专利名称：基于光纤的腔环降光谱装置的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及吸收光谱法，特别是，涉及如何使用腔环降(ring-down cavity)光谱法中的光纤谐振腔。
背景技术：
现在参照附图，其中同样的参考数字始终代表同样的元件，
图1图示了对数坐标上的电磁波谱。光谱科学研究光谱。与涉及波谱其它部分的学科相比，光学特别地涉及可见光和近可见光——波长从约1mm到约1nm的可用到的波谱中很窄的一部分。近可见光包括比红光更红的颜色(红外线)和比紫光更紫的颜色(紫外线)。这个范围在可见光的两边都延伸了很远，它们仍然能够由大多数采用普通材料制成的透镜和平面镜来处理。往往必须考虑这些材料光学性质的波长相关性。
吸收型光谱法具有高灵敏度、微秒级的反应时间、免受中毒、和来自非研究物质分子的干扰有限的优点。利用吸收光谱法能够检测或者辨别不同的分子种类。因而，吸收光谱法提供了一种检测重要示踪物质的常规方法。当物质为气相时，这个方法的灵敏性和选择性得到了优化，因为这时物质的吸收强度集中在一组锐线光谱上。窄的谱线能够用于从大多数干扰物质中进行辨别。
在很多工业生产过程中，必须高速和高精度地测量并分析流动气流和液体中的示踪物质的浓度。需要进行这种测量和分析是因为污染物的浓度往往是决定最终产品质量的关键所在。例如，将类似N2、O2、H2，Ar和He这样的气体用于制造集成电路，如果这些气体中存在杂质——哪怕是在十亿分率(ppb)级别——都会破坏和减少运算电路的产率。因此，相对高的灵敏度对于半导体工业上使用的高纯度气体的制造者是重要的，在此高灵敏度下，能够对水进行光谱监测。在其它工业应用中必须检测各种杂质。更进一步说，液体中存在杂质时，无论是固有的还是有意放进的，近来都受到了特别关注。
光谱法已经能够对高纯气体进行百万分率(ppm)级别的气态污染物检测。在一些情形中可以达到ppb级别的检测灵敏度。因此，几种光谱法在对例如气体中定量污染物的监测中已经得到应用，这些方法包括传统长路径元件(long pathlength cell)中的吸收测量法，光声光谱法，调频光谱法，和内腔式激光器吸收光谱法。在授权给Lehmann的美国专利5528040中有讨论，这些方法有几个特点，使得该专利在工业应用中很难使用并且不切实际。因此它们仅限于实验室研究。
相反，随着在科学、工业过程控制和大气示踪气体检测中的应用腔环降光谱法(CRDS)已成为一项重要的光谱技术。已经证明，作为一项光学吸收测量技术，CRDS在低吸收状态上优于灵敏度不够的传统方法。CRDS利用高锐度光学谐振腔中的光子的平均寿命来产生其显著的吸收灵敏度。
典型地，谐振腔由一对标称相等的、窄波带、超高反射介质镜形成，适当地配置它们以形成稳定的光学谐振腔。将激光脉冲通过平面镜射入谐振腔内以经历平均寿命，这个平均寿命依赖于光子往返程的穿越时间、谐振腔的长度、吸收截面和物质的数量密度，以及谐振腔固有损耗因子(当衍射损耗可以忽略时，它很大程度由与频率相关的平面镜的反射率产生)。因此，确定光学吸收就由传统的功率比的测定转化为衰减时间的测定。CRDS的极限感度由谐振腔固有损耗大小确定，能够采用例如超级抛光使得该损耗最小化，这种技术可以构造极低损耗的光学元件。
目前，CRDS限于能够使用高反射率介质镜的光谱区。这很大地限制了该方法在紫外和红外的大部分区的使用，因为目前无法得到具有相当高反射率的平面镜。即使在可以采用合适的介质镜的区域，每组平面镜也只允许在小波长范围内操作，典型地为几个百分比的部分范围。此外，构建多个介质镜需要使用可能随时间退化的材料，特别是当其暴露于化学腐蚀性环境中时。因为现有的这些局限性限制或者阻止了CRDS在许多潜在领域的使用，所以很显然需要改进关于谐振腔结构的现有技术。
A.Pipino等人在“Evanescent wave cavity ring-down spectroscopywith a total-intemal reflection minicavity(全内反射微型腔的倏逝波腔环降光谱法)”(Rev.Sci.Instrum.68(8)(Aug.1997))一文中提出了一种改进谐振腔结构的方法。这个方法使用单片、带有至少一个凸面的规则多边形(例如正方形或者八角形)的全内反射(TIR)环形谐振腔，从而产生稳定性。位于谐振腔外面且邻近谐振腔的第一棱镜对脉冲光进行全内反射，产生倏逝波，倏逝波进入谐振腔并通过光子隧道效应激发谐振腔的稳定模式。当光以大于临界角的角度入射到传播介质折射率较低的表面，光被完全反射(J.D.Jackson的“Classical Electrodynamics(经典电动力学)”第七章(John Wiley和Sons，Inc.NewYork，NY(1962)))。可是，在超出反射点之外存在一个场，它是非传播的并且随离开界面的距离按指数衰减。这个倏逝场在纯电介质中不携载功率，但是反射波的衰减使得可以观察到在倏逝场区域内吸收物质的存在(F.M.Mirabella(编著)，”Internal Reflection Spectroscopy(内反射光谱学)”第二章，Marcel Dekker，Inc.New York，NY(1993))。
由单片谐振腔中光子的平均寿命可以获得位于谐振腔全反射表面的物质的吸收光谱，这是通过与第二棱镜(也是位于谐振腔的外面且邻近谐振腔的一个全反射棱镜)耦合(out coupling)从检测器接收到的信号的时间依赖性中提取的。因而，通过光子隧道效应光辐射进入并离开谐振腔，这使得可以精确地控制输入耦合和输出耦合。CRDS小型谐振腔的实现以及TIR环谐振腔将CRDS的概念扩展到凝聚态物质光谱学。TIR的宽带性质突破了由介质镜导致的传统的气相CRDS中的窄带限制。A.Pipino等人的工作仅仅适用于TIR光谱学，其本质上仅限于短的整体吸收路径和由此导致的大吸收强度。与此相反，本发明具有长的吸收路径，并因此可以对微弱的吸收强度进行检测。
授予Lehmann等人的美国专利5973864，6097555，6172823B1和6172824B1公开了各种新颖的、基于平面镜的CRDS系统的方法，这里作为参考引入。这些方法介绍了如何使用由两个反射元件或者棱镜元件形成的近似共焦谐振腔。
图2示出一个现有技术中的CRDS装置10。如图2所示，光从窄波带、可调、连续波激光二极管20中产生。通过温度控制器30调节激光器20的温度，以将波长设置在想要的分析物谱线上。隔离器40放在激光器20发出的辐射前面并与这个辐射对齐。隔离器40提供单向传输路径，即允许辐射远离激光器20传播但是防止辐射反向传播。单模光纤耦合器(F.C.)50将激光器20发出的光耦合到光纤48中。光纤耦合器50放在隔离器40的前面并与这个隔离器40对齐。光纤耦合器50容纳并固定光纤48，并将激光器20发出的辐射引导到第一透镜46并穿过该透镜。第一透镜46将辐射集中并聚焦。因为激光器20发出的光束的图案和光纤48中传播的光的图案并不理想地匹配，所以不可避免地存在失配损耗。
将激光辐射近似地模匹配到腔环降(RDC)单元60中。反射镜52将辐射向着分束器54引导。分束器54将大约90％的辐射引导通过第二透镜56。第二透镜56将辐射集中并聚焦到单元60中。剩余的辐射穿过分束器54并由反射镜58引导进分析物参考单元90中。
将传输通过分析物参考单元90的辐射导向并穿过第四透镜92。第四透镜92排列于分析物参考单元90和第二光电检测器94(PD2)之间。光电检测器94向计算机和控制电子仪器100提供输入。
单元60由两个强反射镜62、64构成，这两个反射镜沿着轴a对准而形成近似共焦标准具。平面镜62，64构成了单元60的输入和输出窗。待测气体样本流过和单元60的光轴a共轴的细管66。反射镜62、64设置在由真空密闭膜盒密封的可调突缘或者装配台上，以使得可以对单元60进行光学对准调节。
反射镜62、64具有高反射率介质涂层，并且定向为使其介质涂层朝向单元60形成的腔的内侧。一小部分激光穿过前平面镜62后进入单元60，并在单元60腔内往复反射。将通过单元60的后反射镜64(反射器)传播的光导向并穿过第三透镜68，依次在第一光电检测器70(PD1)上成像。每个光电检测器70、94将输入的光束转换为电流，从而向计算机和控制电子仪器100提供输入信号。输入信号表示着腔环降的衰减率。
图3图示了现有技术中CRDS谐振腔100内部的光路。如图3所示，CRDS谐振腔100是以使用两个布儒斯特(Brewster)角回射器棱镜50、52为基础。示出了相对于棱镜50的偏离角即布儒斯特角ΘB。图中示出入射光12和出射光14分别作为棱镜52的输入和输出。谐振光束在每个棱镜50、52中以大约45度角经过两次没有损失的全内反射，这个角度比熔融石英和其它多数普通光学棱镜材料的临界角更大。光沿着光轴54在棱镜50和52之间传播。
和其它光谱法相比较，尽管腔环降光谱法实施起来更为简单并且花费更少，但是它仍然费用昂贵，每个腔环降光谱系统的花费在好几千元(dollar)数量级。另外，传统的CRDS设备的光学元件在制造和使用时容易出现各元件之间的失调。
为了克服已知方法的缺点以改进谐振腔结构，提供了一个新的基于光纤的、用于CRDS的光学谐振腔。本发明的一个目的是取代传统的介质镜或者棱镜回射器，提供一个耐用且低成本的谐振腔。
发明概述为了达到这个以及其它目的，且考虑到它的用途，本发明提供了一个用于检测和测量气体样品中示踪物质的改进了的装置。该装置包括无源光缆，它的一部分暴露于气体样品或者液体样品中；相干辐射源；耦合器，用于i)将相干光源发出的一部分辐射导入该无源光纤环并且ii)接收被导入无源光纤环中的一部分辐射；检测器，用于检测耦合装置接收的辐射级别并产生响应信号；连接到耦合装置的处理器，它根据检测器产生的信号来确定气体样品或者液体样品中示踪物质的级别。
依照本发明另一个方面，示踪物质的级别是基于检测器装置产生的信号的衰减率来确定。
依照本发明的又一个方面，将一个过滤器设置在耦合装置和检测器之间，以选择性地使来自无源光纤环的、接收到的辐射部分通过检测器。
依照本发明的又一个方面，该耦合器包括i)第一耦合器，用于将相干光源发出的一部分辐射导入光纤环的第一段，以及ii)第二耦合器，用于接收无源光纤环第二段中的一部分辐射。
依照本发明的又一个方面，光纤的暴露部分是光纤的包层。
依照本发明的又一个方面，光纤的暴露部分是光纤的内芯。
依照本发明的又一个方面，相干光源是光学参量发生器、光学参量放大器，或者激光器。
依照本发明的又一个方面，将在光纤中传播的辐射的倏逝场暴露于气体样品或者液体样品中。
依照本发明的又一个方面，从光纤的辐射的吸收增加了辐射的衰减率。
依照本发明的又一个方面，无源谐振光纤具有空心芯层。
依照本发明的又一个方面，该装置还包括由圆柱体构成的传感器，谐振光纤的一段暴露部分将其卷绕，使得通过增加倏逝场的穿透深度来增强倏逝场对示踪物质的暴露程度。
依照本发明的又一个方面，至少在一部分无源光纤环上涂覆一层材料，以选择性地在光纤环的涂层部分增大示踪物质的浓度。
可以理解，前面一般性的描述以及后面详细的描述都是对本发明作出的示例而不是限制。
附图简述阅读下面详细的描述并结合附图可以很好地理解本发明。所要强调的是，根据一般惯例，图的不同特征不是按比例绘制的。相反，为了清楚而将不同特征的尺寸主观地扩大或者缩小了。附图包括图1图示了对数坐标中的电磁波谱；图2图示了现有技术中一个使用反射镜的CRDS系统；图3图示了现有技术中一个使用棱镜的CRDS系统；图4图示了本发明第一实施例；
图5A是传统光纤的端视图；图5B是本发明一个实施例中传感器的透视图；图6A是光缆的截面图，图示了光缆中的辐射传播；图6B是光纤传感器的截面图，图示了依照本发明一个实施例的倏逝场的情况；图6C是光纤传感器的截面图，图示了依照本发明另一个实施例的倏逝场的情况；图7图示了本发明第二实施例。
发明详述图4示出了根据本发明第一实施例的基于光纤的环降装置400，通过该装置可以检测气体或者液体中的示踪物质或者分析物。图4中，装置400包括谐振光纤环408，环408包括光缆402和沿着光缆402长度分布的传感器500(以下将详细描述)。光纤谐振环408的长度可以容易地根据不同的获取情形得到调整，例如周围检测或者穿过物理构型的多个段。尽管示出了多个传感器500沿着光纤环408长度分布，但是如果需要，本发明可以仅仅使用一个传感器500。不止一个的传感器500的分布使得可以在安装位置的全部的不同点上对示踪物质采样。本发明还可以这样实施将多个传感器500与暴露于液体或者气体样品中的光纤402的一个直边段相结合，或者仅仅将光纤402的几个直边段暴露于液体或者气体样品中。预计谐振光纤环的长度可以短到约1米或者长到几千米。
相干辐射源404，例如光学参量发生器(OPG)、光学参量放大器(OPA)或者激光器，发出波长和待测分析物或者示踪物质的吸收频率一致的辐射。相干光源404可以是一个可调激光二极管，它具有基于待测示踪物质的窄带。一个可购得的光学参量放大器的例子是来自加利福尼亚的Spectra Physics，of Mountain View型号为OPA-800C的光学参量放大器。
表1列出了相干光源404发出的频率所对应的分析物的例子。表1仅仅是示例性的，并不作为本发明范围的限制。此外，本发明可<p>人类黑素瘤SKMEL-1系细胞在该实用的凝胶中培育9个月后仍可存活。
从胶囊中分离该黑素瘤细胞并转移入培养基后，用聚合酶链反应的标准操作程序可以发现，在标准肉汤中生长的黑素瘤细胞中保守的人类肌球素与老鼠体内的亲水性凝胶胶囊中培养了9个月的细胞中的一模一样。
这一范例表明该实用的亲水性凝胶可以作为移植入接受者体内后长期细胞培养的载体，并可使其长期存活。
实施例3该实用的亲水性凝胶作为为治疗不育症而移植入人体内的猪Leydig’s细胞的载体的应用。
将按实施例1生产的亲水性凝胶插入男性病人的组织内，结缔组织胶囊形成后将从青春期猪身上取出的Leydig’s细胞植入该胶囊。
按照厂商的指导，采用KhemaMedika公司提供的诊断盒检测血中睾丸酮的水平。
下表给出了植入Leydig’s细胞后检测的睾丸酮水平。
表
从该表可见，该实用的亲水性凝胶成功地作为植入人体内的猪Leydig′s细胞的载体，并使其产生睾丸酮达22个月之久，而植入原型Farmacryl凝胶的细胞早在10个月后，其睾丸酮的合成就降低了。
当相干光源404是激光二极管时，使用光学隔离器406的好处是它通过阻止返回激光器的反射从而使得激光器中的噪声最小化。倏逝输入耦合器412可以将相干光源404中固定百分比的辐射提供给谐振光纤环408，或者可以根据整个谐振光纤环408中呈现的损耗量做出调整。倏逝输入耦合器412提供给谐振光纤环408的辐射量最好与光缆402以及连接器(未示出)中的损耗量相符合。可从新泽西Thor Labs ofNewton购得它制造的、提供1％耦合辐射(99％/1％分光比的耦合)的倏逝输入耦合器，其零件号是10202A-99。在一个优选实施例中，倏逝输入耦合器412将相干光源404中少于1％的辐射耦合进光纤402。
在一个实施例中，为了检测分析物或者示踪物质，将包覆光缆402的护套402a的一部分除去使得包裹光缆402内芯402c的包层402b暴露出来。作为另一个选择，或者将护套402a和包层402b两者都除去使得内芯402c暴露，或者将光缆402的护套部分暴露于气态或者液态样品中。后一个方法可以用于例如(下面讨论的)倏逝场延伸到护套并和示踪物质(已经由护套吸收或者溶解)相互作用的情形。但是将护套和包层都除去可能不是优选选择，因为某些类型的光缆使用的内芯402c具有易碎的性质。图5A示出了一个典型的光缆的横截面。
全内反射(TIR)元件的弯曲改变了入射电磁波和反射表面相接触的角度。当绕着一个圆柱体将光纤弯曲时，对着圆柱体的光纤芯层的表面上的反射角更接近于直角，并且倏逝场的穿透深度增加了。通过在圆柱芯件502(参照图5B)卷绕几匝光纤402，倏逝场穿透深度增加了，并且可以在更小的物理体积中将更长的光纤暴露于检测流体中。D.Littlejohn等人在Applied Spectroscopy(实用波谱学)53845-849(1999)上的“Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensorsfor Near Infrared Spectroscopy(用于近红外线光谱的弯曲硅光纤倏逝吸收传感器)”一文中讨论了通过改变弯曲半径来提高光纤传感的实验验证。
图5B示出一个用于检测液态或者气体样本中示踪物质的范例性的传感器500。如图5B所示，传感器500包括，例如芯棒这样的圆柱芯件502(可以是实心、空心或者有浸透性的)，露出包层402b(在这个例子中)的一部分光缆402围着芯件502卷绕一个预定长度506。也可以通过将光缆402的芯层402c暴露着卷绕芯件502这种方式来制作传感器500。确定芯件502的直径使得形成一个小于临界半径r的纤芯402c，或者使得光纤整体得到兼顾，在这一临界半径的情况下当纤芯402c外切芯件502时，过量的辐射可以通过纤芯402c损耗掉。临界半径r取决于光缆402中所通过的辐射的频率和/或光纤的组成。在本发明一个优选实施例中，芯件502的半径在约1cm和10cm之间，最好至少约为1cm。如图示出的，来自光纤402的辐射在输入端504提供并在输出端508射出。在圆柱芯件502的表面可以具有放置光纤402的螺旋槽以及将光纤402紧固到圆柱芯件502的装置。这种紧固装置可以是多种形式，比如栓在圆柱芯件502上的螺钉，或者类似环氧树脂或者硅橡胶的粘结剂，等等。可以通过将传感器500和光纤402构成一体或者利用商业上可得到的光纤连接器将传感器500和光纤402连接的形式来实施本发明。
图6A示出辐射怎样传播穿过一个典型的光缆。如图6A所示，辐射606在内芯402c和包层402b之间的边界上产生全内反射(TIR)。有一些辐射没有反射而是被包层402b吸收，这些损耗可以忽略(未示出)。尽管图6A描述了光缆的情况，但是图6A和本发明的实施例同样适用于诸如空心波导的空心光纤，其中包层402b围绕着一个空芯。
图6B是一个实施例中的传感器500的截面图，示出将光缆402卷绕到芯件502的效果。如图6B所示，仅仅将护套402a从光缆402上除去。辐射606在芯层402c中传播，并在内芯402c与邻接于芯件502的那部分包层402b-1之间的边界处发生全内反射，此处的损耗609可以忽略。另一方面，当存在示踪物质或者分析物610时，倏逝场608穿过位于内芯402c和暴露着的那部分包层402b-2之间的边界。基于存在的示踪物质610的量，该辐射606实质上被衰减了，将其称之为衰减全内反射(ATR)。应该注意，如果不存在其吸收波带和辐射的波长一致的示踪物质610，辐射606并不会衰减(除了光纤中固有的损耗之外)。
图6C是本发明另一个实施例中传感器500的截面图，示出将光缆402卷绕到芯件502的效果，其中一部分护套402a保持完整。如图6D所示，仅仅将上部分的护套402a从光缆402上除去。类似于第一实施例中的传感器500，辐射606在芯层402c内传播，并在位于内芯402c和邻接于芯件502的那部分包层402b-1之间的边界处发生全内反射，此处损耗609可以忽略。另一方面，当存在示踪物质或者分析物610时，倏逝场608穿过位于内芯402c和暴露部分的包层402b-2之间的界面。
(每一个实施例中的传感器的)护套402a的去除可以利用机械装置来完成，例如采用传统的光纤剥膜工具，或者将光缆部分浸渍在能够浸蚀并溶解护套402a但不会影响包层402b和内芯402c的溶剂中。当要局部地除去护套402a时，该溶解法可以作如下改进将溶剂选择性地涂布到想要除去护套的地方。
为了增强对液体样品中示踪物质的分析物分子的吸力，可以在无源光纤环的无护套部分涂覆一层材料，以选择性地增加在光纤环涂覆部分处的示踪物质的浓度。这种涂覆材料的一个例子是聚乙烯。另外，可以使用抗原特异性结合剂(antigen specific binder)来涂覆光纤，从而吸引具有高特异性的、所需要的生物分析物。
再次参照图4，在通过了传感器500之后剩余的辐射继续通过光纤环402。所述剩余辐射的一部分由倏逝输出耦合器416耦合出光纤环402。倏逝输出耦合器416通过检测器418和信号线422连接到处理器420。处理器420可以是例如PC，它具有将检测器418的模拟输出转换为数字信号进行处理的装置。处理器420还通过控制线424控制相干光源404。一旦处理器420从检测器418接收到信号，该处理器可以根据接收到的辐射的衰减率来确定所出现的示踪物质的数量和类型。
波长选择器430可选择地设置在倏逝输出耦合器416和检测器418之间。波长选择器430起到过滤器的作用，用于防止不在预定范围内的辐射进入检测器418。
检测器414和输入耦合器412的输出端相连。检测器414的输出通过信号线422提供给处理器420，用于确定谐振光纤环402已经接收到足够的、可以完成示踪物质分析的辐射。
当要检测液体中的示踪物质或分析物时，液体的折射率必须比光缆的折射率低。例如，假如光缆折射率n＝1.46，本发明就可以检测溶解在水(n＝1.33)和许多有机溶剂中的示踪物质，有机溶剂包括，例如甲醇(n＝1.326)、正己烷(n＝1.372)、二氯甲(n＝1.4242)、丙酮(n＝1.3588)、二乙醚(n＝1.3526)和四氢呋喃(n＝1.404)。CRC Handbook ofChemistry and Physics，52ndedtion(化学和物理学CRC手册第52版)(Weast，Rober C.，ed.The Chemical Rubber CompanyClevelandOhio，1971，p.E-201)上面可以找到广泛的化学制品的列表以及它们各自的折射率，这里作为参考引入。可以采用具有不同折射率的其它类型的光纤，假设光纤具有比液体高的折射率并能有效地传输目标分析物可吸收的波带区域内的光，本发明适用于一个给定的液态基质。
目前可以采用许多不同类型的光纤。一个例子是Corning的SMF-28e熔融石英，它在电信应用中具有标准应用。有传输多个不同波长光的特制光纤，例如Austin，Texas的3M制造的488nm/514nm单模光纤(型号FS-VS-2614)、630nm可见光单模光纤(型号FS-SN-3224)、820nm标准单模光纤(型号FS-SN-4224)，以及日本的KDD Fiberlabs制造的具有4微米透射的0.28-NA氟化物玻璃光纤。此外，如上面所提到的，光缆402可以是空心光纤。
光纤402可以是中红外线传输光纤，使得能够利用分析物吸收强度更高的波谱区域，因而增加装置400的灵敏度。传输这个区域辐射的典型的光纤由氟化物玻璃制成。
图7示出本发明的第二实施例，由此检测气体或者液体中的示踪物质或分析物。在描述图7时，完成和第一实施例中描述的功能类似的元件采用与之相同的参考数字标示。图7中的装置700使用类似的谐振光纤环408，它包括光缆402和传感器500。来自相干光源404的辐射通过可选的光学隔离器406、耦合器410和倏逝输入/输出耦合器434提供给谐振光纤环408。倏逝输入/输出耦合器434可以将来自相干光源404的辐射的固定百分比提供给谐振光纤环408，或者可以根据整个谐振光纤环404中出现的损耗做出调整。本实施例中的倏逝输入/输出耦合器434基本上是上面第一实施例中讨论的倏逝输入耦合器412的变形结构。在一个优选实施例中，倏逝输入/输出耦合器434将来自激光器404中的不到1％辐射耦合到光纤402。
示踪物质的检测和上面第一实施例中描述的类似，因此在此不再重复。
通过传感器500之后剩余的辐射继续通过光纤环402。剩余辐射的一部分由倏逝输入/输出耦合器434耦合出光纤环402。倏逝输入/输出耦合器434通过检测器418和信号线422连接到处理器420。同第一实施例一样，处理器420也通过控制线424控制相干光源404。一旦处理器420接收到来自检测器418的信号，它可以根据接收到的辐射的衰减率来确定所出现的示踪物质的数量和类型。
波长选择器430可选择地设置在倏逝输入/输出耦合器434和检测器418之间。波长选择器430起到过滤器的作用，用于防止不在预定范围内的辐射进入检测器418。波长选择器430也可以由处理器420控制，以防止来自相干光源404的辐射在其被耦合进光纤402之后的时间内“堵塞”检测器418。
尽管在这里参照一些具体的实施例对本发明进行解释和描述，不过本发明并不局限于所述细节。相反，可以在不脱离本发明精神实质以及等同于权利要求范畴的前提下在细节上做出各种不同的变化。
权利要求
1.一种对气体样品和液体样品两者至少之一中的示踪物质进行检测和测量的装置，包括无源光纤环，它的一部分暴露于气体样品或者液体样品中；相干辐射光源；耦合装置，用于i)将相干光源发出的一部分辐射导入无源光纤环并ii)接收无源光纤环内谐振的一部分辐射；检测器，用于检测耦合装置接收的辐射级别以及产生响应信号；以及处理器，它连接到检测器，用于根据检测器产生的信号来确定气体样品或者液体样品中的示踪物质的级别。
2.如权利要求1所述的装置，其中示踪物质的级别是根据检测器产生的信号的衰减率来确定。
3.如权利要求1所述的装置，其中该耦合装置是单个光学耦合器。
4.如权利要求3所述的装置，还包括一个设置在位于该耦合装置和检测器之间的光路上的过滤器，以选择性地使从无源光纤环接收的所述部分辐射传播到该检测器。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述过滤器基于辐射波长使辐射通过并传播到所述检测器。
6.如权利要求1所述的装置，其中该耦合装置包括i)第一耦合器，用于将相干光源发出的所述部分辐射导入光纤环的第一段以及ii)第二耦合器，用于在无源光纤环第二段接收该无源光纤环中的所述部分辐射。
7.如权利要求1所述的装置，其中该暴露部分是光纤的包层。
8.如权利要求1所述的装置，其中该暴露部分是光纤的内芯。
9.如权利要求1所述的装置，其中相干辐射光源是光学参量发生器。
10.如权利要求1所述的装置，其中相干辐射光源是光学参量放大器。
11.如权利要求1所述的装置，其中相干辐射光源是激光器。
12.如权利要求1所述的装置，其中相干辐射光源是脉冲激光器。
13.如权利要求1所述的装置，其中相干辐射光源是连续波激光器。
14.如权利要求11，12或者13所述的装置，其中所述激光器是光纤激光器。
15.如权利要求13所述的装置，其中所述连续波激光器是一个窄带可调激光二极管。
16.如权利要求15所述的装置，进一步包括一个连接在激光器和耦合装置之间的隔离器，隔离器和激光器发出的辐射成一条直线并将激光器中的噪声最小化。
17.如权利要求1所述的装置，其中将光纤中传播的该辐射的倏逝场暴露于气体样品或者液体样品中。
18.如权利要求17所述的装置，其中对光纤中的辐射的吸收作用使得耦合装置接收到的辐射的衰减率增大。
19.如权利要求1所述的装置，其中无源谐振光纤由熔融石英、蓝宝石和基于氟化物的玻璃之一构成。
20.如权利要求1所述的装置，其中无源谐振光纤由空心光纤构成。
21.如权利要求19或者20所述的装置，其中无源谐振光纤是单模光纤。
22.如权利要求19或者20所述的装置，其中无源谐振光纤是多模光纤。
23.如权利要求1所述的装置，进一步包括至少一个具有预定直径的、由所述光纤的暴露部分卷绕的圆柱体，其中通过增加倏逝场的穿透深度来增强倏逝场对示踪物质的暴露程度。
24.如权利要求1所述的装置，进一步包括具有各自的预定直径的、由所述谐振光纤的暴露部分的各个段卷绕的多个圆柱体。
25.如权利要求23或者24所述的装置，其中所述管状结构是芯棒。
26.如权利要求25所述的装置，其中该芯棒截面半径至少是约1cm。
27.如权利要求25所述的装置，其中该芯棒截面半径在大约1cm和10cm之间。
28.如权利要求1所述的装置，其中该示踪物质是水、乙炔和氨水中的至少一种。
29.如权利要求28所述的装置，其中所述相干光源是一个单模激光器，在约1390nm和约1513nm之间的波长区域内可调。
30.如权利要求1所述的装置，其中该无源光纤环在电磁波谱的可见光到中红外线之间的波长范围内发生谐振。
31.如权利要求1所述的装置，其中将至少一部分该无源光纤环放置于液体样品中用于确定液体样品中的示踪物质的存在。
32.如权利要求1所述的装置，其中将至少一部分该无源光纤环涂覆一种材料，以选择性地增加示踪物质在该光纤环涂覆部分的浓度。
33.如权利要求32所述的装置，其中所述材料吸引该示踪物质的分析物分子。
34.如权利要求33所述的装置，其中所述材料是聚乙烯。
35.如权利要求32所述的装置，其中将该无源光纤环的至少涂覆部分放置于液体样品中用于确定液体样品中的示踪物质的存在。
36.如权利要求1所述的装置，还包括一个输入检测器，用于测定何时激光器的能量提供给该光纤环。
37.如权利要求36所述的装置，进一步包括控制装置，在输入检测器测定了所述激光器向所述光纤环提供能量之后，基于接收来自光纤环的辐射的接收装置而使激光器停止活动。
38.如权利要求37所述的装置，其中所述控制装置和输入检测器都连接到所述处理装置上。
39.如权利要求1所述的装置，其中光纤的折射率比液体样品的折射率大。
40.如权利要求1所述的装置，其中光纤的折射率是以气体样品的折射率和示踪物质的吸收波带为基础的。
41.如权利要求1所述的装置，其中耦合到光纤环的所述部分辐射小于提供给该耦合装置的辐射的约1％。
42.如权利要求1所述的装置，其中耦合到该光纤环的所述部分辐射是可变的。
43.如权利要求1所述的装置，其中耦合到光纤环的所述部分辐射基于无源光纤回路中的损耗而改变。
44.如权利要求43所述的装置，其中无源光纤回路中的损耗至少基于连接器损耗和光纤损耗。
45.如权利要求1所述的装置，其中光纤环至少约1米长。
46.如权利要求1所述的装置，其中光纤环至少10米长。
47.如权利要求1所述的装置，其中光纤环至少1km长。
48.对气体样品和液体样品其中至少之一中的示踪物质进行检测和测量的装置，包括无源谐振光纤环，其一部分暴露于气体样品或者液体样品中；发出辐射的相干光源；第一光学耦合器，它将该相干光源发出的至少一部分辐射提供给无源谐振光纤环的第一段；至少一个圆柱体，它和暴露着的光纤环的一部分结合，以形成具有预定半径的暴露光纤环部分，至少一部分液体样品或者气体样品和所形成的这部分光纤环相接触；第二光学耦合器，用于从谐振光纤环的第二段中接收无源谐振光纤环中的一部分辐射；以及一个连接到第二光学耦合器的处理器，根据第二光学耦合器接收到的辐射的衰减率来确定气体样品或者液体样品中示踪物质的级别。
49.如权利要求48所述的装置，还包括第一光学检测器，连接在第二光学耦合器和处理器之间，用于响应于第二光学耦合器接收到的辐射而产生信号。
50.如权利要求48所述的装置，还包括第二光学检测器，其连接在第一光学耦合器和处理器之间，用于测定何时激光器的能量提供给光纤环。
51.如权利要求50所述的装置，其中第二光学检测器响应于接收到的来自相干光源的辐射而产生一个触发信号到处理器。
52.如权利要求48所述的装置，其中第一和第二光学耦合器是单式耦合器。
53.对气体样品和液体样品其中至少之一中的示踪物质进行检测和测量的方法，该方法包括将无源光纤环的一部分光纤暴露于气体样品或者液体样品中；从相干光源发射辐射；将相干光源发出的至少一部分辐射耦合到该光纤环；接收在光纤环传播的一部分辐射；以及根据光纤环中辐射的衰减率确定气体或者液体样品中示踪物质的级别。
54.根据权利要求53所述的方法，还包括以下步骤基于示踪物质的吸收频率、以一个预定的半径形成至少一部分无源光纤环的所述暴露部分；以及将所形成的这部分光纤暴露于液体样品或者气体样品中。
55.一种根据权利要求54所述的方法，还包括将光纤中传播的辐射的倏逝场暴露于气体样品或者液体样品中的步骤。
56.一种根据权利要求55所述的方法，还包括以下步骤基于光纤中辐射的衰减率来确定气体样品或者液体样品中示踪物质的级别，所述衰减率响应于示踪物质对所述辐射的吸收。
全文摘要
一种用于检测和测定气体或者液体样品中示踪物质的装置。由光纤环形成的环降元件暴露于气体或者液体样品中。相干光源发出的辐射进入光纤环，该辐射又在光纤环的输出端被接收。光纤环在它的输入端和输出端之间有一部分暴露于气体样品或者液体样品中。处理器连接到接收装置，并基于光纤环中的辐射衰减率来确定气体或者液体样品中示踪物质的级别。
文档编号G01N21/25GK1625680SQ02828070
公开日2005年6月8日 申请日期2002年12月2日 优先权日2001年12月12日
发明者凯文·K·莱曼, 彼得·B·塔尔萨, 保罗·拉比诺维茨 申请人:普林斯顿大学理事会