专利名称：基于dfwm光谱技术的文物年代测定方法
技术领域：
本发明涉及一种文物年代测定方法，具体涉及一种基于简并四波混频(DFWM)的 碳十四同位素含量测量方法，该方法可以消除多普勒加宽，降低检出限，降低取样量，提高 分辨率，属于非线性光谱技术应用和同位素考古技术领域。
背景技术：
我国是历史悠久的文明古国，有着丰富多彩、弥足珍贵的文化遗产，地上地下保存 着极为丰富的文物。这些历史遗存不仅蕴含着中华民族特有的精神价值，而且是不可再生 的珍贵资源和民 族智慧的结晶。近年来，随着经济全球化趋势和现代化进程的加快，我国的 文化遗产及其生存环境受到严重威胁，加强文化遗产的研究与保护刻不容缓。如何利用现 代科学分析方法和技术手段，建立高精度考古测年方法已成为文化遗产保护和研究的重大 课题。文物年代的科学测定是文化遗产保护及文物修复中的重要内容。就测年技术而 言，常用的测年方法有热释光测年法、树木年轮法、古地磁法、裂变径迹法和放射性碳十四 (14C)、铀(U)-铅(Pb)、钾(K)-氩(Ar)、铷(Rb)-锶(Sr)法等同位素测年方法。其中，14C测 年法常被古人类学家和考古学家采用，来测定炭片、木头、谷物、蜂腊、头发、纤维、泥炭、生 物壳、象牙、骨头等的年龄(范嗣昆，伍勤生编著，同位素地质年龄测定，科学出版社，1975， 1-80,99)。14C测年法的关键在于14C含量的精确测定是。传统14C测年法的误差达到 0.5%-2% (蒋宏耀，张立波，考古地球物理学，科学出版社，2000，193-198)。随后出现的加 速器质谱法使得测年精度得到了明显改观，经过改进后的质子加速器法对样品的需要量和 误差都大大降低，但该方法仍存在测定元素单一、样品处理程序繁琐、设备复杂、取样量多 等不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于DFWM的14C含量测量技术 用于文物年代测定，该技术不仅能够降低检出限、减少取样量、提高检测速度，并且该技术 设备相对简单，便于操作。本发明的目的通过以下技术方案来实现—种基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法，其特征在于利用分光装 置将一束激光分为三束入射待测样品，产生的DFWM信号由光电探测器接收，测量DFWM信号 强度的大小判断14C的含量信息，根据14C含量信息，利用14C的衰变原理来推算文物年代。上述基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法包括以下步骤(1)将含碳文物样品氧化，使样品中的碳全部转换为二氧化碳，或者利用高温原子 化器将样品中C原子化；(2)将一束激光分为三束，三束光与样品中的C或者CO2相互作用，满足相位匹配的条件下产生DFWM信号；(3)用光电探测器测量C或CO2的DFWM信号，获得C或CO2的DFWM信号谱；(4)将12CO2和14CO2或12C和14C的DFWM信号强度比值开方，得到二者浓度比值；
(5)将12CO2和14CO2或12C和14C的浓度比值带入测年方程 = 一In—,求出文物的
年代。A为样品死亡时14C和12C含量比值，B为现在(探测时)样品中14C和12C含量比值， λ为衰变常数，t为样品的年龄。A和λ已知。所述激光为可连续调谐的窄带宽染料激光器或半导体激光器，存在C或者CO2能 级共振频率且在此频率附近可连续调谐，线宽窄< 10MHz。所述文物样品是指五万年间的曾经存活过的动物或植物等有机文物。所述激光分光方法是由二分之一波片和偏振分束立方体的组合，二分之一波片改 变线偏振光的偏振方向，水平分量由偏振分束立方体透射，垂直分量由偏振分束立方体反 射。在上述方案中，所述激光由可连续调谐的窄带宽染料激光器或半导体激光器提 供；所述分光装置是二分之一波片加偏振分束立方体；所述样品是由少量文物样品可控氧 化后得到的二氧化碳(CO2)气体或者由高温原子化器原子化的C原子蒸汽；光电探测器是 对近红外响应度高的硅光探测器；本发明与现有的14C含量测定方法相比具有以下优点(1)本发明应用了一种全新的思路来测定文物的年代，用非线性光谱学技术测量 同位素的含量；与传统的同位素测量方法相比，可以消除多普勒效应、降低检出限、减少取 样量、提高测量速度和精度；与加速质谱同位素测量技术相比，大大简化了设备、降低了操 作难度、节约了成本。(2)由于激光的高分辨率，不需要对样品做过多的提纯等处理，简化了操作、进一 步节约了成本；不需要得到14C的绝对含量，降低了数据的处理难度。(3)采用二分之一波片加偏振分束立方体组合来分束，可以通过旋转二分之一波 片轻松控制三束激光的强度比例，得到最大的信号强度，另外，这种分光技巧还能控制DFWM 的偏振状态，有效避免了背景干扰、提高了信噪比。
附图1是本发明的光路示意图。其中，1、激光器；2、全反镜；3、二分之一波片；4、偏振分束立方体；5、样品池；6、光 电探测器。
具体实施例方式下面结合附图1对本发明做进一步描述。参见附图1所示，本发明的测量装置主要由激光器1、全反镜2、二分之一波片3、偏 振分束立方体4、样品池5、光电探测器6组成。测量方法是根据样品DFWM信号强度，得到 其含量信息，进一步求出文物的年代。具体步骤
(1)将二分之一波片3置于偏振立方体4之前，旋转二分之一波片3，将激光器1 输出的线偏振激光分为偏振方向相互垂直的两束线偏振激光(反射光记为s光，透射光记 为P光)；(2)将步骤(1)得到的s光再分为两束；(3)在由步骤(2)得到的ρ光路径上加二分之一波片3，旋转波片使其偏振方向旋 转90°而变为s光；(4)步骤⑴得到的ρ光直接进入样品池，分别由步骤(2)和(3)得到的两束s光 由全反镜2和偏振分束立方体4反射进入样品池，其中一束与步骤(1)得到的ρ光对打，另 外一束以一个小角度与其余两束相交；(5)在满足相位匹配的条件下产生DFWM信号(图中用红色虚线标出)用光电探测 器6探测；
(6)对12CO2和14CO2 (或12C和14C)的DFWM信号谱峰值比值开方，得到12CO2和14CO2 含量比值；(7)将120)2和140)2 (或12C和14C)含量比值代入14C测年方程，求出文物的年代。以下根据理论过程做进一步说明第一步激光器1输出水平线偏振光，二分之一波片3可以改变线偏光的偏振方 向，水平和垂直分量变为Ex = E0Cos (2 θ )，Ey = E0Sin (2 θ )，θ为二分之一波片3相对其 主轴方向转过的角度，水平分量经偏振分束立方体4透射，垂直分量经偏振分束立方体4反
射。设水平分量为A1。第二步同第一步，二分之一波片3改变在第一步中由偏振分束立方体反射的光 束的偏振方向，其水平和垂直分量由偏振分束立方体4分开。设水平分量为 2 ,设垂直分量为靶。第三步为了使得 2经偏振立方体4反射进入样品池5，其传播路径上加一个二分 之一波片3，将其主轴方向旋转45°， /变为垂直偏振。第四步调节全反镜2，使得^^和夂共线对打，而使得&以小角度(小于0.5° ) 入射，三束光在样品池5中相交。第五步三个入射光波，&去2和&与待测物质相互作用时，入射光波中的任意两 束相互干涉(如干涉)形成一个稳定的光栅，第三个光波(如 ρ被该光栅衍射， 得到信号光波。四波的波矢满足相位匹配条件，即+4 +^s =°(1)当& = 时，则有或=-k'2 ,可见DFWM信号与g传播方向相反。第六步产生的DFWM信号&的光强为
权利要求
一种基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法，其特征在于利用分光装置将一束激光分为三束入射待测样品，产生的DFWM信号由光电探测器接收，测量DFWM信号强度的大小判断14C的含量信息，根据14C含量信息，利用14C的衰变原理来推算文物年代。
2.根据权利要求1所述的基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法，其特征在 于包括以下步骤(1)将含碳文物样品氧化，使样品中的碳全部转换为二氧化碳，或者利用高温原子化器 将样品中C原子化；(2)将一束激光分为三束，三束光与样品中的C或者CO2相互作用，满足相位匹配的条 件下产生DFWM信号；(3)用光电探测器测量C或CO2的DFWM信号，获得C或CO2的DFWM信号谱；(4)将12CO2和14CO2或12C和14C的DFWM信号强度比值开方，得到二者浓度比值；1 A(5)将12CO2和14CO2或12C和14C的浓度比值带入测年方程 = τ1η—,求出文物的年A B代。
3.根据权利要求2所述的基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法，其特征在 于所述激光为可连续调谐的窄带宽染料激光器或半导体激光器，存在C或者CO2能级共振 频率且在此频率附近可连续调谐，线宽窄< 10MHz。
4.根据权利要求2所述的基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法，其特征在 于所述文物样品是指五万年间的曾经存活过的动物或植物等有机文物。
5.根据权利要求2所述的基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法，其特征在 于所述激光分光方法是由二分之一波片和偏振分束立方体的组合，二分之一波片改变线 偏振光的偏振方向，水平分量由偏振分束立方体透射，垂直分量由偏振分束立方体反射。
6.根据权利要求2所述的基于简并四波混频光谱技术的文物年代测定方法，其特征在 于所述光电探测器是对近红外响应度高的硅光探测器。
全文摘要
本发明公开了一种基于DFWM光谱技术的文物年代测定方法，其利用分光装置将一束激光分为三束入射待测样品，产生的DFWM信号由光电探测器接收，测量DFWM信号强度的大小判断14C的含量信息，根据14C含量信息，利用14C的衰变原理来推算文物年代。本发明设备简单、操作易行、可以消除多普勒加宽，能够解决现有同位素测年技术中测年精度差、取样量高、设备复杂、操作难度大、成本高等缺陷。
文档编号G01N21/01GK101968434SQ20101028860
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者任兆玉, 白晋涛, 程雪梅, 陈浩伟 申请人:西北大学