受调制器影响的偏振的光("p"成分) 发送到调制器。在高强度级与低强度级64之间的差值63现在小得多，但 增大了用于反馈回路的光的强度级64。结果，光声信号会不太强，但腔锁 定反馈回路会执行得好得多。
图7显示了根据包括基于偏振的调制器的本发明实施例的，用于腔下 游的两个不同偏振的调制光的光强度的时间依赖性。可以通过在光学腔后 设置偏振波束分离器82，并提供用于测量具有相应偏振的光的强度的两个 分离的光检测器83、 84，来分别测量这些强度。图7显示了腔下游的两个 偏振的光强度。"s"偏振的波束具有用于光声信号产生的低频调制和用于激 光波长调制的高频成分。"p"偏振的波束仅具有高频波长调制。可以非常 稳定地将"p"偏振的波束锁定到腔，因为不存在如图5所示的实施例中出 现的强度中的大差值。不再存在波长偏移54，因为从光声波束中分离出了 反馈波束。可以简单地通过激光偏振的进一步旋转来调整反馈信号的量。 假设"s"和"p"偏振光到腔的耦合是相等的，其对于轴向对称腔是一种合 理的假设。
注意，光学腔和晶体振荡器的有利结合原则上还可以用不同反馈回路 和/或调制方案在示踪气体检测器中实现。当用晶体振荡器代替麦克风时， 重要的是使用与晶体振荡器的共振频率相匹配的截断频率。
应注意，上述实施例用于说明本发明而不是限制本发明，本领域技术 人员能够设计许多可替换实施例，而不会脱离所附权利要求的范围。在权 利要求中，位于括号中的任何参考标记都不应解释为限制权利要求。动词 "包括"及其变形的使用不排除除了权利要求中所述的之外的其他单元或 步骤的存在。在单元前的冠词"一"不排除多个此类单元的存在。本发明 可以借助于包括几个不同单元的硬件，并且可以借助于适当编程的计算机来实现。在列举了几个装置的权利要求中，这些装置中的几个可以由同一 硬件来实现。在相互不同的从属权利要求中表述了特定措施的起码的事实 并不表示这些措施的组合不能用于产生良好效果。
权利要求
1、一种光声示踪气体检测器(100)，用于检测气体混合物中示踪气体的浓度，所述光声示踪气体检测器(100)包括-光源(101)，用于产生光束，-光调制器(103)，用于将所述光束调制为一系列光脉冲，以便在所述气体混合物中产生声波，所述声波的振幅是所述浓度的测量值，-光学腔(104a，104b)，用于包含所述气体混合物，并用于放大所述光脉冲的光强度，-换能器(109)，用于将所述声波转换为电信号，以及-反馈回路(110，111)，用于对所述光学腔(104a，104b)中的所述光脉冲的光强度的所述放大进行调整，所述反馈回路(110，111)包括光检测器(110)，用于测量所述光脉冲的光强度，特征在于-将所述光调制器(103)设置为在非零的较低强度级与较高强度级之间对所述光束进行调制。
2、如权利要求1所述的光声示踪气体检测器(100)，还包括用于调整 所述较低强度级的高度的装置。
3、如权利要求1所述的光声示踪气体检测器(100)，其中，-将所述光调制器(103)设置为对具有第一偏振的光进行调制，而不对具有第二偏振的光进行调制，并且其中-所述反馈回路(110， 111)包括用于仅将具有所述第二偏振的光提供给所述光检测器(110)的装置(82， 84)。
4、如权利要求3所述的光声示踪气体检测器(100)，还包括偏振旋转 器(81)，其设置在所述光源(101)与所述光调制器(103)之间，用于能 够改变具有所述第一偏振的光的强度与具有所述第二偏振的光的强度之间 的比率。
5、 如权利要求1所述的光声示踪气体检测器(100)，其中，所述光调 制器(103)包括可旋转圆盘，其至少包括具有第一非零透射系数的第一部 分(301)和具有第二透射系数的第二部分(302)，所述第二透射系数高于 所述第一透射系数。
6、 如权利要求1所述的光声示踪气体检测器(100)，其中，所述换能 器(109)是晶体振荡器。
7、 如权利要求3所述的光声示踪气体检测器(100)，其中，所述晶体 振荡器是石英音叉。
全文摘要
提供了一种光声示踪气体检测器(100)，用于检测气体混合物中示踪气体的浓度。检测器(100)包括光源(101)，用于产生光束；以及光调制器(103)，用于将光束调制为一系列光脉冲，以便在气体混合物中产生声波。将光调制器(103)设置为在非零的较低强度级与较高强度级之间对光束进行调制。光学腔(104a，104b)包含气体混合物，并放大光脉冲的光强度。换能器(109)用于将声波转换为电信号。反馈回路(110，111)具有光检测器(110)，用于测量光脉冲的光强度，调整光学腔(104a，104b)中光强度的振幅。
文档编号G02B26/04GK101506644SQ200780031763
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月27日 优先权日2006年8月31日
发明者J·卡尔克曼, M·M·J·W·范赫佩恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司