使用波导并采用激光介质作为其自身发射检测器的光谱系统的制作方法
【专利说明】使用波导并采用激光介质作为其自身发射检测器的光谱系统
[0001 ]本申请要求2012年12月21日提交的编号为61/740，569的美国临时申请的权益。
发明领域
[0002]本发明涉及内腔式激光吸收光谱领域。更具体地说，本发明涉及用于监测微量分析物的内腔式激光吸收红外线光谱。
【背景技术】
[0003]能够使用可靠的光谱技术检测微量气相分析物对于不同的行业是有益的，其中包括在国防领域、执法领域、环境领域、食品领域、医疗领域和材料领域中的那些行业。该技术将允许它们在现场检测诸如毒品、爆炸物和/或污染物等违禁品。然而，不幸的是，很少的光谱技术能灵敏到足以检测微量的气相分析物。
[0004]内腔式激光吸收光谱或“ICLAS”是能够完成上述工作的少数光谱技术中的一个。在ICLAS中，测试物质被引入在一个波长范围上震荡的激光器的腔内。如果测试样本包括了吸收该激光发射的波长范围的物质，则该吸收特征对激光光谱的影响是可测量的量。ICLAS是很灵敏的，因为其允许极长的有效路径长度和高的光谱分辨率。
[0005]很多分子在红外线波长区域的特殊波段具有振动的和/或旋转的吸收光谱的特性。该频段的波长范围从约3微米到约12微米，该波段被称为“分子指纹区域”，因为大部分分子的基本旋转/振动吸收波段落入这些波长内。由于每一种分子在指纹区域都显示了独特的吸收光谱，所以其常常被用于定性地识别分子。
[0006]量子级联激光器或“QCL”是用于在红外线波长区域实施ICLAS的可靠激光源，因为它们具有宽增益光谱、宽范围的波长、高输出功率、高占空比和在室温运行的能力。用QCL可容易地获取指纹区域。由于可能采取的长的路径长度和波长，结合QCL与ICLAS技术允许人们获得最大的可能的吸收截面。
[0007]不幸的是，传统的内腔式激光吸收光谱仪并不是没有它们的缺点；换句话说，它们的灵敏度的高低受其所有光学组件配准好坏的影响。
[0008]概述
[0009]在附图和下面对优选的实施方案的详细描述的上下文中，本发明的这些和其它方面、实施方案和特征将会更好地被理解。
[0010]附图简述
[0011]图1是依据本发明的实施方案的红外线光谱系统的示意性说明。
[0012]图2是图1中所示的红外线光谱系统的示意性说明，其中包括光谱仪的附加细节。
[0013]图3是图2中所示的红外线光谱系统的示意性说明，其中包括可选的检测器。
[0014]图4是图3中所示的红外线光谱系统的示意性说明，其中的激光源被安装在热级(thermal stage)上。
[0015]图5是激光器壳体的侧视图，其包括图4所示的热级。
[0016]优选实施方案的详细描述
[0017]在上面的概述和此优选实施方案的详细描述中，参考了本发明的特定特征(包括方法步骤)。当在本发明的特定方面或特定实施方案的上下文中公开特定特征时，该特定特征也可被用于，在可能的范围，结合和/或在本发明的其它特定方面和特定实施方案的上下文中，并且在本发明中通用。
[0018]术语“包括”在本文中用于表示其它特征、要素、步骤等是可选地存在的。当本文参考包括两个或多于两个所定义的步骤的方法时，该步骤可以任意顺序或同时被实施(除非其上下文排除了该可能性)，并且该方法可包括在所定义的任何步骤之前、在两个所定义的步骤之间或在所有所定义的步骤之后实施的一个或多个步骤(除非其上下文排除了该可能性)。
[0019]本发明可以很多不同的形式实施并不应被理解为对本文所描述的实施方案的限制。事实上，这些实施方案的提供是为了使本公开将本发明的优选的实施方案传达给本领域技术人员。
[0020]现在参考图1描述依据本发明的实施方案的红外线光谱系统。系统10包括光谱仪12，其与系统电子设备14电通信，系统电子设备14用于控制光谱仪12以及用于接收由一种或多种分析物对光谱仪12中的辐射的吸收的信号特性。系统电子设备14还包括储存了用于实施系统10的功能的机器可读指令的一种有形的计算机存储元件和用于执行所述指令的一个或多个计算机处理器。
[0021]包括了用于多种化学分析物的光谱数据的化学分析数据库16与系统电子设备14进行数据通信。光谱数据包括分析物的吸收参数(prof ile)。当光谱被光谱仪12记录时，系统电子设备14查询光谱数据库16并确定该光谱是否对应于分析物的吸收参数。这使系统10不仅能检测分析物的存在，也使其能识别它们。化学分析数据库16允许在一定浓度范围内的目标分析物的识别。系统电子设备14利用光谱数据并计算分析物的存在检测的概率。被看作分析物的存在检测的概率水平也在数据库16中被定义。
[0022 ]参考图2，光谱仪12的优选的实施方案包括安装了激光源18的激光器壳体17、空心光纤波导20和样本单元22。光谱仪12被归类为内腔式激光光谱仪，这是因为测试样本被放置在由激光源18和空心光纤波导20限定的激光器腔内。
[0023]在传统的内腔式激光吸收光谱中，人们使用具有高品质因数或“Q因数”的激光器腔，并通过调整其长度来调节该腔。这是特别不利的，因为调整激光器腔的长度引起机械的不稳定性。本发明人的光谱仪通过消除对调整腔的长度的需求克服了这个缺点。这实质上降低了 Q因数，但是低的Q因数却通过提供大的路径长度被平衡，提供大的路径长度通过使激光束穿过由空心光纤波导20形成的连续回路来实现。
[0024]激光源18能够发射红外线光谱的分子指纹区域内的红外辐射。更优选地，激光源18能够发射从约3微米至约4微米的波长范围内的红外辐射。尽管QCL的使用并不旨在进行限制，但由于几个原因，优选的激光源18是QCL;换句话说，QCL发射优选波长范围内的红外辐射并允许不同的红外线波长以高分辨率被区分。激光源18的相对的端面24被覆盖了抗反射涂层以使激光源18自身内部的内反射最小化。
[0025]空心光纤波导20是具有被覆盖了高反射率材料的内表面的空心管。它们通常由玻璃、塑料或蓝宝石制成。内部的涂层优选是诸如金或银的金属。空心光纤波导20具有低至
0.ldB/m的损耗并可被弯曲到期望的半径(radius)。
[0026]当被激活后，激光源18发射光束(箭头)穿过输出端面24。被放置在光束的路径内的一对光学透镜26将光束聚焦进空心光纤波导20中，其将光束导向样本单元22。空心光纤波导20被装有光学透镜30的连接器28机械地连接至样本单元22。
[0027]空心光纤波导20将从端面24中的一个端面离开的激光束在实质上封闭的回路中导向另一个端面24上。这种设计允许激光束连续地通过激光源18介质和样本单元22，从而提供了实质上大的路径长度给激光束以与样本相互作用。
[0028]样本单元22包括外壁34和由空心光纤波导20制成的样本室36。将被测试的样本被放置在样本室36中。样本室36的对端被放置在光学透镜30附近的光学窗38密封。在使用中，光学透镜30同时在光束进入和离开样本单元22时聚焦光束。耦合器40牢固地将连接器28耦合至样本单元22。
[0029]在某些实施方案中，样本室36被抽成真空并随后被装载测试样本。在这些实施方案中，优选的是使样本室36是气密的。为了将一个样本替换为另一个，包括新样本的新样本单元22可被插入。将被测试的气体经由针端口引入样本室36中，针头端口用于允许将包含气体的注射器的针头插入样本室36。
[0030]在其它实施方案中，系统10通过将周围空气的样本栗送进样本室36来实时采样周围环境。在这些实施方案中，优选的是样本室36包括用于将样本引入样本室36的输入端口和用于将样本从样本室36中去除的输出端口。相应地，在这种实施方案中，样本室36可从光谱仪12中去除。
[0031]系统电子设备14提供了激励电压给激光源18，促使其以脉冲或连续波的模式发射红外辐射。当QCL作为激光源18使用时，其以脉冲模