专利名称：多光束宽带crds腔传感器和检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器或检测器。更具体地，本发明涉及可用于检测多种气体的 腔衰荡分光计(cavity ring-down spectrometer, CRDS)类型的传感器。
背景技术：
已知多种类型的腔衰荡传感器/检测器。它们已经被发现在检测少量的污染物或 不受欢迎的气体的情况下尤其有用。这些包括，例如HF、 HCI和NH3。 代表性的传感器/检测器包括2007年10月18日公布的题为"CavityRing-down Spectrometer Having Mirror Isolation"的Cole公布的申请2007/0242266A1, 2008年10 月2日公布的题为"CRDS Mirror forNormal Incidence Fiber Optic Coupling，，的Cole公 布的申请2008/0239299Al，以及2008年5月6日授权的Cole等人的题为"CavityRing-down Spectrometer for Semiconductor Processing"的美国专利号7， 369， 242B2。上述专利全 都为本申请的受让人所拥有并且通过引用将其全部合并于此。 有时希望使用CRDS衰荡技术来测量尽可能多的气体，但是感兴趣的气体的吸收 线可能不是非常密集。这通常将需要使用可调谐的激光检测器或被设计成在感兴趣的范围 中具有高度反射性的镜、使用多个不同的腔来测量感兴趣的具有任何一个波长范围的每种 (或多种)气体。 存在着对CRDS类型的传感器的需要，这种传感器能够被用于检测多种不同气体 的存在。优选地这样的单元将能够以成本有效的方式实施以便比多个单独的检测器更便且。
图1是体现本发明的多气体检测器的俯平视图；并且
图2是图示出图1的检测器的特性的图。
具体实施例方式
尽管本发明的实施例能够采取许多不同的形式，但是其特定实施例在附图中示出
并且将在此进行详细地描述，应理解的是本公开将被认为是本发明的原理的例证以及实现
本发明原理的最佳方式，而不意在将本发明限制于所说明的特定实施例。 本发明的实施例能够通过使用一个腔来测量多种不同的气体，这些气体的光谱
(spectra)相隔很远。该腔包括呈现高反射率而仅在相当窄的频带内透射的一对镜。这些
镜所具有的传输特性使得它们合乎使用单一波长激光器或可调谐激光器的光输入和输出
的需要。 —种镜是超高反射率压电镜。通过向该堆(stack)添加附加的四分之一波长对来 使得该元件反射性更强，有可能使得该镜在非常宽的光谱范围上基本上是全反射性的。使 用这种类型的镜，从不同角度入射在镜上的光束(beam)将呈现波长移位的(shifted inwavelength)反射率。这是因为各层的光学厚度在不同的角度是不同的。该特性能够被用 于在公共腔内实施两个或更多环(ring)。 对于更为垂直的光束，反射率移到更长的波长。本发明的一个实施例将能够利用 一个腔来测量三种气体，例如HF、 HCI和NH3。长波长HF光谱将在相对于压电镜更为垂直 的角度测量。HCI线能够在中间角测量并且短波长NH3线能够在相对于压电镜更为切向入 射地测量。 通过将光束长度保持大致相同，还可以使用类似的曲面镜。这些镜能够被实现为 侧镜之一或者还能够被结合到压电镜中。 该CRDS腔将优选地具有被调谐到感兴趣的气体线的输入激光器。其还将优选地 用诸如玻璃之类的低膨胀材料制成。内中心区域将对流过它的气体开放以考虑到辐射的吸 收。压电镜将是可移动的以使得该腔能够被耦合到例如多个(例如两个或三个)激光束。
多个激光器和检测器能够使用相同的压电镜而基本上同时地操作。多个光束将 响应于压电镜的运动而在不同时间耦合到腔中。因此，在腔中光束基本上将不会彼此干涉 (interfere)。 在本发明的另一方面中，曲面镜能够是压电镜的一部分。可替换地，两个其他镜中 的一个或两个能够是曲面的(curved)。 图1图示了体现本发明的检测器10。检测器IO包括具有外壳(housing) 12的 CRDS类型的传感器，所述外壳限定了内部腔R，气流能够流动通过所述内部腔。
外壳12承载(carry)着压电镜20，所述压电镜20能够是曲面的。其能够通过单 元22而被驱动以表现出往复轴向运动20a。 外壳12承载着高反射率镜26a、b和28a、b。固定或可调谐波长激光器30发射由 腔R中感兴趣的第一气体所吸收的波长的辐射能量光束Bl。该辐射能量光束Bl被耦合到 腔R中，其中它在闭合路径P1上传播。 第二激光器32发射为腔R中感兴趣的第二不同气体所吸收的不同波长的辐射能 量光束B2。第二辐射能量光束B2在腔R中在不同的闭合路径P2上传播。
如本领域技术人员将会理解的那样，路径Pl、 P2上的流通(circulating)辐射能 量光束由相应的目标气体(例如NH3、 HCI或HF)所吸收，并且部分经由相应的镜26b、28b 而发射以撞击在检测元件Dl或D2上。 来自D1、D2的输出能够被耦合到控制电路40以用于进行评估。控制电路40继而 耦合到驱动单元22和压电镜20。镜20被驱动并且移动以使得两个(或更多)激光束Bl、 B2能够在不同的时间耦合到腔R。激光器30、32因此能够在腔中彼此没有干涉的情况下同 时操作。 图2图示了图1的实施例10的附加方面。Ll激光器30具有适合于检测气体吸 收的波长，所述气体吸收由于在镜20摆动时路径P1上的HCL或NH3而引起。在那一点上， 光束Bl被沿路径Pl耦合于腔R并且以相对于轴20b的角度Al (约为45度)与镜20相交 (intersect)，其中镜20处于一个位置。光束B2被耦合到腔R并且沿路径P2流通并且以 相对于轴20b的角度A2 (约为15度)与镜20相交，其中镜20处于第二位置。因而，两个 光束B1、B2彼此不干涉。 图1中所示出的实施例10能够被扩展为具有第三激光源、镜和相关联的检测器以实现第三环，该第三环在基本上为路径P1、P2的交点位置所共同的位置处与镜20相交。将 会理解的是，激光波长或特定镜参数都不是对本发明的限制。 根据上文，将会观察到可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下实施许多变化 和修改。将会理解的是，不希望也不应该推断对在此说明的特定设备的限制。当然，意在由 所附权利要求来覆盖落入权利要求范围内的所有这样的修改。
权利要求
一种气体感测设备，包括外壳，其限定了内部区域，其中气体能够流动通过所述内部区域；以及压电镜，由外壳承载，其中该镜至少部分限定了通过内部区域的多于一个辐射能量传输路径。
2. 如权利要求1所述的设备，其包括至少第二和第三镜，这二者都由外壳承载，其中所有三个镜彼此间隔开，其中压电镜和第二镜与一个辐射能量传输路径相关联，并且压电镜和第三镜与第二不同辐射能量传输路径相关联。
3. 如权利要求2所述的设备，其中所述一个辐射能量传输路径以与第二辐射能量传输路径不同的角度入射在压电镜上。
4. 如权利要求1所述的设备，其中压电镜呈现所选择的曲面。
5. 如权利要求4所述的设备，其中第一辐射能量传输路径以与第二辐射能量传输路径不同的角度入射在压电镜上。
6. 如权利要求5所述的设备，其中入射在压电镜上并且被压电镜反射的第一辐射能量具有第一波长，并且其中入射在压电镜上并且被压电镜反射的第二辐射能量具有第二波长。
7. 如权利要求6所述的设备，其包括第一和第二源，所述第一和第二源以第一波长发射第一辐射能量光束并且以第二波长发射第二辐射能量光束。
8. 如权利要求7所述的设备，其中第一和第二光束通过与压电镜间隔开的第二和第三镜而被耦合到外壳中。
9. 如权利要求8所述的设备，其包括耦合到外壳的第一和第二辐射能量传感器，所述第一和第二辐射能量传感器分别接收第一和第二波长的辐射能量。
10. 如权利要求9所述的设备，其包括第三波长的辐射能量的第三源，第三源发射辐射能量，该辐射能量被耦合到外壳中并且以与第一和第二辐射能量光束不同的第三角度反射离开压电镜。
11. 如权利要求10所述的设备，其包括耦合到源、传感器和压电镜的控制电路，以用于在外壳内以相应的波长建立多个反射光束，所述反射光束能够由相应的传感器检测并且对应于外壳中预定的不同气体的存在。
12. 如权利要求11所述的设备，其包括从第二和第三镜布置开的至少第四和第五镜，用于将至少部分第一和第二波长的入射辐射能量反射到压电镜并且用于将至少部分第一和第二波长的入射辐射能量透射到相应的第一和第二传感器。
13. 如权利要求12所述的设备，其中第二和第三镜具有共曲率。
14. 一种方法，包括在区域中建立多个闭合辐射能量通行路径，其中所述路径在公共反射区域处相交；改变反射区域的位置参量以便在不同的时间将所述路径上的辐射能量反射离开公共反射区域。
15. 如权利要求14所述的方法，包括以往复运动来基本上线性地移动反射区域。
16. 如权利要求15所述的方法，包括将第一波长的辐射能量耦合到第一个通行路径以及将第二不同波长的辐射能量耦合到第二个通行路径。
17. 如权利要求16所述的方法，包括将第三波长的辐射能量耦合到第三个通行路径。
18. 如权利要求16所述的方法，包括提供与多个路径相交的气体流。
19. 如权利要求16所述的方法，包括从至少一些路径获得辐射能量的标记。
20. 如权利要求19所述的方法，包括处理所述标记以确定所选择气体的存在。
全文摘要
本发明涉及多射束宽带CRDS腔传感器和检测器。一种公共多气体衰荡检测器包括腔，该腔具有压电镜和至少两个移置的镜以便在腔中限定两个不同的通行路径。两个路径以不同的角度在压电镜处相交。具有第一和第二不同波长的两个不同的激光束能够通过轴向地驱动压电镜而在不同时间耦合到所述腔。光束输出能够被评估以确定所选择的气体在腔中的存在。
文档编号G01N21/31GK101793687SQ20101010823
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月28日 优先权日2009年1月29日
发明者B·E·科尔 申请人:霍尼韦尔国际公司