专利名称：用于采用诱导模式跳跃和平均结果的光散射仪的激光功率输出的控制的制作方法
由于本发明涉及到使用某些种用于光散射测量的激光器，所以下列与这些测量相关的美国专利被本文引用以供参考专利#4,541,719(85年9月17日)，发明名称为《用于表征微观粒子及测量它们对其周围介质的响应的方法和装置》；专利#4,548,500(85年10月22日)，发明名称为《识别或表征微小粒子的方法的装置》；专利#4,693,602(84年11月6日)，发明名称为《测量微小粒子光散射性质的方法和装置》；专利#4,710,025(87年12月1日)，发明名称为《用于表征细小粒子悬浮物的方法》；专利#4,907,884(90年3月13日)，发明名称为《样品监测系统》；专利#5,129,723(92年7月14日)，发明名称为《高性能齐姆色谱仪》；专利#Des 329,821(89年2月21日)，发明名称为《用光散射法测量液体悬浮物中的细微粒子的装置》。
仔细测量从溶液中的分子以及从溶液中的细小粒子散射出的光是一种简便的和通用的实验室技术，用于测定它们的各种物理特征，例如对于分子来说是它的分子量和尺寸，对于粒子来说是它的尺寸和结构。如果与各种色谱分离装置和浓度检测器组合起来，这样的光散射测量法还可以推导出这些量的微分分布曲线。有关光散射测量、对它们的性能的要求以及可能导出的结果的详细研究见以上所引用的Wy-att的评论文章。由于实验室的空间有限并且费用昂贵，所以紧凑的装置设计是有利的，对紧凑设计的需要利用了比较大的气体激光源更为理想的极小的半导体二极管激光源。然而，半导体二极管激光器还存在若干为了实际应用于光散射仪和检测器所必须解决的问题。
在这些问题中，包括由于模式跳跃(mode—hopping)而出现的功率值的骤然变化。激光器运行条件的小变化由于主振荡由一种模式转变为另一种模式可以使激光器的运行功率发生骤然变化。这一效应可以由温度、驱动电流或反射返回激光器的光的细小变化而产生。反射光的变化是光散射测量原有的部分，因为放入样品使额外的光被散射而返回激光器，并且溶液析光率的变化也改变了散射光的相位。额外的光可以从激光束进出样品池的一些部位被反射到激光器中。防止这种散射的和反射的光与激光器相互作用需要价格昂贵的附加构件。对于极其复杂的样品保持构件(例如在美国专利4,616,927中所描述的流动池)来说，垂直于入射激光束设置的大量平行表面使得完全取消反向反射构件几乎是不可能的。当温度和驱动电流处在模式变换的临界点时，反射光的能级和相位的一些小的随机变化就可以引起激光器功率迅速地上下波动百分之几。
利用光散射仪，或更为常见是利用光散射光度计，被测量的主要的物理性质是入射到单位面积的样品上的光的功率与单位立体弧度的样品散射的光的功率之比。如果激光源十分稳定，那么，作为校正操作，入射光功率只需测量一次。不幸的是激光器的功率趋于随温度、反射光、驱动电流和时间变化。处理激光器功率变化的简便的方法就是分离出部分激光束并借助一个光检测器用这部分激光束监测该激光器的功率。这样产生的激光监测信号或者通过为调整驱动电流的电路提供反馈可以用来稳定该激光器的功率，或者可以用来在对所测得的数据进行数学处理的过程中使散射光信号规范化。不论哪种情况，其作用都是利用激光监测信号分割散射光信号。然而，这两种方法仍然都可以产生小的误差。激光器模式跳跃可能发生得非常迅速，导至激光器功率在短时间出现变化，直到监测器反馈信号和控制电路能够将驱动电流调整到恢复到合乎要求的功率状态为止。如果信号变化太快以至于监测器的检测跟随不上，那么在测量散射光信号和激光监测信号中缺乏瞬时性和信号平均对称性同样会导致明显的误差。误差的另一个来源是激光束可能包括一种以上空时的和时间的分量或者小激光束(beamlet)。该激光监测器可能响应这些小激光束的不同的组合而不响应的光散射检测器，这样，就使该监测器不能精确地跟踪一个与散射信号成比例的信号。由于所有这些原因，最好避免这些由于模式跳跃而引起的突然的、通常是高频率的激光功率变化。
在光学或通信信号应用中，二极管激光器的模式跳跃噪声呈现极高的频率并且业已成为许多研究报告和若干专利的主题。这种频率极高的噪声在通信应用中尤其令人忧虑，这是因为它出现在与所希望的通信信号本身的频率差不多的频率。因为光散射测量通常是在极低频率下进行，所以仅仅需要对平均散射检测信号和平均检测信号做精确跟踪。利用2.5GHz驱动电流调制来降低高频模式跳跃噪声这一内容在前面所引的J.Vanderwall和J.Blackburn的参考文献中报导过。如前面所引用的那样，利用100MHz以上频率的驱动调制降低视频磁盘系统中的噪声由Hitachi公司的工程师M.Ojima和S.Yonezawa做过报导，IBM公司的工程师K.Stubkjaer和M.Small报导过使用50—200MHz调制降低噪声。另外，所引用的Ojima等的著作使用了在200MHz—1GHz的频率下的调制。在所引用的E.Gage和S.Beckens的著作中，用于降低高频噪声的最佳调制驱动频率涉及到被反射返回激光器的光的延迟时间。曾研究过100—450MHz调制驱动频率。此外，这些研究使用过极高水平的调制，在部分调制周期，将驱动电流精确地控制在阈值以下，并且大概还要在该期间切断相干发射。
在所引用的授权给Hitachi、发明人为Ryoichi Ito、题为《用于直接调制半导体激光器的方法和装置》的美国专利3,815,045(1974)中，描述了利用一个经过调制的驱动电流使一个半导体激光器在两个空间性质不同的模式之间变换的情况，这导致了通过用光学方法只选择空间模式中的一个对输出激光束进行高频调制。这种方法不能用于光散射光度计，原因在于光散射光度计需要稳定的光束，而不是调制光束。用于光散射仪的最令人满意的激光器是按照唯一的一个空间模式工作，以确保一条经过校直的光束。若按照Ito所述的其他空间模式工作就会使杂散光问题加剧。
日本专利申请SHO 59 9086和它的相应的德国专利申请DE 41 33 772A1(1992年5月21日)(发明人为M.K.hno和J.Itami，授权给Mitsubishi公司)描述了一个特别紧凑的磁盘阅读检测器结构，按照这种结构，反射光引起的噪声通过在500—600MHz频率下的调制被最大限度地降低了。选择最佳频率是根据激光源与该磁盘的反射区的距离。这种原理不适用于光散射仪是由于以下几个理由第一，使用500MHz的驱动电源不经济并且不方便。第二，由于光散射样品材料通常是沿着或穿过激光束由流体流携带的，因此，没有固定的散射距离，因此也没有单一的最佳高频调制。第三，降低极高频率的噪声在通常使用0.1—10秒信号平均值的光散射仪中并不重要。
重要的是要注意到在所有的已有技术中，降低噪声的方法都集中于激光器输出功率本身，并且不直接利用滤波，对被检测信号取信号平均值或求该信号和激光监测值的数字比值。由于我们所关心的是仅需要测定散射光的入射激光的功率比的整个光散射仪的综合性能，所以可能听任，甚至助长激光器输出的波动，如果这种波动可以有效地跟踪或者在信号检测后可以消除的话。我们解决该问题的办法是改变在该检测系统中信号处理滤波器的通频带以上的模式跳跃噪声和频率。这样，激光驱动调制、匹配信号平均滤波器，以及散射光和入射光的比值是本发明的全部重要部分。
图1示出了稳定方法的方框图，它构成了本发明的优选实施例的一个光散射检测系统的部分。
图2A和2B示出了激光驱动电流的所加电压和所产生的三角波驱动电流的调制。
图3A和3B示出了所述降低噪声的方法对于由温度漂移而引起的激光功率模式跳跃噪声的作用，而图3C和3D示出了该降低噪声的方法对于由从一个光散射样品反射的光所引起的激光功率模式跳跃噪声的作用。
图4示出了在一个用于690nm波长、在20mW峰值功率下工作的固态InGaAIP激光器的电源中激光稳定方法的典型设备的电路图。
本发明的任务是允许将紧凑的固态激光源用于光散射仪。类似的技术也可以用于显示出高频波动的其他类型的激光源，这对于本领域的普通工作人员是显而易见的。传统的光散射仪或光度计在一个或多个角度测量散射光，并且还可以同具有缓慢变化非恒定输出的光源一起使用，这是因为它们通常还利用光束分离器或其他装置监测入射光源的密度。由于重新进行激光器的反射光和/或杂散光所引起的模式跳跃以及由温度变化引起的模式跳跃，激光器，特别是固态二极管激光器的输出有时可能出现快速的密度波动或阶梯式变化，这种变化不可能借助于标准技术充分地加以平均和监测。例如，模式结构的变化不仅能改变激光器的总的输出功率，而且还可以改变激光器监测功率和入射到样品上的功率的比值。这些问题对于在其中散射光微弱的小分子的极稀的溶液尤为严重，并且因为杂散光可以随激光模式的变化而变化，所以要精确地扣除杂散光。通过按照这样一种方式调整激光密度，使得在激光监测器中和在散射光检测器中，所得到的信号可以有效地加以滤波并可以高精度地加以测量，本发明提出了这种观点。通过调制，激光驱动迅速地扫描所有可得到的模式结构，在平均信号中的阶梯式变化就被削除了。而后，就可以对所得到的缓慢的变化进行精确的跟踪并且可以测量散射光与入射光的准确的比例。在一些常有外部透镜的激光器中，可以使用其他的调制形式以改变模式结构，例如移动激光器空腔反光镜或在激光器空腔中进行光学相位调制。
这样，本发明就降低了模式跳跃对被测光散射比的影响。本发明还与试图稳定激光器本身产生的光学信号的已有技术形成对比，即使经调制激光器输出包含有迅速的功率波动，对受调制的激光器输出的电子平均作用也能削除功率电平的剧烈变化并且只保留平均激光器功率的小的、缓慢的、平滑的变化。这种缓慢的漂移的平均激光功率电平利用一个分离激光束监测器测量。光散射信号可以同样地加以平均，以产生一种平滑的、缓慢变化的信号，结果，如果需要光散射测量的话，就可以测量在每一个角监测的散射光信号相对于激光功率信号的比值。
图1示出了在一个光散射光度计中进行的光散射测量的结构，该测量使用了通过图周围绕有一系列经过校正的散射光检测器2的样品池1的一种流体流动。所述的光散射检测器以及以下要说到的用于监测照射光源/激光器的检测器一般是常有线性放大器的混合型光电二极管。从历史上讲，光电倍增管一直是用于此目的的，尽管它们在许多类型的激光二极管所发射的红波长定量效应很差。样品用一个固态激光器3照射，该激光器的受控电流电源4受一个波发生器5的调制。所述固态激光器一般组合有一个光学校直透镜装置，结果，该激光器将产生一个经过校直的输出，一般称为光束10。在本发明的一个优选的实施例中，所述波发生器产生一个三角波。样品池可以具有类似于在美国专利4,616,927中所描述的那种池的设计，尽管其他的类型的池，例如，受到一个固态激光器照射的矩形的或圆筒形的池也可以用于使同同样的激光调制方法的光度计。单独的散射光检测器每一个都带有包括模拟滤波器6的放大器。这样产生的信号由一个单独的数字转换器/包括数字滤波器进行数字化处理，以消除与待测实验条件不相容的较高频率的信号。模拟的和数字的滤波器一般是为了阻挡通过对激光器进行调制而产生的那些频率，同时又能使待测光散射信号的一般的频率通过而选择的低通滤波器。当然，也可以使用一个模拟多路转换器将进行信号模拟的信号切换到数字转换器，以获得同样的最终结果。经过这样处理的数字化信号就可以用一个数字化多路转换器进行多路转换，以便由所述计算机的串联端传输给计算机9。激光束10的一部分由一个光束分离器11引导进入一个带有与其相组合的相似的电子器件6和7的激光监测器12。
由于激光二极管驱动电流是一个用于控制激光功率和防止损坏激光二极管的重要参数，所以常规的设计常常使用电流调节电源，当然，也可以使用诺顿等效电压源和限流电阻器。调制激光器电流并这样对可用的模式状态“采样”的一个方便的方法就是将一个具有周期变化的波形的电压加到电源的参比电压上，结果，激光器电流就随周期波形变化。最好是采用三角波形，这是因为三角波形在每个电流水平(Cur-rent Level)花费同样时间，尽管也可以使用其他的波形，在这个优选的实施例中，要利用信号控制将峰值电流限定在一个对激光二极管安全的值，并且，一种独立的控制允许对调制的程度加以调节。为了最终将模式跳跃噪声滤除得最为理想，可以对调制的深度加以调整。发射激光开始出现的最小驱动电流被称为阈电流。当驱动电流上升到阈水平以上时，激光输出迅速上升。在实际上我们业已发现，高于阈值15％的电流的峰—峰值调制一般就是以获得滤除噪声的效果，尽管电流值最高高于阈值50％也还起作用。例如，具有40mA的二极管，如果在60mA下工作，需要0.15×(60—40)＝3mA峰一峰值调制，以便获得最终的滤波效果。最大的激光二极管驱动电流被限定小于一个会使激光器发生永久性损坏的瞬时峰值。实际上，激光器可以使用非常接近这个瞬时最大值的平均电流来工作。因此，任何调制模式都会涉及到在较低的驱动电流下要花费一定的时间，并且导致较低的平均输出功率。本发明的这个优选的实施例的优点是仅需要15％的调制，因为这样做仅损失极少的平均功率输出。最佳的调制频率在某种程序上取决于那个系统。例如，对于装有一个20mW的InGaAlP激光器(例如在690nm波长按单一转换模式工作的东芝TOLD9140型)的、由怀特技术公司制造的市售mini DAWN系统的具体的光度计构造来说，我们发现调制频率为150Hz是适宜的和有效的。这一频率足够高以使利用该仪器的模一数滤波器得以有效的滤除，并且低得足以有效地对这种纵向模式跳跃采样。从理论上讲，该调制频率应该比被测量的散射光信号的频率大10至1000倍。用于光散射信的激光器输出光束一般是经过线性极化的，尽管这样的极化对于本发明不是主要的。在本发明的一个优选的实施例中，在进行光散射测量时，入射光应该垂直极化(相对于含有散射光检测器的水平面)。
图2A和2B分别示出了在本发明的优选实施例中为调制该激光器的输出功率所使用的外加电压和所产生的激光驱动电流。在一份样品洗提液流入一个光散射检测器的光学流动池的过程中所产生的典型的光散射信号的测量频率的数量级为几个Hz或更小。据此，我们发现，数量级为150Hz的调制频率适合于充分地滤除由模式跳跃产生的激光功率的不规则性。在需要测量较高频率的散射信号的情况，应该相应地提高激光调制频率。如前所述，经验法则指出所选择的调制频率应该比检测频率大1至3个数量级。对于与聚合物样品的液体色谱分离一起进行的典型的光散射测量来说，50至500Hz的频率是足够的。我们已发现，每种类型的激光器/检测结构形式可能需要不同的最佳频率和激光器电流调制幅度。在以下所提供的这些例子之后，光散射仪领域的普通技术人员判断大多数类型的激光源(它们的模式跳跃诱导噪声影响后面的光散射测量)的最佳调制频率和幅度将是件相当容易的事。尽管本发明的最佳实施例包括了激光电流源的三角波调制，可令人满意的其他形式对本领域普通技术人员来说是显而易见的。这些形式包括简单的正弦波、锯齿波及任何其他的能够扫描和借此对所有预期对于输出功率波动有影响的所有的模式进行采样的周期性的或随机波形。
图3A—3D示出了利用优选实施例的三角波调制所收集的实验数据。图3A的标记13的数据显示出通过用一个加热喷头瞬间加热二极管激光器、而后使其冷却所产生的未经调制的激光功率输出。在使用15％的、150Hz调制三角波形激光电流之后，得到了图3B的结果14。应该注意。激光功率中平滑的长时间的变化对于典型的光散射测量来说并不重要，这是因为通过除以光束监测信号散射信号被规范化。完成这样的规范化通常是通过借助了一个模—数转换器使每一个模拟散射信号和激光监测信号数字化、使用一个数字信号处理器对数字数据滤波、将这样的经数字化和滤波处理的值存入一个计算机设备中。而后将每一个这样数字化的散射光信号除以数字化的激光监测信号，借此得到每一个散射光信号的数字化比，这样计算所需要的比值。换句话讲，所述经过滤波的信号比可以利用模拟除法器产生，借助于该模拟除法器，该输出比值信号本身也是一个模拟值。对于本领域普通专业人员说，还会出现这一总的方法的其他变化形式，例如使用激光监测信号调节平均激光功率。当将一窄馏分聚苯乙烯样品注入流过图1所示的光度计系统的溶剂中时，得到了图3C所示的所产生的未加调制的90。散射光信号15，同时还得到图3C所示的相应的输出激光功率16。注意图3C的峰17处的噪声是由于散射光被反射返回激光器而引起的模式跳跃形成的。利用激光调制，相应的平均散射信号在图3D中以数字18标记，激光功率以数字19标记。图3D所示的峰值数据20没有显示出图3C17所示的峰值数据的不规则性。注意未经调制的激光电流的光散射信号已经通过将某些光散射返回激光器和/或通过改变反射光的相位而影响激光功率输出本身。
图4示出了一幅供给用于图1所述的光散射光度计的激光二极管调制电流的一个电路的优选实施例的示意图。电位计21将一个可调节的DC电压传输给一个运算放大器的非反相输入该运算放大器控制一个场效应管28的控制板，该场效应管又控制输往激光二极管29的电流。供给电流控制运算放大器的负反馈是由跨串联电阻器27产生的电压提供的。调制是通过将一个矩形波电压22通过耦合电容器23和可调耦合电阻器24交流耦合到电流控制输出上来产生的。电阻器24和积分电容器25的滤波器作用将矩形输入转换成为更好逼近的所要求的三角波。调制的AC耦合使得可以利用电位器21独立控制平均DC激光电流并且可以利用电阻器24控制调制幅度。
现在，尽管我们业已讨论过用于使本来具有噪声的激光源可以有效地用于光散射仪和测置装置的那些优选的措施，但是以下内容对于本领域普通专业人员来说也是显而易见的，这就是对于我们业已说明过的本发明的优选的实施例来说还有大量可能的变换形式，以及调制形式、幅度和频率方面那些显而易见的变换形式都被包括在本发明的最大限度的范围内。
权利要求
1.一种控制固有由于模式跳跃不稳定性而产生的噪声的激光源的方法，用于光散射测量，包括如下步骤a)在比散射光信号的测量频率大大约10—1000倍的一个频率下并且按照一个小于该激光器的峰值电流水平的最大幅度对激光驱动电流进行调制；b)将如此产生的激光输出光束分离出一部分并用一个光敏监测检测器检测所述分离部分光束以便借此得到所述输出光束功率的相应的测量值；c)使用一个为滤去由于所述调制而产生的功率波动而选择的信号平均过滤器对由所述监测检测器所产生的信号取平均值；d)按照一个或多角度检测受到所述调制过的激光束照射的样品所散射的光并且用一个大致相当于为滤去所述监测检测器的所述功率波动而选择的信号平均滤波器的一个信号平均滤波器对按每一个所述角度对每一个所述检测到的散射光信号取平均值，每一个所述信号平均滤液器滤去由于对所述照射激光的调制而出现的被检测到的散射光的波动。e)将经过所谓平滑处理过的散射光信号除以经过类似平滑处理过的激光监测信号，以便对于被测量的所述角的每一个求出被所述样品散射的光与入射在样品上的光的输出比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述被调制的激光驱动电流的最小幅值大于为抑制激光发射所需要的阈驱动电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光驱动电流调制器的峰—峰调制大约高于阈值15％
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光驱动电流调制是大约150Hz。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光源是固态激光二极管。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述调制是在50—5000Hz之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述被检的激光监测信号和散射光信号经过了数字化处理并且所述输出比是用计算机设备计算的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述输出比是利用所述散射光信号的每一个除以所述激光监测信号的模拟除法得到。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光驱动电流是利用三角波形进行调制的。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光驱动调制器的峰——峰调制不大于阈值电流的50％。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光驱动调制器的调制频率比被测量的散射光信号的带通频率大10—1000倍。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光输出光束经过线性极化处理。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述激光器是在大约690nm的波长上操作。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述检测器是光电二极管。
15.一种用于光散射仪的照射系统，带有一个产生准直光束的激光源，该激光源有用于由于模式跳跃的不稳定性而出现的本征噪声，包括以下部分a)产生所述的容易出现所述模式跳跃不稳定性的准直光束的激光装置；b)可以在大于准备用于测量散射光信号的频率约10—1000倍的频率下以及按小于所述激光器的峰值电流水平的最大幅度调制激光驱动电流；c)用于将这样产生的所述准直激光输出光束分离出一部的装置和用于利用一个光敏监测检测器装置检测所述分离部分，借此产生表征所述输出光束功率的监测信号的装置；d)用于滤除由于对所述准直激光器输出光束进行调制而在所述监测信号中引起的波动的监测信号平均滤波装置，所述信号平均滤波装置大致相当于用于所述光散射仪的信号平均滤波器。
16.根据权利要求15所述的照射系统，其特征在于所述调制装置产生一个大于抑制激光发射所需的阈驱动电流的最小激光驱动电流。
17.根据权利要求15所这的照射系统，其特征在于所述调制装置产生一种对所述激光驱动电流的峰——峰调制，大约是高于阈值15％。
18.根据权利要求15所述的照射系统，其特征在于所述监测信号平均滤波装置包括用于转换所述监测信号的模—数转换装置，用于存储经这样数字化转换的信号以及用于处理和平均所述被存储的、经数字化转换的信号的数字化信号处理装置。
19.根据权利要求15所述的照射系统，其特征在于所述激光装置是固态二极管激光器。
20.根据权利要求15所述的照射系统，其特征在于所述调制装置使用50—5000Hz的频率调制所述激光驱动电流。
21.根据权利要求15所述的照射系统，其特征在于所述光敏监测检测器是光电二极管。
22.根据权利要求15所述的照射系统，其特征在于所述激光驱动电流调制装置调制所述激光驱动电流以产生三角波形。
23.根据权利要求15所述的照射装置，其特征在于所述激光驱动调制器的峰—峰调制的幅度不大于阈值电流的50％。
24.根据权利要求15所述的照射装置，其特征在于所述激光驱动调制器的调制频率比所测量的散射光信号的带通频率大10—1000倍。
25.根据权利要求15所述的照射装置，其特征在于所述激光器产生一个线性极化输出光束。
26.根据权利要求19所述的照射系统，其特征在于所述激光器是在大约690nm的波长工作的。
全文摘要
因为某些种固态激光器结构紧凑，所以将它们安装到光散射仪器中是十分理想的。然而，模式跳跃常常使这样的激光器产生的输出功率不稳定。这种输出功率波动的频率范围通常是如此之宽，以至于输出功率监测装置，其中安装有这种激光器的光散射仪器的特性都不能准确地跟踪这些瞬时输出功率波动，本发明提供了一种理想的方法及有关装置，借助于本发明的方法和装置可以在低频和足以诱导并控制模式跳跃的幅度条件下对激光驱动电流进行调制，以便能精确地测量光散射信号与激光输出功率的比值。
文档编号G05D29/00GK1126853SQ9510104
公开日1996年7月17日 申请日期1995年1月9日 优先权日1995年1月9日
发明者戴维T·菲利浦斯, 加里R·詹尼克 申请人:怀特技术公司