专利名称：检测稀介质中的物质的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测稀介质中的物质，尤其是检测气体样品或大气中的分子物质的方法和设备。
背景技术：
吸收光谱法和荧光光谱法通常用于检测在一定范围的样品，尤其是诸如气体的稀介质中，特定化学物质的存在。可以通过检测到的尤其是紫外或可见光谱中强度或振幅的减小来检测特定分子跃迁对窄带激光的吸收。宽带光的吸收可能是由于一种或多种分子跃迁，并且也可通过光的光谱分析来检测。类似地，也可检测源于激发分子态的荧光。然而，此类技术通常依赖于振幅检测，因此易受闪烁和激光噪声的影响。^ Re sonant, hetero dyne-1 aser-interferometer for state densitymeasurements in atoms and ions” (Review of Scientific instruments 77,093108(2006)，J. J. Moschella等人)描述了一种用于测量等离子体的粒子数密度的谐振双波长外差干涉仪。使用两个单独的激光器，声光调制器对光束进行分束。然而，该系统并不特别适合于稀物质，因为信号会被噪声和其它因素掩盖。因此，需要能够克服这些问题的检测稀物质的方法和设备。
发明内容
介质的折射率随波长而改变。然而，当照射波长接近并穿过介质的吸收性的、电子的、振动的或其它光谱特征时，这种折射率的改变会特别急剧或显著，而随着照射波长离开所述光谱特征，其通常返回到基线或较缓慢地改变折射率。因此，可通过对折射率改变的测量值来推断稀介质中物质的测量值。例如，可由折射率改变测量值来计算稀介质中物质的浓度，尤其是在物质的光谱特征与稀介质的光谱特征不重合的情况下。根据本发明的第一方面，提供一种检测稀介质中的物质的方法，所述方法包括提供彼此相干并具有匹配的啁啾模式的第一激光束和第二激光束；使至少所述第一激光束穿过所述稀介质，同时所述第一激光束的所述啁啾模式与所述物质的光谱特征的至少一部分交叉；将所述第一激光束和所述第二激光束混合以形成混合光束；在所述啁啾模式期间检测所述混合光束以形成输出信号；处理所述输出信号，以测量由整个所述光谱特征上所述稀介质的折射率变化引起的所述混合光束的改变；以及从测量到的属性的改变确定测量到所述物质。使激光啁啾提高检测能力。因此，两个光束均可相干。随着激光的频率改变速率增大，信噪比也增大。例如，光谱特征可为光谱吸收特征。可选地，所述第一激光束和所述第二激光束均可穿过所述稀介质，并且在将所述第一激光束和所述第二激光束混合之前可对所述第二激光束施加光学频移。因此，由于一个光束遇到光谱特征，所以两个光束可经历不同的有效光程。可在将单个光束分光束以形成第一激光束和第二激光束的同时对第二激光束施加光学频移，或者可作为单独的过程。 可选地，所述第二激光束的啁啾模式可不与所述物质的光谱特征交叉。
可选地，测量到的所述混合光束的改变包括所述第一激光束和所述第二激光束之间的光学频率差的改变。也可测量波长和/或相位的改变。优选地，所述光学频率差可介于IMHz和IGHz之间。这可依赖光谱特征的线宽。可选地，所述检测步骤还可包括检测由所述光学频率差引起的所述混合光束中的拍频信号。有利地，由折射率变化引起的所述混合光束的改变可包括相位的改变，所述处理步骤还可包括测量所述混合光束的相位的改变。优选地，所述检测步骤还可包括检测所述拍频信号的频率改变。这提供可随折射率改变的方便测量。可选地，处理所述输出信号还可包括测量由整个所述光谱特征上所述稀介质中的 折射率变化引起的所述第一激光束和所述第二激光束之间的光程差的改变。优选地，可通过比较所述混合光束的相位性质来测量所述光程差的改变。可选地，利用量子级联激光器产生所述第一激光束和所述第二激光束。可使用可相干啁啾的其它光束源或激光器。优选地，在所述啁啾模式期间，所述第一激光束和所述第二激光束以至少IOOHz/ns的速率改变频率，更优选地以至少lOOKHz/ns的速率改变频率。优选地，每一啁啾模式可在少于10毫秒内与所述光谱特征的至少一部分交叉，更优选地在少于10μ s内与所述光谱特征的至少一部分交叉。这发生的越快，信噪比越高。可选地，所述光谱特征选自包括以下项的组电子吸收、分子跃迁、旋转跃迁、振转跃迁、能带隙和振动带。可使用其它光谱特征。根据本发明的第二方面，提供利用在气体样品中的物质的光谱特征的至少一部分上所述气体样品的折射率改变来检测所述物质的用途。可通过使光束穿过气体样品来测量折射率。所述光束可为激光，并可被啁啾。根据本发明的第三方面，提供一种用于检测稀介质中的物质的设备，所述物质具有光谱特征，所述设备包括光束源，所述光束源被布置用于产生彼此相干并具有匹配的啁啾模式的第一激光束和第二激光束；光束引导器，所述光束引导器被布置用于使至少所述第一激光束穿过所述稀介质；光束混合器，所述光束混合器被布置用于将所述第一激光束和所述第二激光束混合以形成混合光束；检测器，所述检测器被布置用于在所述啁啾模式期间检测所述混合光束，并测量由光谱特征上所述稀介质的折射率变化引起的所述混合光束的改变；输出器，所述输出器提供响应于测量到的改变而改变的信号。可选地，所述光束引导器还可被布置用于引导所述第一激光束和所述第二激光束穿过所述稀介质，所述设备还包括位于所述光束混合器之前的光学频移器，所述光学频移器被布置用于对所述第二激光束施加光学频移。可选地，所述光束引导器还可被布置用于引导所述第一激光束和所述第二激光束穿过开放大气。这个开放路径结构允许诸如污染物和痕量化学监测的大气感测。例如，可使用后向反射器和/或来自大气中粒子的向后散射和望远镜结构来增加光束长度。优选地，所述光学频移器可为声光调制器Α0Μ。AOM可将单个光束分束成多个单独的光束，并使一个光束的波长相对于另一光束偏移。AOM可形成O阶和I阶光束，使得O阶光束不经历任何频率或波长偏移。这些光束的任一者可为所述第一激光束或所述第二激光束。可选地，所述光束源为量子级联激光器QCL。可使用其它光束源，包括例如中红外光学参量振荡器(0P0)，其可使用隔开几百MHz的两个激光分量。优选地，光束源还可包括激光驱动器，所述激光器驱动器被布置用于提供驱动信号以生成所述啁啾模式。啁啾机制或装置可并入光束源或激光器中，或者为外部组件。可选地，所述设备还可包括可调节的延迟线，所述可调节的延迟线用于改变所述第一激光束和所述第二激光束的相对光程。这可用于调谐设备或消除不需要的光学效应。
可选地，所述检测器可为光学外差检测器。这尤其可与向光束引入和频率与差频率的AOM—起使用。优选地，所述检测器还可包括振幅解调器和/或频率解调器。它可为光谱分析仪或类似装置的形式。 优选地，所述设备还可包括用于容纳所述稀介质的池(cell)。可选地，所述设备还可包括用于容纳基准样品的第二池，其中所述光束引导器还被布置用于引导所述第二激光束穿过所述第二池。因此，可进行比较测量。应该指出的是，上述任何特征可用于本发明的任何特定方面或实施方式。
本发明可以多种方式来实施，现在将仅以举例的方式参照附图描述实施方式，其中图I示出用于检测被保持在样品池中的稀介质中的物质的示例系统的示意图；图2示出用于检测大气中的物质的替代系统的示意图；图3示出用于检测稀介质中的物质的另一替代系统的示意图，该替代系统包括基准池和样品池；图4示出从图I的系统获得的图形结果；图5示出从图I的系统获得的另一图形结果；图6示出从图I的系统获得的另一图形结果；图7示出从图I的系统获得的另一图形结果；图8示出从图I的系统获得的另一图形结果；图9示出从图I的系统获得的另一图形结果；图10示出用于检测保持在第一位置的样品池中的稀介质中的物质的示例系统的示意图；以及图11示出用于检测保持在第二位置的样品池中的稀介质中的物质的示例系统的示意图。应当指出的是，为了简明起见而示出附图，未必按比例绘制。
具体实施例方式量子级联激光器(QCL)已用于测量特定指纹区中分子气体的吸收信号。这些基于QCL的可调谐激光吸收光谱法的实施主要是基于经过激光强度改变的痕量气体检测和/或实时气体监测。本发明替代地使用折射率改变来测量稀介质，尤其是气体或空气中的物质。
特别是对于稀混合物，这种折射率的改变会非常小，易受较高电平噪声的影响。图I示出用于检测稀介质中的物质的系统10的示意图，其利用了如上所述的折射率改变现象。QCL 20为可调谐的，并且可通过控制器25啁啾(即，周期内波长变化)。利用由射频(RF)源40驱动的声光调制器(AOM) 30将来自QCL的激光束分成两个激光束。第一光束与来自AOM 30的0阶光束对应，第二光束与来AOM 30的I阶光束对应。因此，第一和第二光束将按照RF源40的频率频移。QCL 20的啁啾中的频移跨度与射频(RF)源40的频率一起被选择为使光束之一将改变波长以在其啁啾模式期间的某一点重合，以与待测量物质的光谱特征重合。在图I所示的示例中，0阶光束60将改变波长以与这样的特征对应，而I阶光束65将不会改变波长。或者，设备可操作使在其啁啾模式期间I阶光束65 (而非0阶)与光谱特征对应。反射镜M和分束器BS结构将0阶光束和I阶光束重新组合，以提供光电检测器80能够检测的混合光束。图I中示出样品池70具有两个可供选择的位置。对于处于位置I的样品池70，仅0阶光束60穿过容纳有物质和稀介质的样品池70。对于处于位置2的样品池70’，两个光束在被反射镜M和分束器BS结构重新组合之后均穿过样品池70’。
0阶光束60和I阶光束65具有比RF源40的频率确定的波长差，如上所述。因此，重新组合或混合的光束将干涉，以提供光电检测器80能够检测的拍频图。该拍频图也将具有RF源40的频率。然而，由于QCL20啁啾并且光束之一穿过与物质的光谱特征对应的频率，所以该光束的视在路径长度(apparent path length)将改变。换言之，该光束在穿过样品池70或70’时将经受延迟，仅使该光束延后或超前，而不穿过该光谱特征的另一光束在频率或波长方面受该光谱特征的影响将较小或不受影响。这一效应将改变光电检测器80所检测的拍频图，光电检测器80提供可被频率解调器91和振幅解调器92中的任意一个或两者解调的输出信号。在一个示例中，在对跨越物质的两个基本跃迁的5. 2 Pm量子级联激光器的频率啁啾时，可提取分子气体介质或其它物质(例如，稀释于N2中的NO)的折射率改变的测量值。可通过由AOM 30产生的0阶和I阶激光束之间的拍频信号的频率解调来测量电磁场的相位信息。在此示例中，折射率改变信号与啁啾率相适应。QCL可表现出非常高的频率啁啾率(最高达约300MHz/ns)，使这些激光器对于该方法而言特别具有吸引力。如图I所示，单模QCL 20照射透过AOM 30。经AOM 30衍射的0阶和I阶传播行进通过设备的干涉仪的两个分立的光学支路，并在光电检测器或光电二极管80上重新组合，其光电流被频率解调。如图I所指示的，容纳待分析样品的样品池可被置于所谓的位置I或位置2，在位置1，仅I阶衍射光束穿过样品，在位置2，0阶和I阶衍射光束均穿过样品。对于0阶和I阶光束，到达光电二极管表面上的两个复电场可分别写成= A, exp[/( ,/和(等式 1〉E1 = A2 exp[/( w,/ - (p2)]，(等式 2 )其中A、Co和9分别为场的振幅、脉动和相位。另外，由于AOM 30对I阶光束60上提供频移，所以《2= W1+Q，其中Q为AOM 30激发频率。在检测器表面,E1和E2—起拍动，并且假设拍频落于光电检测器80的电带宽内，所得光电流可与下式成正比
权利要求
1.一种检测稀介质中的物质的方法，所述方法包括 提供彼此相干并具有匹配的啁啾模式的第一激光束和第二激光束； 使至少所述第一激光束穿过所述稀介质，同时所述第一激光束的所述啁啾模式与所述物质的光谱特征的至少一部分交叉； 将所述第一激光束和所述第二激光束混合以形成混合光束； 在所述啁啾模式期间检测所述混合光束以形成输出信号； 处理所述输出信号，以测量由在整个所述光谱特征上所述稀介质的折射率变化引起的所述混合光束的改变；以及 根据测量到的属性的改变确定测量到所述物质。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束均穿过所述稀介质，所述方法还包括在将所述第一激光束和所述第二激光束混合之前，对所述第二激光束施加光学频移。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二激光束的所述啁啾模式不与所述物质的所述光谱特征交叉。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，测量到的所述混合光束的改变包括所述第一激光束和所述第二激光束之间的光学频率差的改变。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中，所述光学频率差介于IMHz和IGHz之间。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其中，所述检测步骤还包括检测由所述光学频率差引起的所述混合光束中的拍频信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，由折射率变化引起的所述混合光束的改变包括相位的改变，所述处理步骤还包括测量所述混合光束的相位改变。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述检测步骤还包括检测所述拍频信号的频率改变。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，处理所述输出信号还包括测量由在整个所述光谱特征上所述稀介质中的折射率变化引起的所述第一激光束和所述第二激光束之间的光程差的改变。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过比较所述混合光束的相位属性来测量所述光程差的改变。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用量子级联激光器产生所述第一激光束和所述第二激光束。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述啁啾模式期间，所述第一激光束和所述第二激光束以至少lOOHz/ns的速率改变频率，更优选地以至少lOOKHz/ns的速率改变频率。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每一啁啾模式在少于10毫秒内与 所述光谱特征的至少一部分交叉，更优选地在少于10 μ s内与所述光谱特征的至少一部分交叉。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光谱特征选自包括以下项的组电子吸收、分子跃迁、旋转跃迁、振转跃迁、能带隙和振动带。
15.利用在气体样品中的物质的光谱特征的至少一部分上所述气体样品的折射率的改变来检测所述物质的用途。
16.一种用于检测稀介质中的物质的设备，所述物质具有光谱特征，所述设备包括 光束源，所述光束源被布置用于产生彼此相干并具有匹配的啁啾模式的第一激光束和第二激光束； 光束引导器，所述光束引导器被布置用于使至少所述第一激光束穿过所述稀介质；光束混合器，所述光束混合器被布置用于将所述第一激光束和所述第二激光束混合以形成混合光束； 检测器，所述检测器被布置用于在所述啁啾模式期间检测所述混合光束，并测量由光谱特征上所述稀介质的折射率变化引起的所述混合光束的改变；以及输出器，所述输出器提供响应于测量到的改变而改变的信号。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述光束引导器还被布置用于引导所述第一激光束和所述第二激光束穿过所述稀介质，所述设备还包括位于所述光束混合器之前的光学频移器，所述光学频移器被布置用于对所述第二激光束施加光学频移。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述光束引导器还被布置用于引导所述第一激光束和所述第二激光束穿过开放大气。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的设备，其中，所述光学频移器为声光调制器AOM。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的设备，其中，所述光束源为量子级联激光器QCL。
21.根据权利要求16-20中任一项所述的设备，其中，所述光束源还包括激光器驱动器，所述激光器驱动器被布置用于提供驱动信号以生成所述啁啾模式。
22.根据权利要求16-21中任一项所述的设备，所述设备还包括可调节的延迟线，所述可调节的延迟线用于改变所述第一激光束和所述第二激光束的相对光程。
23.根据权利要求16-22中任一项所述的设备，其中，所述检测器为光学外差检测器。
24.根据权利要求16-23中任一项所述的设备，其中，所述检测器还包括振幅解调器和/或频率解调器。
25.根据权利要求16-23中任一项所述的设备，所述设备还包括用于容纳所述稀介质的池。
26.根据权利要求25所述的设备，所述设备还包括用于容纳基准样品的第二池，其中所述光束引导器还被布置用于引导所述第二激光束穿过所述第二池。
全文摘要
本发明公开了用于检测稀介质中的物质的方法和设备(10)，所述物质具有光谱特征，所述设备包括光束源(20)，其布置用于产生彼此相干并具有匹配的啁啾模式的第一激光束和第二激光束；光束引导器，其布置用于使至少所述第一激光束穿过所述稀介质；光束混合器，其布置用于将所述第一激光束和所述第二激光束混合以形成混合光束；检测器(80)，其布置用于在所述啁啾模式期间检测所述混合光束，并测量由光谱特征上所述稀介质的折射率变化引起的所述混合光束的改变；输出器，其提供响应于测量到的改变而改变的信号。
文档编号G01N21/45GK102667445SQ201080050338
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者G·威索基, 达米安·魏德曼 申请人:普林斯顿大学保管委员会, 科学技术设备委员会