专利名称：：利用腔内激光光谱技术进行超灵敏度气体检测的采用二极管激光器泵浦的和具有线性腔...的制作方法
技术领域：
：一般来说，本发明涉及对气体中污染物的检测，更具体地说，本发明涉及利用通常称为腔内激光光谱学(ILS)的激光技术对于气体分子、原子、原子团和/或离子的高灵敏度检测。发明
背景技术：
：众所周知，在制备用于微电子工业的高质量半导体材料(例如硅膜)的过程中，必须控制污染物的含量。而且人们也熟知，如果不能成功地控制污染物，由于所得到的产品通常无法用于其应有的用途，结果导致重要资源的损失。一般来说，用于硅膜制造的原材料基本由气体，通常称之为“主体材料”(例如氮气或氩气)或“特殊材料”(例如氯化氢、溴化氢、三氯化硼)构成。设计用于制备半导体材料的制造设备能否正常工作，主要依赖于原材料气体的纯度。但是，存在于用来处理半导体材料的主体气体和特殊气体中的许多分子、原子、原子团和各种离子组分都可以被视为“污染物”。这些污染物能够使制备的半导体材料品质下降或降低制备半导体材料的效率。控制和/或消除这些污染物的第一步是对作为原材料的主体气体和特殊气体进行污染物检测。但是常规的检测方法一般来说是不够的。这主要是由于似乎永远在提高的竞争工业标准所形成的局势造成的。具体地说，由于微电子器件的尺寸在缩小而其性能指标却在增强，因此提高了对于气体纯度(即不含微污染物)的要求。在这种背景下，很显然，以下这些测量技术指标对于检测装置的效能是十分重要的(1)绝对检测灵敏度，通常称之为样品中气体分子总数分比(例如百万分比或每百万背景分子中污染物分子数)；(2)在有其它组分污染物存在的情况下测量一种污染物浓度的组分选择性或能力；(3)得到所需要的信噪比的测量速率；(4)监测非反应气体和反应气体中污染物含量的能力；(5)能够测量的气体浓度的线性和动态范围。现有技术中用于污染物检测(例如水)的装置采用多种测量技术。例如，现有技术中检测水蒸气的装置采用导电率、电化学、大气压离子化质量光谱学、以及直接吸收光谱学)测量技术。但是，这些方法中的每一种都不能满足上述的这些要求。在本发明中，公开了采用激光技术，具体地说就是腔内激光光谱测量(ILS)装置作为检测装置(传感器)，以非常高的灵敏度检测气体组分(污染物)。在这个应用方面，激光技术在气体组分(污染物)检测，特别是水蒸气检测方面比已知的各种方法具有明显的优点。在采用激光技术检测气体组分(污染物)的常规应用中，激光器产生的辐射用于激发激光器外的气体样品以产生次级信号(例如电离或荧光信号)。或者，可以测量激光经过一个气体样品之后的，相对于激光初始强度重整化的强度(即吸收)。直接吸收光谱测量通常是使来自外部光源的光通过样品，并测量由于样品中的分子、原子、原子团和/或离子的吸收所引起的光强的减少。但是，检测灵敏度主要依赖于两个较大数值的差值(从外部光源发出的光通过样品之前的光强度和在它通过样品之后的光强度)。这两个较大数值的差值限制了检测的灵敏度，使得直接吸收方法通常被认为是一种低灵敏度测量技术。大约二十年前，首次发明了另一种检测方法，即腔内激光光谱测量技术，这种方法采用激光器本身作为一个检测装置；例如参见G.Atkinson，A.Laufer，M.Kurylo，“利用腔内染料激光器技术检测自由原子团”，59，化学物理杂志，1973年7月1日。腔内激光光谱测量技术(ILS)结合了常规的吸收光谱测量技术和通常与其它激光技术诸如激光导致的荧光(LIF)和多光子电离(MPI)光谱测量相关的高检测灵敏度的优点。ILS基于与在一个多模式均匀增宽激光器的光谐振腔内存在的气体组分(例如原子、分子、原子团，或离子)的吸收相关的腔内损失。这些腔内吸收损失通过多模式激光器的正常模式动态特性与在激光介质中产生的增益(即增益介质)竞争。传统上，ILS研究主要是使用染料激光器，因为它们的多模式特性满足有效模式竞争所需的条件，并且它们较宽的可调谐度提供了对于多种不同的气体组分的光谱分析途径。特别是，已经利用具有线性的双镜面腔的染料激光器进行了在可见光波长的测量；例如可参见V.M.Baev，J.Eschner，J.Sierks，A.Weiler，和P.E.Toschek，所写的“多模式染料激光器的常规动态特性”，光学通讯，94(1992)436-444；和J.Sierks，V.M.Baev，和P.E.Toschek，所写“多模式染料激光器对于腔内吸收检测灵敏度的提高”，光学通讯，96(1993)81-86。但是，液体染料激光器由于其液态特性和维持物理和光学稳定性的需要而与许多实际应用是不相容的。染料激光器还主要工作在可见光谱区域.许多气体组分的吸收强度，虽然利用ILS技术肯定是可以检测的，但是在可见光下没有在较低能量的光下(例如在近红外光下)强。所以当利用在红外光区域的吸收跃迁时可以得到较高的检测灵敏度。有些ILS实验是采用多模式、可调谐固体激光介质诸如色心和Ti蓝宝石进行的，例如参见D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，“采用钛蓝宝石激光器的腔内吸收光谱测量”，光学通讯，77，(1990)，385-89。ILS已经成功地用于在因需要高灵敏度而已预先排除了吸收光谱测量方法的实验条件下检测稳定的和不稳定的气体组分。例如，ILS已经被用于检测在诸如低温冷冻室、等离子体放电管、光解和热解反应室以及超音速膨胀气流等环境中的气体样品。ILS还用于通过分析吸收线状谱取得定量吸收信息(例如线性吸收强度和碰撞增宽系数)这些应用中的一些在G.Atkinson，“腔内激光光谱学”，SPIEConf.，Soc.Opt.Eng.1637(1992)中给予了介绍。但是，现有技术中实施ILS的方法虽然适合用于实验室设备，但是不适用于商业销售的设备。实现商业化的障碍，如上所简述的，主要是由于要求这种检测装置大小合适、价格相对便宜，并且性能可靠。实验室所用的设备模型不能满足这些要求。在D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，所写的论文“利用多模式Cr4+YAG激光器在1.38-1.55微米光谱区域的腔内激光光谱学”光学通讯，103(1993)370-74中介绍了在实验室中关于使用ILS技术利用Cr4+YAG激光器检测氮气中的少量水蒸气的可能性的研究工作。所使用的试验设备满足工作性能的演示，但是对于实施本发明设想的商业应用是不适用的。在文献中已经提出了将二极管泵浦固体激光器用于ILS中的可用性，但是在现有技术中还没有公开可以实施的一种全固体二极管泵浦腔内光谱仪；例如可参见Gilmore等人(1990)，上文；G.H.Atkinson(1992)，上文；和A.Kachanov，A.Charvat，和F.Stoeckel，“采用电子振动固体激光器的腔内激光光谱测量I.Ti蓝宝石激光器的光谱暂时跃迁行为”JournaloftheOpticalSocietyofAmericaB，11(1994)2412-2421。因此，所需要的是以在商业上具有竞争力的成本提供对使用者来说便利的，即比较简单的检测系统，它具有直接吸收技术的优点，但又显著地提高了检测灵敏度，能够检测反应样品或不反应样品中的气体组分。发明概要根据本发明的各个方面，利用ILS技术光学检测浓度低于一个百万分比(ppm)(106分之一)到低于一个太分比(ppt)(1012分之一)的污染物。其中使用包括一个光学谐振腔和包含在该谐振腔中的一块掺杂离子晶体介质的固体激光器作为检测器。包含气体污染物组分，例如水蒸气，的气体样品被放入掺杂离子激光器的光学共振腔中(在反射表面或镜面之间)活性介质的一侧。这里所介绍的激光介质包括Tm3+，Tb3+YLF和Tm3+YAG，但是其它具有多个纵向和横向共振腔模式的掺杂离子晶体也可以采用。在本发明的各个实施例中，固体激光器可以是一个二极管激光器泵浦的固体激光器，激光器腔可以由一个线性谐振腔组成。可取的是气体检测系统包括一台用于提供启动ILS激光器所需的光学激发的泵浦激光器，一台在所检测的组分发生吸收的波长区域内工作的多模式ILS激光器，一种放入ILS激光器的光学谐振腔中的气体样品(或者使用一个置于光学谐振腔中的气体样品盒，或者用气体样品充满整个腔内光学区域)，一个能够光谱解析所说ILS激光器的输出的波长色散谱仪，一个能够测量所说ILS激光器输出的波长解析强度的检测装置，和一个能够从所说检测装置读取信号并将其转换成可以由计算机或其它数字电路处理的电信号的电路。该气体检测系统还包括一个设计用于周期地中断泵浦激光光束强度以及ILS激光器输出的调制装置。还公开了一种用于检测在一种气体样品中气体组分的存在的方法。该方法包括以下步骤(a)将一台二极管泵浦激光器的输出光束导向包含在一个激光器腔中的掺杂离子晶体，从而从该掺杂离子晶体产生一个输出光束，该光束在从该激光器腔出射之前通过包含在该激光器腔中的气体样品；和(b)在掺杂离子晶体的输出光束从激光器腔出射之后，将该光束导向一个检测器组件，以测定在该气体样品中气体组分的存在和/或浓度。在本发明的一个实施例中，用于检测气体组分的方法包括将泵浦光源的输出光束导向包含在一个线性激光器腔中的一个增益介质(例如一个掺杂离子晶体)的步骤。所用的泵浦激光源可以包括，例如，半导体二极管激光器，掺杂离子晶体激光器(例如Cr4+YAG)、气体激光器、闪光灯、或其它适合用于提供启动ILS激光器的光学激发的光学泵浦装置。附图简介下面结合附图介绍本发明的优选实施例，其中相同的标号表示相同的元件。应当理解，除非专门指出，本说明书中的附图并不是按照实际比例绘制的。图1A和图1B为本发明的污染物检测系统的示意性方框图；图1A表示基本结构，图1B表示在图2所示的实施例中采用的结构；图2为本发明的污染物检测系统的一个优选实施例的更详细的示意性透视图；图3A-3C示意性表示简化的激光器以及从这些装置中得到的光谱输出图(强度对波长)；图4为ILS检测腔的示意性透视图，其中包括在图2中所示的检测腔元件，某些元件是以局部剖开的形式表示的；图5为一个实例的ILS激光器晶体支撑架和用于与图2所示的污染物检测系统相连的热穴的透视图；图6和图7示意性表示本发明的ILS激光器的另一个实施例，其中激光器腔是形成在两个镜面之间的一个线性激光器腔；图8利用激光强度(任意单位)和波长(以纳米为单位)的坐标图表示在1450-1455纳米(nm)波长范围内水的吸收光谱的一个实例；图9为可以用半导体二极管激光器激发的一些掺杂离子晶体的列表和它们各自的调谐范围，以及某些气体组分在1到3微米波长范围内的近红外光谱吸收区域。优选实施例的描述现在详细介绍本发明的最佳实施例，这些实施例表现了发明人实施本发明的最好方式。其它可以应用的实施例也予以简单介绍。如前文简述的，本发明的主题特别适合与半导体器件的制造相结合，因此，本发明的优选实施例将在这方面予以介绍。但是，应当认识到，这些描述并不是对本发明的用途或应用的限制，而仅仅是充分地描述一个优选的实施例。从这方面讲，本发明特别适用于检测污染物。这里使用的污染物一词指的是可能存在于气体材料，如用于制造硅膜的气体材料中，即输入管线中的分子、原子、原子团和离子组分。或者，污染物一词也指气体材料本身，例如当本发明的检测装置用于确定一条管线(例如氯化氢管线)的气体材料是否已被净化。根据本发明的一个优选实施例并参照图1A，气体(污染物)检测系统10包括一个泵浦激光系统A，一个ILS激光器和相应的检测腔B，一个光谱仪C，和一个检测装置以及相应的电路(例如计算机、数字电路等)D。更具体地说，参照图1B和图2，泵浦激光系统A包括一台泵浦激光器100，一套光束成形光学组件200和一套光束调制组件300；激光器和检测腔B相应地包括一套检测腔组件400和一台ILS激光器500；光谱仪C相应地包括一套光谱仪组件600；以及，检测装置D相应地包括一套检测装置组件700和一个计算机系统800。正如本文将要详细描述的，气体检测系统10宜于检测可能包含在气体样品中的气体组分(污染物)。一般来说，比较可取的是，泵浦激光器驱动系统A在阈值处或在接近阈值处(但是大于阈值)泵浦ILS激光器500，并使激光束通过气体样品，从而能够测得气体样品的光谱。这个光谱是采用检测装置/计算机系统D测得的，在控制下，这个系统能够以高灵敏度可靠而准确地确定可能包含在气体样品中的气体组分(污染物)的存在和浓度。参照图3A-3C，它们示意性地表示了腔内激光光谱测量(ILS)的基本原理。按照最简单的形式，激光器可以描述成包含一个在其中产生光学增益的增益介质，和一个由光学元件如镜面构成的谐振腔。在增益介质和构成激光器腔(例如谐振腔)的光学元件中都可能发生光的损失。参照图3A，一台激光器按照其最简单的形式可以示意性地表示为包括一个增益介质1A，在其周围分别设置了镜面2A和3A。镜面2A和3A通常经过涂覆使其表面在宽光谱范围内具有高反射率。例如，镜面2A上的镜面涂层可以全反射的，而镜面3A上的镜面涂层可以是部分反射的，从而允许从激光器腔5中逸出一部分光。在镜面2A和3A的反射表面之间放置增益介质1A的空间区域构成了激光器谐振腔或内腔，在本发明中称其为所谓的“内腔区域”。激光器输出的光强度(I)可以由增益介质1A工作的波长区域(λ)和谐振腔元件(例如镜面2A和3A)的反射率确定。通常这个输出是宽带，没有尖锐、特殊的光谱峰值，如图3A中光谱图3A中光强度I对波长λ的关系图所示。通过选择不同的光学元件构成激光器腔5，可以改变或“调谐”激光器的光谱输出。例如，参照附图3B，一个可调谐谐振腔可以用一个衍射光栅2B取代图3A中所示的全反射镜2A。所以如图所示，激光器包括衍射光栅2B，镜面3B，和设置在其间的增益介质1B。通常，从这种调谐激光器得到的光谱输出是窄带的，并且表现为其波长处于由增益介质1A和镜面2A和3A(图10A)构成的激光器的原始输出的范围内。例如，在光谱图3B中示意性表示的光强度(I)对波长(λ)的关系图就展示了这样一个变窄的输出光谱。通过在光谐振腔(例如内腔)中放入处于基态或激发态的气体分子、原子、原子团、和/或离子也能够改变激光器的输出。参见图3C，这样构成的激光器可以包括一个全反射镜2C，一个部分反射镜3C，以及一个增益介质1C和放置在其间的一个内腔光吸收体4。在这种情况下，内腔光吸收器4可以由某种气体组分构成(例如包含污染物的样品)。内腔气体组分对于激光器输出的影响可以观察到。例如在光谱图3C中表示了这样一种装置的光强度对波长的关系图。光谱图3C表示盛装在内腔光吸收器中的气体组分的吸收光谱。光谱图3所示特殊的吸收特征谱线来源于内腔中气体组分造成的光损失，激光器增益与其中的光损失必然是相互竞争的。因此，内腔组分的吸收光谱会出现在激光器的光谱输出中。特别是，在较强的内腔吸收特征谱线有效地与谐振腔的增益特性竞争的波长处，激光器输出的光强度减弱得更多。结果，如图所示，可以观察到光谱图3C所示的是具有一定结构的激光器输出，而不是如光谱图3A所示的相对平滑连续的输出。如图3C所示，光强度(I)的降低是由于腔内气体组分的吸收造成的，即吸收特征越强，激光输出强度的降低越多。根据本发明，通过采用一个腔内光吸收器的腔内激光测量装置测得的吸收光谱可以用于对某些气体组分的高灵敏度检测。已经发现通过各种气体组分各自的吸收光谱(特征)可以唯一地识别各种气体组分，因此可以可靠地用于识别某些气体组分(污染物)。本发明人已经发现通过采用ILS技术在当激光器系统趋近阈值时自然出现的增益与损失之间的竞争开始之前或在此过程中在激光器谐振腔中放入吸收组分(气体成分)提高了检测灵敏度。考虑到与腔内吸收体相关的光损失变成激光器中增益与损失之间竞争的一部分的事实，即使是由于弱的吸收跃迁和/或特别小的吸收物浓度造成的微弱的吸收在增益/损失竞争过程中也会显著地放大。结果，这种竞争会清楚地出现在ILS信号的输出中(参见光谱图3C)。因此，利用这个原理，可以使用ILS技术检测弱吸收和/或极低的吸收物浓度。ILS检测方法与其它采用激光器的光谱检测方法明显不同。如上所述，用于光谱分析的激光器的输出通常在气体组分中激发，然后监测发生的次级现象。或者，使激光器的输出通过一种气体组分，利用对于激光器输出中选定波长的吸收特征识别气体。在这两种情况下，激光器的工作都是与被测量的气体组分分开并且不受其影响的。但是，利用ILS检测，激光器的工作直接受到气体组分的影响。按照这种方式，ILS激光器500本身即充当了一个检测装置。特别是，ILS激光器500从激光器腔5出射的输出中包含了与气体组分有关的光谱信息。这种工作模式是ILS检测和ILS激光器所特有的。因此，ILS激光器500与常规的激光器明显不同并且具有区别于常规激光器的工作特性。例如，那些产生光损失的吸收组分是有意地放入ILS激光器500的激光器腔5中的。这些吸收组分对ILS激光器500的工作产生影响并改变它的输出。而且，与应用于常规用途中的激光器不同，ILS激光器500在阈值以上但是接近阈值工作(例如在阈值功率的10％范围内)。但是接近阈值工作常常使得ILS激光器500的输出不稳定。因此，可能需要用于稳定ILS激光器500输出的辅助技术。相反，常规的激光器通常工作在阈值之上以使输出值达到最大。但是，使输出值最大并不是ILS激光器500的目的。故而，在ILS检测中可以使用那些不能有效地和/或不能产生高输出功率的激光介质，尽管这些激光介质对于大部分其它激光器来说不是可取的。ILS激光器500的目的不是产生激光，而是监测在激光器腔5中发生的光损失。如上所述，激光器腔内部的模式竞争使得能够以提高的灵敏度检测到在ILS激光器中发生的这类光损失。由于ILS检测相对于常规的光谱分析技术具有提高的灵敏度，来自具有微弱吸收和/或极小吸收物浓度的背景气体的干扰将变得十分明显，即使这种干扰对于其它常规光谱分析技术来说是可以忽略的。运用ILS技术进行气体检测可以使用多种激光器系统实现。(如本文所使用的含义，激光器系统包括ILS激光器500和泵浦激光器100两者)这些激光器系统每个都具有一些对于极高检测灵敏度需要的共同特性。现有技术已经发现三个这样的特性。首先，这些激光系统在发出激光的能量阈值附近表现出多模式工作特性。其二，这些激光系统具有的波宽相对于被监测的气体组分或污染物(即分子、原子、原子团、和/或离子)的吸收特征谱线足够宽。第三，这些激光系统能够保持稳定的强度和波长。应当理解存在许多具有不同物理和光学特性的ILS激光系统满足上述的实现极高检测灵敏度的标准。这些激光系统的不同的物理和光学特性相对于进行ILS测量的实验条件(例如数据采集时间)还各有长处。此外，这些不同的物理和光学特性可能影响到下列因素中的一个或多个(1)能够被检测的气体组分或污染物(即分子、原子、原子团、和/或离子)；(2)能够被测量的各种气体组分的各自的浓度；和(3)能够被检测的样品的实际类型。后者的实例包括样品的总压力、样品大小、和样品所处的环境(例如反应性的与稳定的环境)。在这些基本原理的基础上，在本发明中，本发明人发明了一种具有商业价值的污染物检测系统10，这种系统对于气体样品中的污染物具有提高的检测性能。本发明的污染物检测系统10具有上述的进行极高灵敏度检测所需的各种特性。此外，本发明的ILS激光器系统与现有技术中公开的任何一种ILS激光器系统相比都能制造得更小，更简单和更便宜。现在参照附图1A和图2，并根据本发明的一个优选实施例，一种气体检测系统10可取地包括激光器驱动装置100和其中包括ILS激光器500的一个ILS检测腔组件400。光谱仪组件600和检测装置/计算机系统700、800与ILS500的输出适合地光学耦合，由此对吸收光谱进行相应地控制，使得能够对气体组分(污染物)的存在和/浓度进行高灵敏度检测。为了驱动ILS激光器500，气体检测系统10需要一个输出具有足够能量和处于适合的波长范围内的辐射的泵浦源，从而在其阈值或略大于其阈值点光学激发ILS激光器。在这点上，ILS激光器工作结果使得激光介质中的增益超过总的光损失，是十分重要的，这里所说的光损失包括与增益介质、镜面、和非镜面腔内光学元件有关的光损失，以及在光学谐振腔中的所有气体组分的吸收产生的光损失。此外，可取的是激光器500以多个纵向模式工作，即具有宽的波长范围。通常，产生激光反应所需的带宽在大约2nm与大约15nm之间。虽然ILS激光器也可以在一个以上的横向谐振模式下工作，但这并不需要。根据本发明的一个优选实施例，所说的激光器驱动装置包括一个半导体二极管激光器，由该激光器作为一个光泵浦激光器100。可取的是，泵浦激光器100，即该半导体激光器的光学参数(例如平均功率密度、峰值功率密度、发散直径和光束直径)与ILS激光器500的光学特性要求很好地匹配。正如可以理解的，要做到这一点，需要确定在一定体积内和在距该泵浦激光器100给定距离内经过特定的时间能够产生多少光子。一般来说，根据本发明，是根据已知的理论和量子方程确定这些参数的，从而可以适当地选择泵浦激光器100以使其与ILS激光器500的光学特性很好地匹配。因此，在其工作波长和光学参数的基础上选择一台二极管泵浦激光器100，使得它单独用于激发ILS激光器500。但是，不利的是，如本领域所熟知的，二极管激光器的输出光束是高度反对称的和/或象散的。因此，使二极管激光器的输出光束与包含在ILS激光器500的ILS增益介质的模体积光学匹配是有一定困难的。正如下面将要详细描述的，可以使用光束修正光学系统，诸如光束成形组件200便利二极管激光器泵浦激光器100和ILS激光器500之间的光学匹配。根据本发明的第一个实施例，泵浦激光器100由一个工作波长为λp的二极管激光器构成。(但是，应当理解，驱动器100可以由任何能够激发ILS激光器500的适合的光学泵浦源构成，相干的或不相干的、连续的或脉冲的。)特别是，泵浦源100以常规方式工作，并发射在所需频带和具有所需带宽的辐射。可取的是，从泵浦激光器100发出的光束E具有一个线性偏振分量，并可垂直于传播平面旋转。继续参照附图2，ILS激光器500包括一个由各个镜面501、503、505之间的整个光路长度限定的光谐振腔。但是，在使用系统10检测包含在不与激光器本身的元件(例如，增益介质或晶体、镜面、机械安装件，以及类似部件)发生化学反应的样品中的气体(污染物)的情况下，谐振腔可以由镜面501、503和505之间的区域限定。在这样一种情况下，气体样品区域(即气体样品放置的区域)包括镜面501、503和505之间的区域(除了激光器晶体507)。然而，对于与激光器的一种或多种部件发生化学反应的样品，需要将气体样品区域与这些部件分隔开。根据本发明的一个优选实施例，可以有利地采用一个分隔样品系统400A使样品独立于激光器部件。参照图2和图4，根据本发明的这个优选方面，样品系统400A可取地包括一个气体样品盒406，该容器可取地保持在一个气体样品盒支撑架407上。在气体样品盒406的顶端分别装有容器窗口404和405，以提供光进入容器中样品的通道。窗口404和405还适合地密封盒406。如在下面将要详细讨论的，适宜地设置系统400A的区域是经过象散补偿的。经过象散补偿，窗口404和405不构成“活性”光学元件，即只具有传输功能而不会显著地改变或扰动ILS激光束的输出。一根导入管408和一根导出管409与气体盒406动态联接。参照图4，采用连通器408和409是为了确保提供气体样品进出气体(污染物)样品盒系统404-409的有效通道。因此，本发明的气体检测系统10能够连续监测处于包括高压在内的变化压力下的流动气体。特别是，使用气体样品盒能够使ILS激光器500在测量具有与大气压力或与ILS激光器产生激光所需压力不同(即较高或较低)的压力的气体时能够正常工作。没有这样一个气体样品容器406，在检测具有与调整ILS激光器500所需压力不同的压力的气体样品时难以实现激光的产生。因此，采用气体样品盒406使得ILS激光器500在检测具有超过大气压或压力大于ILS激光器500产生激光所需压力的气体样品时能够稳定工作。或者，气体样品也可以具有小于大气压或压力小于ILS激光器产生激光所需压力(例如当在气体样品容器中存在真空时)。此外，气体样品容器406使得ILS激光器500在检测具有波动压力的气体样品时能够稳定工作。可取的是，容器406由一个大小为10到90毫米的不锈钢或铝制盒体构成。可取的是，容器406具有对称地位于气体样品容器406的中央位置的一个开口。可取的是，将容器406上开口的直径选择为明显大于输入光束的直径，以便容易实现对于气体样品系统400A的光学准直调整。窗口404和405的厚度最好经过选择，以避免可能对利用气体检测系统10得到的ILS吸收光谱的质量产生干扰的干涉效应的发生。根据这一点，用于构成窗404和405的材料最好选择那些使在ILS激光器工作的波长区域，例如1350到1550纳米(nm)范围内吸收损失最小的材料。例如窗口404和405可以用光学材料，如可从ResearchElectroOpticsofBoulder，CO公司购得的InfrasilTM制成。窗404和405可取的是按照布鲁斯特角取向并具有防反射涂层，以进一步减少在窗口表面上的反射损失。具有这种结构，气体样品容器406就可以允许光束H通过要进行分析的气体样品。适当选择连通器408和409，以提供便利的调整条件，例如在不明显改变阈值泵浦条件的情况下，在ILS激光器500中重新改变和/或准直窗口404、405在光路中的位置。在使用系统400A的情况下，谐振腔可取的是由镜面501、503和505(包括激光器晶体507和窗口404、405之间的区域以及构成样品系统400A的窗口404和405本身)之间的物理长度所限定。在系统400A设置在检测腔400中的情况下，完全地除去或消除检测腔400中任何被检测气体(污染物)是十分必要的，因为这样做可以使利用气体检测系统10对包含在系统400A中的气体样品内的那些气体(污染物)的数量和存在进行检测得到的样品的吸收光谱是准确的。根据本发明的一个优选实施例，检测腔400是一个密封容器，既可以从中滤净待检测的气体(污染物)，也可以抽真空排除待检测的气体(污染物)，或者将其中气体(污染物)的含量降低到样品系统400A中待检测气体的含量以下。如下进一步详述的，通过例如抽气，可以实现连续地除去污染物。参照图2和图4，根据本发明的一个优选实施例，ILS检测腔400(除了样品系统400A)可取地包括一个容器底座401和可拆卸的顶盖410。窗口402、403分别以适当方式位于腔体401的壁上相对于其间限定的光谐振腔适当的位置。容器底座401和顶盖410可取的是由不锈钢或铝制成。顶盖410采用任何适宜采用抽真空、滤清和/或进一步排除其中的污染物处理的常规技术固定在腔体401上。例如，垫圈410A或其它适合的结合密封器件的方法(例如机械辅助部件、金属焊封、粘胶，以及没有表示出的类似物)都可以用于此目的。可取的是，在检测装置传送到使用者之前，底座401和顶盖410就以相对防篡改的形式有效地加以密封。为了滤清或抽真空检测腔400，设置了一根用于真空泵浦和/或滤清用的导入管411以及用于真空泵浦和/或滤清的导出管412。在容器的壁401上设置有窗口402、403，从而提供了进出ILS检测腔的光通道。可取的是，窗口402上具有一层防反射(AR)涂层。另一方面，可取的是窗口403为一个不具有防反射涂层的光学窗口。窗口402经过适当设计对于波长为λp的光具有最大的透射率。同样，窗口403经过适当设计，对于在ILS激光器500的工作波长范围的光具有最大的透射率。更具体地说，减少在检测腔400(除了样品系统400A)中的气体到可接受的水平的方法可以包括对带有顶盖410的可密封的容器401进行滤清或抽真空，使得其中气体(污染物)的含量低于样品系统内的气体样品中的待检测气体(污染物)的含量。可以理解，当检测腔中气体浓度(1)与气体样品盒中气体浓度(2)的比值等于谐振腔的长度(1)(即镜面501与镜面505之间的长度)与在气体容器中穿过的ILS激光束的长度(2)的比值时，由检测腔400中气体产生的光损失与气体样品容器中的气体样品产生的光损失将是可比较的。在污染物含水蒸气的情况下，需要将检测腔中水蒸气的含量减少到低于样品中包含的水蒸气的含量。根据本发明，可以得到最高达到10ppt的检测灵敏度。虽然在本发明中可以采用任何已知的或在今后提出的从检测腔400(不包括样品系统400A)中去除污染物(例如水)的方法，但是可取的是，将检测腔400适当密封，并充入惰性气体，如氮气。在某些情况下，可能需要进一步将检测腔400抽真空，从而形成将其中包含的所有污染物都排除的真空环境。此外，在抽真空的同时加热检测腔400也是有用的。如果在连续抽真空的过程中首先加热或“烘烤”检测腔400，然后将其冷却能够达到更高的真空度。根据本发明的另一个方面，在检测腔400中还可以使用一种吸收体(未示出)以进一步清除检测腔中的水分。对于本领域技术人员来说应当理解，可以使用能够连续吸收水分的一种吸收体(例如一种分子海绵)以便将检测腔中水(污染物)的含量降低到在气体样品盒406中待检测的水浓度以下(例如小于10ppt)。可取的是通过将一条气体管线与连通器408、409相连并将气体输入样品系统400A(例如当样品中包含一种腐蚀性气体时)可以使气体样品输送到系统400A中。但是，在样品不与激光器部件发生化学反应的情况下，气体样品区域名义上可以由镜面501、503和505(除了激光晶体507以外)之间的实际区域限定。一种样品适合地通入检测腔400本身(例如当样品是一种非腐蚀性气体时)。如上所简述的，ILS检测装置500适合于以光学方法检测包含在放置于检测腔400中的气体样品中的气体组分(污染物、例如水蒸气)。根据本发明，ILS激光器500包括装载在一个晶体支撑架508上的一块晶体(增益介质)507。晶体507适宜地装载在晶体支撑架508上以使晶体507也相对于入射光束放置在最佳位置。如前所述，利用泵浦激光器100或采用光束成形组件200可以将入射光束适当成形，使得入射光束F与ILS增益介质(例如晶体507)的模体积较好地匹配。通常，ILS激光器500具有适合的结构，使得腔内区域中的激光光束在通过，例如包含在系统400A中的气体样品的区域中基本平行(即经过象散补偿的)。虽然为此目的可以采用各种光学结构，但是已经发现这些镜面结构是特别适用的。这种结构使得可以对ILS激光光束进行准确的象散补偿，进而可以同时满足在产生激光阈值下泵浦ILS激光器500和产生在通过如包含在系统400A中的气体样品时基本平行的激光光束所需的光学条件。根据本发明的这个方面，为了实现这个目的采用了相应镜面501、505和一个折叠式反射镜503。镜面501可取的是由具有防反射涂层、最佳中心波长约为λp的一个光学镜面构成。镜面501也可以具有在ILS激光器500工作的所需光谱区域有效地产生约99.8％到100％反射率的涂层。可取的是镜面501由一个凹面镜构成。例如，镜面501可以具有大约10厘米的曲率半径(ROC)和大约1.0到1.3厘米的直径。可取的是镜面503由一个具有与镜面501相似结构和相似反射涂层的折叠式反射镜构成。可取的是镜面505由一个平面镜(ROC≈∞)构成。参照图2，镜面505的一侧，即朝向镜面503的一侧具有在ILS激光器500产生激光所需的光谱范围的反射涂层。镜面505的另一侧最好没有涂层。可取的是，镜面505的表面加工成彼此之间成大约0.5到3.0度，最好为约1.0度角的若干尖劈形状。本发明人已经发现以这种方式将表面制成尖劈形可以使导致干涉效应的不希望的反射达到最小。安装件502、503和506能够进行机械调整以准直检测腔400中的ILS内腔的光路。通过对镜面501、503和505合适的设计、布置和构造，光束H在镜面503和505之间的区域中是基本平行的(即平行光)。因此，可以将样品系统400A插入腔内区域而不会对ILS激光器500的工作性能产生明显有害的影响。但是，应当理解，ILS激光器500中任何反射表面(例如镜面和窗口)之间的距离必须使得在ILS激光器内不会产生任何干涉效应。如果反射表面之间的距离等于可与ILS激光器晶体507工作波长比较的波长的整数倍就会产生干涉图形。ILS激光器晶体507最好工作在适于检测包含在气体样品中的污染物(例如水蒸气)的一个波长范围内，在这个波长范围内可以得到清晰的吸收光谱。如前面提到的，激光器晶体507通常表现出多模式激光系统的特性。可以理解，激光器晶体507的输出的模间隔需要足够小以准确地体现气体样品的吸收特征谱线。激光器晶体507产生的光可取地具有小于约1吉赫兹(GHz)的模间隔，从而保证吸收带光谱的准确重复。一种特别优选的激光器增益介质由一块以布鲁斯特角切割的晶体507构成以使反射损失最小。目前可用的激光晶体虽然发光效率提高了，但是由它们引起的光损失也很大。这些光损失转变成热。根据本发明，晶体507适合地以能够有效地消散在工作中产生的热量的方式安装。但是，应当理解，随着新的晶体的开发，激光晶体507的发光效率不断提高，对于散热装置的需求将会减少，或者从某种意义上讲，光损失将足够小以使得对散热的要求无需存在。但是，采用目前可以使用的晶体，ILS激光器系统500最好还是包括一个散热系统500A。继续参照图2，并同时参照图5，散热系统500A与支撑架508和晶体507(在图5中未示出)相连接。如在图5中清楚表示的，支撑架508可取的是由适当放置的一个两部分支撑架构成以便在机械上支撑激光晶体507。散热系统500A可取的是包括一个铜散热台座510、一个热电冷却器509、和一个热电传感器511。此外，在检测腔400的壳体401上(见图4)设置了一个电温度控制接口512。带有台座510、冷却器509、和传感器511的支撑架508用于使晶体507相对于ILS激光器500的其它光学元件光学准直，还能够控制晶体的热特性。根据本发明的优选方面，散热系统500A与晶体507直接产生物理接触。由于光束F的光激发引起的、晶体507正常工作所产生的热量通过光束F的光激发被有效地从晶体507导出，从而保持相对恒定的晶体工作温度。特别是，在本发明中，激光晶体507的温度保持恒定，温度误差在大约±1℃°的范围内。可取的是，支撑架508由铜/铝制成，与冷却器509和散热台座510直接相连。可取的是散热底座510包括一个位于检测腔400的壳体401中的铜散热件，以便将产生的过热从晶体507中散掉。传感器511测量支撑架508、冷却器509、底座510和晶体507的温度以保持最佳的工作温度。根据本发明的这一方面，实现了对晶体507的热控制，从而不再需要对气体检测系统10的工作造成不必要的影响和使之复杂化的冷却液体。ILS激光系统500经过适当设置，使得激发晶体507的光束和从镜面503反射的光束之间的夹角()为20°至30°，更可取的是23°到27°，最好为25°。这束光(光束H)是导向样品系统400A的。从ILS激光器500输出的光束G在通过样品系统400A之后被导向光谱仪组件600。如图2所示，通过使用恰当安装在镜面支撑架602中的一个折叠式反射镜601，可以实现这种光束导向。可取的是镜面601由一个其上带有对于ILS激光器500工作的光谱区域具有全反射性的涂层的平面镜构成。继续参照图2，光谱仪组件600包括用于光谱解析一束相干光束，特别是，在所检测的样品中的污染物的吸收光谱的色散光栅。可取的是，光谱仪组件600的光谱色散能力大到以足清楚地解析这些污染物的吸收特征谱线，从而能够识别每种污染物的“特征”和定量测定污染物的浓度。尽管根据本发明，任何已知的或在今后提出的光谱仪都可以被使用，但是可取的是，光谱仪600包括两个衍射光栅组件600A和600B，与一个光束扩展组件600C和一个聚焦透镜组件600D给合在一起工作。可取的是光谱扩展组件600C包括借助于支撑件604和606恰当安装在气体检测系统10中的透镜603和605。可取的是透镜603为一个负透镜，透镜605为一个准直透镜；每个透镜上涂有中心波长在被检测的样品中污染物的吸收光谱内的防反射涂层。衍射光栅组件600A和600B分别包括安装在各个衍射光栅支撑件608和610上的衍射光栅607和609。可以理解，支撑件608和610可以使得衍射光栅607、609在光谱仪组件600中进行调整。透镜611将光谱仪的输出聚焦到多通道阵列检测器701上，可取的是，透镜611也具有中心波长在污染物的吸收光谱范围内的防反射涂层。ILS激光器500工作的光谱区域是由光谱组件600形成的，并且在空间上分布于多通道阵列检测器701在一个安装支架702上安装的平面。一个包含驱动该多通道检测器701和从中读取信息所需的控制和定时电路的电路板703与之相连接。因此，利用气体检测系统10能够得到需要识别的特定污染物的完全光谱色散的吸收光谱。污染物的特定吸收特征谱线的位置和相对强度可以用于唯一地识别检测气体(污染物)以及定量地检测所检测的气体(污染物)的含量。检测器701可以由，例如一个InGaAs多通道(256象素，100微米间隔)阵列检测器构成。可取的是由多通道检测器701检测的光信号在各个检测器元件(象素)中被转换成电信号，其后这些信号由电路板703传输到一个模数转换器(A/D)801中。转换器801通过一个BNC接插件和屏蔽电缆704与电路板相连，从而确保准确地传输信息。数据经过如此转换后，被输入一台计算机802，计算机通过一定程序将电信号转换成光谱信息，即识别一种具体的气体(污染物)和气体(污染物)浓度的光谱特征。现在参见图2，如前所述，当泵浦激光器100使得ILS激光器在其阈值处或在该阈值附近工作时，气体检测系统10检测ILS激光器工作的光谱解析区域。如上所述，半导体二极管激光器的输出光束是高度反对称和/或象散的。因此，由半导体二极管泵浦激光器100产生的、传输到增益介质(即晶体507)的泵浦辐射的体积与必须在ILS激光器500的增益介质中光学激发的体积没有适当地匹配。因而利用光束调整系统200以促进这种体积匹配；即通过将所需的光子密度聚焦在ILS激光器的增益介质的正确位置和体积使传输到ILS激光器500的辐射量最佳。具体地说，利用光束调整系统200改变驱动装置100的泵浦辐射以满足激光器500的要求。为了校正二极管泵浦激光器的输出光束(光束E)的象散、反对称、和发散，可以使用普通的显微镜光学系统和/或微型光学系统，将它们放置在距半导体二极管激光器几个微米的范围内。可以用于调整二极管泵浦激光器100的输出光束(光束E)的形状的显微镜光学系统的例子包括光束扩展望远镜，或者一对合成棱镜。继续参照附图2，在某些应用中，可能需要将入射光束适当地地聚焦到ILS激光器500的激光增益介质(例如掺杂离子的晶体或玻璃)507中。根据本发明的优选方面，可以在激光器透镜支架207中方便地安装一个聚焦透镜206，使得聚焦透镜206位于光束F的光路中适当的位置。根据本发明的特别优选的方面，可取的是，聚焦透镜206包括一个光学聚焦透镜，其上涂有中心波长为λp的防反射涂层。本领域技术人员可以理解，利用气体检测系统10测得的定量信息的质量至少部分依赖于ILS激光器500的稳定操作。在本发明中，激光器500的稳定性主要依赖于如何可重复地使ILS激光器500达到阈值。可以设想，泵浦激光器100在阈值附近连续地泵浦ILS激光器500，在阈值附近可以得到最大的灵敏度。但是，并不是所有的驱动装置都能够连续地稳定工作。此外，连续工作尚需付出相当的努力以维持ILS激光器500的幅值和波长稳定性，但是这可能造成成本提高，因而又削弱了这种气体检测系统10的商业竞争力。作为使ILS激光器500连续工作的另一种方式，并根据本发明的一个优选实施例，ILS激光器以“脉冲模式”或“断续模式”工作。如在本申请中所使用的含义，术语“脉冲模式”和“断续模式”指的是使ILS激光器500(离子掺杂晶体)重复地受到泵浦辐射的照射，从而使ILS激光器反复开关的方式。断续模式相应于使泵浦辐射以固定频率和固定的(常常是对称的)工作循环周期在零强度与一个固定的强度之间变换。相反，脉冲模式相应于使泵浦辐射以可能是变化的、并且通常是不对称的工作循环在零强度与一个非零强度(不需要固定)之间变化。(或者，可以调制泵浦辐射，使得泵浦光束的强度不达到零强度，但是在至少两个使ILS激光器在阈值上下交替变化的强度量值之间变动。)通过以断续模式或脉冲模式工作，可以以保持商业可行性的方式实现ILS激光器500进行定量光谱和浓度测量所需的稳定工作。这种强度调制(例如中断)可以通过使用，尤其是，可机械操作的斩光器、声光调制器、快门，和诸如此类的器件实现。或者，可以调制泵浦激光器100的输出光强度，而不是对输出光束(光束E)另行斩光。特别是，可以调制二极管激光器的电源功率，以交替得到大于或小于使ILS激光器500产生激光的电压。因而，ILS激光器500可以被开启或关闭。虽然根据本发明任何已知的或以后提到的产生断续模式或脉冲模式的方法都可以采用，但是比较有利的是通过使用调制组件300实现这些模式。根据需要，装置300不控制泵浦光束，而是同步地调制从检测腔400出射的ILS激光器输出光束的强度。根据本发明的这一方面，利用一个能够周期地阻挡和通过泵浦激光光束E的调制组件300周期地阻挡光束E进入ILS激光器500。应当理解，调制组件300可以由各种能够周期地阻挡或调制泵浦激光器光束的器件，例如机械的、或电光的器件构成。如前所述，根据本发明，从泵浦激光器100中发出的泵浦辐射的强度只需低于使ILS激光器500达到阈值所需强度，所以不需要达到零值。但是，还应当理解，从泵浦激光器100传送到ILS激光器500中的总的泵浦光能量(即总强度)在每个调制周期中必须保持恒定。在脉冲模式或断续模式下，都可以周期地从包含吸收信息的ILS激光器500的输出中采样。有利的是，在调制器304调制从检测腔400出射的ILS激光器500输出光束的同时，调制泵浦激光器100的输出光束E，从而周期地对ILS激光器的输出采样。调制组件300交替地阻挡到达ILS激光器500的增益介质(例如晶体507)的泵浦光束E，而调制器304交替地阻挡从检测腔400出射的ILS激光光束，使之不进入光谱仪组件600和检测器组件700。从检测腔400出射的ILS激光器输出光被导向调制器304。根据本发明的各个方面，调制器304由一个声光调制器构成。但是，应当理解，其它可以应用的器件，例如其它机械操作的斩光器，或甚至快门也适用于此目的。如上面所讨论的，为了从ILS激光器500的输出光束中取得定量信息，调制器304周期地从ILS激光器输出光束中所包含的包含在具体样品中的污染物(例如气体组分)的吸收数据中采样。(可以理解，还可以不使用调制器304，而是交替开关检测器组件700以周期地从ILS激光器的输出中采样，下面将对此进行更详细的讨论。)虽然调制器的具体形式是可以变化的，但是使用调制能够在ILS激光器500中产生可重复的、有效的光路长度。换句话说，通过改变激光发生时间(tg)，即在ILS激光器500中可以产生腔内模式竞争的时间周期，可以控制和选择内谐振腔中有效吸收路径长度以实现ILS气体检测器10的最佳定量应用方式。可取的是，对于泵浦激光器100的输出光束的调制与调制器件304同步进行，从而能够以按时间分辨的方式从ILS激光器500的输出中获取定量信息。通过使泵浦光束E经过调制组件300，可以有效地将泵浦辐射E周期地传送到ILS激光器500。周期地传送辐射使ILS激光器500交替地位于阈值之上和阈值之下。在发生时间tg之后当ILS激光器500达到其阈值时，ILS激光器500的输出光束被调制器304折射到光谱仪组件600和检测器组件700的入口以进行检测。但是，ILS激光器500的输出光G束仅仅在由调制组件301和调制器件304同步调制所确定的一个很短的时间间隔里被折射到光谱仪组件600和检测器组件700中。调制组件300和调制器件304的同步确保了在一个精确限定的时间间隔(tg)里对ILS激光器500的辐射进行采样。调制组件301和调制器件304的同步可以利用多种常规方法，例如通过与气体检测系统10可操作地连接的计算机802控制的一个数字电路(未示出)的电控制方法来实现。通常，调制组件301和3调制器件04的同步适合于形成小于300到500微秒量级，可取的是小于10到100微秒量级，最好是小于1微秒量级的发生时间(tg)。这种同步使得调制组件300允许泵浦激光器100的输出光束在调制器304关闭时可以不间断地通过。泵浦激光器100的输出没有被调制组件300中断之时与调制器304打开时之间的时间间隔由tg确定。通过使泵浦激光器100的输出脉冲化就可以不使用调制器304而改变发生时间tg。如上所述，脉冲化相当于使泵浦辐射在一个可能变化的工作循环周期中在零强度与一个非零强度值(不需要是一个固定值)之间改变，从而使ILS激光器500交替地在阈值上下变化。由此，ILS激光器500关闭和打开。通过改变泵浦激光器100的工作循环可以改变ILS激光器500发出激光的时间，特别是，泵浦激光器将ILS激光器泵浦到阈值的时间。因此，发生时间(tg)，即在ILS激光器500中可以发生腔内模式竞争的时间周期，发生了变化。在这种情况下，检测器组件700保持连续的工作状态，从检测腔400出射的ILS激光器输出光束可以连续地进入光谱仪组件600和检测器组件。但是，如上所述，在每个调制周期内从泵浦激光器100传送到ILS激光器500的总的泵浦光能量或总的强度必须保持恒定，即使在这个过程中ILS激光器的输出光束发生变化。为了维持恒定的总泵浦光能量，在tg将要改变的每个不同的调制周期中调节泵浦光束的强度值。因此，泵浦光束的强度和泵浦激光器100将ILS激光器500泵浦到阈值的时间都被改变以形成不同的发生时间。利用一个“脉冲发生器”在外部控制泵浦光束的传输可以使泵浦激光器100的输出脉冲化。或者，通过改变供给二极管激光器的电源功率调控二极管泵浦激光器的输出强度。(如上所述，可以调控供给二极管激光器100的电源功率以交替地得到恰好高于或低于使ILS激光器500产生激光的电压的电压值。)因此，本申请已经公开了一种利用气体检测系统10检测在一种气体样品中的污染物的存在和浓度的装置。根据本发明的一个优选实施例，本申请还公开了一种高灵敏度检测方法。这种方法包括下列步骤将样品腔400中的气体(污染物)的含量降低到可接受的水平，将待检测的气体样品放入样品系统400A中，在阈值处或在阈值附近泵浦ILS激光器500，周期地对ILS激光器的输出采样，可取的是借助于调制组件300，利用光谱仪组件600和检测器组件700测量样品中的气体(污染物)的吸收光谱，利用计算机/软件系统800分析吸收光谱以识别气体组分(污染物)并确定其在样品中的浓度。更具体地说，将样品腔400(除了气体样品盒)中的气体(污染物)含量降低到可接受的水平包括将可用顶盖410密封的容器401滤清或抽真空，使得气体(污染物)含量低于气体样品容器中气体样品所包含的气体的含量。如前面所讨论的，其它用于降低气体(污染物)含量的机构也可以采用，只要它们能够将气体(污染物)含量降低到可接受的水平。可取的是，容器底座401用顶盖410密封，并将包含在其中的污染物有效地清除(或减少到可接受的水平)。可取的是，在装置到达使用者之前就采用相对防篡改方式将底座401和顶盖410有效地密封。通过将气体管线与连通器408、409相连，并将气体输入气体样品系统(例如当样品中包含腐蚀性气体时)，或者输入检测腔400本身中(例如当样品中包含非腐蚀性气体时)可以使样品与系统400A保持较好的流通关系。更具体地说，在阈值处或在阈值附近泵浦ILS激光器500包括选择正确的泵浦激光器100的功率、利用光束调整先路系统200和透镜206在激光晶体507上的聚焦条件，以及利用调制系统300的调制条件。根据本发明检测气体组分的方法还包括在阈值处或在阈值附近但是大于阈值处驱动ILS激光器500。根据本发明，驱动装置100适合地泵浦ILS激光器500。在需要的情况下，利用光束成形组件200将泵浦光束E适当成形以满足ILS激光器500的光学要求。此外，在气体检测系统10以脉冲模式或断续模式工作的情况下，如上所述，调制组件，特别是，调制器301可以周期地中断泵浦光束E，从而阻止光束E到达ILS激光器500。从调制器301和光束成形组件200中输出的光束F被适合地导向ILS激光器500。根据这种方法，当光束F从设置在密封容器壁401上的窗口402进入检测腔400时，光束F被导向ILS激光器500。当光束F通过窗口402到达聚焦透镜206时，可以对光束F进行进一步的聚焦和引导，其中聚焦透镜206适合地聚焦光束F并引导其通过镜面501。光束F在阈值处或在阈值附近适合地泵浦晶体507，输出光束被诸如镜面503和505适合地导向气体样品盒406中的气体样品。然后出射光束，其中包含气体(污染物)样品的吸收数据，通过适合地设置在密封容器壁401上的窗口403从气体检测腔400射出。使用调制器304，可取的是与调制器301同步，可以使ILS激光器500在脉冲模式或断续模式下工作，所说调制器对ILS激光器的输出光束周期地采样，并将所得到的经过采样的输出传输到光谱仪组件600和检测器组件700中。或者，可以与调制器304同步地调制供给二极管激光器的电源功率。可取的是，镜面601将经过采样的ILS激光器的输出光束G导向光谱仪组件600和检测器组件700。或者，不使用调制器304，而是可以通过开关检测器组件700对ILS激光器500的输出进行采样。根据本发明用于检测气体样品的方法还包括分析所采样的ILS激光器500的输出光束G。可取的是，光谱仪组件600进行光谱解析，检测器组件700适当地分析从ILS激光器500采样的光束G。光谱仪组件600利用光束扩展组件600C，衍射组件600A、600B和聚焦组件600D将ILS激光器500的输出光束G进行适当的光谱分色。从光谱仪组件600出射的经过光谱解析的ILS吸收数据经过适当的空间分布由多通道检测器701进行检测。可以理解，气体检测系统10和方法可以用于得到在一种腐蚀性气体(如氯化氢)，或者非腐蚀性气体(如氮气)中的污染物，如水蒸气在各个波长区域上的吸收光谱。根据强度与浓度的关系，在得到污染物气体例如水蒸气的特征谱线时，可以容易地得出包含在样品中的污染物的浓度。根据本发明，计算机802可以适当地编程以分析数据，并提供有关包含在样品中的污染物的存在和/或浓度的输出指示。在本发明的气体检测系统10的上述实施例中，ILS激光器500具有一个形成于三个镜面(即镜面501、503和505)的激光器腔，其中镜面503是一个折叠式反射镜。这种三镜面结构的设计目的是为了在镜面503与505之间的区域中提供象散补偿的或基本平行的光束。或者，本发明的气体检测系统10可以由一个包括一个简化的激光器腔的ILS激光器500构成。在本发明的变型实施例中，激光器腔不具有象散补偿功能。相反，激光器腔可以形成在两个镜面之间，从而具有基本线性的结构，这种结构不具有象散补偿的功能。但是，本发明的这个变型实施例所采用的线性激光腔设计能够构成一个更小、更简单的气体检测系统10。所以，本发明的气体检测系统10的这个实施例与上述的实施例相比成本较低，操作也更容易。此外，本发明的这个变型实施例可以根据许多实际用途的需要制作得更加坚固或在机械方面更加稳定。参见附图6，本发明的一种气体检测系统10被图示为包括一个具有激光器腔902的ILS激光器，其中激光器腔902是一个线性激光器腔。“线性激光腔”或“线性激光器谐振腔”指的是与仅仅形成在两个镜面之间的激光器等价的激光腔902。在这种最简单的形式中，线性激光腔由一个形成在第一镜面和第二镜面之间的激光腔902构成。可以理解，可以采用任何数量的辅助平面镜以控制(即改变路径)从第一镜面到第二镜面行进的光束。但是，这些辅助镜面的使用并不改变光束在激光腔902内的形状(在第一镜面与第二镜面之间的距离不改变的前提下)。因此，在激光器的激光腔902中加入辅助平面镜不影响激光器的工作，而仅仅是改变激光器实际构成的方式。所以，形成在第一镜面与第二镜面之间的激光腔902，其间包括辅助平面镜，与仅仅形成在第一镜面与第二镜面之间的激光腔是等价的；去掉辅助平面镜既不改变光束的形状，也不改变激光器的工作方式。但是，采用这种辅助平面镜可以将激光腔902安装到受到空间限制的外壳中。根据本发明的一个方面，ILS激光器500包括一个设置在一个线性的激光器腔902中的掺杂离子晶体507。包含设置在线性激光器腔902中的一块掺杂离子晶体507的ILS激光器500是一种完全新颖的光学设计。可以理解，本发明的基于线性激光器腔902的ILS激光器500比现有技术中的设计需要较少的和较简单的光学元件。在本发明的第二实施例中，泵浦源100可以由一个半导体二极管激光器、一个固体晶体激光器(例如NdYAG)、一个气体激光器、一个或几个闪光灯、或者任何其它工作在适合于泵浦ILS激光器500的波长λp的泵浦源构成。但是可取的是，泵浦源100由一个二极管激光器构成。ILS激光器500中的掺杂离子晶体507可以包括，例如，Tm3+，Tb3+YLF或Tm3+YAG晶体，可取的是，这些晶体在或接近室温下工作。在本发明的实际应用中也可以使用其它适合的掺杂离子晶体507。掺杂离子晶体507可以包括，例如，其它掺杂离子的电子振动激光晶体。适合应用于本发明的ILS激光器500中的掺杂离子晶体507的实例列在表1中。但是，对于本领域中的技术人员来说很显然，其它的掺杂离子晶体507也是可以使用的，只要它们适合于具体的应用。因此，本申请中所公开的、包括列在表1中的这些掺杂离子晶体507并不是穷举。现在参见表1，其中提供了能够被二极管泵浦激光器100光学泵浦的晶体的清单。这些晶体由掺杂有离子的一种主晶体构成。所列举的主晶体包括以下的晶体YAG，钇铝石榴石(Y3Al5O12)；YSO或YOS，原硅酸钇(Y2SiO2)；YSAG，钇钪铝石榴石(Y3Al5O12)；GSGG，钆钪镓石榴石(Gd3Sc2Ga3O12)；YLF，氟化锂钇(LiYF2)；YSGG，钇钪镓石榴石(Y3Sc2Ga3O12)；LUAG，镥铝石榴石(Lu3Al5O12)；CaYSOAP，(CaY4(Si2O3)4O)；CaLaSOAP氧化磷灰石硅酸钙镧(CaLa4(Si2O3)4O)；和玻璃。掺杂离子包括Cr，铬；Tm，铥；Ho，钬；Er，铒。表1中与所列的晶体并列的是对应于泵浦辐射的波长和所得到的晶体输出的总波长。如图6所示，掺杂离子晶体507的一端904上淀积有一层反射涂层。掺杂离子晶体507的另一端906以2°到3°的角度切割以减少干涉效应。(可以设想以布鲁斯特角切割掺杂离子晶体507的端部906，但是，仅仅在掺杂离子晶体足够大的情况下才能适合这种切割。)图6中所示的激光器腔902形成在第一镜面(泵浦镜面)908和第二镜面(输出镜面)910之间。所说的第一镜面908由淀积在掺杂离子晶体507的一端904上的反射涂层构成。所说的第二镜面910由一个曲面的反射镜构成。由于激光器腔902形成在仅仅两个镜面之间，所以它是一个如上所定义的线性腔。掺杂离子晶体507由泵浦光束F泵浦，泵浦光束如图6所示入射到其上淀积有反射涂层的晶体一端904上。因此，掺杂离子晶体507被光学泵浦。掺杂离子晶体507的输出光束(光束H)通过掺杂离子晶体的另一端906从激光器介质中射出，所说的另一端906如上所讨论的以一定角度切割以减少干涉效应。从掺杂离子晶体507出射的输出光束(光束H)穿过激光器腔902延伸到第二镜面910。(可以理解，由于激光器腔902中光束，即光束H的折射，光束在以一定角度，例如大约2°到3°切割的掺杂离子晶体507的端部906会发生微小的弯折，例如大约2°到3°。)表1能够被二极管激光器光泵浦的激光晶体1列表</tables>还可以理解，如图6所示，使用纵向光学泵浦来泵浦ILS激光器500。本申请中所使用的术语“纵向光学泵浦”、“纵向泵浦”和“被纵向泵浦的”都是采用它们在本领域中通常的含义。具体地说，入射到一端904上的泵浦光束F沿着激光器腔902并按照与从掺杂离子晶体507产生的输出光束(光束H)相同方向(或者以与掺杂离子晶体内光束基本相同的方向)传播，所说光束H沿着一条通过激光器腔的轴从第一镜面908照射到第二镜面910。可以理解，掺杂离子晶体507通常具有从一端904到另一端906延伸的一条对称轴。纵向泵浦相当于以平行于掺杂离子晶体507的对称轴的方向进行泵浦。类似地，由沿着激光器腔902和与掺杂离子晶体的通过激光器腔传播到输出镜面910的输出光束(光束H)的基本相同方向(或者沿着与掺杂离子晶体内的光束基本相同方向)传播的泵浦光束泵浦的掺杂离子晶体507被称为沿纵向泵浦的。换一种方式，可以使用横向光学泵浦来泵浦ILS激光器500。本申请中所使用的术语“横向光学泵浦”、“横向泵浦”、和被“横向泵浦的”都是采用它们在本领域中通常的含义。具体地说，掺杂离子晶体507可以由入射到掺杂离子晶体一侧如图6中所示的侧面912上的泵浦光束泵浦。横向光学泵浦指的是泵浦光束，即入射到掺杂离子晶体507中的泵浦激光器100的输出光束，沿垂直于掺杂离子晶体的对称轴方向传播的情况。采用横向光学泵浦，泵浦光束沿着基本垂直于掺杂离子晶体507的输出光束(光束H)的方向传播，所说输出光束沿着通过线性激光器腔902的一条轴从第一镜面908延伸到第二镜面910。特别是，由入射到掺杂离子晶体一侧，例如侧面912上的泵浦光束泵浦的掺杂离子晶体507被称为是被横向泵浦的。类似地，由基本垂直于掺杂离子晶体507的输出光束(光束H)方向传播的泵浦光束泵浦的一个掺杂离子晶体也被称为是被横向泵浦的，其中所说的光束H穿过激光器腔902延伸到输出镜面910。当泵浦源100由一个半导体二极管激光器或一个固体晶体激光器(例如NdYAG)构成使，可以采用纵向泵浦。相反，闪光灯或二极管激光器可以被用于横向泵浦。可以理解，采用横向泵浦时，可以使用一组闪光灯作为泵浦源100，从掺杂离子晶体507的一个以上的侧面进行泵浦。如图6所示，在激光器腔902中设置有一个气体样品盒系统400A。气体样品盒系统400A如图所示由带有导入管408和导出管409的样品盒406构成。如上所述，对于非腐蚀性气体来说，不需要样品盒406，在这种情况下，气体可以包含在整个激光器腔902中。根据本发明，掺杂离子晶体507的光学激发是由泵浦源100完成的。如图6所示，泵浦激光器100可以由半导体二极管激光器914构成，该激光器采用电源916供电，利用热电冷却器918进行冷却。半导体二极管激光器914和热电冷却器918安装在一个散热装置920中以散掉半导体二极管激光器所产生的热量。如上所述，半导体二极管激光器914的输出光束(光束E)是高度反对称和/或象散的。为了校正半导体二极管激光器914的输出光束(光束E)的反对称和/或象散，使用了光束成形组件200。光束成形组件200使得半导体二极管激光器914的输出光束(光束E)能够与包含在ILS激光器500中的ILS增益介质(即掺杂离子晶体507)的模体积光学匹配。图6表示光束成形组件200由显微光学系统构成，该光学系统包括一对合成棱922镜和一对透镜924。或者，可以使用光束扩展望远镜或微光学系统，将它们放置在距半导体二极管激光器914几微米的范围内。可以理解，ILS激光器500能够以连续模式(cw)或者以脉冲模式或断续模式工作。如上所述，斩光相当于使泵浦辐射以固定的频率和固定(通常是对称的)的工作循环在零强度和一个固定强度之间变化。比较起来，脉冲化相当于使泵浦辐射在一个工作循环内在零强度和一个非零强度(这个强度不需要是固定的)变化，所说的工作循环可以是变化的，通常它是反对称的。(或者，可以调制泵浦辐射使得泵浦光束的强度不达到零强度，而是在至少两个使ILS激光器500交替地处于阈值之上和阈值之下的强度值之间交替变化。)如上所述，已经证明脉冲模式和断续模式对于稳定性和检测灵敏度具有优点。可取的是，ILS激光器500在脉冲模式或断续模式或其它经过调制的模式下工作。但是，在某些环境下可以采用连续工作模式。如图7所示，在泵浦激光光束F和掺杂离子晶体507之间可以插入一个机械的或光电的(例如声光的)调制器926。该机械的或光电的调制器926由一个调制器驱动装置928提供能量和控制。在泵浦源100由一个半导体二极管激光器914构成的情况下，可以使从电源916供给半导体二极管激光器的电能脉冲化或经过调制。给半导体二极管激光器914提供交变电压，从而使得半导体二极管激光器的输出在高强度和低强度之间浮动变化。该二极管激光器泵浦源100的输出的高强度和低强度使得掺杂离子晶体507恰好在产生激光所需的阈值之上和阈值之下被光学激发。于是打开和关闭ILS激光器500。图7表示通过待检测的气体组分的ILS激光器500的输出(光束G)被导向光谱仪组件600。但是在到达光谱仪组件600之前，ILS激光器500的输出(光束G)先通过调制器件304。根据本发明的各个方面，调制器件304由一个声光调制器构成。但是应当理解，其它适用的器件，例如其它机械的斩光器或者甚至一个快门都可以适用于此目的。如上所讨论的，为了从ILS激光器500的出射光束中获取定量信息，调制器304从含有包含在具体的样品中的污染物(例如气体组分)的吸收数据的ILS激光器500的输出中周期地采样。比较有利的是，在调制器件304适当地调制从激光器腔出射的ILS激光器500的输出光束的同时，对泵浦激光光束F进行调制，从而对ILS激光器的输出周期地采样。在调制器304交替地遮挡从激光器腔902出射的光束(光束G)的同时，调制器926交替地阻挡泵浦光束F进入ILS激光器500的增益介质(例如晶体507)。可以理解，除了使用调制器304之外，还可以交替地开关检测器组件700以对ILS激光器500的输出周期地采样。对于泵浦源100的输出光束的调制是与调制器件304同步进行的，从而能够以按时间分辨的方式从ILS激光器500的输出中获取定量信息。通过使泵浦光束F通过调制组件300可以有效地将泵浦辐射E周期地传送到ILS激光器500(即掺杂离子晶体)。周期地传送辐射使ILS激光器500交替地位于阈值之上和阈值之下。在发生时间tg之后当ILS激光器500达到或大于其阈值时，ILS激光器500的输出光束被调制器304折射到光谱仪组件600和检测器组件700的入口以进行检测。但是，ILS激光器500的输出光束G仅仅在由调制组件300和304同步调制所确定的一个很短的时间间隔里被折射到光谱仪组件600和检测器组件700中。调制组件300和调制器件304的同步确保了在一个精确限定的时间间隔(tg)里对ILS激光器500的辐射采样。泵浦激光器100的输出没有被调制组件300中断时起到调制器304打开时之间的时间间隔由tg确定。通过使泵浦激光器100(例如半导体二极管激光器)的输出脉冲化就可以不使用调制器304而改变发生时间tg。如上所述，脉冲化相当于使泵浦辐射在一个可能变化的工作循环周期中在零强度与一个非零强度值(不需要是一个固定值)之间改变，从而使ILS激光器500(即掺杂离子晶体)交替地在阈值上下变化。由此，ILS激光器500关闭和打开。通过改变泵浦激光器100的工作循环可以改变ILS激光器500发出激光的时间，特别是，泵浦激光器100将ILS激光器泵浦到阈值的时间间隔。因此，发生时间(tg)，即在ILS激光器500中可以发生腔内模式竞争的时间周期，发生了变化。在这种情况下，检测器组件700保持连续的工作状态，从检测腔400出射的ILS激光器输出光束可以连续地进入光谱仪组件600和检测器组件。但是，如上所述，在每个调制周期内从泵浦激光器100传送到ILS激光器500的总的泵浦光能量或总的强度必须保持恒定，即使在这个过程中ILS激光器的输出光束发生变化。为了维持恒定的总光泵浦能量，在tg将要改变的每个不同的调制周期中调节泵浦光束的强度水平。因此，泵浦光束的强度和二极管泵浦激光器100将ILS激光器500泵浦到阈值的时间都被改变以形成不同的发生时间。利用一个“脉冲发生器”在外部控制泵浦光束的传输可以使泵浦激光器100，例如半导体二极管激光器914，的输出脉冲化。或者，可以通过改变供给半导体二极管激光器914(泵浦源100)的电源功率调控二极管泵浦激光器的输出强度。如上所述，可以调控供给半导体二极管激光器914的电源功率以交替地得到恰好高于或低于使掺杂离子晶体507产生激光的电压的电压值。因此，本发明的气体检测系统10可以具有下列结构中的任何一种，这些结构中的每一种都能够改变发生时间(1)可以用一个外部斩光器(例如调制组件300)遮挡泵浦激光器100的输出，并使检测器700连续地保持工作状态，用一个脉冲发生器(例如调制器304)控制ILS激光器500的输出光束的传输，以便能够周期地采样；(2)可以用一个外部斩光器(例如调制组件300)遮挡泵浦激光器100的输出，并周期地打开和关闭检测器700，以便能够周期地从ILS激光器500的输出中采样；(3)在泵浦源100是一个半导体二极管激光器914的情况下，可以通过改变半导体二极管激光器的电源功率使半导体二极管激光器的输出脉冲化，并使检测器700连续地保持工作状态，利用从使ILS激光器产生激光的半导体二极管激光器输出的脉冲宽度控制ILS激光器500的输出光束与气体组分之间相互作用的持续时间；(4)可以利用一个外部的脉冲发生器(例如调制组件300)使泵浦源100的输出脉冲化，并使检测器700连续地保持工作状态，利用从泵浦源产生的使ILS激光器产生激光的脉冲宽度控制ILS激光器500的输出光束与气体组分之间相互作用的持续时间；(5)在泵浦激光器100是一台半导体二极管激光器914的情况下，可以通过改变供给半导体二极管激光器的电源功率截止半导体二极管激光器的输出，并且可以使检测器700连续地处于工作状态，利用一个脉冲发生器(例如调制器304)控制ILS激光器500的输出向检测器的传输，以便能够周期地采样；和(6)在泵浦激光器100是一台半导体二极管激光器914的情况下，可以通过改变供给二极管激光器的电源功率截止半导体二极管激光器的输出，可以周期地开关检测器700，以便能够周期地对ILS激光器500的输出采样。如图7所示，镜面930和镜面932将光束G导向光谱仪组件600的衍射光栅607和609。透镜603和605用于在光束G入射到衍射光栅607和609之前将其扩展。透镜611将光谱仪组件600的输出聚焦到一个与计算机802相连的多通道阵列检测器701上。光谱仪组件600与多通道(多波长)检测器701结合工作，从而能够测量激光器腔902中的气体组分的光谱特征。或者，可以将通过待检测的气体组分的ILS激光器500的输出(光束G)导向其中具有至少一个色散光学元什(例如衍射光栅607和609)的光谱仪组件600，其中这些元件可以被相对于波长扫描。然后，可以将光谱仪组件600的输出导向一个单通道检测器。当通过光谱仪组件600传输的光通过设置在该单通道检测器前面的一个适合的孔(例如狭缝)时，通过扫描色散光学元件可以得到激光器腔902中气体组分的光谱特征。透过光谱仪组件600的光的强度，即光谱仪组件的输出，当扫描色散光学元件时被记录下来。根据光谱图中找到的吸收特征谱线的强度可以确定气体组分的浓度。可以理解，光谱图中找到的吸收特征谱线必须进行标定。由于腔内激光光谱测量技术具有比现有技术提高的灵敏度，利用本发明的气体检测系统10使得以前不能测量的弱跃迁第一次变为可测量的。在这种情况下，这些弱跃迁可以用于识别光谱特征和确定气体组分的存在。也可以利用该气体检测系统10标定这种弱跃迁，从而能够根据与这些弱跃迁相对应的吸收特征谱线的强度确定气体组分的浓度。根据本发明的一个方面，采用本发明的气体检测系统10记录的水蒸气的吸收数据表示在图8中。水的光谱图是使用包含由Tm3+，Tb3+YLF制成的掺杂离子晶体507的一台ILS激光器500得到的，所说晶体采用一台半导体二极管激光器914光学激发。用于获取吸收数据的气体检测系统10与图7中示意性表示的系统相似，除了没有使用调制器926。而是对半导体二极管激光器914的电源功率进行调制。图8表示了对应于在波长为1450-1455nm之间的光谱区域中水的光谱图的关系图。在1452.5nm和1452.1nm处的水的吸收谱线分别用箭头932和934表示。可以理解，ILS激光器500的输出(光束G)也可以通过一根光纤交替地传输到远处以进行分析。具体地说，光输G可以耦合到一根光纤或一簇光纤束中。从而将通过气体组分的ILS激光器500的输出传送到位于远处的光谱仪组件600中。在适当的条件下，已经证明这种光纤传输不会干扰光谱数据。表2归纳了本发明的气体检测系统的各种结构。每种结构对应于本发明的一个实施例。列于表2中的、可以改变的设计参数包括以下参数(1)调制可以包括斩光器、脉冲发生器、或设置在泵浦源100之外的调制器或对例如作为泵浦源100的一台半导体二极管激光器914的电源功率的调制；(2)气体样品可以限定在一个单独的样品系统400A中，或者可以限定在检测腔(检测室)400中；(3)ILS激光器500的输出可以直接传输到光谱仪组件600，或者通过耦合到光纤中再送入光谱仪组件；和(4)气体组分的光谱图可以利用一个固定波长的光谱仪和一个多通道检测器701，或者利用一个扫描波长光谱仪和仰射单通道检测器测得。表2本发明气体检测系统的各种结构的归纳调制样品盒光学连接光谱仪/检测器无(1)具有密封窗的腔内样品盒或(2)仅有检测室(1)直接或借助镜面引导光束或(2)光纤光学耦合器件(1)固定波长光谱仪和多通道检测器或(2)扫描波长光谱仪和单通道检测器斩光器脉冲发生器或调制器(位于泵浦源与ILS激光器之间)(1)具有密封窗的腔内样品盒或(2)仅有检测室(1)直接或借助镜面引导光束或(2)光纤光学耦合器件(1)固定波长光谱仪和多通道检测器或(2)扫描波长光谱仪和单通道检测器以电调制方式将二极管激光器电源功率调制到大于阈值和低于阈值(1)具有密封窗的腔内样品盒或(2)仅有检测室(1)直接或借助镜面引导光束或(2)光纤光学耦合器件(1)固定波长光谱仪和多通道检测器或(2)扫描波长光谱仪和单通道检测器</tabl>此外，调制器304可以控制ILS激光器500传输到光谱仪组件600和检测器组件700中，也可以开关检测器组件700或检测器，而不是使用调制器304。此外，通过使泵浦源100的输出脉冲化，就可以在不使用调制器304的情况下使检测器组件700保持在连续工作状态。比较有利的是，可以使用二极管激光器泵浦对具有不同成分的各种不同类型的掺杂离子晶体507进行光学激发，例如参见表1。因此，本发明的气体检测系统10可以用于检测在宽变化波长具有吸收特征谱线的多种气体组分(即分子、原子、原子团、和/或离子)。图9列举了一定数量的目前可以利用半导体二极管激光器914光学激发的掺杂离子晶体507，它们各自的可调谐范围在大约1000至3000纳米的波长范围内。所列举的在室温下以连续模式产生激光的掺杂离子晶体507包括以下晶体Yb3+YAG、Cr镁橄榄石、Cr4+YAG、TmTbYLF、ErYb玻璃、Tm3+YAG/YSGG、Tm3+YLF、Er3+YLF。此外，包含CO2MgF2的掺杂离子晶体507在低温冷却时可以以连续模式工作，而包含Cr2+ZnSe的掺杂离子晶体可以在室温下以脉冲模式工作。(可以理解，Cr2+ZnS/ZnSe/ZnTe可能的调谐范围表示在图9中)。图9中还表示了某些气体组分的近红外光谱吸收。(可以理解，对于H2O2、CO、SO2、CH4、和NO吸收光谱的波长范围是计算了谐波的。)因此，图9表示了能够利用一台ILS激光器500检测的气体组分的一些实例，该激光器500包含一个掺杂离子晶体507，该晶体利用一台半导体二极管激光器914光学泵浦。根据本发明的一个方面，可以用作光学泵浦源的半导体二极管激光器914是电动工作的。因此，二极管泵浦激光器100与其它光学泵浦源相比相对较小和紧凑。此外，由于二极管泵浦激光器所需的光学泵浦能量较低，所以ILS激光器500的热控制比现有技术中的气体检测系统10较为容易。而且，与现有技术中的许多气体检测系统10相比，其成本降低，操作简化。比较有利的是，本发明的线性激光器腔902比由三个镜面限定的激光器腔设计包含较少的光学元件。因此，降低了外部腔的复杂性，从而增加了机械稳定性(即牢固度)，而且降低了该气体检测系统10的成本。这种二极管泵浦激光器100和线性激光器腔902的小巧/紧凑的体积使得由此构成的气体检测系统10适合于各种用途。具体地说，本发明包括二极管泵浦激光器100或线性激光器腔902的气体检测系统的紧凑性使之可以用于与气体检测的完全不同的应用中。特别是，使用二极管泵浦激光器光学激发ILS激光器500的气体检测系统10可以应用于半导体制造、工艺控制、环境监测、空气质量和安全鉴定、健康和安全鉴定、核能量生成、以及医学诊断。根据本发明的装置和方法，检测并分析ILS激光器500的输出信号(光束G)以识别气体组分(通过它的光谱特征)和确定它的浓度。本领域的技术人员可以理解，利用本发明可以得到的检测灵敏度一般超过利用现有技术装置可以得到的检测灵敏度。此外，气体检测系统10可以在线使用，随时得到有关包含在气体样品中的污染物的存在和浓度数值的接近实时的测量结果，从而避免了许多与使用现有技术装置相关的缺点。特别是，本发明的方法提供了以在现有技术中不可能达到的检测灵敏度就地快速地检测气体样品中的水蒸气的手段。应当理解，前面的描述涉及本发明的优选实施例，但是本发明并不限于这里所述的具体形式。在不脱离如所附的权利要求书所述的本发明范围的前提下，对于本申请中所提出的各种元件的设计和排列结构可以作出各种改变。此外，气体检测系统10的应用以及ILS气体检测器的位置，例如在半导体制造设备中，可以根据需要加以变化。例如，在ILS检测腔400中各种元件的具体位置以及气体检测系统10本身的具体位置可以改变，只要它们的结构和位置能够以容易重复的方式使ILS激光器被光激发。对于本发明的设计、排列结构、以及应用的现在所知的或今后被本领域技术人员所提出的这些和其它改进都包括在所提出的权利要求书中。权利要求1.一种用于检测在一种气体样品中的气体组分的存在的气体检测系统(10)，它包括(a)一个激光器腔(902)；(b)一块置于其中的、具有两个端部的掺杂离子晶体(507)；(c)位于所说激光器腔(902)外面的一个半导体二极管激光器(914)，其输出可光激发所说的掺杂离子晶体(507)，从而产生一个从所说激光器腔中射出的输出光束；和(d)位于所说激光器腔(902)外的光束成形光学系统(200)，该系统使所说半导体二极管激光器(914)的输出成形；和(e)用于将所说气体样品保持在所说激光器腔(902)中的一个容器(400、406)，所说掺杂离子晶体(507)的输出在从所说激光器腔(902)出射之前首先通过所说的气体样品。2.如权利要求1所述的气体检测系统(10)，其特征在于所说掺杂离子晶体(507)的输出光束在从所说激光器腔(902)出射之后被导向或者(a)以固定波长方式工作的一个光谱仪(600)和一个多通道检测器(701)，或者(b)以扫描波长方式工作的一个光谱仪(600)和一个单通道检测器。3.如权利要求1所述的气体检测系统(10)，其特征在于所说的掺杂离子晶体(507)包括从以下组中选择出的一种激光晶体材料，所说的组包括CrTmHoYAG、Cr4+YSO、Cr4+YAG、Cr4+YSAG、ErGSGG、Er3+YLF、Er3+Yb3+玻璃、Ho3+YSGG、Ho3+Tm3+LuAG、Tm3+Ho3+YLF、Tm3+Ho3+YAG、Tm3+CaY皂、Tm3+YLF、Tm3+Tb3+YLF、Tm3+玻璃、Tm3+CaLa皂、Tm3+YOS、Tm3+YSGG、Tm3+YAG、Yb3+YAG、Cr橄榄石砂、ErYb玻璃、Co2+MgF2、Cr2+ZnSe和Cr2+ZnS/ZnSe/ZnTe。4.一种使用如权利要求1所述的气体检测系统(10)检测在一种气体样品中气体组分的存在的方法，所说方法包括以下步骤(a)将所说二极管泵浦激光器(100)的输出光束导向所说的掺杂离子晶体(507)；和(b)在所说掺杂离子晶体(507)的输出光束从所说激光器腔(902)出射之后将其导向一个检测器组件(700)以测定在所说气体样品中气体组分的存在和/或浓度。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所说的半导体二极管激光器(914)在两个强度值之间周期地转换，从而使得所说掺杂离子晶体(507)的输出光束交替开关。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于利用从以下一组方式中选择的一种技术周期地转换所说半导体二极管激光器(914)的输出，所说的一组方式包括斩光、脉冲化，从而使得所说半导体二极管激光器(914)的输出在可以改变的工作循环中在零强度和一个非零强度之间交替变化，调制，以及改变供给所说半导体二极管激光器(914)的电源功率。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于周期地阻挡从所说激光器腔(902)出射的输出光束进入所说检测器组件(700)，或者周期地开关所说检测器(701)。8.一种用于检测在一种气体样品中的气体组分的存在的气体检测系统(10)，它包括(a)形成在第一镜面(908)与第二镜面(910)之间的一个线性激光器腔(902)；(b)一块设置在所说线性激光器腔(902)中的掺杂离子晶体(507)；(c)位于所说线性激光器腔(902)外面的一个泵浦源(100)，其输出光激发所说的掺杂离子晶体(507)，从而产生一个从所说线性激光器腔(902)中射出的输出光束；和(d)用于将所说气体样品保持在所说线性激光器腔(902)中的一个容器(400、406)，所说掺杂离子晶体(507)的输出在从所说线性激光器腔(902)出射之前首先通过所说的气体样品。9.如权利要求8所述的气体检测系统(10)，其特征在于所说泵浦源(100)是从包含气体激光器、固体晶体激光器、半导体二极管激光器(914)、和至少一个闪光灯的一组中选择的。10.如权利要求9所述的气体检测系统(10)，其特征在于所说的线性激光器腔(902)包括至少一个插在所说的第一镜面(908)和第二镜面(910)之间的、用于光束控制的附加平面镜。11.如权利要求8所述的气体检测系统(10)，其特征在于所说的掺杂离子晶体(507)是纵向泵浦的或横向泵浦的。12.一种使用如权利要求8所述的气体检测系统(10)检测在一种气体样品中气体组分的存在的方法，所说方法包括以下步骤(a)将所说泵浦源(100)的输出光束导向所说的掺杂离子晶体(507)；和(b)在所说掺杂离子晶体(507)的输出光束从所说线性激光器腔(902)出射之后将其导向一个检测器组件(700)以测定在所说气体样品中气体组分的存在和/或浓度。全文摘要利用腔内激光光谱(ILS)技术以光学方式检测浓度低于百万分之一(ppm)和接近太分之一(ppt)的污染物。采用一种光学泵浦的固体激光器(ILS激光器)500作为检测器。该ILS激光器(500)包括一块设置在一个激光器腔(902)中、由一个泵浦源(100)光学泵浦的掺杂离子晶体介质(507)。包含气体污染物组分的样品放置在激光器腔(902)中并在掺杂离子晶体(507)的一侧。检测并分析ILS激光器(500)的输出信号以识别这种气体组分(通过其光谱特征)。利用光谱特征还可以确定气体组分的浓度。在本发明的第一实施例中，ILS激光器(500)包括一块由一台半导体二极管激光器(914)光学泵浦的掺杂离子晶体介质(507)。在第二实施例中，ILS-激光器(500)包括放置在仰射线性激光器腔(902)中的一块掺杂离子晶体介质(507)。使用半导体二极管激光器(914)和/或线性激光器腔(902)能够使ILS激光器(500)与其它结构设计相比具有相对较小和紧凑的结构。气体检测系统的小巧/紧凑结构使之具有广泛的实际用途。文档编号G01N21/27GK1166202SQ96191246公开日1997年11月26日申请日期1996年8月29日优先权日1995年9月1日发明者G·H·艾金森,Y·卡列斯基,J·张,M·海尼曼,E·梅迪扎德,M·沃尔帕丁格申请人:创新激光有限公司