一种腔增强物质分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学技术领域，涉及一种物质分析方法，特别是一种腔增强物质分析方法，主要应用于环境监测、安全检测、风险评估、食品安全、质量监测、生物研宄、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全等领域中物质检测。
【背景技术】
[0002]对物质检测的需求广泛存在于环境监测、安全检测、风险评估、食品安全、质量监测、生物研宄、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全等领域，并且对物质检测的要求越来越高，希望检测方法的检测灵敏度要高，对物质检测的下限要低。高精细度腔吸收光谱技术由于具有检测灵敏度高、功能易于扩充、选择性好等优点，成为物质检测技术发展热点之一，并且已经得到了广泛的关注。在先技术中存在一种高精细度腔增强物质检测方法，参见授权发明专利，专利名称为《一种基于近场光学行波吸收的痕量物质分析装置》，专利号:ZL200910100385.8，授权公告时间为2010年09年29日，此在先技术中的腔增强痕量物质检测方法虽然具有一定的优点，但是仍然存在不足:基于等腰三角形棱镜构成的近场光学行波腔，整体系统结构复杂，机械定位要求高，被检测物放置在光学近场区域，对被检测物存在一定要求，使用不灵活、影响应用范围；被检测区域为光学近场区域，为薄层区域，难于检测分子浓度低的物质，难度实现对气体等较低物质密度的被检测物的分析，对于较低物质密度的被检测物的检测灵敏度不够高；在先技术采用腔外光束导入方式，即采用无源腔增强技术构架，光束进入高精细度腔时存在损耗，光能利用率低，并且本质上腔内光场强度低直接影响物质检测灵敏度。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种腔增强物质分析方法，具有系统工艺简单、机械定位要求低、便于实现、对被检测样品要求低、使用灵活、应用范围广、可检气态物质、灵敏度尚、光能利用率尚、可靠性尚、光能功能易于扩充等特点。
[0004]本发明的基本构思是:基于有源高精度腔增强原理，将激光激励源设置在高精度腔内，在高精度腔内形成强光场；被检测物质设置在高精度腔内的激光区域，被检测物质受激光激发而发射特征光场，特征光场经过柱面镜汇聚线性光场导入光纤束中；光纤束的特性光场入射端的光纤端面排列成矩形，与柱面镜汇聚光场强度分布相匹配；光纤束的特性光场出射端设置有光电探测部件，用于探测特性光场信息；在光电探测部件和激光区域之间的特征光场光路上设置有滤光附件；通过数据分析得到本检测物质信息。
[0005]本发明的一种腔增强物质分析方法，其具体的技术方案如下:
步骤(I)基于高精度腔构建原理，利用高反射率反射面构建高精细度光学谐振腔，每个反射面的反射率不低于93% ；
步骤(2)将激光增益介质设置在高精细度光学谐振腔内，光增益介质和激励部件相结合，激励部件对光增益介质进行激励，在高精细度光学谐振腔内形成稳定的激光光场，实现有源高精细度谐振腔；
步骤(3)被检测物质设置在高精度腔内的激光光束区域，被检测物质受激光激发而发射特征光场；
步骤(4)在设置有被检测物质的激光光束区域的侧面设有柱面镜，柱面镜无曲率变化的纵向方向与激光光束的夹角小于20度，在柱面镜的焦线区域设置有光纤束的一端，特征光场经过柱面镜汇聚线性光场导入光纤束中，光纤束的特性光场入射端的光纤端面排列成长条形，与柱面镜汇聚光场强度分布相匹配；
步骤(5)光纤束的特性光场出射端设置有光电探测部件，用于探测特性光场信息；在光电探测部件和激光区域之间的特征光场光路上设置有滤光部件；通过数据分析得到本检测物质信息。
[0006]所述的激光增益介质为固体增益介质、气态增益介质、燃料增益介质、半导体增益介质的一种。
[0007]所述的激励部件为光学激励部件、电学激励部件一种。
[0008]所述的高精细度光学谐振腔为线形高精细度光学谐振腔、环形高精细度光学谐振腔的一种。
[0009]所述的柱面镜为透射式柱面镜、反射式柱面镜、复合式柱面镜的一种。
[0010]所述的光纤束光纤端面排列成长条形为矩形、椭圆形、菱形的一种。
[0011]所述的光纤束光场出射断面的光纤排成矩形、椭圆形的一种。
[0012]所述的滤光部件为带通滤光片、截止滤光片的一种。
[0013]所述的光电探测器为光谱检测部件、单色仪、半导体光电管、光电倍增管、雪崩管的一种。
[0014]本发明中增益介质技术、泵浦光技术、高精细度腔原理、光纤束制作技术、光电探测器、机械结构技术、信息分析技术等均为成熟技术。本发明的发明点在于基于有源高精度腔增强原理，被检测物质的特征光场经过柱面镜汇聚线性光场导入光纤束中，光纤束的特性光场入射端的光纤端面排列成矩形，与柱面镜汇聚光场强度分布相匹配，光纤束的特性光场出射端设置有光电探测部件，探测特性光场信息，通过数据分析得到本检测物质信息，给出一个具有系统工艺简单、机械定位要求低、便于实现、对被检测样品要求低、使用灵活、应用范围广、可检气态物质、灵敏度尚、光能利用率尚、可靠性尚、光能功能易于扩充等特点的腔增强物质分析方法。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点:
1)在先技术基于等腰三角形棱镜构成的近场光学行波腔，整体系统结构复杂，机械定位要求高，被检测物放置在光学近场区域，对被检测物存在一定要求，使用不灵活、影响应用范围。本发明基于有源高精度腔增强原理，被检测物质的特征光场经过柱面镜汇聚线性光场导入光纤束中，光纤束的特性光场入射端的光纤端面排列成矩形，与柱面镜汇聚光场强度分布相匹配，光纤束的特性光场出射端设置有光电探测部件，探测特性光场信息，通过数据分析得到本检测物质信息，本发明具有系统工艺简单、机械定位要求低、便于实现、对被检测样品要求低、使用灵活、应用范围广等特点；
2)在先技术被检测区域为光学近场区域，为薄层区域，难于检测分子浓度低的物质，难度实现对气体等较低物质密度的被检测物的分析，对于较低物质密度的被检测物的检测灵敏度不够高。本发明本质上不受限于近场，被检测物质和光束相互作用区域可以灵活控制，可以根据不同被检测物质特性选择适当作用区域，用以增加检测灵敏度，本方法使用灵活，可以检测低物质密度的物质，包括气态物质，并且检测灵敏度高；
3)在先技术采用腔外光束导入方式，即采用无源腔增强技术构架，光束进入高精细度腔时存在损耗，光能利用率低，并且本质上腔内光场强度低直接影响物质检测灵敏度。本发明中采用有源腔增强技术，激光内部产生，极大地提高了光能量利用率，并且腔内产生的高能量光场可以直接增加光场进过被检测物质的往返作用效应，本质上提高了检测灵敏度；被检测物质设置在高精度腔内的激光区域，被检测物质受激光激发而发射特征光场，特征光场经过柱面镜汇聚线性光场导入光纤束中；光纤束的特性光场入射端的光纤端面排列成矩形，与柱面镜汇聚光场强度分布相匹配，进