专利名称：关于光学检测装置的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学检测装置，更具体地说，涉及适用于光波长扫描以检测某个带宽中特定波长光是否存在的光学检测装置。
在我们的待审批的专利申请2181536A中，描述了一种光学检测装置，用来检测和/或测量被监测的特定区域内气体的存在和/或其浓度，这一装置采用对宽频带光(白光)在被监测的区域内发射出来的其预定的带宽相对较窄的光进行扫描，以便检测与待测气体吸收线或谱线相一致的特定波长或光谱波长的衰减。这种波长扫描是利用装备有检测器元件的Fabry-Perot(法布里·珀罗)扫描装置而得到的。Fabry-Perot扫描装置用作所谓的“梳形”滤光器是非常有效的，它根据提供给Fabry-Perot装置的发送器锯齿波信号的响应，按被监测气体的有间隔的(即有规律地相间隔)吸收波长线进行扫描。这一方法使用具有宽带(例如白光)的光源是最有效的，可以是钨丝灯或发光二极管。对被监测的气体的吸收谱线进行同步扫描，由于这种气体吸收谱线与另外的气体的谱线可更有效地识别或区分，使这一改进的效果更为突出，因为一种气体的吸收线虽然可能位于另一气体吸收线的同样的谱线区域内，然而相应的光谱吸收线之间的间隔可能是不一样的，因此，利用谱线进行扫描提供了更多的选择能力。
本发明是基于这种认识，在检测和/或测量被监测区域内气体的浓度时，不要在该区域的输出边为气体吸收谱线进行同步扫描而提供一种“梳形”滤光器扫描装置，而是设计和/或装备一个具有多谱线光输出的光源装置，这种多谱线光，就它们和被监测的特定气体的多条吸收谱线或波长所处的特定光谱带之间的间隔来说，是相一致的或非常近似的。
因此，本发明提供一种光学检测装置，特别适合于作为气体检测器使用，其中扫描光源装置产生一个有规律相间隔的光谱波长或多条谱线，就其与被监测的气体吸收谱线的间隔来说，或者就其与一些其他的吸收光谱来说，是相一致的，或者是相等的，其中由光源装置产生的多谱线输出，通过待测气体的区域中传送，以及测定从该区域中传出的光输出量的装置，它用来检测从光源装置产生的多谱线输出部分的衰减，这种衰减是由于被监测气体吸收所致。
实施本发明的一种方式是，提供一个能产生“梳形”谱源的光源装置，可以是一个Fabry-Perot半导体激光器或等同物，其谱线的间隔与被监测气体的吸收谱线中的吸收线相一致，利用改变激光器的电流偏置，或者改变激光器的温度，或者利用对激光器施加一个机械压力，从而改变激光器谐振控的有效光程长度等办法，对多谱线输出激光器的输出谱线进行同步扫描。
实施本发明的另一种方式是，提供一种具有“梳形”滤光谱源的光源装置，可以包括一种白光源，或者是一种宽带光源，例如一个发光二极管或一些其他类型的发光半导体器件。这种光源装置还包括一个频率扫描“梳形”滤光器，它可以是Fabry-Perot型式的，或者可以包括一个已导向的Mach-Zehnder(马赫-陈德尔)干涉器。实施本发明第一种方法中的激光器的材料应予以选择，使正常工作的激光器在所要求的电流偏置水平上能给出一个正确的中心频率。
现在参照附图，对本发明的不同实施例给予说明，其中
图1所示简图为根据本发明光谱光波长扫描装置的一种形式;
图2是图1所示装置中从光源装置产生的“梳形”或多谱线输出的扫描图;
图3是能被图1所示装置监测的气体的吸收谱线图;
图4是本发明光谱光波长扫描装置另一形式的简图，为包含一个Mach-Zehnder干涉器的整体光学结构型式。或者使用一种全光纤的Mach-Zehnder干涉器，在其一臂上装有能适当改变长度的装置(这种长度可变装置可以是一种压电伸长器);以及图5为图4所示的光源及Mach-Zehnder干涉器的输出特性。
参照由图1所简略表示的气体检测装置，包括一个Fabry-Perot谐振腔型多模半导体激光器光源1，它产生一种大致如图2所示形式的具有一定强度的谱线，其材料应予选择，当偏置输入装置2的偏置输入电流水平处在所要求的水平上时，能产生一个中心频率f0。
安排对激光器多谱线输出的所有谱线进行同步扫描，正如图2中谱线3至7上的双向箭头所表明的那样，一般是采用改变激光器偏置电流来达到这一目的，或者也可以改变激光器的温度，或者对Fabry-Perot激光器施加一可变的机械压力，从而改变激光器谐振腔的有效的光程长度，以便获得对谱线的扫描。
从激光器来的被扫描的多谱线输出，可以发射到光纤8中(或自由空间，或准直光路中)，以便传输到气体容器9中，该容器9放置在被测气体(如甲烷)或气体混合物的区域内，以检测和/或测量这种气体是否存在和/或其浓度。
被检测的气体将具有吸收谱线，当光线通过气体容器9传送时，引起光线的衰减，衰减的光线的波长与那些吸收谱线相一致。
为了检测处于气体容器9中的气体，激光器1的材料应予以选择以使多谱线输出的具有一定强度的谱线之间的有规律的间隔，与相应气体吸收线光谱的吸收线之间的有规律的间隔相符合。这种有规律的间隔对一种特定的气体来说是独特的。然而，这种气体的吸收谱线的波长将位于激光器多谱线输出的波段之中。这种吸收谱线可以是如图3所示的典型形式，图中表明10至14为吸收谱线。
正如将要了解的，当被扫描的多谱线输出通过气体容器9传送时，与吸收谱线相一致的光线的波长将会衰减，其大小依容器中气体的存在和/或浓度而定，然后，从气体容器输出的光线传送到光纤装置16(或自由空间，或准直光路)后，由检测器装置15来检测这样的衰减。
现在参照图4，它表示一种光学波长扫描装置，其宽带光源实际上包括了一个波长扫描“梳形”滤光器。这种光源可以由一支发光二极管17或其他类型的发光半导体器件组成。当然也可使用白光源。
光源装置的波长扫描“梳形”滤光器可以由Fabry-Perot扫描装置组成，其类型与上面所提到的待审批专利申请中其检测器末端所使用的相类似。然而，按照本发明大量生产气体检测装置时，使用如图4所示的导向Mach-Zehnder整体结构干涉滤光器18是更为有利的。
这种干涉器包含有两个单模分支光路19及20，在输入光路21内的单模已导向的光信号在19及20之间被分离。从发光二极管17所产生的传输给干涉器的导向输入信号如图5所示。发光二极管的光谱波形22一般呈正弦形波形。干涉器的两个分支光路19及20在单模输出导向光路23中又被结合在一起。在光路19及20的长度上应设置光程差，以便干涉器具有的光强周期传输波形之间的间隔(一般如图5所示的正弦波形24)，与气体容器9中被传感的气体所独具的吸收光谱的吸收线之间有规律间隔(参见图3的气体吸收谱线)相一致。而且，发光二极管17的波长应位于被检测的气体吸收谱线更宽的范围内。
Mach-Zehnder干涉器有一对电极25及26，位于分支光路19相对应的两边，当电极25及26之间施加可变的电信号时，光路19的长度就可以稍稍改变，以调制发光二极管的输出信号，其结果引起如图5所示的周期传输信号的频率或波长扫描。这个耦合到输出光纤27中的光由所要求的频率偏移多谱线输出所组成，并且具有一定强度的传输波峰或谱线之间的频率间隔，与气体吸收谱线的吸收线之间的间隔相等或几乎相等。
如同图1所示实施例情况一样，从光源装置产生的扫描多谱线输出，经过气体容器9传播，当具有一定浓度的气体存在时，就引起一定强度的光线的衰减，衰减的光线与气体光谱的吸收线相一致。并且这种衰减由检测器装置15所检测，以便确定气体容器9中的气体浓度。这种Mach-Zehnder干涉器可以包括一个基底为铌酸锂的光强调制器，其光程之间的不相等性可适当予以选择。然而用半导体材料制造调制器具有特别的优点，因为发光二极管17也能和调制器组合在同一个单块结构之中，因此在大量生产传感装置时节约成本。
在本发明的另一种实施例中，滤光器也可以是一种集成表面波导调制装置，以取代具有公知形式的△β调制器的Mach-Zehnder干涉器，也能有效地起到梳形滤光器的作用，用来对光源产生的多谱线输出进行扫描。
权利要求
1.一种检测气体用的光学扫描装置，其中扫描光源装置产生一种有规律相间隔的波长光谱或谱线，与被监测的气体的吸收谱线的间隔规律相一致，其中从光源装置产生的多谱线输出通过被检测气体的区域传送，以及检测从该区域传出的光输出量的装置，用来检测从光源装置产生的多条谱线输出部分的衰减，该衰减是由于所述被监测气体吸收所致。
2.如权利要求1所述的光学扫描装置，其中光源装置包括一个法布里·珀罗(Fabry-Perot)半导体激光器或等同物，用以产生一个可变的多谱线输出，其谱线间隔与被监测气体吸收谱线中的吸收线的间隔相一致。
3.如权利要求2所述的光学扫描装置，其中激光器的多谱线输出线，利用改变激光器电流偏置或改变激光器的温度，被同步扫描。
4.如权利要求2所述的光学扫描装置，其中激光器的多谱线输出线，利用对激光器施加机械压力，从而改变激光器谐振腔的有效光程长度，被同步扫描。
5.如权利要求1所述的光学扫描装置，其中光源装置包括一个白光或宽带光源以及一个频率扫描梳形滤光器。
6.如权利要求5所述的光学扫描装置，其中梳形滤光器为法布里·珀罗(Fabry-Perot)型。
7.如权利要求5所述的光学扫描装置，其中梳形滤光器包括一个被导向的马赫-陈德尔(Mach-Zehnder)干涉器。
8.如权利要求5所述的光学扫描装置，其中梳形滤光器是一个集成表面波导调制装置。
9.一种大致如上所描述的以及如附图所示的光学扫描装置。
全文摘要
一种用于检测气体的光学扫描装置，其中扫描光源装置产生一个有规律相间隔波长的光谱或谱线，与被监测气体吸收谱线的间隔规律相一致，其中从光源装置产生的多谱线输出，通过被检测气体的区域传送，以及检测从该区域输出的光线的装置，用来检测从光源装置产生的多条谱线输出部分的衰减，该衰减是由于所述被监测气体吸收所致。
文档编号G01N21/39GK1036636SQ8910173
公开日1989年10月25日 申请日期1989年2月10日 优先权日1988年2月10日
发明者约翰·菲利普·达金 申请人:普列斯海外有限公司