專利名稱：基于前向簡并四波混頻的超高靈敏度同位素檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非線性光譜技術(shù)范疇，涉及一種同位素檢測方法，具體涉及一種基于前向簡并四波混頻(Forward degenerate four-wave mixing，F(xiàn)DFWM)的超高靈敏度同位素檢測方法。
背景技術(shù)：
同位素分析在地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)、核技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)示蹤、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。同位素分析是一種主要的巖石和地質(zhì)學(xué)事件年代測定手段，借助于υ-Pb，K-Ar, Rb-Sr和其他一些用于年齡測定的同位素，提供了從時序上研究地質(zhì)學(xué)事件或過程的資料。 同樣，同位素測年技術(shù)在考古學(xué)中也具有明顯的意義，如C-14測年法，Pb同位素比值法測文物年代和產(chǎn)地法等。在核工業(yè)中，人們通過對U, Pu, Li，T，B，D等產(chǎn)物的鑒定和產(chǎn)生過程的分析，監(jiān)測核燃料循環(huán)中的燃耗情況。生物醫(yī)學(xué)等研究中，人們以D，13C, 14C, 18O等代替有機分子中的H，12C, 160，對食物、藥物、毒物、代謝物、細菌等加以標(biāo)記，就有可能在生理情況下追蹤研究這些物質(zhì)在機體內(nèi)的轉(zhuǎn)移及其轉(zhuǎn)移速度、代謝轉(zhuǎn)變；找出反應(yīng)產(chǎn)物或現(xiàn)存代謝物的前身，從而確定代謝途徑；可以研究轉(zhuǎn)變的速度、發(fā)生的條件機制等(劉炳寰等編著，質(zhì)譜學(xué)方法與同位素分析，科學(xué)出版社，1983，pl47)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們認識世界的程度不斷深入，同位素分析技術(shù)越來越要求具有“準(zhǔn)”，“精”，“少”，“稀”，“快”等特點。迄今為止，質(zhì)譜技術(shù)是同位素分析的主要手段。然而，質(zhì)譜技術(shù)存在很多缺陷，如成本高、樣品前處理復(fù)雜、檢測耗時長等。質(zhì)譜技術(shù)的耗樣量大(微克級)，這一弊端使得其遠遠不能滿足無損及近無損檢測的要求，如珍貴文物等。質(zhì)譜技術(shù)的另外一個致命缺陷是同重元素干擾，這使得很多同位素不能被分辨(Dominic Lariviere, Vivien F. Taylor, R. Douglas Evans, R. Jack Cornett. Spectrochimica. Acta Part B 2006, 61 877.)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于FDFWM的超高靈敏度同位素光譜檢測方法，該方法應(yīng)用了一種全新的思路來分析同位素，用非線性光譜學(xué)技術(shù)測量同位素，能夠提高同位素檢測靈敏度，實現(xiàn)近無損檢測，使用本發(fā)明的方法來檢測同位素，能夠降低檢出限、減少取樣量，且使用設(shè)備相對簡單，便于操作，具有超高靈敏度和檢測精度。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案
一種基于前向簡并四波混頻光譜技術(shù)的同位素檢測方法，其特征在于，具體按照以下步驟進行
(1)將一束激光分為三束光；
(2)調(diào)整三束光的空間相對位置，使得三束光滿足以下條件 光程相等；傳播方向相同； 傳播路徑相互平行；
在三束光的傳播路徑的任意截面上，三束光的光斑形成一個腰長不大于1厘米的等腰直角三角形；
(3)將步驟(2)得到的三束光聚焦，該三束光與位于聚焦點的待測同位素樣品相互作用產(chǎn)生FDFWM信號；
(4)掃描激光器的中心頻率，用光電探測器測量待測同位素樣品的FDFWM信號，獲得 FDFWM信號隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號譜；
(5)根據(jù)獲得的FDFWM信號譜的峰位判斷待測同位素樣品的種類，再根據(jù)待測同位素樣品的種類、FDFWM信號譜的峰值高度來獲得待測同位素樣品的含量信息。本發(fā)明還包括如下其他技術(shù)特征 所述激光存在待測同位素樣品的能級共振頻率。所述激光線寬小于待測同位素樣品的光譜間隔。輸出所述激光的激光器在待測同位素樣品的能級共振頻率附近能夠連續(xù)調(diào)諧。與現(xiàn)有的質(zhì)譜技術(shù)相比，本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點 (1)簡化了設(shè)備、降低了操作難度、節(jié)約了成本。(2)經(jīng)驗證，檢出限達到阿克量級。大大降低了檢出限、減少了取樣量； (3)由于FDFWM信號是相干光，使檢測精度大大提高，避免了同重干擾。(4)采用二分之一波片加偏振分束立方體組合來分光，通過旋轉(zhuǎn)二分之一波片角度控制三束入射激光的強度比例，得到最大的信號強度，另外，該分光技巧還能控制FDFWM 的偏振狀態(tài)，有效避免背景干擾、提高信噪比。


圖1是本發(fā)明的光路示意圖。圖中標(biāo)號含義1-激光器；21-第一全反鏡；22-第二全反鏡；23-第三全反鏡；24-第四全反鏡；25-第五全反鏡；26-第六全反鏡；31-第一偏振分束立方體；32-第二偏振分束立方體；33-第三偏振分束立方體；34-第四偏振分束立方體；41-第一二分之一波片；42-第二二分之一波片；43-第三二分之一波片；51-第一凸透鏡；52-第二凸透鏡；6-樣品池；7-空間濾光器；8-光電探測器。圖2是銣樣品的FDFWM譜。以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步解釋說明。
具體實施例方式實施例1
準(zhǔn)備如下測試器件
激光器，根據(jù)待測同位素選用適用的激光器，該激光器發(fā)射的激光中心頻率與待測同位素樣品的能級共振頻率相同，激光線寬小于待測同位素樣品的光譜間隔，且激光器在待測同位素樣品的能級共振頻率附近能夠連續(xù)調(diào)諧。具體選用可連續(xù)調(diào)諧的窄帶寬環(huán)形染料激光器或半導(dǎo)體激光器。相同的全反鏡6個，根據(jù)激光器發(fā)射激光的頻率對全反鏡鍍上該激光頻率范圍的45° 高反膜(>99%)。相同的偏振分束立方體4個，選擇適用激光頻率范圍的偏振分束立方體。相同的二分之一波片3個，選擇適用激光頻率范圍的二分之一波片。相同的凸透鏡2個，根據(jù)激光器發(fā)射激光的頻率對凸透鏡鍍上激光頻率范圍的高透膜(>99%)，焦距大于1米。樣品池，本實施例中采用銣樣品池，在樣品池外纏繞加熱帶?？臻g濾光器。光電探測器，選擇在激光波長范圍高響應(yīng)的光電探測器。如圖1所示，本發(fā)明的基于前向簡并四波混頻光譜技術(shù)的同位素檢測方法，具體按照以下步驟進行
設(shè)定一個坐標(biāo)體系xyz，其中，xy面規(guī)定為水平桌面所在的面。(1)將激光器1置于水平桌面上A點，開啟激光器1輸出激光，該激光為偏振方向平行于水平面的水平線偏振光，沿X軸負向傳播。在該激光的路徑上的B、C兩點依次設(shè)置第一二分之一波片41、第一偏振分光立方體31，所述激光依次正入射第一二分之一波片41 和第一偏振立方體31。第一二分之一波片41的光軸方向平行于y軸，第一偏振立方體31 的膠合面與xy面的夾角為90°，該膠合面與XZ面的夾角為45°。旋轉(zhuǎn)第一二分之一波片 41使其光軸順時針旋轉(zhuǎn)35°，從而將所述水平線偏振光的偏振方向沿其所在的豎直面順時針旋轉(zhuǎn)70°成為PO光。經(jīng)過第一偏振分光立方體31后，PO光的水平線偏振分量透射后成為Pl光，PO光的豎直線偏振分量反射后成為Sl光。在Sl光的路徑上的E、F兩點依次放置第二二分之一波片42、第二偏振分光立方體32，使激光依次正入射第二二分之一波片42和第二偏振立方體32。第二二分之一波片 42的光軸方向平行于ζ軸，第二偏振立方體32的膠合面與xy面的夾角為90°，該膠合面與xz面的夾角為45°。旋轉(zhuǎn)第二二分之一波片42使其光軸順時針轉(zhuǎn)過22. 5°，使得Sl 光的偏振方向順時針轉(zhuǎn)過45°變?yōu)镾2光；經(jīng)過第二偏振分光立方體32后，S2光的水平線偏振分量透射后成為P2光，S2光的豎直線偏振分量反射后成為S4光。至此，激光器1輸出的一束激光分成了三束光P1光、S4光和P2光。(2)在Pl光路徑上的D點放置第一全反鏡21，第一全反鏡21的鍍膜面與xy面的夾角為90°，鍍膜面法平面相對于XZ面為負45°，Pl光經(jīng)過第一全反鏡21反射后沿y軸的負向傳播。在P2光路徑上的G點設(shè)置第三二分之一波片43，使得P2光正入射第三二分之一波片43 ；第三二分之一波片43的光軸方向平行于χ方向；旋轉(zhuǎn)第三二分之一波片43使其光軸順時針轉(zhuǎn)過45°，從而使P2光變?yōu)樨Q直線偏振的S3光；在S3光路徑上的H點放置第三全反鏡23，第三全反鏡23的鍍膜面與xy面的夾角為90°，該鍍膜面法平面相對于xz面為135° ；S3光經(jīng)第三全反鏡反射后沿χ軸負向傳播；
在S4光路徑上的J點設(shè)置第二全反鏡22，第二全反鏡22的鍍膜面與xy面的夾角為 90°，該鍍膜面法平面相對于XZ面為負45°，線段FJ小于線段⑶的長度；S4光經(jīng)第二全反鏡22反射后沿y軸負向傳播；在S4光路徑上的I點設(shè)置第四全反鏡M，線段JI的長度比線段H!的長度大1厘米，第四全反鏡M的鍍膜面與xy面的夾角為90°，該鍍膜面法平面相對于xz面為135° ；注意在放置第四全反鏡M時，使第四全反鏡M能夠反射S4光且不阻擋S3光，并微調(diào)第四全反鏡對，使得S4光在第四全反鏡M的光斑與S3光的距離為1 厘米；S4光經(jīng)第四全反鏡M反射后沿χ軸負向傳播，且S4光與xy面的距離等于S3光到 xy面的距離。在Pl光的傳播路徑上的K點設(shè)置第三偏振分光立方體33，使線段 DK等于線段CH，從而使得S 3光、S4光入射第三偏振立方體3 3 ；第三偏振立方體33的膠合面與xy面的夾角為90 °，該膠合面與XZ面的夾角為45 ° ；Pl光透過第三偏振分光立方體33，S4光和S3光分別經(jīng)第三偏振分光立方體反射；
以Pl光為參考光，微調(diào)放置第三偏振分光立方體33的棱鏡臺下方的螺絲來調(diào)節(jié)第三偏振分光立方體33的俯仰角度，使得Pl光和S3光經(jīng)過第三偏振立方體33后滿足在二者的傳播路徑上的任意截面上，S3光的光斑與Pl光的光斑的連線平行于ζ軸，且S3光的光斑在Pl光的光斑在ζ軸方向的正上方1厘米處。至此，三束入射光的空間相對位置已經(jīng)確定，Pl光、S3光、S4光相互平行且同向傳播，且在三者路徑的任意截面上，三者的光斑形成一個腰長為1厘米的等腰直角三角形，其中S3光的光斑為該等腰直角三角形的直角頂點。(3)在Pl光的路徑上L點設(shè)置第五全反鏡25，同時使S3光、S4光也能夠入射第五全反鏡25，線段DL的長度大于線段DK，第五全反鏡25的鍍膜面與xy面夾角為90°，該鍍膜面的法平面相對于xz面為45° ；Pl光、S3光和S4光經(jīng)過第五全反鏡25反射后均沿 χ軸正向傳播；
在Pl光的路徑上依次放置凸透鏡51和凸透鏡52，使得該凸透鏡51和凸透鏡52組成望遠鏡系統(tǒng)，同時使得Pl光、S3光和S4光正入射凸透鏡51。在兩個凸透鏡之間放置樣品池6，使第一凸透鏡51的后焦點在樣品池6中央。Pl光、S3光和S4光經(jīng)過第一凸透鏡51后聚焦在樣品池6中央一點，共同與待測同位素樣品相互作用而產(chǎn)生FDFWM信號；Pl光、S3光、S4光和FDFWM信號經(jīng)過第二凸透鏡 52后相互平行前進。用空間濾光器7濾掉Pl光、S3光、S4光，只剩余FDFWM信號；在空間濾光器7之后依次放置第四偏振分光立方體34、第六全反鏡沈，第四偏振放光立方體34的膠合面與xy 面的夾角為90°，該膠合面與XZ面的夾角為45° ；第六全反鏡沈的鍍膜面與xy面的夾角為90°，該鍍膜面的法平面相對于XZ面為負135° ；FDFWM信號通過第四偏振分光立方體 34后經(jīng)第六全反鏡沈反射，然后，在經(jīng)第六全反鏡沈反射后的FDFWM信號的路徑上放置光電探測器8，使FDFWM信號正入射光電探測器8的感光面。(4)掃描激光器的中心頻率，并用光電探測器8測量待測同位素樣品的FDFWM信號，獲得隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號譜。(5)根據(jù)步驟(4)獲得的FDFWM信號譜的峰位判斷待測同位素樣品的種類，再根據(jù)待測同位素樣品的種類、FDFWM信號譜的峰值高度來獲得待測同位素樣品的含量信息。如圖2所示，使用本方法對銣(Rb)原子樣品進行測試后，得到銣原子的D2線的 FDFWM譜，步驟(4)中，在780. 220nm-780. 550 nm的波長范圍內(nèi)掃描激光器的中心頻率。圖中，c、b為Rb-85的FWDWM譜，a、d為Rb_87的FDFWM譜；圖2是在Rb樣品池溫度為18°C 時得到的，此時，參與FDFWM過程的Rb-85原子為0. 57阿克(10_18克)，參與FDFWM過程的Rb-87為0. 22阿克；而質(zhì)譜技術(shù)的檢出限通常為微克(10_6克)級；由此可見，本發(fā)明的方法具有超低檢出限，超高靈敏度。實施例1為本發(fā)明較優(yōu)的實施例，但本發(fā)明不僅限于該實施例，任何按照本發(fā)明的方法檢測同位素含量的方法均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。以下根據(jù)理論過程做進一步說明
激光器1輸出水平線偏振光，設(shè)其電場強度大小為&，第一二分之一波片41能夠改變水平線偏光的偏振方向，電場強度的水平分量和垂直分量的大小分別為
Ex=E::cos(20), ￡.. = Siii(M),其中，θ為二分之一波片3相對其主軸方向轉(zhuǎn)過的角度，水平分量經(jīng)第一偏振分束立方體31透射，垂直分量經(jīng)第一偏振分束立方體31反射。水平分量為；
同理，第二二分之一波片42與第二偏振分束立方體32的組合將垂直分量分為兩束相互垂直的光其中，水平分量為云，，垂直分量為孟；
兩個凸透鏡構(gòu)成一個望遠鏡系統(tǒng)，在兩個凸透鏡之間，三束入射光I 和離沿
著一個空間正棱柱的三個體對角線傳播，經(jīng)過第一個凸透鏡51聚焦于樣品池6中央一
點，E- 和f(共同與待測物質(zhì)相互作用時，在滿足相位匹配條件，即四波的波矢滿足 * i. ▲
ki=t+k2~ g時，產(chǎn)生FDFWM信號，F(xiàn)DFWM信號沿著空間正棱柱的第四個體對角線傳播；1 ￡, ￡；以及FDFWM信號經(jīng)第二個凸透鏡5后相互平行；
產(chǎn)生的DFWM信號左_的光強為
r 、 …r r r 1 I χ P'' = ZyilMllE1ET(O
為三階非線性極化強度，為三階非線性極化率，￡ ￡ 分別為三束入射
.,JL-I ■ JL~r "i jL~r "；
光的電場強度。因為1為水平偏振光、^^和為垂直偏振光，因此公式(1)可以改為標(biāo)量形式，即
/(//-,Δ,Γ)是躍遷偶極矩"eg，失諧量Δ和弛豫系數(shù)r的函數(shù)。正比于粒子數(shù)密度，所以FDFWM信號強度正比于粒子數(shù)密度的平方。
權(quán)利要求
1.一種基于前向簡并四波混頻光譜技術(shù)的同位素檢測方法，其特征在于，具體按照以下步驟進行(1)將一束激光分為三束光；(2)調(diào)整三束光的空間相對位置，使得三束光滿足以下條件光程相等；傳播方向相同；傳播路徑相互平行；在三束光的傳播路徑的任意截面上，三束光的光斑形成一個腰長不大于1厘米的等腰直角三角形；(3)將步驟(2)得到的三束光聚焦，該三束光與位于聚焦點的待測同位素樣品相互作用產(chǎn)生FDFWM信號；(4)掃描激光器的中心頻率，用光電探測器測量待測同位素樣品的FDFWM信號，獲得 FDFWM信號隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號譜；(5)根據(jù)獲得的FDFWM信號譜的峰位判斷待測同位素樣品的種類，再根據(jù)待測同位素樣品的種類、FDFWM信號譜的峰值高度來獲得待測同位素樣品的含量信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于所述激光存在待測同位素樣品的能級共振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于所述激光線寬小于待測同位素樣品的光譜間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于輸出所述激光的激光器在待測同位素樣品的能級共振頻率附近能夠連續(xù)調(diào)諧。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FDFWM光譜技術(shù)的同位素檢測方法將一束激光分為光程相等的三束光；調(diào)節(jié)三束光的空間位置；將三束光聚焦，該三束光與位于聚焦點的待測同位素樣品相互作用產(chǎn)生FDFWM信號；掃描激光器的中心頻率，用光電探測器測量待測同位素樣品的FDFWM信號，獲得FDFWM信號隨激光器中心頻率變化的FDFWM信號譜；根據(jù)FDFWM信號譜獲得待測同位素樣品的含量信息。本發(fā)明的方法能夠提高同位素檢測靈敏度，實現(xiàn)近無損檢測，使用本發(fā)明的方法來檢測同位素，能夠降低檢出限、減少取樣量，且使用設(shè)備相對簡單，便于操作，具有超高靈敏度和檢測精度。
文檔編號G01N21/27GK102252975SQ201110073960
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者任兆玉, 白晉濤, 程雪梅, 苗一珠, 陳浩偉 申請人:西北大學(xué)