一种基于光腔衰荡光谱技术检测高纯气体中水汽含量的系统的制作方法

本发明涉及光腔衰荡光谱技术领域，特别涉及一种基于光腔衰荡光谱技术检测高纯气体中水汽含量的系统。

背景技术：

在过去20年间，用光学方法来探测衡量气体的含量，已广泛应用于环境监测、医疗诊断、燃烧进程控制和安检等领域。随着半导体产业的进步，超高纯度气体对于半导体集成电路中所追求的越来越小的几何特证具有极其重要的作用。而超高纯度气体中只要有十亿分之几的水汽便可影响半导体单晶的生长质量,而水中的氧气配合物将降低少数载流子寿命,这将会直接影响到元器件寿命。因此检测半导体行业生产过程用气中的水汽便极为重要，本发明提出的一种基于光腔衰荡光谱技术检测高纯气体中水汽含量的系统，有望解决这一问题，利用光腔衰荡光谱技术，能够准确的测量出高纯度气体中的水汽含量。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术难题是提供一种基于光腔衰荡光谱技术检测高纯气体中水汽含量的系统，光腔衰荡光谱技术在检测水汽含量时，必须要使dfb激光器的激光与光学谐振腔实现单模振荡，而且需要较好的数据采集卡采集探测器探测的衰荡信号，与之最后使用电脑的数据处理软件分析探测到的衰荡信号，得到高纯气体中水汽的含量。

为了解决上述的技术难题，本发明采取一种技术方案是：一种基于光腔衰荡光谱技术检测高纯气体中水汽含量的系统，包括dfb激光器控制电源、dfb激光器、光学准直器、光学隔离器、声光调制器、反射镜、匹配透镜、光学谐振腔、压电陶瓷、压电陶瓷控制电源、聚焦透镜、探测器、触发器、数据采集卡、计算机组成；其特征在于：dfb激光器控制电源连接dfb激光器；dfb激光器发射的激光依次穿过光学准直器、光学隔离器、声光调制器、反射镜、匹配透镜、光学谐振腔、压电陶瓷、聚焦透到探测器；压电陶瓷控制电源连接压电陶瓷；探测器分别连接触发器和数据采集卡；触发器再与声光调制器连接；数据采集卡的采集数据传输到计算机上。

进一步，所述dfb激光器控制电源控制输出给dfb激光器的电流及其温度，使dfb激光器稳定输出一定波长的激光；dfb激光器输出的激光经过光纤准直器和光隔离器，使激光以较小发散角传输，也可以阻止反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。

进一步，所述激光通过声光调制器，声光调制器作用是一个“光学开关”，当透过光强达到一定阈值后，自动切断光束，使光学谐振腔内光强开始衰荡，等衰荡完毕后，再把光束复原；激光经过反射镜，再与匹配透镜耦合，激光实现在光学谐振腔中单模振荡，探测器探测到逸出的衰荡信号，当衰荡信号达到预先设定的阈值时，触发器使声光调制器切断光束。

进一步，所述数据采集卡采集探测器探测到的衰荡信号，采集足够长时间后，声光调制器同样切断光束，等待下一次衰荡事件的触发，如此往复。在每一步，约测量数十次衰荡事件，取平均值降低噪音。最后，分析处理所得到的衰荡信号，如图3展示了一个探测器探测到的衰荡曲线以及在其中一个频率点上测量得到的80个衰荡时间，对衰荡曲线按照指数衰减进行拟合，根据此衰荡曲线可以计算出高纯气体中的水汽含量。

本发明的技术效果为：与多种高纯气体水汽浓度检测的方法--化学材料法、电气方法，气相色谱法和光学方法相比，光腔衰荡光谱技术测量准确度和灵敏度高；跟其他光谱技术相比，特别是采用调制技术的光谱，crds技术测得的吸收为绝对吸收强度；而且其探测极限可以达到100pptv，测量误差在5%以内，响应速度快；crds装置简单，易于搭建，不受激光输出功率波动的影响，相对于传统测量方法具有无可比拟的优势和广泛的应用领域。

附图说明

图1：本发明的系统结构示意图。

图2：本发明的激光模式匹配示意图。

图3：本发明的衰荡光谱测量气体吸收系数的曲线图。

附：图中各部件的标记如下：1、dfb激光器控制电源，2、dfb激光器，3、光学准直器，4、光学隔离器，5、声光调制器，6、反射镜，7、匹配透镜，8、光学谐振腔，9、压电陶瓷，10、压电陶瓷控制电源，11、聚焦透镜，12、探测器，13、触发器，14、数据采集卡，15、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1-3，本发明实施例包括：一种基于光腔衰荡光谱技术检测高纯气体中水汽含量的系统，包括dfb激光器控制电源（1）、dfb激光器（2）、光学准直器（3）、光学隔离器（4）、声光调制器（5）、反射镜（6）、匹配透镜（7）、光学谐振腔（8）、压电陶瓷（9）、压电陶瓷控制电源（10）、聚焦透镜（11）、探测器（12）、触发器（13）、数据采集卡（14）、计算机（15）组成；其特征在于：dfb激光器控制电源（1）连接dfb激光器（2）；dfb激光器（2）发射的激光依次穿过光学准直器（3）、光学隔离器（4）、声光调制器（5）、反射镜（6）、匹配透镜（7）、光学谐振腔（8）、压电陶瓷（9）、聚焦透（11）到探测器（12）；压电陶瓷控制电源（10）连接压电陶瓷（9）；探测器（12）分别连接触发器（13）和数据采集卡（14）；触发器（13）再与声光调制器（5）连接；数据采集卡（14）的采集数据传输到计算机（15）上。

dfb激光器控制电源（1）控制输出给dfb激光器（2）的电流及其温度，使dfb激光器（2）稳定输出一定波长的激光；dfb激光器（2）输出的激光经过光纤准直器（3）和光隔离器（4），使激光以较小发散角传输，也可以阻止反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。

激光通过声光调制器（5），声光调制器作用是一个“光学开关”，当透过光强达到一定阈值后，自动切断光束，使光学谐振腔（8）内光强开始衰荡，等衰荡完毕后，再把光束复原；激光经过反射镜（6），再与匹配透镜（7）耦合，激光实现在光学谐振腔（8）中单模振荡，探测器（12）探测到逸出的衰荡信号，当衰荡信号达到预先设定的阈值时，触发器（13）使声光调制器（5）切断光束。

数据采集卡（14）采集探测器（12）探测到的衰荡信号，采集足够长时间后，声光调制器同样切断光束，等待下一次衰荡事件的触发，如此往复。在每一步，约测量数十次衰荡事件，取平均值降低噪音。最后，分析处理所得到的衰荡信号，如图3展示了一个探测器探测到的衰荡曲线以及在其中一个频率点上测量得到的80个衰荡时间，对衰荡曲线按照指数衰减进行拟合，根据此衰荡曲线可以计算出高纯气体中的水汽含量。

本发明的工作原理是：在空腔的条件下，即腔内没有气体分子吸收波长，腔内的激光在两个腔镜之间来回振荡反射，因为腔镜的透射、衍射而逐渐减弱，没有介质的吸收时测量衰荡的时间τ0。其实真正的空腔衰荡时间是指将激光调在光腔内气体分子没有吸收的波长下测量的衰荡时间τ。在实验中我们可以使用纯净的氮气充满衰荡腔测量衰荡时间，采用衰荡时间的优化取的方法，准确调节两衰荡镜片之间的距离和角度，测量空腔条件下的衰荡时间。然后再测量高纯度氮气含有微量水分子的气体在衰荡腔里面的衰荡时间，具体方法是：将含有微量水分子的高纯度气体通过针阀输入到衰荡腔内，当衰荡腔充满含有微量水分子的高纯度的气体时，测量此时的衰荡时间，采用示波器探测衰荡信号曲线，并根据衰荡曲线的指数拟合情况进一步调节衰荡腔。这时，我们可以发现衰荡时间比空腔的衰荡时间有着明显下降的原因，是介质水汽对光的吸收。

在衰荡吸收光谱中，吸收系数是通过测量谐振腔内有吸收介质时的衰荡时间τ和空腔时的衰荡时间τ0的关系得到，如下式：

式中：τ0和τ分别是空腔与腔内含有吸收介质时的衰荡时间，l是腔内介质的单程吸收路径,k(ν)是腔内介质的吸收系数。由k(ν)吸收系数可以很容易得到超高纯度气体中水汽的含量。

经过光在衰荡腔中开始衰减，示波器可以得到光衰荡的吸收光谱。使用软件matlab编程，对光谱进行曲线拟合及分析，将衰荡时间τ作为激光频率v的函数。在一定的波长范围内，测量不同波长所对应的衰荡时间，就可以得到腔内介质的吸收光谱。如图3中曲线1表示衰荡时间τ0表示光强衰荡到原始光强1/e所要的时间，衰荡时间τ表示光强衰荡到原始光强1/e所用的时间。把τ和τ0代入上式，算出介质的吸收系数k(v)，从而易可以得到高纯度气体中水汽的含量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明专利保护范围内。