光谱装置和方法与流程
本发明涉及光谱装置和方法。
背景技术：
用于测量混合物中的分析物的量的光谱装置和方法是已知的。
在已知的光谱方法中，分析物对某些特征波长的光的吸收可以被用来查明混合物中的分析物的量。在已知的光谱方法中，具有初始强度的激光通过混合物，并且由混合物透过的光的强度被测量。这允许获得混合物的吸收特征，并且据此确定混合物中的分析物的量。
总的来说，期望提供如下光谱装置和方法：该光谱装置和方法提供高信噪比并且具有简化的和/或更有效的处理。
技术实现要素：
根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量混合物中的分析物的量的装置，该装置包括：
激光源，用于生成在调制频率下被频率调制的调频激光束；
腔，被布置为接收调频激光束；
光电检测器，用于获得指示调频激光束与混合物之间的相互作用的强度信号；
第一解调器，用于通过对强度信号进行解调而产生第一解调信号；
频率锁定机构，被布置为使用第一解调信号来将调频激光束的载波频率与腔的模式彼此锁定；以及
第二解调器，用于通过对强度信号进行解调而产生第二解调信号，以及用于基于第二解调信号来生成指示混合物中的分析物的量的输出。
通过对同一强度信号进行解调来产生第一解调信号和第二解调信号使得能够使用单一调制信号来控制和处理激光束通过混合物的传输、激光失谐和激光带宽。因此，对光谱装置的示例的处理和控制会比被配置为(例如，使用多于一个调制器)在多个调制频率下调制激光束的已知的光谱装置更直接。
在本示例中，该装置包括被布置为接收调频激光束的腔。腔的使用使调频激光束的路径长度增加，这提高对混合物中的分析物的量的测量的灵敏度。例如，使调频激光束的载波频率和腔的模式彼此锁定可以最小化激光束的波长漂移和线宽，这在示例中可以提高测量灵敏度。
在示例中，在频域中而非时域中对强度信号进行解调避免激光切换、与强度信号的解调同步的噪声瞬变、以及对指示混合物中的分析物的量的最终输出没有贡献的暗周期(darkperiod)。
混合物可以是例如在单一“背景”材料或“基质”材料中的单一分析物、或在背景材料的混合物中的单一分析物、或在单一背景材料中的多种分析物、或在背景材料的混合物中的多种分析物。背景材料可以是例如一种或多种气体。
在一种实施例中，第一解调器被布置为通过在调制频率下对强度信号进行解调而产生第一解调信号。在一种实施例中，第二解调器被布置为通过在调制频率的倍数频率下对强度信号进行解调来产生第二解调信号。调制频率的倍数既可以是调制频率的非整数倍或整数倍(即谐波)。例如，第二解调器可以被布置为通过在两倍的调制频率下对强度信号进行解调来产生第二解调信号。如上文所解释的，对同一强度信号进行解调以产生第一解调信号和第二解调信号二者允许比已知装置简单并且在示例中比已知装置低廉的装置被使用。
在一种实施例中，频率锁定机构被布置为将调频激光束的载波频率调整为与期望的腔模式对应。可替代地或附加地，频率锁定机构可以被布置为将腔的模式调整为与调频激光束的期望载波频率对应。
在一种实施例中，频率锁定机构被布置为将(i)调频激光束的载波频率、以及(ii)腔的模式中的至少一项锁定到具有与分析物的辐射跃迁频率最接近的频率的腔模式。
在一种实施例中，频率锁定机构包括用于改变腔的长度的器件。这在示例中可以被用来改变腔长度，以将腔的模式和调频激光束的载波频率彼此锁定。
在一种实施例中，腔是多个腔之一，该多个腔中的每个腔用于接收调频激光束。在示例中，多个腔可以被用来响应不同级别的分析物浓度。
在一种实施例中，光谱装置包含微谐振器。在示例中，微谐振器的使用意味着可以产生与已知的装置相比具有减小的尺寸和/或降低的成本、并且通常更稳健的光谱装置。例如，微谐振器可以是微环谐振器。
在一种实施例中，微谐振器是多个微谐振器中的一个微谐振器，这些微谐振器中的每个微谐振器用于增大调频激光束的强度。使用这样的多个微谐振器可以缓解饱和效应。
在一种实施例中，光电检测器被布置为获取的强度信号指示混合物与由调频激光束在腔以外产生的消逝场之间的相互作用。例如，当腔内的调频激光束入射到腔的内部与外部环境之间的边界上时，可以产生消逝场。消逝场在示例中入射到混合物上并且与混合物相互作用，该混合物在这样的示例中在腔以外。
在不同的实施例中，腔可以用于容纳在使用中的混合物。该实施例的腔可以由例如法布里-珀罗标准具(fabry-perotetalon)提供。在这样的实施例中，光电检测器被布置为获取的强度信号可以指示已经通过混合物的调频激光束的强度。
如从上文清楚的，许多不同的腔类型都适合于在光谱装置中使用，从而为用户进行装置定制提供了充裕的设计自由度。
在一种实施例中，指示混合物中的分析物的量的输出指示混合物中的分析物的浓度。例如，输出可以指示与混合物的一种或多种其它组分相比分析物的比例。
另一实施例涉及包括根据上文所描述的示例的装置的湿度计。湿度计可以被用来测量混合物中的水的量，例如，在周围环境或特定混合物样品中的水的量。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量混合物中的分析物的量的光谱方法，该方法包括：
生成在调制频率下被频率调制的调频激光束；
将调频激光束传递到腔中；
获取指示调频激光束与混合物之间的相互作用的强度信号；
通过对强度信号进行解调来产生第一解调信号；
使用第一解调信号来将调频激光束的载波频率和腔的模式彼此锁定；
通过对强度信号进行解调而产生第二解调信号；以及
基于第二解调信号来生成指示混合物中的分析物的量的输出。
在一种实施例中，产生第一解调信号包括在调制频率下对强度信号进行解调。在一种实施例中，产生第二解调信号包括在调制频率的倍数频率(例如，调制频率的两倍频率)下对强度信号进行解调。
在一种实施例中，将调频激光束的载波频率和腔的模式彼此锁定包括将调频激光束的载波频率调整为与期望的腔模式对应。在一种实施例中，将调频激光束的载波频率和腔的模式彼此锁定可以可替代地或附加地包括将腔的模式调整为与调频激光束的期望载波频率对应。
在一种实施例中，将调频激光束传递到腔中包括将调频激光束传递到与混合物邻近的腔中，获取强度信号包括获取指示混合物与腔以外的消逝场之间的相互作用的强度信号，消逝场由调频激光束与腔的相互作用来产生。
在一种不同的实施例中，将调频激光束传递到腔中包括使调频激光束通过容纳混合物的腔，获取强度信号包括获取指示已经通过混合物的调频激光束的强度的强度信号。
在一种实施例中，将调频激光束的载波频率与腔的模式彼此锁定在与基于第二解调信号来生成指示混合物中的分析物的量的输出基本上相同的时间执行。与例如在测量所存在的分析物的量之前或之后将激光束锁定到特定的载波频率的已知方法相比，这提供更高效的控制。
在一种实施例中，将调频激光束的载波频率与腔的模式彼此锁定包括将(i)调频激光束的载波频率、以及(ii)腔的模式中的至少一项锁定到具有与分析物的辐射跃迁频率最接近的频率的腔模式。在一种可替代实施例中，将调频激光束的载波频率与腔的模式彼此锁定包括将(i)调频激光束的载波频率和(ii)腔的模式中的至少一项锁定到具有除了与分析物的辐射跃迁的频率最接近的频率之外的频率的腔的模式。
在一种实施例中，光谱方法包括：
将调频激光束的载波频率锁定到当调频激光束通过混合物时，调频激光束基本上没有被分析物吸收的频率；
将调频激光束传递到腔中；
获取指示调频激光束与混合物之间的相互作用的第二强度信号；
通过对第二强度信号进行解调来产生第三解调信号；以及
基于第三解调信号来生成指示由混合物中除了分析物之外的一种或多种组分吸收的调频激光束的量的输出。
利用该实施例可获得的、指示由混合物中除了分析物之外的一种或多种组分吸收的调频激光束的量的输出可以被用于校准用途。
在一种实施例中，第三解调信号通过在调制频率的倍数频率下(例如，在调制频率的两倍频率下)对强度信号进行解调来产生。
在一种实施例中，指示混合物中的分析物的量的输出指示混合物中的分析物的浓度。例如，该输出可以指示与混合物的一种或多种其它组分相比分析物的比例。
在一种实施例中，混合物包括至少一种气体。分析物本身可以是气体，例如，以水蒸气形式的水。因此，光谱方法可以被用来例如确定在气体或气体混合物(包括例如空气)中的水蒸气的量。
在一种实施例中，分析物包括以下项中的一项或多项：氧气、氟化氢或二氧化硫。在另一种实施例中，混合物中除了分析物之外的组分包括以下项中的一项或多项：空气、甲烷、氢气、二氧化碳或六氟化硫。例如，混合物中除了分析物之外的组分可以是一种或多种“基质”材料或背景材料。
在一种实施例中，调频激光束在多个调制频率下被频率调制，该多个调制频率包括所述调制频率。在该实施例中，强度信号可以在该多个调制频率中的每个调制频率下被解调。可替代地，强度信号可以在除了该多个调制频率之外的频率下被解调。在一种实施例中，调频激光束利用伪随机调制信号被频率调制。
在一种实施例中，光谱方法包括通过在一个或多个其它频率下对强度信号进行解调来产生一个或多个其它解调信号。在该实施例中，该一个或多个其它频率可以各自超过该调制频率的两倍。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于测量混合物中的分析物的量的装置，该装置包括：
激光源，用于生成在调制频率下被频率调制的调频激光束；
光电检测器，用于获取指示已经通过混合物的调频激光束的强度的强度信号；
第一解调器，用于通过对强度信号进行解调而产生第一解调信号；
频率锁定机构，被布置为使用第一解调信号来将调频激光束的载波频率和期望频率彼此锁定；以及
第二解调器，用于通过对强度信号进行解调而产生第二解调信号以及用于基于第二解调信号来生成指示混合物中的分析物的量的输出。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于测量混合物中的分析物的量的光谱方法，该方法包括：
生成在调制频率下被频率调制的调频激光束；
将调频激光束传递到混合物中；
获取指示已经通过混合物的调频激光束的强度的强度信号；
通过对强度信号进行解调来产生第一解调信号；
使用第一解调信号来将调频激光束的载波频率和期望频率彼此锁定；
通过对强度信号进行解调而产生第二解调信号；以及
基于第二解调信号来生成指示混合物中的分析物的量的输出。
在这些方面中，与先前的方面相反，没有为调频激光束提供腔。替代地，可以使用其它机构。
从参考附图进行的对本发明的优选实施例的以下描述中，本发明的其它特征和优点将变得明显，这些优选实施例仅作为示例而被给出。
附图说明
图1示意性地示出了调频激光束的示例光谱；
图2示意性地示出了根据本发明的一种实施例的用于测量混合物中的分析物的量的光谱装置的示例；
图3示意性地示出了示例法布里-珀罗标准具的操作原理的说明性示例；
图4示意性地示出了根据本发明的一种实施例的包括多个微谐振器的示例光谱装置；以及
图5示意性地示出了根据本发明的另一种实施例的用于测量混合物中的分析物的量的光谱装置的示例。
具体实施方式
在根据一种示例的光谱方法中，调频激光束被传递到腔中。强度信号被用来将激光的载波频率和腔的模式彼此锁定，并且还用于提供对混合物中的分析物的量的测量。在示例中，腔的使用提高了设计紧凑性，因为它允许在不必增大装置的物理尺寸的情况下延长通过分析物的光路长度。此外，具有腔的光谱装置还可以是高度精确的、稳健的和低成本的，尤其是在腔为所谓的“微腔”的情况下。例如，使用具有高精细度的腔的光谱装置可以提供信号增强以及1/f噪声降低。(光谐振器或腔的精细度(finesse)可以被定义为它的自由光谱范围除以它的谐振带宽(半峰全宽)。)
根据实施例的光谱装置可以与各种不同的腔一起使用，这些腔包括但不限于线性类型的腔(诸如法布里-珀罗标准具)、以及可以在亚毫米规模上构建的波导微腔，即微谐振器。用于与该装置一起使用的腔可以是中空的或其它形式的，并且可以容纳混合物或可以不容纳混合物，如下文进一步讨论的。
在一个示例中，使用单一调制频率；在其它示例中，可以使用多于一个调制频率。在本示例中，激光束的载波频率被锁定到与感兴趣的分析物的吸收特征的中心频率对应的腔模式。然而，在其它示例中，载波频率可以被锁定到其它腔模式。在其它实施例中，可以例如通过更改腔长度以调整腔的模式直到激光束的载波频率与腔模式对应来将腔的模式锁定到激光束的载波频率。
在本示例中，在调制频率ωm下的差拍音(beatnote)(也被称为1f项)被用来锁定激光束的载波频率。在一个示例中，已知的pound-drever-hall技术可以被用于载波频率的这种锁定，但是也可以使用可替代的锁定技术。在两倍的调制频率2ωm下并且与输出场相位相差1/4波长的差拍音(也被称为2f正交项)具有与分析物浓度成比例的幅值。因此，测量2f项允许确定混合物中的分析物的量。在其它示例中，强度信号可以在其它频率下被解调，以将载波频率和腔的模式彼此锁定和/或提供指示分析物的量的输出。
更详细地，在图1的示例光谱方法中，调频激光束通过使用信号发生器执行激光二极管的主动频率调制而生成。在其它示例中，可以首先生成激光束，并且然后例如使用声光调制器或电光调制器来对该激光束进行频率调制。例如，可以使用全光纤电光调制器来对激光束进行频率调制。激光束的频率调制使得激光频率并且因此激光波长能够稳定，同时还排斥低频噪声。
在频率调制前由激光束生成的电场可以由下式的实部表示：
e(x，t)＝e0ei(ωt-kx)
其中e(x,t)是t时刻在位置x处的电场，e0是电场的幅度，i是虚数单位，ω是激光的频率，而kx是相位角。
在调制频率ωm下按正弦方式对激光注入电流进行频率调制产生以下形式的电场：
其中msin(ωmt+ψ)项是幅度调制项，而电场的瞬时相位为(ωmt+βsin(ωmt))。
在使用了jacobi-anger恒等式之后，该方程可以被重写为：
其中jn(β)是第一类n阶贝塞尔函数。该方程示出被调制的电场的傅里叶变换将包含无限数量的频率分量，这些频率分量在这种情况下为边带对(sidebandpair)。
在示例中，阶数|n|>1的分量是无关紧要的，从而将该方程简化为：
其中β是调制幅度。
图1示意性地示出了上述激光束的傅里叶变换的光谱的示例，图1示出载波频率ωc以及在ωc+ωm和ωc-ωm处的两个一阶边带。在调频激光束的路径中存在包括吸收性(absorbing)的分析物的混合物导致传输函数的引入：
其中δn是幅度衰减，而φn是由分析物在角频率ωc+nωm下引发的相移。
将传输函数引入到调频激光束的电场的表达式中并且对电场求平方来获得强度，由此得到：
其中i(t)是已经通过混合物的调频激光束的强度，并且其中*指示取项的复共轭。
在β<<1并且为了简单起见而省略幅度调制m的示例中，较高阶的项可以被省略以获得：
该方程的最后六项包括在调制频率ωm下的正弦项以及在两倍调制频率2ωm下的正弦项的总和。这些项可以通过一系列的混合和过滤来提取。如本领域技术人员将理解的并且如下文更详细地描述的，这可以使用例如相敏检测器来实现。
在一些操作之后，在调制频率下的项以及在两倍调制频率下的项可以被表示为：
其中
如果包括附加的幅度调制m，并且如果β，m＜＜1，则调频激光束的电场由下式给出：
该式对应于下式的强度：
其中i0包含表示检测器效率的项，并且：
使用欧拉恒等式得到：
假设|δ0-δ±1|＜＜1并且|φ0-φ±1|＜＜1以使得ex≈1+x，则ωm和2ωm项的幅度可以根据δ和φ来写出，以给出：
该强度信号可以在调制频率下被解调以产生第一解调信号(这可以被称为“1f检测”)。该强度信号还可以在两倍调制频率下被解调，以产生第二解调信号(这可以被称为“2f检测”)。在其它示例中，强度信号可以在其它频率下被解调以产生第一解调信号和/或第二解调信号。例如，强度信号可以在调制频率的倍数下被解调，该倍数可以是整数倍或非整数倍。可替代地，强度信号可以在某些频率之和或之差(例如，调制频率的某些倍数)下被解调。
图2示出根据实施例的用于测量混合物中的分析物的量的示例光谱装置2的示意性图示。压控振荡器4被用来调制经由电连接8被供应到激光二极管6的电流，但是在其它示例中该电流可以由其它装置(诸如，函数发生器)来调制。在示例中，注入电流在大约100千赫兹(khz)的频率下被调制，但是取决于例如该方法和装置的特定应用，可以使用其它调制频率。
对在大的背景信号之上的吸收信号的小变化的测量需要仔细选择要探测的特征吸收频率，加上(coupledwith)使信号强度最大化的机械设置。压控振荡器4向激光二极管6供应具有调制频率的电流，该调制频率被选择以生成具有期望的载波频率的调频激光束。例如，调频激光束的载波频率可以具有数百太赫兹(thz)的量级，然而由压控振荡器4供应的电流可以在具有数百khz量级的频率下被调制。在本示例中，调频激光束的载波频率与待检测的分析物的辐射跃迁对应。在微量水检测的情况下，可以使用例如组合带从基振动态到第一激发振动态的相对强的跃迁，该跃迁用光谱记号(1，0，1)←(0，0，0)表示。在mulliken记号中，这是a1→b2类型的跃迁。
激光二极管6在本示例中为蝶形封装的激光二极管，但是可以替代地使用其它类型的激光二极管或者甚至是除了激光二极管之外的激光器。
调谐(tuning)装置10被用来控制注入电流的粗调和微调。在图2的示例中，调谐装置10包括激光电流驱动器14，激光电流驱动器14经由电连接16提供直流(dc)偏压以驱动激光二极管6。压控振荡器4经由电连接8提供在调制频率下的交流(ac)信号。在本示例中，调谐装置10还包含经由电连接20与激光二极管6连接的温度控件18。在其它示例中，可以不存在用于调整注入电流的调谐装置，或者调谐装置可以包括与图2的调谐装置10不同的组件。
在图2的示例中，由激光二极管6生成的调频激光束22入射到光学机构(opticalarrangement)上。光学机构可以被用于例如调整调频激光束22的相位、偏振(polarisation)和/或束腰(beamwaist)直径。在其它示例中，调频激光束不通过光学机构，而是直接通过混合物。
在图2中，光学机构包含半波片24、第一偏振分束器26、第一镜(mirror)28、第二镜30、第二偏振分束器32和1/4波片34。光学机构引导调频激光束22，以使激光束22入射到腔36。
图2的示例光谱装置2的腔36是共焦腔。第一透镜38和第二透镜40被布置在腔36的任一侧。第一透镜和第二透镜38、40被配置，以使得入射束的焦点位于腔36的中心。腔36还包括位于腔36的相对两侧的第一镜42和第二镜44，其中第一镜42被布置在腔36的与第一透镜38相同的一侧，第二镜44被布置在腔36的与第二透镜40相同的一侧。在图2的示例中，第一镜和第二镜42、44具有与入射到第一透镜38上的调频激光束22的场的曲率半径对应的曲率半径。在其它示例中，腔可以是非对称的，其中镜具有不与场的曲率半径对应的曲率半径，以使得调频激光束22的束腰不在腔的中点处。下文参考图3更详细地描述用于在光谱装置2中使用的示例腔。
混合物的样品可以经由样品入口43进入腔36以及经由样品出口45离开腔36。因此，在图2的示例中，混合物被容纳在腔内。然而，在光谱装置的其它示例中，诸如在具有实心腔的并且在下文中被更详细讨论的光谱装置中，混合物可以不在腔内。混合物可以替代地与腔接近或邻近，例如，以使得混合物入射到腔的表面或腔的容器的表面上或者与腔的表面或腔的容器的表面接触。(在此，关于“实心腔”的使用，应当记住的是，腔是用于容纳激光束22的，并且因此就混合物而言腔可以是“实心的”，但是为透光的(translucent)，或者就激光束22而言是“腔”。)
图2的调频激光束22通过第一透镜36和第一镜42进入腔36。调频激光束22然后通过容纳在腔36内的混合物。调频激光束22的至少一部分通过第二镜44和第二透镜40离开腔36，并且入射到第一光电检测器46上。调频激光束22的不同的部分可以由第二镜44反射，并且保留在腔内或者通过第一镜42和第一透镜38离开腔，如下文参考图3所描述的。
第一光电检测器46将调频激光束22的入射部分转换成强度信号，该强度信号指示调频激光束22与混合物之间的相互作用。在本示例中，强度信号指示已经通过混合物的调频激光束22的强度；在其它示例中，强度信号可以指示调频激光束22与混合物之间的不同的相互作用。在图2的示例中，强度信号是经由电连接48被传送到第一相敏检测器50的电子信号，第一相敏检测器50经由电连接52接收来自压控振荡器4的输入参考电压。第一相敏检测器50在本示例中在两倍调制频率下对强度信号进行解调，以产生第二解调信号，并且基于第二解调信号来生成指示混合物中的分析物的量的输出。如上文所解释的，在其它示例中，强度信号可以在不同的频率(例如，调制频率的其它整数倍或非整数倍)下被解调，以获得第二解调信号。下文更详细地描述示例光谱装置中的相敏检测。
在本示例中，分析物是水蒸气，并且混合物是空气和水蒸气的混合物。因此，在本示例中获得的输出指示存在的水蒸气的量，即，腔36内的湿度。在测量湿度的示例中，水通常被认为是各种工业过程气体，尤其是在半导体和固态照明制造、电池生产等中使用的工业过程气体，中的污染物。在这些情况下，对浓度低于十亿分之几的微量分析物的具有成本效益的测量是所期望的。例如，在水的情况下，基质气体越干燥，在各种制造过程中得到的产品的产量和性能就越高。这意味着能够以更高的产量来生产例如更快的微处理器、更明亮的led、以及更高效的电池。其它工业过程(包括例如燃料电池的控制)需要对高浓度(例如，接近饱和)的湿度的精确测量。总之，在许多工业和制造应用中对湿度的改进的控制能够带来提高的效率。
本领域技术人员应当理解，光谱方法还可以被用于测量其它混合物中的其它分析物。例如，光谱方法可以被用于测量空气中的甲烷或者在生物反应器的释放气体中的氨气。在其它示例中，光谱方法可以被用来检测人呼出的气体中的指示某些疾病的化合物。例如，在人呼出的气体中存在一氧化氮(no)可能是哮喘的症状，而在人呼出的气体中存在甲醛可能暗示着乳腺癌。
在其它示例中，分析物包括以下项中的一项或多项：氧气、氟化氢或二氧化硫。在示例中，混合物中除了分析物之外的组分(例如一种或多种“基质”组分或背景组分)包括以下气体中的一种或多种：空气、甲烷、氢气、二氧化碳或六氟化硫。
在示例中，光谱方法可以被用来监测以六氟化硫作为绝缘物的、气体绝缘的高压开关设备(switchgear)周围的环境的湿度。如果六氟化硫与水进行接触，则它可以反应以形成可以腐蚀开关设备的氟化氢、二氧化硫和硫酸。因此，在示例中，使用光谱方法对环境湿度进行监测以及在必要时降低湿度可以被用来减少开关设备的腐蚀。
转至图2的示例，在本示例中的第一相敏检测器50的输出经由电连接54被传送到前端面板56，前端面板56经由数字读数58提供指示混合物中的分析物的量的输出。前端面板56还包含经由电连接62连接到调谐装置10的前端控制器60，前端控制器60可以被用来设置光谱装置2的各种参数。例如，前端控制器60可以被用来调制或控制由调谐装置10供应给激光二极管6的电流。在其它示例中，第一相敏检测器50的输出可以以不同方式被使用，例如被用作其它电子组件的输入。
在图2的示例中，压电换能器64经由与第二镜44的机械连接66提供对腔36的长度的机械微调。这消除了对在制造期间精确控制腔36的长度的需要。在腔的模式被锁定到调频激光束的载波频率的其它示例中，腔36的长度可以被扫描若干微米，该若干微米例如可以具有若干自由光谱范围的量级，如下文将进一步描述的。
如上文所解释的，调频激光束22的至少一部分可以在第一镜和第二镜42、44之间经历一次或多次反射。调频激光束22的一部分通过第二镜44和第二透镜40离开腔，并且入射到第一光电检测器46上，如先前所描述的。调频激光束22的另一部分从第二镜44朝着第一镜42反射，并且通过第一镜42和第一透镜38离开腔36。
调频激光束朝之前所描述的光学机构反射回去的部分68入射到1/4波片34上并且然后入射到第二偏振分束器32上。第二偏振分束器32将调频激光束的该部分68与入射的调频激光束22分离，并且将调频激光束的该部分68引导向第三镜70，第三镜70反射调频激光束的该部分68以使它入射到第二光电检测器72上。
第二光电检测器72将调频激光束的该部分68转换成指示调频激光束的该部分68的强度的电强度信号。该强度信号经由电连接74被传送到第二相敏检测器76。第二相敏检测器76与第一相敏检测器50类似地操作，并且还经由电连接78连接到压控振荡器4，但是第二相敏检测器76被配置为通过在调制频率下对强度信号进行解调来产生第一解调信号。在其它示例中，第二相敏检测器76被配置为在除了调制频率之外的频率(例如，调制频率的倍数或者两个频率之和或之差)下对该强度进行解调。
第一解调信号在本示例中指示载波频率与腔偏共振(offresonance)的程度，并且可以被用作反馈以帮助将调频激光束22的载波频率与腔的模式彼此锁定。在腔内具有特定频率的波形成驻波图案(pattern)；这些特定频率与腔的模式对应。具有除了这些特定频率之外的频率的波不形成驻波；这样的波与腔偏共振。对于具有某些腔模式的腔，光谱装置使用第一解调频率来确定调频激光束的载波频率与腔模式偏共振的程度。然后，载波频率可以被相应地调整，直到它与腔的模式对应，即，直到它与腔谐振，以使得腔内的激光束形成驻波图案。在其它示例中，如下文将描述的，腔模式自身可以例如通过更改腔的长度而被调整，直到腔的模式与调频激光束的载波频率对应。
在图2的示例中，第一解调信号经由电连接82被传送给pid(比例-积分-微分)控制器80。pid控制器80根据第一解调信号与调频激光束22的期望载波频率之差来调整经由电连接84向调谐装置10提供的电信号。基于由调谐装置10从pid控制器80接收到的输入信号，向激光二极管6提供的调谐被调整，以便将调频激光束22的载波频率改变为与腔36的模式对应的频率。
在其它示例中，由pid控制器提供的信号可以被用来将腔的模式锁定到调频激光束的载波频率。这可以通过将来自pid控制器的信号供应给能够改变腔的长度的器件(例如，压电换能器驱动或mems(微机电系统)器件)而不是将pid控制器连接到调谐装置10来完成，以调整腔长度直到腔的模式与调频激光束的载波频率对应。例如，作为上文描述的压电换能器64的替代，可以使用连接到pid控制器的这样的器件。本文在将调频激光束的载波频率锁定到腔的模式的背景下描述的所有示例和各种特征和选项还同样适用于其中腔的模式被锁定到调频激光束的载波频率的其它示例；这样的示例应当被认为在本文中公开。
将调频激光束22的载波频率与腔36的模式彼此锁定可以通过稳定调频激光束22的线宽来辅助。这可以例如通过使供应到激光二极管6的电流的电流噪声最小化和/或通过使机械噪声最小化或者减小光谱装置2的温度波动来完成。在示例中，光谱装置可以被用来稳定调频激光束22的频率，而不必以机械方式或其它方式使激光束或腔抖动，例如，不必使激光束的波长相对于腔谐振移动。例如，压电换能器64可以从光谱装置(例如，以纳米级的精度来定义腔长度的光谱装置)中省略。在其它示例中，光谱装置可以与激光束和/或腔的抖动结合使用。
在分析物为水蒸气的示例中，激光束的载波频率和/或腔的模式可以被锁定到例如1392纳米或1371纳米的波长。在其它示例中，激光束的载波频率和/或腔的模式可以被锁定到分析物的任何辐射跃迁。在示例中，术语“辐射跃迁”是指例如可以与分析物的原子或分子的电子、核、振动和/或旋转量子态的变化相关联的原子或分子跃迁。
在本示例中，调频激光束的载波频率和腔的模式在与指示混合物中的分析物的量的输出被生成的时间基本上相同的时间被彼此锁定。在示例中，术语“基本上相同”是指在输出被生成的同时，调频激光束的载波频率与腔的模式彼此锁定，或者至少使得该锁定与指示混合物中的分析物的量的输出的生成至少部分重叠。在其它示例中，调频激光束的载波频率与腔的模式可以在与生成指示混合物中的分析物的量的输出不同的时间被彼此锁定。
现在将描述使用图2的光谱装置的相敏检测的示例。
在调频激光束22在调制频率ωm下被频率调制的情况下，来自压控振荡器4的参考信号vref以及输出信号vout(例如，由第一光电检测器或第二光电检测器46、76获得的信号)被馈入相敏检测器(诸如，上文描述的第一相敏检测器或第二相敏检测器50、76)中。在本示例中，参考信号vref和输出信号vout具有如下形式：
vref(t)＝sin(ωmt)
vout(t)＝v0sin(ωt+φ)
其中v0代表输出信号vout的幅度，ω是输出信号的频率，φ是相对相位项，而ωt+φ是输出信号的瞬时相位。
相敏检测器将参考信号与输出信号相乘在一起，从而得到以下信号：
该式可以更具信息性地(informatively)被表示为：
其中ω被设置为等于ωm。
由相敏检测器执行的相敏检测的结果是通过产生在感兴趣的频率下的直流(dc)输出并且过滤掉不在所期望的频率下的任何信号分量而仅提取该感兴趣的频率分量。因此，为了在调制频率下对由第二光电检测器76获得的强度信号进行解调，所使用的参考信号的形式为vref＝sin(ωmt)。为了在更高阶的谐波下(例如，在任何给定的n倍调制频率下)对强度信号进行解调，所使用的参考信号的形式为vref＝sin(nωmt)。因此，为了在两倍调制频率下对由第一光电检测器46获得的强度信号进行解调，所使用的参考信号的形式为vref＝sin(2ωmt)。为了在任何特定的频率ωp下对强度信号进行解调，所使用的参考信号的形式为vref＝sin(nωmt)。
在示例中，二阶谐波，(也就是在2ωm的频率下振荡的感兴趣的差拍信号)指示混合物中的分析物的量。例如，对于给定的线形，2f信号取决于传输特征的二阶导数。这取决于传输特征的形状，例如，传输特征的宽度。在示例中，传输特征是混合物中的分析物的给定光谱特征，例如，分析物的辐射跃迁。在示例中，传输特征的形状取决于腔的精细度，该精细度取决于由于混合物吸收造成的调频激光束的损失。对于非常高频率的调制，例如，形状可以取决于吸收线本身，并且因此取决于传输特征的幅度和宽度二者。在其它示例中，调制频率的其它谐波或其它频率可以提供关于混合物中的分析物的量的信息。
将vref＝sin(2ωmt)的参考信号通过相敏检测器并且与具有vout＝v0sin(2ωmt)形式的输入信号一起传递产生乘积信号vout(t)vref(t)＝v0/2[1–cos(4ωmt)]。在示例中，该乘积信号被传送到低通滤波器，以去除高频(4ωm)项，如本领域技术人员将理解的。因此，这提取出该混合信号的直流分量(v0/2)。在本示例中，所提取的直流分量对应于第二解调信号。
第二解调信号可以被用来生成指示混合物中的分析物的量的输出。在本示例中，与第二解调信号对应的所提取的直流分量可以被传送到直流放大器，以放大所提取的直流分量的信号，以便生成指示混合物中的分析物的量的输出。在示例中，然后可以将所输出的放大的信号传送给其它电子组件，例如，传送给图2中所示的前端面板56和/或例如工业应用中的某些其它控制或数据记录设备。
在上文所描述的示例中，所输出的放大的直流信号与二次谐波正交分量的幅度成比例。因此，所产生的输出是代表2ωm信号曲线上的单个点的直流值。
在示例中，第一解调信号与第二解调信号类似地被获得，但是是利用形式为vref＝sin(ωmt)或对于任何特定频率ωp下的解调为vref＝sin(ωpt)的参考信号来使用第二相敏检测器76而获得的。
在图3中示意性地示出了腔134的工作原理的示例图示。该示例腔134是法布里-珀罗标准具。在下文更详细描述的其它示例中，微谐振器(诸如例如，“回音壁模式(whispering-gallery-mode)”微谐振器或微环谐振器)代替线性腔(诸如法布里-珀罗标准具)被使用，或者微谐振器以及线性腔被使用。在下文更详细描述的其它示例中，可以使用多个微谐振器。如本领域技术人员将理解的，在其它示例中，不同类型的腔可以被用于光谱装置中。
在图3的示例中，第一镜和第二镜136、138反射入射电场的一部分，并且透过入射电场的另一部分。在腔134之外的各个点处的电场在图3中被标记为e1至e9。在腔内的电场用附图标记140指示。
腔134对输出强度的影响可以通过考虑在具有不同腔寿命的投射光束之间的干涉来确定。入射场以非零的入射角进入图3的示例腔134，以示出入射到第一镜和第二镜136、138上的电场的反射和透射原理。
在用于与根据实施例的光谱方法一起使用的腔134的示例中，电场以零入射角入射到腔134，并且吸收性的分析物被放置在腔134内。在本示例中，总的透射场由无穷和给出：
e1＝e0ei(kx-ωt)
f2＝re1
…=…
该式以较紧凑的形式被给出：
其中r和t分别是反射和透射的幅度系数，r和t与反射率和透射率的关系为r2＝r以及t2＝t，δφ是在腔的单次穿越内的整体相移，而δa是由腔长度l上的分析物的存在而引起的信号幅度衰减。
整体相移δφ包括两个取决于频率的相位项。第一个是横模匹配项，第二个是由分析物的存在引起的相移φa。透射场εt除以入射场e1得到通过腔的激光束的透射系数τ(ω)的新公式：
其中α＝δa/2l。
可以应用相同的方法来获得总反射系数r(ω)，也就是说，通过对编号为2、4、6、8、...、2n的反射场求和来获得：
其中α是分析物的吸收系数，而li是相互作用长度，其中li为腔的长度l的两倍，并且α＝δa/2l。
衰减函数δa被建模为取决于激光的频率(ν＝ω/2π)、总压强(pt)和温度(t)的洛仑兹函数(lorentzian)。扩大常数(γ)和线强度(s)可以从hitran数据库(由harvard-smithsonian天体物理研究中心管理的“高分辨透射分子吸收”数据库)获得，δa由下式给出：
上述方程中的符号在下表中被定义，这些符号已经被转换为用于在hz单位下工作的适当单位。
衰减函数δa(v)与频散函数φa(v)之间的关系由kramers-kronig关系给出：
其中n(ν)是折射率，而α(v)＝δa(v)/2l并且其中n(ν)与φa(v)有以下关系：
在本示例中，为了说明的目的，腔134具有曲率半径为250毫米(mm)并且直径为12.7mm的第一镜和第二镜42、44。在折射率为2并且长度为0.25米(m)的情况下，这给出了具有600兆赫兹(mhz)的被定义为下式的自由光谱范围fsr：
其中c是光速，n是腔内的介质的折射率，而l是腔的长度。对应的带宽是fsr/f，其中f是精细度，该精细度可以被视为对诸如腔之类的光谐振器的分辨能力的度量。在本示例中，腔的反射率限制的精细度f为10,000。因此，带宽或者半峰全宽为60khz。为了将激光束耦合到该示例腔中，激光线宽应当被减小到数十khz的量级。这可以例如通过温度、电流和机械稳定化的组合来实现。
用于存储能量的谐振器或腔的能力由它的品质因数q给出。这是存储在谐振器中的能量与每个振荡周期耗散的能量之比的2π倍：
在给定时间处有损腔内的电场由下式给出：
e(t)＝e0cos(ω0t)e-γt
以使得能量与e-γt成比例，并且功率损耗与γe-γt成比例。假定双边衰减指数的傅里叶变换是具有半峰全宽(fwhm)等于2γ的洛仑兹函数，替代在q的定义中的ustored和功率损耗给出：
其中δν是半功率带宽，即其功率比在谐振频率v0下的功率的一半大的带宽。
由此得到，q因数通过下式与腔的精细度f直接成比例：
在对应于0.99969的镜面反射率、0.25m的腔长度以及1.4μm的谐振频率的具有10,000精细度的反射率限制条件下，示例线性腔精细度将产生3.6×109的品质因数。对于机械腔，这是高的品质因数，但是可以通过使用超高反射率的镜或微谐振器而被超过。微谐振器具有可以比并入当前可用的最高反射率的镜中的一些镜的线性腔高两个或更多个数量级的q因数。
转至图3的示例腔134，将由下式给出的净透射：
代入表示调频强度信号的方程中：
得出调频的腔增强的吸收光谱信号。随后的代数操作提供了二次谐波正交信号(sin(2ωm)分量)的形式：
因此，在给定频率下，二次谐波正交信号与β、吸收率、精细度和腔长度的乘积成正比，其中β与调制频率ωm成反比。这可以被表示为吸收率与调制频率和腔线宽之比的乘积，其中腔线宽等于自由光谱范围除以精细度。
该信号的高度取决于分析物浓度。在直接频率调制-幅度调制的情况下，可以从以下给出的模型中看出：
该信号与在频率v0+vm下的频散φ1直接成正比。
确定腔增强的2f信号的第二种方法是使用等价的相互作用长度
检测分子组分的光吸收的灵敏度可以通过增强吸收信号和/或降低背景噪声来提高，理想情况下提高到基本量子极限。当仅仅与激发相关联的固有的不确定性(被称为信号中的“散粒噪声(shotnoise)”)使吸收事件模糊时，则实现了最高的检测灵敏度。这种类型的噪声是由于在检测方案期间在各个点处产生的电子和光子的离散性质。这种统计性质是由于探测器处在物质-光子相互作用的过程期间在自由电子的生成中的随机波动(被称为“光电流”)以及随机热离子发射(被称为“暗电流”)。这样的统计波动在本质上是泊松分布。在高的光限制中(例如对于吸收应用就是如此)，仅光子对散粒噪声的贡献将需要被考虑。beer-lambert定律认为，通过长度l的分析物样品的任何询问(interrogating)光都将以因子eαl衰减。输入信号的衰减起源于量子力学，并且对于分子光谱学，则是由于在输入频率下激活驱动的(driven)偶极矩而产生，从而引起在该相同频率下的与初始场相消干涉的偶极辐射。
在给定频率下的直接吸收被称为零差检测，并且具有由它的散粒噪声极限给出的最大灵敏度：
其中e、b、η和p0分别为电子电荷、检测带宽、光电检测器响应度和入射功率。
直接吸收光谱法通常检测在10-2–10-3范围中的吸光度。这种简单技术的缺点是它的灵敏度经常受到信号中的低频噪声限制。在一个示例中，对背景信号的低频贡献可以是激光强度噪声、机械不稳定性和其它外部波动的组合。由于该噪声的功率谱相对于频率的反比关系，该噪声可以被称为1/f(或闪烁)噪声。高的1/f噪声的贡献可以通过切换到忽略低频贡献并且聚焦于较高频率检测(诸如，如上文所描述的使用频率调制光谱法检测到的差拍频率)的检测方法来规避。
对于直接频率调制，示例中的对应的最小可检测吸收量由下式给出：
对于小的调制指数，这个值可以大于上文由散粒噪声极限给出的值。然而，由于避免了低频噪声的大贡献，这可以伴随着信噪比的增加。
在示例中，灵敏度可以经由光学腔的使用来提高，如上文所讨论的。当腔增强效应仅适用于该信号时，频率调制光谱法的灵敏度将通常被提高腔增强因子π/2f倍。因此，用于频率调制的腔增强型吸收光谱法的散粒噪声极限由下式给出：
然而，本领域技术人员将理解的是，在其它示例中，光谱装置可以不包含腔。例如，可以使用折叠的光线路(例如使用herriott池)来增加光路长度。在示例中，根据示例的方法可以被用来将调频激光束的载波频率锁定到期望频率，而不是锁定到腔的模式。例如，该期望频率可以对应于分析物的辐射跃迁。
在根据实施例的光谱方法的其它示例中，所谓的“零读数(zero-reading)”可以被用于校准用途。零读数代表由于混合物中除了分析物之外的组分而产生的激光束的吸收。在示例中，零读数可以在用于确定混合物中的分析物的量的光谱方法之前或之后被执行。例如，通过从基于第二解调信号生成的输出中减去零读数，可以提取出分析物自身的贡献，排除混合物的其它吸收性组分的贡献。
在示例中，零读数测量结果通过将调频激光束的载波频率锁定到当调频激光束与混合物相互作用时，调频激光束基本上没有被分析物吸收的频率来获得。在示例中，术语“基本上没有(substantiallynone)”是指分析物对调频激光束的吸收相对于混合物的其它组分对调频激光束的吸收处于无关紧要的或可忽略的水平。指示具有该载波频率的调频激光束与混合物之间的相互作用的第二强度信号被解调，以获得第三解调信号。第二强度信号可以在该调制频率的倍数频率下被解调，该倍数可以是精确的(exact)或整数的倍数(例如，在该调制频率的两倍频率下)或者非精确的(non-exact)或非整数的倍数。例如，通过使用上文参考第一解调信号和第二解调信号的产生来描述的方法，第三解调信号被用来生成指示由混合物中除了分析物之外的一种或多种组分吸收的调频激光束的量的输出。
在示例中，读数测量结果是通过将调频激光束的载波频率锁定到在感兴趣的分析物的光谱特征之外、在其中线强度s大约低7-10个数量级以提供基准值的区域内的腔模式上来获得的，其中例如光谱特征可以是辐射跃迁。典型的激光二极管的可调谐性为大约0.1-0.2纳米/开尔文(kelvin)，因此(例如，在光谱特征的几纳米内)低吸收的附近区域的存在是所期望的。这保持失谐(detuning)温度接近工作温度，由此减少零读数与返回到该光谱特征之间的时间。
载波频率的近似大小的失谐还可以使用置于调频激光束与容纳分析物的腔之间的标准具来实现。在示例中，与温度失谐相比，平面法布里-珀罗标准具的旋转允许对透射最大值进行更快速的并且受控的波长调整。
多倍频率调制和高次谐波检测的使用可以被结合，以扩展装置的动态范围。扩展到双音调制(或更高)具有与关于变得可访问的整体线型的信息的量有关的益处。在示例中，用某一范围的频率对载波信号进行调制产生复杂的伪随机信号。在示例中，伪随机调制信号的使用对应于用某一范围的调制频率同时对调频激光束的载波频率进行调制。通过使用数字电子器件，这可以提供关于对不同分析物浓度的测量结果的输出之间的较高的差异度。
在根据实施例的示例光谱装置中，光电检测器测量依赖于频率的电压：
v(ω)＝v(r(t))＝v(ωc+βsin(ωmt))
其中r(t)＝ωc+βsin(ωmt)是系统的响应函数。
该信号v(ω)还可以被写为泰勒级数展开式：
通过使用相敏检测器，任何dc项都将由电容器阻挡，并且可以使用相敏检测来检测n次谐波项。作为泰勒级数展开式的v(ω)的表达式示出了用于详细确定给定光谱特征的线型的电位。在示例中，dc项(0f项)提供对在载波频率下的光谱特征幅度的第一阶的估计。1f项提供对在载波频率下的特征的导数的估计，而2f项提供关于在载波频率下的特征的二阶导数的信息并且从而提供关于该特征的曲率的信息。在低的调制频率下，这将给出关于透射信号的结构的信息，并且因此给出关于腔精细度的任何变化的信息。在较高的调制频率下，以及在fsr的某一倍数下，这提供了让扩频技术确定分子吸收特征的结构的可能性。例如，与在较低的调制频率下获得的2f信号相比，该2f信号将给出关于其中vm＝fsr的三模传输的特征曲率的更多信息。
如果相敏检测在从0f到nf的多阶下执行(其中n是整数并且可以例如受到电子检测能力的限制)，则存在预测光谱特征的函数的形式的可能。估计的准确性将随n的增加而提高，但是还将受到高阶谐波下的检测灵敏度的限制，因为调制深度β具有值
结合了多倍频率调制和高次谐波检测的扩频技术的数据采集还可以得到关于诸如温度和压强之类的其它参数的变化的更灵敏的信息。这些技术还可以提供获得零校准的更高效的方法。
扩频技术增大了调频激光束的载波频率的带宽。在示例中，这提供了包括关于吸收特征的更多信息的所检测的强度信号，并且因此提供了较详尽的信号分析方法。根据示例的扩频技术包括在多个调制频率下对激光束进行频率调制以生成调频激光束。可以例如通过使用伪随机噪声发生器来启用扩频，以生成调频激光束。例如，这可以结合对调频激光束的载波频率的相移键控来完成。这是“跳频”的示例，在跳频中，调频激光束的载波频率使用伪随机序列在多个不同的频道之间切换。在示例中，这等价于用较复杂的调制函数m(t)来代替正弦调制函数；这样的函数可以由例如有限傅里叶求和来表示。
当使用根据示例的扩频技术时，调制信号的复杂度的增加提供在解调强度信号时的更多选择。在一个示例中，强度信号在该多个调制频率中的每个调制频率下被解调。在其它示例中，强度信号可以在除了该多个调制频率之外的一个或多个其它频率下被解调。如果激光束的载波频率在其内被调制的频率范围具有分析物的光谱特征的宽度的量级(例如，具有腔的模式或者分析物的辐射跃迁的宽度的量级)，则在该频率范围内对强度信号的解调提供在多个频率下的分析物的光谱特征的导数。在某一频率范围内对解调的强度信号的后续积分可以被用来预测腔模式的形状，例如，作为频率的函数的腔共振的形状。在示例中，与在单个调制频率的多阶谐波下的解调相比，这提供更多的信息并且受背景噪声的影响更小，因为该信息在同一调制阶数处获得。
在示例中，腔共振的非线性性将导致在给定的调制频率下的高阶谐波的生成。因此，光谱方法的示例包括通过在一个或多个其它频率下对强度信号进行解调来产生一个或多个其它解调信号。例如，对于正弦输入，关于高阶谐波的信息可以通过在这些高阶频率下对强度信号进行解调以及获得高阶分量中的每个高阶分量的傅里叶系数来获得。在示例中，该一个或多个其它频率是调制频率的整数倍，但是在其它示例中它们可以不是调制频率的整数倍。例如，在激光束由多个调制频率调制的示例中，该一个或多个其它频率可以是该多个调制频率中的两个或更多个调制频率的和频或差拍频率(差频)。在示例中，该一个或多个其它频率各自超过两倍的调制频率。然而，在其它示例中，该一个或多个其它频率可以低于调制频率。
在一些情况下，混合物中分析物的饱和可能限制根据实施例的光谱方法的有效性。在示例中，例如，在混合物中的分析物浓度相对高的情况下，存在如下一个或多个载波频率：对于该一个或多个载波频率，由于分析物饱和，可忽略比例的调频激光束通过混合物。因此，对于这一个或多个载波频率，在调频激光束通过混合物中之后获得的强度信号可以是小的或可忽略的。在示例中，这可以通过将激光线路偏离吸收信号的中心来解决，例如，使用电流和温度调谐中的一项或多项，直到相对观察到相对强的透射，并且然后使用根据示例的光谱方法来测量分析物的量。例如，激光频率可以被调谐以离开被置于与吸收轮廓(profile)的中心最接近的腔模式，并且激光频率可以替代地被耦接到在出现饱和的零信号带宽之外的邻近的模式或其它模式中。附加地或可替代地，光谱方法可以包括将腔的模式锁定到具有离开在吸收轮廓的中心处的腔模式的频率的模式。
在一个示例中，包括具有大的自由光谱范围的谐振器(诸如微谐振器)、具有在原子或分子线型的尾部中的谐振的谐振器的光谱装置可以被选择以降低饱和效应。调频激光束的场的饱和水平可以被用来检测不同的分析物浓度。例如，如果随微谐振器产生的消逝场是强烈的(intense)，则它将更适合用于检测高的分析物浓度，因为消逝场的饱和是不太可能的。附加地或可替代地，可以通过使用具有不同载波频率的多个激光源来降低饱和效应，这些激光源可以与具有宽范围镜面反射率的扫描腔一起使用以检测不同的分析物。
上文参考图2和图3描述的装置的腔是容纳在使用中的混合物的空心腔。然而，在其它布置中，不容纳在使用中的混合物但是仍然通过增大激光束的有效路径长度来增加信号的强度的腔可以被使用。例如，典型地为实心的但是不一定为实心的所谓的微谐振器可以在装置中被使用，以增大调频激光束的强度并且由此增大指示混合物中的分析物的量的输出的强度。例如，可以通过使用例如消逝场将来自调频激光束的入射场耦合到微谐振器中来增大调频激光束的强度。在示例中，调频激光束在微谐振器内经历相长干涉，由此增加它的强度。在示例中，在调频激光束入射到微谐振器与具有不同折射率的外部环境之间的边界上的情况下产生消逝场，并且该消逝场在微谐振器之外扩展。在这样的示例中，混合物可以与消逝场足够接近，以使得消逝场与混合物相互作用。例如，混合物可以与微谐振器邻近(例如，与微谐振器接触)。混合物中的分析物的量可以影响微谐振器内的调频激光束在微谐振器与外部环境之间的边界处的全内反射的角度，这可能例如经由消逝场而影响系统中的损耗。然后，调频激光束可以被耦合到微谐振器之外，并且使用光电检测器被检测，并且被解调以获得指示混合物中的分析物的量的输出，如下文所描述的。在示例中，可以通过隔离地使用微谐振器来优化灵敏度。然而，在其它示例中，微谐振器可以被嵌入另一种材料的层内，该层可以是薄层。
在其它示例中，具有不同耦合度的两个或更多个平行的微谐振器可以被用来提供不同级别的灵敏度。图4中示意性地示出了这样的示例，在该示例中使用了三个微谐振器。在图4的示例中，在容器142中提供包括分析物的混合物(未示出)。激光源144生成调频激光束146，该调频激光束146由分束器148分成进一步的(further)第一调频激光束、第二调频激光束和第三调频激光束150、150'、150"。进一步的第一调频激光束150入射到第一微谐振器152上，并且经由输入耦合器154耦合到第一微谐振器152中。输出耦合器156将进一步的第一调频激光束150的一部分158耦合到第一微谐振器152之外。第二调频激光束和第三调频激光束150'、150"分别被耦合到第二微谐振器和第三微谐振器152'、152"中。第二微谐振器和第三微谐振器152'、152"的与第一微谐振器152的对应组件类似的组件用相同的附图标识来表示，但是对于第二微谐振器152'带有单破折号，并且对于第三微谐振器152"带有双破折号。进一步的第一调频激光束、第二调频激光束和第三调频激光束150、150'、150"的第一部分、第二部分和第三部分158、158'、158"离开第一微谐振器、第二微谐振器和第三微谐振器152、152'、152"，并且入射到第一光电检测器、第二光电检测器和第三光电检测器160、160'、160"上。光电检测器160、160'、160"将第一部分、第二部分和第三部分158、158'、158"转换成指示它们的相对强度的强度信号，并且因此这些强度信号指示在第一微谐振器、第二微谐振器和第三微谐振器152、152'、152"的相对位置处的分析物的量。
在示例中，同时实现多个微谐振器允许执行宽范围的测量，而不必对系统进行物理调谐。饱和可以例如通过将微谐振器(例如，微环谐振器)放置在基板中的不同深度处来规避，例如，放置在离混合物不同的距离处，以使得至少一个给出可检测的透射信号。在示例中，入射到离混合物更远的微谐振器上的调频激光束经由消逝场的吸收而损失能量，但是不是饱和的。相比之下，入射到较接近于混合物的微谐振器上的调频激光束可能受到饱和的影响。
在其它示例中，可以按照与使用微谐振器来降低饱和效应的上文描述的示例相似的方式来使用各自容纳混合物的多个腔。
在使用波导的其它示例中，一行谐振器或腔可以被用来降低饱和效应，这一行谐振器或腔中的每个都位于混合物内的同一深度处，并且每个都位于到输入耦合器的不同距离处。
图5中示出了根据另一种实施例的用于测量混合物中的分析物的量的示例光谱装置的示意图。使用与图2相同的附图标记来引用图5的与参考图2所描述的特征类似的特征，但是这些附图标记增加了500；对应的描述应当被认为是同样适用的。
图5的光谱装置502与图2的光谱装置2类似，但是附加地包括用于将调频激光束522的载波频率锁定到分析物的光谱特征(诸如分析物的辐射跃迁的频率)的激光锁定机构162。(在这种情况下，水是分析物，但是一般而言装置2、502可以与其它分析物一起使用，如上所述。)如果例如激光源506的驱动电流或温度存在变化，则调频激光束522的载波频率可能漂移离开与分析物的辐射跃迁对应的给定频率，这可能被错误地认为或误解为是分析物浓度的改变。因而，在示例中，使用激光锁定机构(诸如图5的激光锁定机构)将调频激光束522的载波频率锁定到分析物的辐射跃迁提高分析物浓度测量的精确度，并且降低由于调频激光束522的载波频率的漂移而获得分析物浓度的不正确测量结果的可能性。
在图5中，入射到分束器532上的调频激光束522被分开。与图2的示例类似地，调频激光束522的一部分入射到腔，而调频激光束161的一部分经由镜570、164、166被导向用于将调频激光束522锁定到分析物的光谱特征的激光锁定机构162，而不是如图2的实施例中那样被导向第二相敏检测器。
图5的激光锁定机构162包括声光调制器(aom)(未示出)，但是在其它示例中其它装置被使用。正如本身已知的，aom包含声波行波通过其的晶体，从而产生正弦变化的折射率。在本示例中，调频激光束的该部分568与声波行波正交地通过该晶体，这使得调频激光束的该部分568被衍射成若干阶次(order)。这些阶次在光波向量和声波向量之和(也就是说，调频激光束的该部分568和声波行波的波矢量的各自的和)的倍数处在角度和频率二者上被分离。aom通常在从10mhz到1ghz范围内的声波频率下操作。通过将调频激光束的该部分568的两个衍射阶次通过容纳分析物的参考样品的单元(在本例中为容纳水蒸气的单元(但是环境湿度还可以在分析物为水的其它示例中被使用))来获得用于激光稳定化的误差信号。在示例中，分析物的参考样品为对于其分析物的量被测量的混合物或包括该混合物，例如，在混合物是环境混合物的情况下。在其它示例中，分析物的参考样品与混合物分离。分析物的参考样品可以包括除了分析物之外的组分，并且该参考样品自身可以是混合物。使用光电二极管168(但是附加地或可替代地可以使用四象限光电检测器或平衡检测器)来获得衍射的阶次之间的吸收光谱的差异。这包括获得两个频率分离的吸收特征，这两个频率分离的吸收特征在彼此相减时产生“分散形状(dispersionshaped)”的误差信号。通过使用第零衍射阶次和第一衍射阶次，零点正好位于调制频率的一半处。例如，在aom在raman-nath条件下的情况下，通过使用第-1和第+l阶次，则零正好谐振。
以这种方式获得的误差信号指示调频激光束相对于分析物的光谱特征的频率偏共振的程度。在诸如图5的示例之类的示例中，该误差信号经由电连接582被传送到第一pid控制器580。与图2的pid控制器80类似地，图5的第一pid控制器580依赖于误差信号来调整经由电连接584提供给调谐装置510的电信号，以改变向激光二极管506提供的调谐，以便将调频激光束522的载波频率改变为更紧密地匹配分析物的光谱特征的频率。
(例如参考图5所描述的)使用aom来获得误差信号可以在没有对第零阶次激光束施加附加的调制频率的情况下去除或降低光谱法对分析物的特定分子性质的依赖性。在示例中，(例如，如上文所描述的对在调频激光束的该部分568的不同衍射阶次之间的吸收光谱的差异的)平衡检测还降低共模(强度)噪声。
在图5的示例中，与图2类似地，第一光电检测器546接收到调频激光束522已经通过第二镜544和第二透镜540离开腔536的一部分，并且将调频激光束522的入射部分转换成指示调频激光束522和混合物之间的相互作用的强度信号。然而，在图5中，强度信号(在本示例中为电子信号)经由电连接548被传送到第一相敏检测器550(其与图2类似地操作)和第二相敏检测器576二者。图5的第二相敏检测器576与图2的第二相敏检测器76类似地操作，并且被配置为通过在调制频率下对强度信号进行解调来产生第一解调信号。第一解调信号经由电连接170被传送到第二pid控制器172。图5的第二pid控制器172调整经由电连接174向压电换能器564提供的电信号。作为响应，压电换能器564经由与第二镜544的机械连接566提供对腔536的长度的机械微调，以基于第一解调信号将腔536的长度锁定到具有与调频激光束522的载波频率最接近的频率的腔的模式。因此，图5的示例既包括将调频激光束的载波频率锁定到分析物的辐射跃迁的频率，又包括将腔锁定到具有与调频激光束的载波频率最接近的频率的模式。
上面的实施例应当被理解为本发明的说明性示例。本发明的其它实施例是可设想的。应当理解，相对于任何一个实施例描述的任何特征可以被单独使用或者与所描述的其它特征结合使用，并且还可以与实施例中的任何其它实施例的一个或多个特征结合使用、或者与实施例中的任何其它实施例的任何组合结合使用。此外，还可以采用上文没有描述的等价物和修改，而不脱离本发明的范围，本发明的范围在所附的权利要求书中限定。
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