一種用于水質(zhì)光學(xué)分析儀表的激光誘導(dǎo)光譜生成裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于檢測(cè)水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)的水質(zhì)光學(xué)分析儀表的激光誘導(dǎo)光譜生成裝置。該裝置包括，TLD光源1、光纖2、入射光學(xué)窗口3、樣品池4、透射光探測(cè)光學(xué)窗口5、熒光探測(cè)光學(xué)窗口6、雙通道光譜儀7和數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8。TLD光源1采用單片集成可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，在數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8的同步控制下，TLD光源1在UV/Vis波段依次輸出不同波長(zhǎng)的單色光，照射樣品產(chǎn)生透射光和熒光，雙通道光譜儀7則將其分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，送入數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8生成UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光光譜。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可充分激勵(lì)樣品中各種有機(jī)物成分的光譜特性，有利于提高樣品有機(jī)物綜合性指標(biāo)檢測(cè)精度。
【專利說(shuō)明】一種用于水質(zhì)光學(xué)分析儀表的激光誘導(dǎo)光譜生成裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光譜生成裝置，特別是一種用于檢測(cè)水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)的水質(zhì)光學(xué)分析儀表的樣品激光誘導(dǎo)光譜生成裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]所述水質(zhì)光學(xué)分析儀表被廣泛用于檢測(cè)水體的有機(jī)物綜合性指標(biāo)值(如C0D、B0D、TOC、CODmn等)，其工作機(jī)制是利用紫外/可見(jiàn)(UV/Vis)波段(200-800nm)的連續(xù)光譜光束照射水體時(shí)，其能量會(huì)被其中各種有機(jī)物分子選擇性吸收、散射或激發(fā)熒光的原理，通過(guò)測(cè)量水樣的UV吸收光譜強(qiáng)度或熒光發(fā)射光譜強(qiáng)度，再由數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得水樣中有機(jī)物綜合性指標(biāo)的測(cè)量值。在這種工作原理的測(cè)量裝置中，除了光源、光敏傳感器、水樣采樣裝置等物理光學(xué)檢測(cè)設(shè)備和嵌入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元外，排除了所有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此不再需要任何化學(xué)反應(yīng)設(shè)備，從而從性能上克服了傳統(tǒng)的水質(zhì)化學(xué)分析儀表的一系列缺陷，特別適用于無(wú)人值守的大范圍在線水質(zhì)分析、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN101275905《一種多源光譜融合便攜式水質(zhì)分析儀》給出了此類水質(zhì)光學(xué)分析儀表的一個(gè)典型實(shí)例。
[0003]但現(xiàn)有的光譜生成技術(shù)通常直接利用產(chǎn)生UV/Vis連續(xù)光譜的光源(如氘鎢燈)照射樣品，并通過(guò)光譜儀將透射光轉(zhuǎn)換為吸收光譜；或利用單波長(zhǎng)激光光源(如半導(dǎo)體激光器)激發(fā)樣品，然后通過(guò)光譜儀將樣品發(fā)射的熒光轉(zhuǎn)換成熒光發(fā)射光譜。采用上述方法生成的樣品光譜均為描述吸收光強(qiáng)與光源照射波長(zhǎng)之間關(guān)系(對(duì)UV/Vis吸收光譜而言)、或描述熒光發(fā)射光強(qiáng)與熒光發(fā)射波長(zhǎng)之間關(guān)系(對(duì)熒光發(fā)射光譜而言)的一維光譜，對(duì)樣品中各種有機(jī)物成分的辨別能力較差，使水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)值的檢測(cè)誤差較大。并且生成上述兩類光譜需采用不同的光源，增加了水質(zhì)分析儀表結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
[0004]事實(shí)上，在所述水質(zhì)光學(xué)分析儀表中，利用不同波長(zhǎng)的光源照射樣品激發(fā)熒光并獲取其熒光發(fā)射光譜，最后生成描述熒光發(fā)射光強(qiáng)與激發(fā)光源波長(zhǎng)及熒光發(fā)射波長(zhǎng)之間關(guān)系的高維熒光光譜，對(duì)于充分揭示樣品中各種化合物的成分和含量、提高水質(zhì)有機(jī)物綜合性指標(biāo)的檢測(cè)精度具有重要意義。目前在熒光分析領(lǐng)域，生成高維熒光光譜的裝置主要是熒光分光光度計(jì)，采用可產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源(如氙弧燈)經(jīng)掃描激發(fā)單色器過(guò)濾出一系列單色激發(fā)光照射樣品，然后依次將樣品發(fā)射的熒光轉(zhuǎn)換成熒光發(fā)射光譜，聯(lián)合激發(fā)光源的不同波長(zhǎng)構(gòu)成高維熒光光譜。通常由于獲得的樣品熒光發(fā)射強(qiáng)度極其微弱，除需使用大功率的光源外，在獲取樣品的熒光發(fā)射光譜時(shí)還需使用發(fā)射單色器和光電倍增管，進(jìn)一步增加了裝置的復(fù)雜性和儀表的測(cè)量誤差。針對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN101275905給出了一種以多個(gè)小型固體激光器和半導(dǎo)體激光器組成的數(shù)控多波長(zhǎng)集成激光器為光源的高維熒光光譜生成裝置，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制不同波長(zhǎng)的激光器切換產(chǎn)生一系列單色激發(fā)光。但這種裝置要使用多個(gè)激光器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且輸出的激發(fā)光波長(zhǎng)受各個(gè)激光器的材料限制，難以在需要的帶寬范圍內(nèi)均勻分布在不同的激發(fā)波長(zhǎng)上，不能獲得理想的高維熒光光譜，從而不利于提高水質(zhì)分析儀表的精度。此外，使用上述技術(shù)方案只能生成樣品的熒光光譜，如需生成UV/Vis吸收光譜仍需采用其他光源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在生成水質(zhì)樣品高維光譜時(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、激發(fā)光源波長(zhǎng)受限的問(wèn)題，而提供一種新的水質(zhì)光學(xué)分析儀表激光誘導(dǎo)光譜生成裝置。其特點(diǎn)是采用單一可調(diào)波長(zhǎng)激光光源即可同時(shí)獲取被分析樣品的UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光光譜，并且激發(fā)光波長(zhǎng)在需要的帶寬范圍內(nèi)均勻分布，使樣品中各種有機(jī)物成分的光譜特性得到充分激勵(lì)，可顯著改善樣品有機(jī)物綜合性指標(biāo)值的檢測(cè)精度。
[0006]本發(fā)明的關(guān)鍵設(shè)備是可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(TLD)。TLD是在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長(zhǎng)的激光器，通過(guò)熱調(diào)諧、機(jī)械調(diào)諧或載流子注入來(lái)直接或間接改變激光器諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)調(diào)諧，再通過(guò)波長(zhǎng)選擇單元、相位調(diào)節(jié)單元進(jìn)行腔模對(duì)準(zhǔn)和波長(zhǎng)輸出。TLD被廣泛應(yīng)用于寬帶光通訊系統(tǒng)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、燃?xì)鉁囟葴y(cè)量等領(lǐng)域也有少量應(yīng)用實(shí)例。但在這些應(yīng)用中，通常采用可見(jiàn)和紅外波段的TLD光源，在光譜分析領(lǐng)域的應(yīng)用通常采用吸收光譜。本發(fā)明首次采用TLD光源在UV/Vis波段范圍內(nèi)同時(shí)生成樣品吸收光譜和高維熒光光譜，用于水體有機(jī)物成分和含量分析。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:采用寬帶TLD作為樣品光譜生成的激發(fā)光源，通過(guò)光纖連接至樣品池的入射光學(xué)窗口照射樣品，在樣品池與入射光成90°和180°夾角位置分別設(shè)置透射光和熒光探測(cè)光學(xué)窗口，通過(guò)光纖連接至雙通道面陣式電荷耦合元件(CCD)高靈敏度光譜儀生成所需樣品光譜。激發(fā)光源和光譜儀的運(yùn)行由一數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)同步控制。
[0008]多維光譜生成裝置工作時(shí)，數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元啟動(dòng)TLD光源，并在UV/Vis波段范圍內(nèi)由低到高連續(xù)調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)，依次通過(guò)入射光學(xué)窗口照射樣品，并同步控制雙通道光譜儀的光信號(hào)輸入端口，分別從透射光探測(cè)光學(xué)窗口和熒光探測(cè)光學(xué)窗口獲取在每一入射波長(zhǎng)激光激發(fā)下樣品的透射光強(qiáng)以及拉曼散射光/熒光光強(qiáng)信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成樣品在所需波段范圍內(nèi)的吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光發(fā)射光譜，其中TLD光源的每一輸出波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于樣品吸收光譜的一個(gè)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，以及一個(gè)完整的樣品拉曼散射光譜和熒光發(fā)射光譜。
[0009]在本發(fā)明中由于采用了單一的TLD光源，并在UV/Vis波段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)，因此整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、充分激勵(lì)了樣品中各種有機(jī)物成分的吸收光譜、拉曼散射光譜和熒光光譜特性，可顯著提高樣品有機(jī)物綜合性指標(biāo)值的檢測(cè)精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為水質(zhì)光學(xué)分析儀高維光譜生成裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示，一種用于檢測(cè)水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)的水質(zhì)光學(xué)分析儀表的樣品高維光譜生成裝置，由TLD光源1、光纖2、入射光學(xué)窗口 3、樣品池4、透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5、熒光探測(cè)光學(xué)窗口 6、雙通道光譜儀7和數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8組成。TLD光源I通過(guò)光纖2連接至樣品池4的入射光學(xué)窗口 3，而樣品池4的透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5和熒光探測(cè)光學(xué)窗口 6通過(guò)光纖2分別連接至雙通道光譜儀7的UV/Vis吸收光譜測(cè)量通道和拉曼散射/熒光發(fā)射光譜通道。數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8的同步控制信號(hào)輸出端通過(guò)信號(hào)電纜9分別與TLD光源I和雙通道光譜儀7的控制信號(hào)輸入端相連接，數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8的光譜信號(hào)輸入端通過(guò)信號(hào)電纜9與雙通道光譜儀7的光譜信號(hào)輸出端相連接。
[0012]TLD光源I采用帶寬范圍在[370nm，800nm]的小體積、低功耗單片集成可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，輸出功率可達(dá)60mw，采用載流子注入方式進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧，波長(zhǎng)切換速率不小于IKHz。
[0013]入射光學(xué)窗口 3帶有準(zhǔn)直透鏡組10。
[0014]透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5帶有準(zhǔn)直透鏡組11，其軸線與入射光學(xué)窗口 3軸線夾角為180。。
[0015]突光探測(cè)光學(xué)窗口 6帶有聚焦透鏡組12,其軸線與入射光學(xué)窗口 3軸線夾角為90。。
[0016]雙通道光譜儀7采用面陣式熱電制冷背照式CXD高靈敏度光譜儀。
[0017]數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8為一嵌入式計(jì)算機(jī)，帶有數(shù)據(jù)處理與控制應(yīng)用軟件。
[0018]數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8以IOHz的速率在TLD光源I的可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍內(nèi)由小到大順序控制切換TLD光源I的輸出波長(zhǎng)，并對(duì)應(yīng)于每一個(gè)輸出波長(zhǎng)同步控制雙通道光譜儀7，依次從透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5和熒光探測(cè)光學(xué)窗口 6獲取樣品的光譜信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后生成樣品的UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光發(fā)射光譜，用于樣品的有機(jī)物綜合性指標(biāo)分析。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測(cè)水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)的水質(zhì)光學(xué)分析儀表的激光誘導(dǎo)光譜生成裝置，由TLD光源1、光纖2、入射光學(xué)窗口 3、樣品池4、透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5、突光探測(cè)光學(xué)窗口 6、雙通道光譜儀7和數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8組成，其特征在于TLD光源I通過(guò)光纖2連接至樣品池4的入射光學(xué)窗口 3，而樣品池4的透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5和熒光探測(cè)光學(xué)窗口 6通過(guò)光纖2分別連接至雙通道光譜儀7的UV/Vis吸收光譜測(cè)量通道和熒光發(fā)射光譜通道，數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8的同步控制信號(hào)輸出端通過(guò)信號(hào)電纜9分別與TLD光源I和雙通道光譜儀7的控制信號(hào)輸入端相連接，數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8的光譜信號(hào)輸入端通過(guò)信號(hào)電纜9與雙通道光譜儀7的光譜信號(hào)輸出端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測(cè)水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)的水質(zhì)光學(xué)分析儀表的激光誘導(dǎo)光譜生成裝置，其特征在于TLD光源I采用帶寬范圍不小于[370nm，800nm]的單片集成可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，輸出功率不小于60mw，波長(zhǎng)切換速率不小于ΙΚΗζ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測(cè)水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)的水質(zhì)光學(xué)分析儀表的激光誘導(dǎo)光譜生成裝置，其特征在于入射光學(xué)窗口 3帶有準(zhǔn)直透鏡組10，透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5帶有準(zhǔn)直透鏡組11，其軸線與入射光學(xué)窗口 3軸線夾角為180°，用于獲取樣品的UV/Vis吸收光譜；熒光探測(cè)光學(xué)窗口 6帶有準(zhǔn)直透鏡組12，其軸線與入射光學(xué)窗口 3軸線夾角為90°，用于獲取樣品的拉曼散射光譜和高維熒光發(fā)射光譜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測(cè)水體有機(jī)物綜合性指標(biāo)的水質(zhì)光學(xué)分析儀表的激光誘導(dǎo)光譜生成裝置，其特征在于數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8在TLD光源I的可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍內(nèi)，由小到大順序控制切換TLD光源I的輸出波長(zhǎng)，并對(duì)應(yīng)于每一個(gè)輸出波長(zhǎng)同步控制雙通道光譜儀7，依次從透射光探測(cè)光學(xué)窗口 5和熒光探測(cè)光學(xué)窗口 6獲取樣品的光譜信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算單元8，進(jìn)行計(jì)算后生成樣品的UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光發(fā)射光譜，用于樣品的有機(jī)物綜合性指標(biāo)分析。
【文檔編號(hào)】G01N21/63GK103630523SQ201210297382
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月21日
【發(fā)明者】吳鐵軍, 李宏, 潘漢青 申請(qǐng)人:杭州?，斨Z光電技術(shù)有限公司