專利名稱:一種用于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種連續(xù)鎖模裝置,特別是一種用 于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置,主要用于連續(xù)鎖模近場光 腔衰蕩光譜分析技術(shù)中的連續(xù)鎖模。
背景技術(shù):
在環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國防安全、先進(jìn)制造工業(yè)等許 多領(lǐng)域存在大量的物質(zhì)痕量測量需求,并且對痕量物質(zhì)檢測靈敏度的要 求越來越高。腔衰蕩光譜分析技術(shù)由于具有檢測靈敏度高、絕對測量、 選擇性好等優(yōu)點(diǎn),成為痕量物質(zhì)測量技術(shù)發(fā)展趨勢之一。腔衰蕩光譜分 析技術(shù)多用來分析痕量氣體濃度和組分,近些年來,研究者也將腔衰蕩 光譜分析技術(shù)應(yīng)用于流體物質(zhì)分析。腔衰蕩光譜分析技術(shù)中,由于可以 顯著提高系統(tǒng)光能利用效率和系統(tǒng)測量精度,連續(xù)鎖模裝置被引入腔衰 蕩光譜分析中,并且起著非常重要的作用?,F(xiàn)有技術(shù)中,有一種用于腔
衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置(參見美國專利"Cavity-Locked Ring Down Spectroscopy",專利號US6, 084, 682)。該專利中的用于腔衰蕩光譜分 析的連續(xù)鎖模裝置具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn),但是,仍然存在一些本質(zhì)不足1) 腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)中,采用三面反射鏡構(gòu)成的光學(xué)精細(xì)腔,系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜,對于機(jī)械加工和定位的要求較高,導(dǎo)致系統(tǒng)測量工作是穩(wěn)定性差; 2)腔衰蕩光譜分析系統(tǒng)中,連續(xù)鎖模過程是通過位移部件調(diào)節(jié)光學(xué)精細(xì) 腔的一面反射鏡位置來實(shí)現(xiàn)的,連續(xù)鎖模過程中改變了光學(xué)精細(xì)腔,提 高了系統(tǒng)鎖模難度,并且降低了系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和可操作性;3)只 能用來測試分析氣體,不能對流體物質(zhì)、薄膜、界面、納米物質(zhì)等形態(tài) 物質(zhì)的痕量濃度測試,對流體進(jìn)行測量時,需要被檢測流體具有一定體 積數(shù)量,對具有少量的被測流體無法進(jìn)行檢測。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種用于光學(xué)近場腔
衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置,具有無需調(diào)解腔鏡、系統(tǒng)簡單、單個元 件構(gòu)成光學(xué)精細(xì)腔、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為
本發(fā)明包括外反射棱鏡、入射反射鏡、近場光學(xué)精細(xì)腔、出射反射 鏡、偏振分光鏡、光電探測器、分析控制單元和移動部件。
所述的外反射棱鏡為等腰三角形外反射棱鏡或等腰梯形外反射棱 鏡,其中兩個腰面為反射面,分別是入射反射面和出射反射面,入射反 射面與底面夾角為45。、出射反射面與底面夾角為135° 。
所述的近場光學(xué)精細(xì)腔設(shè)置在外反射棱鏡上方,為等腰三角形棱鏡 或等腰梯形棱鏡,兩個腰面分別為高反射率入射面和高反射率出射面, 底面為內(nèi)全反射面,近場光學(xué)精細(xì)腔的底面與外反射棱鏡的底面平行、 近場光學(xué)精細(xì)腔的橫截面與外反射棱鏡的橫截面平行。
所述的入射反射鏡和出射反射鏡分別設(shè)置在近場光學(xué)精細(xì)腔的兩 側(cè),同時也設(shè)置在外反射棱鏡的兩側(cè),其中入射反射鏡與外反射棱鏡的 入射反射面平行、出射反射鏡與外反射棱鏡的出射反射面平行。
外反射棱鏡、入射反射鏡、近場光學(xué)精細(xì)腔、出射反射鏡和偏振分 光鏡位置配合,均設(shè)置在光路上,具體是與外反射棱鏡底面平行、且 與外反射棱鏡橫截面垂直的入射光束在外反射棱鏡的入射反射面發(fā)生反 射后入射至入射反射鏡,由入射反射鏡反射后由高反辨率入射面入射至 近場光學(xué)精細(xì)腔,形成環(huán)形行波,再透過高反射率出射面射出,入射至 出射反射鏡,由出射反射鏡反射后入射至外反射棱鏡的出射反射面,經(jīng) 反射后入射至偏振分光鏡;偏振分光鏡對于s偏振態(tài)光反射、對P偏振 態(tài)光透射,其中光電探測器設(shè)置在s偏振態(tài)光的反射光路上。
外反射棱鏡的底面與移動部件固定連接,移動部件和光電探測器均
與分析控制單元電連接。
所述的光電探測器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。 所述的移動部件為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移元件中的一種。
本發(fā)明中通過分析控制單元控制移動部件進(jìn)行鎖模,這是成熟技術(shù)。 本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于提供一種用于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模
裝置的光路結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1) 光學(xué)精細(xì)腔構(gòu)成簡單,只由一個光學(xué)元件構(gòu)成環(huán)形光學(xué)精細(xì)腔, 內(nèi)部形成光束行波,光強(qiáng)分布均勻,測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定,對光學(xué) 精細(xì)腔機(jī)械定位要求低;
2) 連續(xù)鎖模過程是通過位移部件調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的等腰梯形反射鏡,從 而改變激光束在光學(xué)精細(xì)腔的行程,實(shí)現(xiàn)鎖模,無需改變光學(xué)精細(xì)腔, 系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性高,可操作性強(qiáng);
3) 將腔衰蕩光譜分析測量對象拓展到薄膜、界面、納米物質(zhì)、流體,
擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,測量時所需被測物質(zhì)量少。
圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示, 一種用于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置包
括外反射棱鏡1、入射反射鏡2、近場光學(xué)精細(xì)腔3、出射反射鏡4、偏 振分光鏡5、光電探測器6、分析控制單元7、移動部件8。圖中實(shí)線為 光路、虛線為電子連接。
外反射棱鏡1為等腰外反射三角形棱鏡或等腰梯形外反射棱鏡,腔 衰蕩光譜分析中的入射光束與等腰外反射棱鏡1的底邊平面103平行, 光束前進(jìn)方向上依次設(shè)置有外反射棱鏡l、入射反射鏡2、近場光學(xué)精細(xì) 腔3、出射反射鏡4、偏振分光鏡5、光電探測器6。外反射棱鏡1的兩 個腰面為反射面,分別為入射反射面101和出射反射面102,入射反射面 101與入射反射鏡2平行,出射反射面102與出射反射鏡4平行。光束經(jīng) 過外反射棱鏡1的入射反射面101和入射反射鏡2反射后形成的光束上 設(shè)置有近場光學(xué)精細(xì)腔3,近場光學(xué)精細(xì)腔3為等腰三角形棱鏡或等腰梯 形棱鏡,兩個腰面為高反射率入射面301和高反射率出射面302、底面 303為內(nèi)全反射面,近場光學(xué)精細(xì)腔的底面303與外反射棱鏡1的底面 103平行,光束經(jīng)過高反射率入射面301射入近場光學(xué)精細(xì)腔3形成環(huán)形 行波,再透過高反射率出射面302出射。高反射率出射面302出射光束
上設(shè)置有出射反射鏡4,光束經(jīng)過出射反射鏡4和外反射棱鏡1的出射反 射面102兩次反射光路上設(shè)置有偏振分光鏡5,偏振分光鏡5對于s偏振 態(tài)光反射,對P偏振態(tài)光透射,光電探測器6設(shè)置在s偏振態(tài)光的反射 光路上。移動部件8與外反射棱鏡1的底邊平面103固定連接,移動部 件8和光電探測器6均與分析控制單元7電連接。
分析控制單元7為計算機(jī)系統(tǒng),探測器6為雪崩管,移動部件8為 壓電陶瓷位移器,外反射棱鏡1為等腰梯形外反射棱鏡,近場光學(xué)精細(xì) 腔3為等腰三角形棱鏡,偏振分光鏡5對于s偏振態(tài)光反射,對p偏振 態(tài)光透射。
本發(fā)明裝置的工作過程為腔衰蕩光譜分析中的入射光束含有s偏振 態(tài)光和p偏振態(tài)光,p偏振態(tài)光用于測量,s偏振態(tài)光用于鎖模。入射光 束經(jīng)過外反射棱鏡1的入射反射面101和入射反射鏡2反射后,射向近 場光學(xué)精細(xì)腔3的高反射率入射面301 ,在近場光學(xué)精細(xì)腔3中形成行波, 并且在近場內(nèi)反射底面303發(fā)生內(nèi)全反射,形成近場光測量區(qū)域,被檢 測物質(zhì)置于近場內(nèi)反射底面303近場光測量區(qū)域進(jìn)行測量。用于系統(tǒng)鎖 模的s偏振態(tài)在經(jīng)過近場光學(xué)精細(xì)腔3的高反射率出射面302出射后, 被出射反射鏡4和外反射棱鏡1的出射反射面102兩次反射后射向偏振 分光鏡5,偏振分光鏡5對于s偏振態(tài)光反射,對p偏振態(tài)光透射,光電 探測器6設(shè)置在s偏振態(tài)光的反射光路上,將s偏振態(tài)光光信號轉(zhuǎn)化成 為電信號,傳給分析控制單元7,移動部件8與外反射棱鏡1的底邊平面 103相連接,分析控制單元7對光電探測器6所的信息處理后對移動部件 8進(jìn)行控制,移動外反射棱鏡1沿著垂直于底邊平面103的方向移動,這 引起光束在近場光學(xué)精細(xì)腔3中的光程變化,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)鎖模。
本發(fā)明具有光學(xué)精細(xì)腔構(gòu)成簡單、無需改變光學(xué)精細(xì)腔、系統(tǒng)可靠 性和穩(wěn)定性高、可操作性強(qiáng)、測量時所需被測物質(zhì)量少等優(yōu)點(diǎn),成功實(shí) 現(xiàn)了光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模要求。
權(quán)利要求
1、一種用于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置,包括外反射棱鏡、入射反射鏡、近場光學(xué)精細(xì)腔、出射反射鏡、偏振分光鏡、光電探測器、分析控制單元和移動部件,其特征在于所述的外反射棱鏡為等腰三角形外反射棱鏡或等腰梯形外反射棱鏡,其中兩個腰面為反射面,分別是入射反射面和出射反射面,入射反射面與底面夾角為45°、出射反射面與底面夾角為135°;所述的近場光學(xué)精細(xì)腔設(shè)置在外反射棱鏡上方,為等腰三角形棱鏡或等腰梯形棱鏡,兩個腰面分別為高反射率入射面和高反射率出射面,底面為內(nèi)全反射面,近場光學(xué)精細(xì)腔的底面與外反射棱鏡的底面平行、近場光學(xué)精細(xì)腔的橫截面與外反射棱鏡的橫截面平行;所述的入射反射鏡和出射反射鏡分別設(shè)置在近場光學(xué)精細(xì)腔的兩側(cè),同時也設(shè)置在外反射棱鏡的兩側(cè),其中入射反射鏡與外反射棱鏡的入射反射面平行、出射反射鏡與外反射棱鏡的出射反射面平行;外反射棱鏡、入射反射鏡、近場光學(xué)精細(xì)腔、出射反射鏡和偏振分光鏡位置配合,均設(shè)置在光路上,具體是與外反射棱鏡底面平行、且與外反射棱鏡橫截面垂直的入射光束在外反射棱鏡的入射反射面發(fā)生反射后入射至入射反射鏡,由入射反射鏡反射后由高反射率入射面入射至近場光學(xué)精細(xì)腔,形成環(huán)形行波,再透過高反射率出射面射出,入射至出射反射鏡,由出射反射鏡反射后入射至外反射棱鏡的出射反射面,經(jīng)反射后入射至偏振分光鏡;偏振分光鏡對于s偏振態(tài)光反射、對p偏振態(tài)光透射,其中光電探測器設(shè)置在s偏振態(tài)光的反射光路上;外反射棱鏡的底面與移動部件固定連接,移動部件和光電探測器均與分析控制單元電連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種用于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖 模裝置,其特征在于所述的光電探測器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種用于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置,其特征在于所述的移動部件為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、 納米位移元件中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)近場腔衰蕩光譜分析的連續(xù)鎖模裝置?,F(xiàn)有技術(shù)采用調(diào)節(jié)腔鏡技術(shù),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性和穩(wěn)定性低,不能對流體、薄膜、界面等進(jìn)行測試。本發(fā)明采用等腰外反射棱鏡和與之兩斜邊平面相平行的兩個反射鏡構(gòu)成可調(diào)節(jié)反射光路,位移部件與等腰外反射棱鏡底面連接,利用單一元件構(gòu)成近場光學(xué)精細(xì)腔并置于兩個反射鏡之間光路上,通過位移部件調(diào)節(jié)等腰外反射棱鏡在垂直底面方向上的位置,可以調(diào)節(jié)光束在近場光學(xué)精細(xì)腔內(nèi)的光程,利用光電探測器探測系統(tǒng)出射的s偏振光對位移部件進(jìn)行反饋完成系統(tǒng)鎖模過程。本發(fā)明具有光學(xué)精細(xì)腔構(gòu)成簡單、無需改變光學(xué)精細(xì)腔、可靠性和穩(wěn)定性高、可操作性強(qiáng)、測量對象廣泛等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N21/00GK101358922SQ20081016850
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者高秀敏 申請人:杭州電子科技大學(xué)