專利名稱：利用腔內(nèi)激光光譜測(cè)量技術(shù)對(duì)氣體中污染物的超靈敏檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及對(duì)氣體中污染物的檢測(cè)，更具體地說，本發(fā)明涉及利用通常稱為腔內(nèi)激光光譜學(xué)(ILS)的激光技術(shù)對(duì)于氣體分子、原子、原子團(tuán)和/或離子的高靈敏度檢測(cè)。
發(fā)明
背景技術(shù)：
眾所周知，在制備用于微電子工業(yè)的高質(zhì)量半導(dǎo)體材料(例如硅膜)的過程中，必須控制污染物的含量。而且人們也熟知，如果不能成功地控制污染物，由于所得到的產(chǎn)品通常無法用于其應(yīng)有的用途，結(jié)果導(dǎo)致重要資源的損失。
一般來說，用于硅膜制造的原材料基本由氣體，通常稱之為“主體材料”(例如氮?dú)饣驓鍤?或“特殊材料”(例如氯化氫、溴化氫、三氯化硼)構(gòu)成。設(shè)計(jì)用于制備半導(dǎo)體材料的制造設(shè)備能否正常工作，主要依賴于原材料氣體的純度，以及在向反應(yīng)室輸送氣體的過程中和在材料處理過程中保持氣體純度的氣體處理能力。對(duì)于這種原材料氣體純度的有效控制(即監(jiān)測(cè)和防止在氣體中含有高含量的污染物)是必須的。
存在于用來制備(例如化學(xué)汽相淀積或“CVD”)和處理(摻雜和浸蝕)半導(dǎo)體材料的主體氣體和特殊氣體中的許多分子、原子、原子團(tuán)和各種離子組分都可以被視為“污染物”。這些污染物能夠使制備的半導(dǎo)體材料品質(zhì)下降或降低制備半導(dǎo)體材料的效率。
控制和/或消除這些污染物的第一步是對(duì)作為原材料的主體氣體和特殊氣體進(jìn)行污染物檢測(cè)。盡管人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，但是迄今為止仍然缺乏實(shí)用的方法。這主要是由于似乎永遠(yuǎn)在提高的競(jìng)爭(zhēng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所形成的局勢(shì)造成的。具體地說，由于微電子器件的尺寸在縮小而其性能指標(biāo)卻在增強(qiáng)，因此提高了對(duì)于氣體純度(即不含微污染物)的要求。
在這種背景下，很顯然，以下這些測(cè)量技術(shù)指標(biāo)對(duì)于檢測(cè)裝置的效能是十分重要的(1)絕對(duì)檢測(cè)靈敏度，通常稱之為樣品中氣體分子總數(shù)分比(例如百萬(wàn)分之一或百萬(wàn)背景分子中污染物分子數(shù))；(2)在有其它組分污染物存在的情況下測(cè)量一種污染物濃度的組分選擇性或能力；(3)得到所需要的信噪比的測(cè)量速率；(4)監(jiān)測(cè)非反應(yīng)氣體和反應(yīng)氣體中污染物含量的能力；(5)能夠測(cè)量的氣體濃度的線性和動(dòng)態(tài)范圍。
現(xiàn)有技術(shù)中用于污染物檢測(cè)(例如水)的裝置采用多種測(cè)量技術(shù)。例如，現(xiàn)有技術(shù)中檢測(cè)水蒸氣的裝置采用導(dǎo)電率、電化學(xué)、直接吸收光譜學(xué)、和大氣壓離子化質(zhì)量光譜學(xué)(APIMS)測(cè)量技術(shù)。但是，這些方法中的每一種都不能滿足上述的這些要求。
特別是，直接吸收光譜測(cè)量通常是使光從一個(gè)外部光源通過樣品，并測(cè)量由于樣品中的分子、原子、原子團(tuán)和/或離子的吸收所引起的光強(qiáng)的減少。檢測(cè)靈敏度主要依賴于兩個(gè)較大數(shù)值的差值(從外部光源發(fā)出的光通過樣品之前的光強(qiáng)度和在它通過樣品之后的光強(qiáng)度)。這限制了檢測(cè)的靈敏度，使得直接吸收方法通常被認(rèn)為是一種低靈敏度測(cè)量方法。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，公開了采用激光技術(shù)，特別是腔內(nèi)激光光譜學(xué)(ILS)裝置作為檢測(cè)裝置(傳感器)，以非常高的靈敏度檢測(cè)氣體組分(污染物)。在這個(gè)應(yīng)用方面，激光技術(shù)在氣體組分(污染物)檢測(cè)，特別是水蒸氣檢測(cè)方面比已知的各種方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。
在采用激光技術(shù)檢測(cè)氣體組分(污染物)的常規(guī)應(yīng)用中，激光產(chǎn)生的輻射用于激發(fā)激光器外的氣體樣品以產(chǎn)生次級(jí)信號(hào)(例如電離或熒光信號(hào))?；蛘?，可以測(cè)量激光經(jīng)過一個(gè)氣體樣品之后的，相對(duì)于激光初始強(qiáng)度重整化的強(qiáng)度(即吸收)。
大約二十年前，首次發(fā)明了另一種檢測(cè)方法，即腔內(nèi)激光光譜學(xué)檢測(cè)方法，這種方法采用激光器本身作為一個(gè)檢測(cè)裝置；例如參見G.Atkinson，A.Laufer，M.Kurylo，“利用腔內(nèi)染料激光技術(shù)檢測(cè)自由原子團(tuán)”，59，化學(xué)物理雜志，1973年7月1日。
腔內(nèi)激光光譜學(xué)(ILS)結(jié)合了常規(guī)的吸收光譜學(xué)和通常與其它激光技術(shù)諸如激光導(dǎo)致的熒光(LIF)和多光子電離(MPI)光譜學(xué)相關(guān)的高檢測(cè)靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。ILS基于與在一個(gè)多模式均勻增寬激光器的光諧振腔內(nèi)存在的氣體組分(例如原子、分子、原子團(tuán)，或離子)的吸收相關(guān)的腔內(nèi)損失。這些腔內(nèi)吸收損失通過多模式激光器的正常模式動(dòng)態(tài)特性與在激光介質(zhì)中產(chǎn)生的增益(即增益介質(zhì))競(jìng)爭(zhēng)。傳統(tǒng)上，ILS研究主要是使用染料激光器，因?yàn)樗鼈兊亩嗄Ｊ教匦詽M足有效模式競(jìng)爭(zhēng)所需的條件，并且它們較寬的可調(diào)諧度提供了對(duì)于多種不同的氣體組分的光譜分析途徑。有些ILS實(shí)驗(yàn)是采用多模式、可調(diào)諧固體激光介質(zhì)諸如色心和Ti藍(lán)寶石進(jìn)行的，例如參見D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，“采用Ti藍(lán)寶石激光器的腔內(nèi)吸收光譜測(cè)量”，光學(xué)通訊，77，(1990)，385-89。
ILS已經(jīng)成功地用于在因需要高靈敏度而已預(yù)先排除了吸收光譜測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)條件下檢測(cè)穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的氣體組分。例如，ILS已經(jīng)被用于檢驗(yàn)在諸如低溫冷凍室、等離子體放電管、光解和熱解反應(yīng)室以及超音速膨脹氣流等環(huán)境中的氣體樣品。ILS還用于通過分析吸收線狀譜取得定量吸收信息(例如線性吸收強(qiáng)度和碰撞增寬系數(shù))這些應(yīng)用中的一些在G.Atkinson，“腔內(nèi)激光光譜學(xué)”，SPIEConf.，Soc.Opt.Eng.1637(1992)中給予了介紹。
但是，現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)施ILS的方法雖然適合用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，但是不適用于商業(yè)銷售的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的障礙，如上所簡(jiǎn)述的，主要是由于要求這種檢測(cè)裝置大小合適、價(jià)格相對(duì)便宜，并且性能可靠。實(shí)驗(yàn)室所用的設(shè)備組分不能滿足這些要求。
此外，在能夠應(yīng)用ILS檢測(cè)的市售設(shè)備中，氣體樣品可能包含在一個(gè)非理想的環(huán)境中。特別是在工業(yè)應(yīng)用中，氣體樣品都是包含在腐蝕性氣體中的。例如，在制造半導(dǎo)體器件的過程中，能夠在有腐蝕性氣體(例如氯化氫)存在的情況下檢測(cè)污染物(例如水蒸氣)的有無是及其有用的。
在D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，所寫的論文“利用多模式Cr4+YAG激光器在1.38-1.55微米光譜區(qū)域的腔內(nèi)激光光譜學(xué)”光學(xué)通訊，103(1993)370-74中介紹了在實(shí)驗(yàn)室中關(guān)于使用ILS技術(shù)利用Cr4+YAG激光器檢測(cè)氮?dú)庵械纳倭克魵獾目赡苄缘难芯抗ぷ?。所使用的試?yàn)設(shè)備滿足工作性能的演示，但是對(duì)于實(shí)施本發(fā)明設(shè)想的商業(yè)應(yīng)用，例如檢測(cè)在一種腐蝕性氣體如氯化氫(HCl)中的水蒸氣是不適用的。
根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，本發(fā)明以在商業(yè)上具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本提供了對(duì)使用者來說便利的，即比較簡(jiǎn)單的檢測(cè)系統(tǒng)，它具有直接吸收技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但又顯著地提高了檢測(cè)靈敏度，能夠檢測(cè)反應(yīng)樣品或不反應(yīng)樣品中，特別是在腐蝕性樣品中的氣體組分。從這方面講，本發(fā)明滿足了長(zhǎng)期以來對(duì)于在市售設(shè)備中以高靈敏度檢測(cè)在反應(yīng)樣品和不反應(yīng)樣品中，特別是在腐蝕性氣體系統(tǒng)中的污染物的方法和裝置的需求。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)在一種氣體樣品中氣體組分存在的氣體檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)包括(a)一個(gè)激光器共振腔；(b)一塊置于其中的摻雜離子晶體；(c)一臺(tái)位于所說激光器腔外側(cè)的泵浦激光器，其輸出光激發(fā)所說的離子摻雜晶體，從而從激光器腔產(chǎn)生輸出激光束；和(d)一個(gè)用于在激光器腔中盛裝氣體樣品的容器，摻雜離子晶體產(chǎn)生的輸出光束在從激光器腔出射之前通過所說的氣體樣品。
此外，提供了一種檢測(cè)在包含腐蝕性氣體的氣體樣品中氣體組分存在的方法。該方法包括以下步驟(a)選擇一個(gè)光譜區(qū)域，其中(i)氣體組分具有至少一個(gè)吸收特征和(ii)腐蝕性氣體基本不具有吸收特征；(b)提供一臺(tái)其中包括激光器腔和一種增益介質(zhì)的激光器，增益介質(zhì)所輸出的光的波長(zhǎng)分布至少一部分處于所選擇的光譜區(qū)域；(c)提供一個(gè)氣體樣品盒，該樣品盒具有對(duì)于在所選擇光譜區(qū)域中的光透明的窗口，使得光束能夠透過所說的氣體樣品容器；(d)將氣體樣品盒插入激光器中，使得從增益介質(zhì)產(chǎn)生的輸出光在從激光器腔輸出之前通過所說氣體樣品；(e)將盛裝在氣體樣品盒中的包含腐蝕性氣體的氣體樣品插入，使得從增益介質(zhì)產(chǎn)生的輸出光通過所說氣體樣品，所說氣體樣品密封在所說氣體樣品盒中使得腐蝕性氣體不會(huì)與激光器發(fā)生接觸；和(f)將從激光器腔出射的輸出光束導(dǎo)向到一個(gè)檢測(cè)裝置系統(tǒng)以確定在所說氣體樣品中氣體組分的存在和/或濃度。
本發(fā)明的ILS氣體檢測(cè)系統(tǒng)可取的是包括一臺(tái)用于提供啟動(dòng)ILS激光器所需的光學(xué)激發(fā)的泵浦激光器，一臺(tái)在所檢測(cè)的組分發(fā)生吸收的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)工作的多模式ILS激光器，一個(gè)放置在所說ILS激光器的光學(xué)共振腔內(nèi)的氣體樣品盒，該氣體樣品盒中可能含有腐蝕性氣體，一個(gè)能夠光譜解析所說ILS激光器的輸出光譜的波長(zhǎng)色散譜儀，一個(gè)能夠測(cè)量所說ILS激光器輸出的波長(zhǎng)解析強(qiáng)度的檢測(cè)裝置，和一個(gè)能夠從所說檢測(cè)裝置讀取信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成可以由計(jì)算機(jī)處理的電信號(hào)的電路。該ILS氣體檢測(cè)系統(tǒng)還包括一個(gè)設(shè)計(jì)用于周期地中斷泵浦激光光束強(qiáng)度以及ILS激光器輸出的斬光、脈沖，或調(diào)制裝置。
根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，利用ILS技術(shù)光學(xué)檢測(cè)濃度低于一個(gè)吉分比(ppb)(109分之一)到低于一個(gè)太分比(ppt)(1012分之一)的污染物。在腐蝕性氣體中，可以檢測(cè)濃度低于一個(gè)百萬(wàn)分比(ppm)到低于一個(gè)ppb的污染物。為了檢測(cè)氯化氫中的水蒸氣，最好使用一個(gè)帶有摻雜離子晶體介質(zhì)和在1300nm到1500nm光譜區(qū)域工作的固體激光器作為檢測(cè)裝置。包含氣體污染物組分(例如水蒸氣)和腐蝕性氣體(例如氯化氫)的氣體樣品被放入激光器的光學(xué)共振腔中(在反射表面或鏡面之間)活性介質(zhì)的一側(cè)上。這里所介紹的激光介質(zhì)包括Cr4+YAG和Cr4+LuAG，但是其它增益介質(zhì)如其它具有多個(gè)縱向和橫向共振腔模式的摻雜離子晶體也可以采用。同樣也可以應(yīng)用別的激光器系統(tǒng)。例如，一個(gè)帶有摻雜離子晶體的、由二極管激光器泵浦的固體激光器可以用于光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行ILS檢測(cè)。
附圖簡(jiǎn)介下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)理解，除非專門指出，本說明書中的附圖并不是按照實(shí)際比例繪制的。


圖1A和圖1B為本發(fā)明的污染物檢測(cè)系統(tǒng)的示意性方框圖；圖1A表示基本結(jié)構(gòu)，圖1B表示在圖2所示的實(shí)施例中采用的結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明的污染物檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例的更詳細(xì)的示意性透視圖；圖3A-3C示意性表示簡(jiǎn)化的激光器以及從這些裝置中得到的光譜輸出圖(強(qiáng)度對(duì)波長(zhǎng))；圖4為ILS檢測(cè)腔的示意性透視圖，其中包括在圖2中所示的檢測(cè)腔元件，某些元件是以局部剖面圖形式表示的；圖5為一個(gè)實(shí)例的ILS激光器晶體支撐架和用于與圖2所示的污染物檢測(cè)系統(tǒng)相連的熱穴的透視圖；圖6為一個(gè)光束成形組件的實(shí)施例的放大透視圖，所說組件包括一個(gè)可以方便地用于與圖2所示的污染物檢測(cè)系統(tǒng)相連的斬光元件；
圖7為在氮?dú)夂吐然瘹錃怏w中在1420-1434nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)水的吸收光譜圖的一個(gè)實(shí)例；圖8為在氮?dú)夂吐然瘹錃怏w中在1420-1434nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)水的ILS吸收光譜圖；圖9為利用滲透管/體積膨脹技術(shù)測(cè)得的水吸收強(qiáng)度對(duì)水濃度的關(guān)系圖；圖10為采用一個(gè)在線凈化器測(cè)得的在1420-1430nm范圍內(nèi)的水吸收強(qiáng)度對(duì)水濃度的關(guān)系圖。
優(yōu)選實(shí)施例的描述現(xiàn)在詳細(xì)介紹本發(fā)明的最佳實(shí)施例，這些實(shí)施例表現(xiàn)了發(fā)明人實(shí)施本發(fā)明的最好方式。其它可以應(yīng)用的實(shí)施例也予以簡(jiǎn)單介紹。
如前文簡(jiǎn)述的，本發(fā)明的主題特別適合與半導(dǎo)體器件的制造相結(jié)合，因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將在這方面予以介紹。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這些描述并不是對(duì)本發(fā)明的用途或應(yīng)用的限制，而僅僅是充分地描述一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例。
從這方面講，本發(fā)明特別適用于檢測(cè)污染物。這里使用的污染物一詞指得是可能存在于氣體材料，如用于制造硅膜的氣體材料中，即輸入管線中的分子、原子、原子團(tuán)和離子組分?；蛘?，污染物一詞也指氣體材料本身，例如當(dāng)本發(fā)明的檢測(cè)裝置用于確定一條管線(例如氯化氫管線)的氣體材料是否已被凈化。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例并參照?qǐng)D1A，氣體(污染物)檢測(cè)系統(tǒng)10相應(yīng)地包括一個(gè)泵浦激光系統(tǒng)A，一個(gè)ILS激光器和相應(yīng)的檢測(cè)腔B，一個(gè)光譜儀C，和一個(gè)檢測(cè)裝置以及相應(yīng)的電路(例如計(jì)算機(jī)、數(shù)字電路等)D。更具體地說，參照?qǐng)D1B和圖2，泵浦激光系統(tǒng)A相應(yīng)地包括一臺(tái)泵浦激光器100，一套光束成形光路組件200和一套光束調(diào)制組件300；激光器和檢測(cè)腔B相應(yīng)地包括一套腔組件400和一臺(tái)ILS激光器500；光譜儀C相應(yīng)地包括一套光譜儀組件600；以及，檢測(cè)裝置D相應(yīng)地包括一套檢測(cè)裝置組件700和一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)800。正如本文將要詳細(xì)描述的，氣體檢測(cè)系統(tǒng)10宜于檢測(cè)可能包含在氣體樣品中的氣體組分(污染物)。一般來說，泵浦激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)A比較可取地將ILS激光器500泵浦到或接近閾值以使激光束通過氣體樣品并由此能夠測(cè)得氣體樣品的光譜。這個(gè)光譜是采用檢測(cè)裝置/計(jì)算機(jī)系統(tǒng)D測(cè)得的，在控制下，這個(gè)系統(tǒng)能夠以高靈敏度可靠而準(zhǔn)確地確定可能包含在氣體樣品中的氣體組分(污染物)的存在和濃度。
參照?qǐng)D3A-3C，為了更清楚完整地解釋本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的科學(xué)原理，示意性表示了腔內(nèi)激光光譜測(cè)量(ILS)的基本原理。如我們所知，按照最簡(jiǎn)單的形式，激光器可以描述成包含一個(gè)在其中產(chǎn)生光學(xué)增益的增益介質(zhì)，和一個(gè)其中包括光學(xué)元件如鏡面的諧振腔。在增益介質(zhì)和構(gòu)成激光器腔(例如諧振腔)的光學(xué)元件中都可能發(fā)生光的損失。特別參照?qǐng)D3A，一臺(tái)激光器按照其最簡(jiǎn)單的形式可以示意性地表示為包括一個(gè)增益介質(zhì)1A，在其周圍分別設(shè)置了鏡面2A和3A以構(gòu)成一個(gè)激光器腔5。鏡面2A和3A通常經(jīng)過涂覆使其表面在寬光譜范圍內(nèi)具有高反射率。例如，鏡面2A上的鏡面涂層可以是全反射的，而鏡面3A上的鏡面涂層可以是部分反射的，從而允許從激光器腔5中逸出一部分光。在鏡面2A和3A的反射表面之間放置增益介質(zhì)1A的空間區(qū)域構(gòu)成了激光器諧振腔或內(nèi)腔，在本發(fā)明中稱其為所謂的“內(nèi)腔區(qū)域”。
激光器輸出的光強(qiáng)度(I)可以由增益介質(zhì)1A工作的波長(zhǎng)區(qū)域(λ)和諧振腔元件(例如鏡面2A和3A)的反射率確定。通常這個(gè)輸出是寬帶，沒有尖銳、清晰的光譜峰值，如圖3A中光譜圖3A中光強(qiáng)度I與波長(zhǎng)λ對(duì)應(yīng)的曲線圖所示。
通過選擇不同的光學(xué)元件構(gòu)成激光器腔5，可以改變或“調(diào)諧”激光器的光譜輸出。例如，參照附圖3B，經(jīng)過調(diào)諧的諧振腔可以用一個(gè)衍射光柵2B取代圖3A中所示的全反射鏡2A。所以如圖所示，激光器包括衍射光柵2B，鏡面3B，和設(shè)置在其間的增益介質(zhì)1B。通常，從這種調(diào)諧激光器得到的光譜輸出是窄帶的，并且表現(xiàn)為其波長(zhǎng)處于由增益介質(zhì)1A和鏡面2A和3A(圖10A)構(gòu)成的激光器的原始輸出的范圍內(nèi)。例如，在光譜圖3B中示意性表示的光強(qiáng)度(I)對(duì)波長(zhǎng)(λ)的關(guān)系圖就展示了這樣一個(gè)變窄的輸出光譜。
通過在光諧振腔(例如內(nèi)腔)中放入處于基態(tài)或激發(fā)態(tài)的氣體分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子也能夠改變激光器的輸出。參見圖3C，這樣構(gòu)成的激光器可以包括一個(gè)全反射鏡2C，一個(gè)部分反射鏡3C，以及一個(gè)增益介質(zhì)1C和放置在其間的一個(gè)內(nèi)腔光吸收器4。在這種情況下，內(nèi)腔光吸收器4可以由某種氣體組分構(gòu)成(例如包含污染物的樣品)。內(nèi)腔氣體組分對(duì)于激光器輸出的影響可以觀察到。例如在光譜圖3C中表示了這樣一種裝置的光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)的曲線圖。光譜圖3C表示盛裝在內(nèi)腔光吸收器中的氣體組分的吸收光譜。光譜圖3所示清晰的吸收特征譜線來源于激光器增益必須與之競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)腔中氣體組分造成的光損失。
因此，內(nèi)腔組分的吸收光譜會(huì)出現(xiàn)在激光器的光譜輸出中。特別是，在較強(qiáng)的內(nèi)腔吸收特征譜線有效地與諧振腔的增益特性競(jìng)爭(zhēng)的波長(zhǎng)處，激光器輸出的光強(qiáng)度減弱得更多。結(jié)果，如圖所示，可以觀察光譜圖3C所示的具有一定結(jié)構(gòu)的激光器輸出，而不是如光譜圖3A所示的相對(duì)平滑連續(xù)的輸出。如圖3C所示，光強(qiáng)度(I)的降低是由于腔內(nèi)氣體組分的吸收造成的，即吸收特征越強(qiáng)，激光輸出強(qiáng)度的降低越多。根據(jù)本發(fā)明，通過采用一個(gè)腔內(nèi)光吸收器的腔內(nèi)激光測(cè)量裝置測(cè)得的吸收光譜可以用于對(duì)某些氣體組分的高靈敏度檢測(cè)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過各種氣體組分各自的吸收光譜(特征)可以唯一地識(shí)別各種氣體組分，因此可以可靠地用于識(shí)別某些氣體組分(污染物)。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過采用ILS技術(shù)在當(dāng)激光器系統(tǒng)趨近閾值時(shí)自然出現(xiàn)的增益與損失之間的競(jìng)爭(zhēng)開始之前或在此過程中在激光器諧振腔中放入吸收組分(氣體成分)提高了檢測(cè)靈敏度?？紤]到與腔內(nèi)吸收器相關(guān)的光損失變成激光器中增益與損失之間競(jìng)爭(zhēng)的一部分的事實(shí)，即使是由于弱的吸收躍遷和/或特別小的吸收物濃度造成的微弱的吸收在增益/損失競(jìng)爭(zhēng)過程中也會(huì)顯著地放大。結(jié)果，這種競(jìng)爭(zhēng)會(huì)清楚地反映在ILS信號(hào)的輸出中(參見光譜圖3C)。因此，利用這個(gè)原理，可以使用ILS技術(shù)檢測(cè)弱吸收和/或極低的吸收物濃度。
ILS檢測(cè)方法與其它采用激光器的光譜檢測(cè)方法明顯不同。如上所述，用于光譜分析的激光器的輸出通常在氣體組分中激發(fā)，然后監(jiān)測(cè)發(fā)生的次級(jí)現(xiàn)象。或者，使激光器的輸出通過一種氣體組分，利用對(duì)于激光器輸出中選定波長(zhǎng)的吸收特征識(shí)別氣體。在任何一種情況下，激光器的工作都是與被測(cè)量的氣體組分分開并且不受其影響的。
但是，利用ILS檢測(cè)，激光器的工作直接受到氣體組分的影響。按照這種方式，ILS激光器500本身即充當(dāng)了一個(gè)檢測(cè)裝置。特別是，ILS激光器500從激光器腔5出射的輸出中包含了與氣體組分有關(guān)的光譜信息。這種工作模式是ILS檢測(cè)和ILS激光器所特有的。
因此，ILS激光器500與常規(guī)的激光器明顯不同并且具有區(qū)別于常規(guī)激光器的工作特性。例如，那些產(chǎn)生光損失的吸收組分是有意地放入ILS激光器500的激光器腔5中的。這些吸收組分對(duì)ILS激光器500的工作產(chǎn)生影響并改變它的輸出。
而且，與應(yīng)用于常規(guī)用途中的激光器不同，ILS激光器500在閾值以上但是接近閾值工作(例如在閾值功率的10％范圍內(nèi))。但是接近閾值工作常常使得ILS激光器500的輸出不穩(wěn)定。因此，可能需要用于穩(wěn)定ILS激光器500輸出的輔助技術(shù)。
相比之下，常規(guī)的激光器通常工作在閾值之上以使輸出值達(dá)到最大。但是，使輸出值最大并不是ILS激光器500的目的。故而，在ILS檢測(cè)中可以使用那些不能有效地和/或不能產(chǎn)生高輸出功率的激光介質(zhì)，盡管這些激光介質(zhì)對(duì)于大部分其它激光器來說不是可取的。ILS激光器500的目的不是產(chǎn)生激光，而是監(jiān)測(cè)在激光器腔5中發(fā)生的光損失。如上所述，激光器腔內(nèi)部的模式競(jìng)爭(zhēng)使得能夠以增強(qiáng)的靈敏度檢測(cè)到在ILS激光器中發(fā)生的這類光損失。
由于ILS檢測(cè)相對(duì)于常規(guī)的光譜分析技術(shù)具有增強(qiáng)的靈敏度，來自具有微弱吸收和/或極小吸收物濃度的背景氣體的干擾將變得十分明顯，即使這種干擾對(duì)于其它常規(guī)光譜分析技術(shù)來說是可以忽略的。
運(yùn)用ILS技術(shù)進(jìn)行氣體檢測(cè)可以使用多種激光器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。(如本文所使用的含義，激光器系統(tǒng)包括ILS激光器500和泵浦激光器100兩者)這些激光器系統(tǒng)每個(gè)都具有一些對(duì)于極高檢測(cè)靈敏度需要的共同特性?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)三個(gè)這樣的特性。首先，這些激光系統(tǒng)在發(fā)出激光的能量閾值附近表現(xiàn)出多模式工作特性。其二，這些激光系統(tǒng)具有的波寬相對(duì)于被監(jiān)測(cè)的氣體組分或污染物(即分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子)的吸收特征譜線足夠?qū)?。第三，這些激光系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的強(qiáng)度和波長(zhǎng)。
應(yīng)當(dāng)理解存在許多具有不同物理和光學(xué)特性的ILS激光系統(tǒng)滿足上述的實(shí)現(xiàn)極高檢測(cè)靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)。這些激光系統(tǒng)的不同的物理和光學(xué)特性相對(duì)于進(jìn)行ILS測(cè)量的實(shí)驗(yàn)條件(例如數(shù)據(jù)采集時(shí)間)還各有長(zhǎng)處。此外，這些不同的物理和光學(xué)特性可能影響到下列因素中的一個(gè)或多個(gè)(1)能夠被檢測(cè)的氣體組分或污染物(即分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子)；(2)能夠被測(cè)量的各種氣體組分的各自的濃度；和(3)能夠?qū)嵤z測(cè)的樣品的實(shí)際類型。后者的實(shí)例包括樣品的總壓力、樣品大小、和盛裝樣品的環(huán)境。
在這些基本原理的基礎(chǔ)上，在本發(fā)明中，本發(fā)明人發(fā)明了一種具有商業(yè)價(jià)值的污染物檢測(cè)系統(tǒng)10，這種系統(tǒng)對(duì)于可能包含腐蝕性氣體(即能夠與ILS激光器500的構(gòu)成元件發(fā)生反應(yīng)的氣體)的氣體樣品中的污染物具有提高的檢測(cè)性能。
現(xiàn)在參照附圖1A和圖2，并根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，一種氣體檢測(cè)系統(tǒng)10可取地包括激光器驅(qū)動(dòng)裝置100和其中包括ILS激光器500的一個(gè)ILS檢測(cè)腔組件400。光譜儀組件600和檢測(cè)裝置/計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700、800可取地與ILS500的輸出光學(xué)耦合，由此對(duì)吸收光譜進(jìn)行相應(yīng)地控制，使得能夠?qū)怏w組分(污染物)的存在和/濃度進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)。
ILS激光器工作在適合于檢測(cè)包含在氣體樣品中的污染物(例如水蒸氣)的波長(zhǎng)范圍或光譜區(qū)域中。在這個(gè)光譜區(qū)域中可以得到顯著的吸收光譜。由于對(duì)于氣相光譜分析的研究已經(jīng)十分深入，所以有大量的文獻(xiàn)可以教導(dǎo)如何能夠唯一地識(shí)別各種氣體組分。
應(yīng)當(dāng)理解，通過選擇適合的測(cè)量吸收的光譜窗口可以利用ILS檢測(cè)方法在有腐蝕性氣體(例如氯化氫)存在的情況下監(jiān)測(cè)某一種氣體組分(例如水蒸氣)。特別是，必須確定一個(gè)光譜區(qū)域，在其中(i)污染物或氣體組分具有至少一個(gè)吸收特征譜線和(ii)腐蝕性氣體基本不具有產(chǎn)生干擾的吸收特征譜線。這里所說的產(chǎn)生干擾的吸收特征譜線指得是與用于識(shí)別氣體組分的吸收特征譜線相重疊，從而影響了在氣體組分與腐蝕性氣體之間的檢測(cè)選擇性。在氣體組分的吸收區(qū)域存在許多這樣的光譜窗口(在這些窗口中腐蝕性氣體沒有吸收或只有微弱的吸收)。由于在這些光譜窗口中腐蝕性氣體的吸收是及其微弱的(如果可測(cè)量的話)，工作在這些波長(zhǎng)下的ILS檢測(cè)裝置100可以沒有干擾地檢測(cè)氣體組分。找到一個(gè)存在這樣的光譜窗口的波長(zhǎng)區(qū)域(為了避免產(chǎn)生干擾的光譜信號(hào))可能需要很多的努力。特別是，用于測(cè)量氣體中光吸收的ILS檢測(cè)法的檢測(cè)靈敏度的提高意味著即使是來自只有很微弱的吸收和/或及極小的吸收物濃度的背景氣體的干擾也可能是明顯的；即使這種干擾對(duì)于常規(guī)光譜分析技術(shù)是可以忽略的。此外，ILS激光器500在存在特殊光譜特征的一個(gè)具體的光譜區(qū)域中的操作也需要作出相當(dāng)?shù)呐Α?br> 盡管如此，仍然可以預(yù)期唯一地識(shí)別一種具體的氣體組分的光譜。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所檢測(cè)的氣體組分的甄別。但是這些光譜窗口的存在可能只在高光譜分辨率下才是明顯的。因而需要足夠的光譜分辨率以區(qū)分彼此接近的吸收特征譜線。
此外還應(yīng)當(dāng)理解，一個(gè)具體的光譜窗口的波長(zhǎng)位置和寬度主要依賴于具體的氣體組分和具體的腐蝕性氣體。例如，為了檢測(cè)氯化氫中的水蒸氣，可以從大約1420至1434nm之間的波長(zhǎng)區(qū)域中選擇一個(gè)光譜區(qū)域?；蛘?，可以從大約1433至1440nm之間的波長(zhǎng)區(qū)域中選擇一個(gè)光譜區(qū)域。
因此，ILS激光器500的輸出光的波長(zhǎng)分布必須有一部分處于所選擇的光譜區(qū)域內(nèi)。
為了驅(qū)動(dòng)ILS激光器500，氣體檢測(cè)系統(tǒng)10需要一個(gè)輸出具有足夠能量和處于適合的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射的泵浦源，從而在其閾值或略大于其閾值點(diǎn)光學(xué)激發(fā)ILS激光器。在這點(diǎn)上，ILS激光器工作結(jié)果使得激光介質(zhì)中的增益超過總的光損失，是十分重要的，這里所說的光損失包括與增益介質(zhì)、鏡面、和非鏡面腔內(nèi)光學(xué)元件有關(guān)的光損失，以及在光學(xué)諧振腔中的所有氣體組分的吸收產(chǎn)生的光損失。此外，可取的是激光器500以多個(gè)縱向模式工作，即具有寬的波長(zhǎng)范圍。通常，產(chǎn)生激光反應(yīng)所需的帶寬在大約2nm與大約15nm之間。雖然ILS激光器也可以在一個(gè)以上的橫向諧振模式下工作，但這并不需要。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所說的激光器驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)光泵浦激光器100。可取的是，泵浦激光器100的光學(xué)參數(shù)(例如平均功率密度、峰值功率密度、發(fā)散直徑和光束直徑)與ILS激光器500的光學(xué)特性要求很好地匹配。正如可以理解的，要做到這一點(diǎn)，需要確定在一定體積內(nèi)和在距該泵浦激光器100給定距離內(nèi)經(jīng)過特定的時(shí)間能夠產(chǎn)生多少光子。一般來說，根據(jù)本發(fā)明，是根據(jù)已知的理論和量子方程確定這些參數(shù)的，從而可以適當(dāng)?shù)剡x擇泵浦激光器100以使其與ILS激光器500的光學(xué)特性很好地匹配。
雖然在本發(fā)明中可以利用其它驅(qū)動(dòng)裝置，但是可取的是應(yīng)當(dāng)在泵浦激光器的工作波長(zhǎng)及其光學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上選擇一個(gè)泵浦激光器100，使得它能夠用于獨(dú)立地激發(fā)ILS激光器500。如在下文中將要詳細(xì)描述的，在泵浦激光器100不能有效地獨(dú)立驅(qū)動(dòng)(例如泵浦)ILS激光器500的情況下，可以使用光束調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，例如光束成形組件200。但是激光器100發(fā)射的輻射與包含在ILS激光器500中的ILS增益介質(zhì)的泵浦要求(例如模體積)較好地匹配的情況下，則未必需要這類光束調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，泵浦激光器100包括一個(gè)工作波長(zhǎng)為λp的激光器，(在這種情況下這是一臺(tái)固體晶體激光器，即一臺(tái)NdYAG激光器，工作波長(zhǎng)約為1064nm，輸出功率大于2.8瓦特，具有TEM00橫向模式結(jié)構(gòu))?？扇〉氖菑谋闷旨す馄?00傳播的光束E具有一線性偏振分量，并垂直于傳播平面旋轉(zhuǎn)。最好是泵浦激光器100的輸出光束(光束E)的發(fā)散在小于0.5毫拉德(mrad)的量級(jí)，而且光束直徑在小于5毫米的量級(jí)。特別優(yōu)選的泵浦激光器100為Spectra Physics ofMountain View，CA公司制造的T20-1054C型激光器。如下文中將要完整地描述的，采用這種泵浦激光器100通常需要使用光束成形光學(xué)系統(tǒng)組件200。
應(yīng)當(dāng)理解，驅(qū)動(dòng)裝置100可以包括任何適合的光學(xué)泵浦源，相干的或非相干的、連續(xù)的或脈沖的，只要適于激發(fā)ILS激光器500即可。因此，即使根據(jù)前面所述的優(yōu)選實(shí)施例，泵浦源100也是以常規(guī)方式工作，并且發(fā)射在所需頻帶上和具有所需帶寬的輻射。例如，泵浦激光器100可以包括一個(gè)二極管激光器。但是使用二極管激光器作為泵浦激光器100，通常需要使用光束成形光學(xué)系統(tǒng)組件200。
繼續(xù)參照附圖2，在最簡(jiǎn)單的情況下，ILS激光器500包括一個(gè)由各個(gè)鏡面501、503、505之間的整個(gè)光路長(zhǎng)度限定的光諧振腔。
但是，在使用系統(tǒng)10檢測(cè)包含在不與激光器本身的元件(例如，增益介質(zhì)或晶體、鏡面、機(jī)械安裝件，以及類似部件)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的樣品中的氣體(污染物)的情況下，諧振腔可以由鏡面501、503和505之間的區(qū)域限定。在這樣一種情況下，氣體樣品區(qū)域(即氣體樣品放置的區(qū)域)包括鏡面501、503和505之間的區(qū)域(除了激光器晶體507)。
然而，對(duì)于包含腐蝕性氣體，即能夠與激光器的一種或多種部件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體的氣體樣品，需要將氣體樣品區(qū)域與這些部件(例如，增益介質(zhì)、鏡面等)分隔開。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，可以采用一個(gè)分隔樣品系統(tǒng)400A將樣品與激光器部件隔離開。
參照?qǐng)D2和圖4，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，樣品系統(tǒng)400A可取地包括一個(gè)氣體樣品盒406，該容器適當(dāng)?shù)乇３衷谝粋€(gè)氣體樣品盒支撐架407上。在氣體樣品盒406的頂端分別裝有容器窗口404和405，以提供光進(jìn)入容器中樣品的通道。窗口404和405還適合于密封盒體406。如在下面將要詳細(xì)討論的，適宜安裝系統(tǒng)400A的區(qū)域是經(jīng)過象散補(bǔ)償?shù)摹＝?jīng)過象散補(bǔ)償，窗口404和405不構(gòu)成“活性”光學(xué)元件，即只具有傳輸功能而不會(huì)顯著地改變或擾動(dòng)ILS激光束的輸出。一根導(dǎo)入管408和一根導(dǎo)出管409與氣體盒406動(dòng)態(tài)聯(lián)接。
參照?qǐng)D4，采用連通器408和409是為了確保提供氣體樣品進(jìn)出氣體(污染物)樣品盒系統(tǒng)400A的有效通道。因此，本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)處于包括高壓在內(nèi)的變化壓力下的流動(dòng)氣體。特別是，使用氣體樣品盒能夠使ILS激光器500在測(cè)量具有與大氣壓力或與ILS激光器產(chǎn)生激光所需壓力不同(即較高或較低)的壓力的氣體時(shí)能夠正常工作。沒有這樣一個(gè)氣體樣品盒體406，在檢測(cè)具有與調(diào)整ILS激光器500所需壓力不同的壓力的氣體樣品時(shí)難以實(shí)現(xiàn)激光的產(chǎn)生。因此，采用氣體樣品盒406使得ILS激光器500在檢測(cè)具有超過大氣壓或壓力大于ILS激光器500產(chǎn)生激光所需壓力的氣體樣品時(shí)能夠穩(wěn)定工作。或者，氣體樣品也可以具有小于大氣壓或壓力小于ILS激光器產(chǎn)生激光所需壓力(例如當(dāng)在氣體樣品容器中存在真空時(shí))。此外，氣體樣品容器406使得ILS激光器500在檢測(cè)具有波動(dòng)壓力的氣體樣品時(shí)能夠穩(wěn)定工作。
可取的是，盒體406由一個(gè)大小為10到90毫米的不銹鋼體構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例，樣品系統(tǒng)400A具有一個(gè)直徑為大約八分之一英寸量級(jí)的開口(即在容器406上的開口)。較可取的是，盒體406上的開口對(duì)稱地位于氣體樣品容器406的中央位置。可取的是，將盒體406上開口的直徑選擇為大于輸入光束的直徑，以便容易實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣體樣品系統(tǒng)400A的光學(xué)準(zhǔn)直調(diào)整。
窗口404和405的厚度最好經(jīng)過選擇，以避免可能對(duì)利用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10得到的ILS吸收光譜的質(zhì)量產(chǎn)生干擾的干涉效應(yīng)的發(fā)生。根據(jù)這一點(diǎn)，用于構(gòu)成窗口404和405的材料最好選擇那些在ILS激光器工作的波長(zhǎng)區(qū)域，例如1350到1550納米(nm)范圍內(nèi)吸收損失最小的材料。例如窗口404和405可以用光學(xué)材料，如可從Research ElectroOptics of Boulder，CO公司購(gòu)得的InfrasilTM制成，這是一種高度拋光的材料。窗口404和405可取的是按照布魯斯特角取向，從而可以進(jìn)一步減少在窗口表面上的反射損失。
采用這種結(jié)構(gòu)，氣體樣品盒406就可以允許光束H通過要進(jìn)行分析的氣體樣品。適當(dāng)選擇連通器408和409以及配管，以提供便利的調(diào)整條件，如在不明顯改變閾值泵浦條件的情況下，在ILS激光器500中重新改變和/或準(zhǔn)直窗口404、405在光路中的位置。在使用系統(tǒng)400A的情況下，諧振腔可取的是由鏡面501、503和505(包括激光器晶體507和窗口404、405之間的區(qū)域以及構(gòu)成樣品系統(tǒng)400A的窗口404和405本身)之間的物理長(zhǎng)度所限定。但是，在樣品不與激光器部件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下，樣品容器名義上可以分別由鏡面501、503和505之間的區(qū)域限定，(除了激光晶體507)。
可以理解，完全地除去或消除檢測(cè)腔400中任何被檢測(cè)氣體(污染物)是十分必要的，因?yàn)檫@樣做可以使利用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10對(duì)包含在系統(tǒng)400A中的氣體樣品內(nèi)的那些氣體(污染物)的數(shù)量和存在進(jìn)行檢測(cè)得到的樣品的吸收光譜是準(zhǔn)確的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，檢測(cè)腔400是一個(gè)密封容器，既可以從中濾凈待檢測(cè)的氣體(污染物)，也可以抽真空排除待檢測(cè)的氣體(污染物)，或者將其中氣體(污染物)的含量降低到樣品系統(tǒng)400A中待檢測(cè)氣體的含量以下。如下進(jìn)一步詳述的，通過例如抽氣，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)地除去污染物。
參照?qǐng)D2和圖4，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，ILS檢測(cè)腔400(除了樣品系統(tǒng)400A)可取地包括一個(gè)容器底座401和可拆卸的頂蓋410。窗口402、403分別以適當(dāng)方式位于腔體401的壁上相對(duì)于其間限定的光諧振腔適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ萜鞯鬃?01和頂蓋410可取的是由不銹鋼或鋁制成。頂蓋410采用任何適宜采用抽真空、濾清和/或進(jìn)一步排除其中的污染物處理的常規(guī)技術(shù)固定在腔體401上。例如，墊圈410A或其它適合的結(jié)合密封器件的方法(例如機(jī)械輔助部件、金屬焊封、粘膠，以及沒有表示出的類似物)都可以用于此目的?？扇〉氖?，在檢測(cè)裝置傳送到使用者之前，底座401和頂蓋410就以相對(duì)防干擾的形式有效地加以密封。
為了濾清或抽真空檢測(cè)腔400，設(shè)置了一根用于真空泵浦和/或?yàn)V清用的導(dǎo)入管411以及用于真空泵浦和/或?yàn)V清的導(dǎo)出管412。
在容器的壁401上設(shè)置有窗口402、403，從而提供了進(jìn)出ILS檢測(cè)腔的光通道。可取的是，窗口402上帶有大約1000到1100nm，最好為1064nm量級(jí)的防反射(AR)涂層。另一方面，可取的是窗403為一個(gè)不帶防反射涂層的光學(xué)窗口。窗口402經(jīng)過專門設(shè)計(jì)對(duì)于波長(zhǎng)λp，在此為1064nm的光具有最大的透射率。同樣，窗403經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，對(duì)于在ILS激光器500的工作波長(zhǎng)范圍的光(例如1350nm到大約1550nm)具有最大的透射率。
更具體地說，減少在檢測(cè)腔400(除了樣品系統(tǒng)400A)中的氣體到可接受的水平的方法可以包括對(duì)帶有頂蓋410的可密封的容器401進(jìn)行濾清或抽真空，使得其中氣體(污染物)的含量低于樣品系統(tǒng)內(nèi)的氣體樣品中的待檢測(cè)氣體(污染物)的含量。可以理解，當(dāng)檢測(cè)腔中氣體濃度(1)與氣體樣品盒中氣體濃度(2)的比值等于諧振腔的長(zhǎng)度(1)(即鏡面501與鏡面505之間的長(zhǎng)度)與在氣體容器中穿過的ILS激光束的長(zhǎng)度(2)的比值時(shí)，由檢測(cè)腔400中氣體產(chǎn)生的光損失與氣體樣品容器中的氣體樣品產(chǎn)生的光損失將是可比較的。
在污染物含水蒸氣的情況下，需要將檢測(cè)腔中水蒸氣的含量減少到低于樣品中包含的水蒸氣的含量。根據(jù)本發(fā)明，可以得到小于10ppt(在腐蝕性氣體中1ppb)的檢測(cè)水平。雖然在本發(fā)明中可以采用任何已知的或在今后提出的從檢測(cè)腔400(不包括樣品系統(tǒng)400A)中去除污染物(例如水)的方法，但是可取的是，將檢測(cè)腔400適當(dāng)密封，并充入惰性氣體，如氮?dú)?。在某些情況下，可能需要進(jìn)一步將檢測(cè)腔400抽真空，從而形成將其中包含的所有污染物都排除的真空環(huán)境。此外，在抽真空的同時(shí)加熱檢測(cè)腔400也是有用的。如果在連續(xù)抽真空的過程中首先加熱或“烘烤”檢測(cè)腔400，然后將其冷卻能夠達(dá)到更高的真空度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在檢測(cè)腔400中還可以使用一種吸收體(未示出)以進(jìn)一步清除檢測(cè)腔中的水蒸氣。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)理解，可以使用能夠連續(xù)吸收水分的一種吸收體(例如一種分子海綿)以便將檢測(cè)腔中水(污染物)的含量降低到在氣體樣品盒406中待檢測(cè)的水濃度以下(例如小于10ppt)。
可取的是通過將一條氣體管線與連通器408、409相連并將氣體輸入樣品系統(tǒng)400A可以使氣體樣品輸送到系統(tǒng)400A中。
如上所簡(jiǎn)述的，ILS檢測(cè)裝置500適合于以光學(xué)方法檢測(cè)包含在放置于檢測(cè)腔400中的氣體樣品中的氣體組分(污染物、例如水蒸氣)。根據(jù)本發(fā)明，ILS激光器500包括裝載在一個(gè)晶體支撐架508上的一塊晶體(增益介質(zhì))507。晶體507適宜地裝載在晶體支撐架508上以使晶體507也相對(duì)于入射光束放置在最佳位置。如前所述，利用泵浦激光器100或采用光束成形組件200可以將入射光束適當(dāng)成形，使得入射光束F與ILS增益介質(zhì)(例如晶體507)的模體積較好地匹配。
通常，ILS激光器500具有適合的結(jié)構(gòu)，使得腔內(nèi)區(qū)域中的激光光束在通過，例如包含在系統(tǒng)400A中的氣體樣品的區(qū)域中基本平行(即經(jīng)過象散補(bǔ)償?shù)?。雖然為此目的可以采用各種光學(xué)結(jié)構(gòu)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些鏡面結(jié)構(gòu)是特別適用的。這種結(jié)構(gòu)使得可以對(duì)ILS激光光束進(jìn)行準(zhǔn)確的象散補(bǔ)償，進(jìn)而可以同時(shí)滿足在產(chǎn)生激光閾值下泵浦ILS激光器500和產(chǎn)生在通過如包含在系統(tǒng)400A中的氣體樣品時(shí)基本平行的激光光束所需的光學(xué)條件。
根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的采用了相應(yīng)鏡面501、505和一個(gè)折疊式反射鏡503。鏡面501可取的是由具有防反射涂層、最佳中心波長(zhǎng)約為λp，例如在大約1000和1100nm之間，最好為1064nm的一個(gè)光學(xué)鏡面構(gòu)成。鏡面501也可以具有在ILS激光器500工作的所需光譜區(qū)域(例如大約1350到1550nm)有效地產(chǎn)生約99.8％到100％反射率的涂層?？扇〉氖晴R面501由一個(gè)凹面鏡構(gòu)成。例如，鏡面501可以具有大約10厘米的曲率半徑(ROC)和大約1.0到1.3厘米的直徑。可取的是鏡面503由一個(gè)具有與鏡面501相似結(jié)構(gòu)和相似反射涂層的折疊式反射鏡構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，鏡面503具有適于在所需光譜區(qū)域(例如大約1350到1550nm)實(shí)現(xiàn)大約99.8％到100％反射率的涂層。
可取的是鏡面505由一個(gè)平面鏡(ROC≈∞)構(gòu)成。參照?qǐng)D2，鏡面505的一側(cè)，即朝向鏡面503的一側(cè)具有在ILS激光器500產(chǎn)生激光所需的光譜范圍，例如在1350至1550nm范圍內(nèi)的反射涂層。鏡面505的另一側(cè)505B最好沒有涂層。
可取的是，鏡面505的表面加工成彼此之間成大約0.5到3.0度，最好為約1.0度角的若干尖劈形狀。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以這種方式將表面制成尖劈形可以使導(dǎo)致干涉效應(yīng)的不希望的反射達(dá)到最小。
安裝件502、503和506能夠進(jìn)行機(jī)械調(diào)整以準(zhǔn)直檢測(cè)腔400中的ILS內(nèi)腔的光路。例如，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在鏡面501和505相對(duì)于入射光束準(zhǔn)直成0°，同時(shí)鏡面503相對(duì)于入射光束準(zhǔn)直成大約12.5°角時(shí)，ILS激光器500的效率達(dá)到最佳。
通過對(duì)鏡面501、503和505合適的設(shè)計(jì)、布置和構(gòu)造，光束H在鏡面503和505之間的區(qū)域中是基本平行的(即平行光)。因此，可以將樣品系統(tǒng)400A插入腔內(nèi)區(qū)域而不會(huì)對(duì)ILS激光器500的工作性能產(chǎn)生明顯有害的影響。但是，應(yīng)當(dāng)理解，ILS激光器500中任何反射表面(例如鏡面和窗口)之間的距離必須使得在ILS激光器內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生任何干涉效應(yīng)。如果反射表面之間的距離等于可與ILS激光器晶體507工作波長(zhǎng)比較的波長(zhǎng)的整數(shù)倍就會(huì)產(chǎn)生干涉圖形。
如上所述，ILS激光器晶體507最好工作在適于檢測(cè)包含在氣體樣品中的污染物(例如水蒸氣)的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以得到清晰的吸收光譜。如前面提到的，激光器晶體507通常表現(xiàn)出多模式激光系統(tǒng)的特性?？梢岳斫猓す馄骶w507的輸出的模間隔需要足夠小以準(zhǔn)確地體現(xiàn)氣體樣品的吸收特征譜線。激光器晶體507產(chǎn)生的光通常具有大約450兆赫茲(MHz)到大約550兆赫茲，可取的是大約500兆赫茲的模間隔，從而保證了吸收帶光譜的準(zhǔn)確重復(fù)。雖然在本發(fā)明中可以采用任何晶體，但是對(duì)于本發(fā)明(例如檢測(cè)氯化氫中的水蒸氣)，Cr4+YAG或Cr4+镥(Lu)AG激光晶體是最佳的。此外，可以使用其它Cr4+離子的基質(zhì)晶體，也可以將其它離子摻雜到這些基質(zhì)晶體中以代替Cr4+。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在柘榴石主晶(例如YAG或LuAG)中的Cr4+系統(tǒng)的低增益率可以使采用大約10至30毫米長(zhǎng)、5毫米直徑的晶體的激光器很好地工作。可取的是，在這種柘榴石主晶中摻雜濃度在大約0.10％到0.30％的范圍內(nèi)。一種特別優(yōu)選的激光器增益介質(zhì)507由一塊以布魯斯特角切割的Cr4+YAG或Cr4+LuAG晶體構(gòu)成以使反射損失最小。更具體地說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度為23到27毫米、摻雜濃度為0.15％、并且以布魯斯特角切割的Cr4+YAG晶體對(duì)于本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)是特別適合的。
目前可用的激光晶體雖然發(fā)光效率提高了，但是由它們引起的光損失也很大。這些光損失轉(zhuǎn)變成熱。根據(jù)本發(fā)明，晶體507最好是以能夠有效地消散在工作中產(chǎn)生的熱量的方式安裝。但是，應(yīng)當(dāng)理解，隨著新的晶體的開發(fā)，激光晶體507的發(fā)光效率不斷提高，對(duì)于散熱裝置的需求將會(huì)減少，或者從某種意義上講，光損失將會(huì)足夠小以使得對(duì)散熱的要求無需存在。但是，采用目前可以使用的晶體507，ILS激光器系統(tǒng)500最好還是包括一個(gè)散熱系統(tǒng)500A。
繼續(xù)參照?qǐng)D2，并同時(shí)參照?qǐng)D5，散熱系統(tǒng)500A與支撐架508和晶體507(在圖5中未示出)相連接。如在圖5中清楚表示的，支撐架508可取的是由適當(dāng)放置的一個(gè)兩部分支撐架構(gòu)成以便在機(jī)械上支撐激光晶體507。散熱系統(tǒng)500A可取的是包括一個(gè)銅散熱臺(tái)座510、一個(gè)熱電冷卻器509、和一個(gè)熱電傳感器511。此外，在檢測(cè)腔400的殼體401上(見圖4)設(shè)置了一個(gè)電溫度接口512。帶有臺(tái)座510、冷卻器509、和傳感器511的支撐架508用于使晶體507相對(duì)于ILS激光器500的其它光學(xué)元件光學(xué)準(zhǔn)直，還能夠控制晶體的熱特性。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，散熱系統(tǒng)500A與晶體507直接產(chǎn)生物理接觸。由于光束F的光激發(fā)引起的、晶體507正常工作所產(chǎn)生的熱量通過光束F的光激發(fā)被有效地從晶體507導(dǎo)出，從而保持相對(duì)恒定的晶體工作溫度?？扇〉氖?，支撐架508由銅/鋁制成，與冷卻器509和散熱臺(tái)座510直接相連?？扇〉氖巧岬鬃?10包括一個(gè)位于檢測(cè)腔400的殼體401中的銅散熱件，以便將產(chǎn)生的過熱從晶體507中散掉。傳感器511測(cè)量支撐架508、冷卻器509、底座510和晶體507的溫度以保持最佳的工作溫度。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體507的熱控制，從而不再需要對(duì)氣體檢測(cè)系統(tǒng)10的工作造成不必要的影響和使之復(fù)雜化的冷卻液體。
ILS激光系統(tǒng)500經(jīng)過適當(dāng)設(shè)置，使得激發(fā)晶體507的光束和從鏡面503反射的光束之間的夾角為20°至30°，更可取的是23°到27°，最好為25°。這束光(光束H)是導(dǎo)向樣品系統(tǒng)400A的。
從ILS激光器500輸出的光束G在通過樣品系統(tǒng)400A之后被導(dǎo)向光譜儀組件600。如圖2所示，通過使用恰當(dāng)安裝在鏡面支撐架602中的一個(gè)折疊式反射鏡601，可以實(shí)現(xiàn)這種光束導(dǎo)向。可取的是鏡面601由一個(gè)其上帶有對(duì)于ILS激光器500工作的光譜區(qū)域(例如1350到1550nm)具有全反射性的涂層的平面鏡構(gòu)成。
可以理解，ILS激光器500輸出的光也可以通過一根光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)處以進(jìn)行光譜分析。特別是，可以將光束G耦合到一根光纖或一束光纖中。從而在ILS激光器的輸出光通過氣體組分之后，被傳輸?shù)轿挥谶h(yuǎn)處的光譜分析組件600中。在適當(dāng)?shù)臈l件下，已經(jīng)證明這種光纖傳輸不會(huì)使光譜數(shù)據(jù)發(fā)生改變。
繼續(xù)參照?qǐng)D2，光譜儀組件600包括用于解析相干光束光譜，具體地說，就是分析所檢測(cè)的樣品中的污染物的吸收光譜的色散光柵?？扇〉氖?，光譜儀組件600的光譜色散本領(lǐng)足夠大以清楚地解析這些污染物的吸收特征譜線，從而能夠識(shí)別每種污染物的“特征”和定量測(cè)定污染物的濃度。盡管根據(jù)本發(fā)明，任何已知的或在今后提出的光譜儀都可以被使用，但是可取的是，光譜儀600包括兩個(gè)衍射光柵組件600A和600B，與一個(gè)光束擴(kuò)展組件600C和一個(gè)聚焦透鏡組件600D連接在一起工作?？扇〉氖枪庾V擴(kuò)展組件600C包括借助于支撐件604和606恰當(dāng)安裝在氣體檢測(cè)系統(tǒng)10中的透鏡603和605?？扇〉氖峭哥R603為一個(gè)負(fù)透鏡，透鏡605為一個(gè)準(zhǔn)直透鏡；每個(gè)透鏡上涂有中心波長(zhǎng)在被檢測(cè)的樣品中污染物的吸收光譜內(nèi)，例如在大約1000nm至1500nm之間，最好為1400nm的防反射涂層。
衍射光柵組件600A和600B分別包括安裝在各個(gè)衍射光柵支撐件608和610上的衍射光柵607和609?？梢岳斫?，支撐件608和610使得衍射光柵607、609可以在光譜儀組件600中進(jìn)行調(diào)整可取的是聚焦透鏡組件600D包括一個(gè)透鏡611，其上涂有中心波長(zhǎng)在ILS激光器500工作波長(zhǎng)，例如在大約1000nm至1500nm之間，最好為1400nm的的防反射涂層。透鏡611將光譜儀600的輸出光聚焦到多通道陣列檢測(cè)器701上。
ILS激光器500工作的光譜區(qū)域是由光譜組件600形成的，并且在空間上分布于多通道陣列檢測(cè)器701在一個(gè)安裝支架702上安裝的平面。一個(gè)包含驅(qū)動(dòng)該多通道檢測(cè)器701和從中讀取信息所需的控制和定時(shí)電路的電路板703與之相連接。因此，利用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10能夠得到需要識(shí)別的特定污染物的完全光譜色散的吸收光譜。污染物的特定吸收特征譜線的位置和相對(duì)強(qiáng)度可以用于唯一地識(shí)別檢測(cè)氣體(污染物)以及定量地檢測(cè)所檢測(cè)的氣體(污染物)的含量。
檢測(cè)器701可以由，例如一個(gè)具有間隔為100微米的256象素的InGaAs多通道陣列檢測(cè)器構(gòu)成?？扇〉氖怯啥嗤ǖ罊z測(cè)器701檢測(cè)的光信號(hào)在各個(gè)檢測(cè)器元件(象素)中被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其后這些信號(hào)由電路板703傳輸?shù)揭粋€(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)801中。轉(zhuǎn)換器801通過一個(gè)BNC接插件和屏蔽電纜704與電路板相連，從而確保準(zhǔn)確地傳輸信息。數(shù)據(jù)經(jīng)過如此轉(zhuǎn)換后，被輸入一臺(tái)計(jì)算機(jī)802，計(jì)算機(jī)通過一定程序?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成光譜信息，即識(shí)別一種具體的氣體(污染物)和氣體(污染物)濃度的光譜特征。
或者，可以將已經(jīng)通過被監(jiān)測(cè)的氣體組分的ILS激光器的輸出光導(dǎo)入具有至少一個(gè)色散光學(xué)元件(例如衍射光柵607和609)的光譜儀組件600中，這些光學(xué)元件可以按照波長(zhǎng)進(jìn)行掃描。然后可以將光譜儀組件600的輸出導(dǎo)向一個(gè)單通道檢測(cè)器。在通過光譜儀組件600的光線通過設(shè)置在該單通道檢測(cè)器前面的一個(gè)適合的孔徑(例如一條狹縫)時(shí)，通過掃描色散光學(xué)元件可以得到激光器腔5內(nèi)的氣體組分的光譜特征。通過光譜儀組件600的光，即光譜儀組件600的輸出光的強(qiáng)度在掃描色散光學(xué)元件時(shí)被記錄下來。
現(xiàn)在參見圖2，如前所述，當(dāng)泵浦激光器100使得ILS激光器在其閾值處或在該閾值附近工作時(shí)，氣體檢測(cè)系統(tǒng)10檢測(cè)ILS激光器工作的光譜解析區(qū)域。在驅(qū)動(dòng)裝置100的光學(xué)特征與ILS激光器500的光學(xué)特征比較匹配的情況下，不需要另外調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置的輸出。但是，在驅(qū)動(dòng)裝置100產(chǎn)生的、傳輸?shù)皆鲆娼橘|(zhì)(即晶體507)的泵浦輻射的體積與必須在ILS激光器500的增益介質(zhì)中光學(xué)激發(fā)的體積不一致的情況下，可以使用光束調(diào)整系統(tǒng)200以便于進(jìn)行體積匹配。在最簡(jiǎn)單的形式下，可取的是，光束調(diào)整系統(tǒng)200包括一個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它通過將所需的光子強(qiáng)度聚焦到ILS激光器的增益介質(zhì)的正確位置和體積中而使傳輸?shù)絀LS激光器的輻射達(dá)到最佳。具體地說，光束調(diào)整系統(tǒng)200用于改變驅(qū)動(dòng)裝置100的泵浦輻射以滿足ILS激光器500的要求。
根據(jù)本發(fā)明，光束調(diào)整系統(tǒng)200可以包括一個(gè)光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡。具體地說，在泵浦激光器100由優(yōu)選的光譜物理二極管泵浦固體晶體激光器構(gòu)成和ILS晶體507由Cr4+YAG或Cr4+LuAG晶體構(gòu)成的情況下，可能需要對(duì)泵浦激光器的輸出進(jìn)行光束擴(kuò)展。
如圖6所示，光束調(diào)整系統(tǒng)200可以包括一組透鏡和調(diào)節(jié)孔。特別是，設(shè)置了一個(gè)框架201，其上包括若干分別設(shè)置有可變孔徑裝置202和205的直立壁。雖然可以采用任何適合改變激光器100的輸出光(即光束E)進(jìn)出系統(tǒng)200的開口孔徑的器件，但是可取的是，器件202和205由常規(guī)的孔徑調(diào)整器件構(gòu)成。系統(tǒng)200最好還包括一個(gè)聚焦透鏡203和一個(gè)準(zhǔn)直透鏡204。可取的是，透鏡203包括一個(gè)聚焦透鏡，透鏡204包括一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，兩者之上都涂有中心波長(zhǎng)λp在大約1000到1100nm之間，最好在1064nm的防反射涂層。如圖6所示，透鏡203和205恰當(dāng)?shù)毓潭ㄔ诳蚣?10上以將它們分別對(duì)準(zhǔn)光束E。
繼續(xù)參照附圖2，在某些應(yīng)用中，可能需要將入射光束適當(dāng)?shù)鼐劢沟絀LS激光器500的激光增益介質(zhì)(例如摻雜離子的晶體或玻璃)507中。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，可以在激光器透鏡支架207中方便地安裝一個(gè)聚焦透鏡206，使得聚焦透鏡位于光束F的光路中適當(dāng)?shù)奈恢?。根?jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選的方面，可取的是，聚焦透鏡206包括一個(gè)光學(xué)聚焦透鏡，其上涂有中心波長(zhǎng)λp在大約1000到1100nm之間，最好在1064nm的防反射涂層。可取的是，聚焦透鏡206可以是平凸結(jié)構(gòu)或凸凸結(jié)構(gòu)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，利用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10測(cè)得的定量信息的質(zhì)量至少部分依賴于ILS激光器500的穩(wěn)定操作。在本發(fā)明中，激光器500的穩(wěn)定性主要依賴于如何可重復(fù)地使ILS激光器500達(dá)到閾值。可取的是，泵浦激光器100在閾值附近泵浦ILS激光器500，在閾值附近可以得到最大的靈敏度。但是，并不是所有的驅(qū)動(dòng)裝置都能夠連續(xù)地穩(wěn)定工作。此外，連續(xù)工作需要相當(dāng)?shù)呐σ跃S持ILS激光器500的幅值和波長(zhǎng)穩(wěn)定性，但是這可能造成成本提高，因而又削弱了這種氣體檢測(cè)系統(tǒng)10的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
作為使ILS激光器500連續(xù)工作的另一種方式，并根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，ILS激光器以“脈沖模式”或“斷續(xù)模式”工作。如在本申請(qǐng)中所使用的含義，術(shù)語(yǔ)“脈沖模式”和“斷續(xù)模式”指的是使ILS激光器500(離子摻雜晶體)重復(fù)地受到泵浦輻射的照射，從而使ILS激光器反復(fù)開關(guān)的方式。斷續(xù)模式相應(yīng)于使泵浦輻射以固定頻率和固定的(常常是對(duì)稱的)工作循環(huán)周期在零強(qiáng)度與一個(gè)固定的強(qiáng)度之間變換。相反，脈沖模式相應(yīng)于使泵浦輻射以可能是變化的、并且通常是不對(duì)稱的工作循環(huán)在零強(qiáng)度與一個(gè)非零強(qiáng)度(不需要固定)之間變化。(或者，可以調(diào)制泵浦輻射，使得泵浦光束的強(qiáng)度不達(dá)到零強(qiáng)度，但是在至少兩個(gè)使ILS激光器在閾值上下交替變化的強(qiáng)度量值之間變動(dòng)。)通過以斷續(xù)模式或脈沖模式工作，可以以保持商業(yè)可行性的方式實(shí)現(xiàn)ILS激光器500進(jìn)行定量光譜和濃度測(cè)量所需的穩(wěn)定工作。這種強(qiáng)度調(diào)制(例如中斷)可以通過使用，尤其是，可機(jī)械操作的斬光器、聲光調(diào)制器、快門，和諸如此類的器件。
或者，可以調(diào)制泵浦激光器100的輸出光強(qiáng)度，而不是對(duì)輸出光束(光束E)另行斬光。特別是，如果泵浦激光器100是一個(gè)二極管激光器，可以調(diào)制二極管激光器的電源功率，以交替得到大于或小于使ILS激光器500產(chǎn)生激光的電壓的電壓。因而，ILS激光器500可以被開啟或關(guān)閉。
雖然根據(jù)本發(fā)明任何已知的或以后提到的產(chǎn)生斷續(xù)模式或脈沖模式的方法都可以采用，但是可取的是通過使用調(diào)制組件300實(shí)現(xiàn)這些模式。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，利用一個(gè)能夠周期地阻擋和通過泵浦激光光束E的翻轉(zhuǎn)調(diào)制器301周期地阻擋光束E進(jìn)入ILS激光器500。具體地說，如圖6所示，調(diào)制器301由一個(gè)機(jī)械斬光器構(gòu)成。機(jī)械斬光器301放置在合適的位置，使得光束E在到達(dá)ILS激光器500之前被加以調(diào)制。雖然調(diào)制器301可以同樣便利地放置在光束調(diào)整系統(tǒng)200的前面或后面，但是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，斬光器放置在光束調(diào)整系統(tǒng)200內(nèi)的焦點(diǎn)處比較可取?；蛘?，可以將斬光器301放置在泵浦激光器100的前面。如圖2清楚表示的，斬光器301安裝在光束調(diào)整系統(tǒng)200的框架201中。
應(yīng)當(dāng)理解，斬光器301可以用任何能夠周期地阻擋或調(diào)制泵浦激光器光束的器件，例如機(jī)械的、或電光的器件代替。如前所述，根據(jù)本發(fā)明，從泵浦激光器100中發(fā)出的泵浦輻射的強(qiáng)度必須低于使ILS激光器500達(dá)到閾值所需強(qiáng)度，所以不需要達(dá)到零值。但是，還應(yīng)當(dāng)理解，泵浦激光器100傳送到ILS激光器500中的總的泵浦光能量(即完全的強(qiáng)度)在每個(gè)調(diào)制周期中必須保持恒定。
在脈沖模式或斷續(xù)模式下，包含吸收信息的ILS激光器500的輸出都可以被周期性地采樣。再參見附圖2，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，調(diào)制組件300包括調(diào)制器301(包括適合的電路)和調(diào)制器304(也包括適合的電路)。調(diào)制器301調(diào)制從泵浦激光器100和透鏡203的輸出光束E的強(qiáng)度，而調(diào)制器304調(diào)制ILS激光器500從檢測(cè)腔400出射的輸出光束，從而周期地對(duì)ILS激光器的輸出進(jìn)行采樣?？扇〉氖?，調(diào)制器301交替地阻擋到達(dá)ILS激光器500的增益介質(zhì)(例如晶體507)的泵浦光束E，而調(diào)制器304交替地阻擋從檢測(cè)腔400出射的ILS激光器光束，使之不進(jìn)入光譜儀組件600和檢測(cè)器組件700。
可取的是，斬光器301在一個(gè)開位置和一個(gè)關(guān)位置之間翻轉(zhuǎn)?？扇〉氖牵瑪毓馄?01由通過一個(gè)適合的電接口302與斬光器相連的斬光器驅(qū)動(dòng)裝置303驅(qū)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置303使斬光器301轉(zhuǎn)動(dòng)到開位置時(shí)，光束E進(jìn)入ILS激光器500，從而使ILS激光器500達(dá)到激活的閾值之上。ILS激光器500連續(xù)工作直到驅(qū)動(dòng)裝置303使斬光器301轉(zhuǎn)動(dòng)到關(guān)位置，在這個(gè)位置斬光器301有效地阻擋泵浦光束E進(jìn)入ILS激光器。
從檢測(cè)腔400出射的ILS激光器輸出光被導(dǎo)向調(diào)制器304。根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，調(diào)制器304由一個(gè)聲光調(diào)制器構(gòu)成。但是，應(yīng)當(dāng)理解，其它可以應(yīng)用的器件，例如其它機(jī)械操作的斬光器，或甚至快門也適用于此目的。如上面所討論的，為了從ILS激光器500的輸出光束中取得定量信息，調(diào)制器304周期地從ILS激光器輸出光束中所包含的包含在具體樣品中的污染物(例如氣體組分)的吸收數(shù)據(jù)中采樣。(可以理解，還可以不使用調(diào)制器304，而是交替開關(guān)檢測(cè)器組件700以周期地從ILS激光器的輸出中采樣，下面將對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的討論。)雖然調(diào)制器的具體形式是可以變化的，但是使用調(diào)制能夠在ILS激光器500中產(chǎn)生可重復(fù)的、有效的光路長(zhǎng)度。換句話說，通過改變激光發(fā)生時(shí)間(tg)，即在ILS激光器500中可以產(chǎn)生腔內(nèi)模式競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間周期，可以控制和選擇內(nèi)諧振腔中有效吸收路徑長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)ILS氣體檢測(cè)器10的最佳定量應(yīng)用方式。
可取的是，對(duì)于泵浦激光器100的輸出光束的調(diào)制與調(diào)制器件304同步進(jìn)行，從而能夠以按時(shí)間分辨的方式從ILS激光器500的輸出中獲取定量信息。通過使泵浦光束E經(jīng)過斬光器301可以有效地將泵浦輻射E周期地傳送到ILS激光器500。周期地傳送輻射使ILS激光器500交替地位于閾值之上和閾值之下。在發(fā)生時(shí)間tg之后當(dāng)ILS激光器500達(dá)到其閾值時(shí)，ILS激光器500的輸出光束被調(diào)制器304折射到光譜儀組件600和檢測(cè)器組件700的入口以進(jìn)行檢測(cè)。但是，ILS激光器500的輸出光G束僅僅在由調(diào)制器件301和304同步調(diào)制所確定的一個(gè)很短的時(shí)間間隔里被折射到光譜儀組件600和檢測(cè)器組件700中。調(diào)制器301和304的同步確保了在一個(gè)精確限定的時(shí)間間隔(tg)里對(duì)ILS激光器500的輻射進(jìn)行采樣。
調(diào)制器301和304的同步可以利用多種常規(guī)方法，例如通過與氣體檢測(cè)系統(tǒng)10可操作地連接的計(jì)算機(jī)802控制的一個(gè)數(shù)字電路(未示出)的電控制方法來實(shí)現(xiàn)。通常，調(diào)制器301和304的同步適合于形成小于300到500微秒量級(jí)，可取的是小于10到100微秒量級(jí)，最好是小于1微秒量級(jí)的發(fā)生時(shí)間(tg)。這種同步使得調(diào)制組件300允許泵浦激光器100的輸出光束在調(diào)制器304關(guān)閉時(shí)可以不間斷地通過。泵浦激光器100的輸出沒有被調(diào)制組件300中斷之時(shí)與調(diào)制器304打開時(shí)之間的時(shí)間間隔由tg確定。
通過使泵浦激光器100的輸出脈沖化就可以不使用調(diào)制器304而改變發(fā)生時(shí)間tg。如上所述，脈沖化相當(dāng)于使泵浦輻射在一個(gè)可能變化的工作循環(huán)周期中在零強(qiáng)度與一個(gè)非零強(qiáng)度值(不需要是一個(gè)固定值)之間改變，從而使ILS激光器500交替地在閾值上下變化。由此，ILS激光器500關(guān)閉和打開。通過改變泵浦激光器100的工作循環(huán)可以改變ILS激光器500發(fā)出激光的時(shí)間，特別是，泵浦激光器將ILS激光器泵浦到閾值的時(shí)間。因此，發(fā)生時(shí)間(tg)，即在ILS激光器500中可以發(fā)生腔內(nèi)模式競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間周期，發(fā)生了變化。在這種情況下，檢測(cè)器組件700保持連續(xù)的工作狀態(tài)，從檢測(cè)腔400出射的ILS激光器輸出光束可以連續(xù)地進(jìn)入光譜儀組件600和檢測(cè)器組件。
但是，如上所述，在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)從泵浦激光器100傳送到ILS激光器500的總的泵浦光能量或總的強(qiáng)度必須保持恒定，即使在這個(gè)過程中ILS激光器的輸出光束發(fā)生變化。為了維持恒定的總泵浦光能量，在tg將要改變的每個(gè)不同的調(diào)制周期中調(diào)節(jié)泵浦光束的強(qiáng)度值。因此，泵浦光束的強(qiáng)度和二極管泵浦激光器100將ILS激光器500泵浦到閾值的時(shí)間都被改變以形成不同的發(fā)生時(shí)間。
利用一個(gè)“脈沖發(fā)生器”在外部控制泵浦光束的傳輸可以使泵浦激光器100的輸出脈沖化。或者，如果泵浦激光器100是一臺(tái)二極管激光器，可以通過改變供給二極管激光器的電源功率調(diào)控二極管泵浦激光器的輸出強(qiáng)度。(如上所述，可以調(diào)控供給二極管激光器100的電源功率以交替地得到恰好高于或低于使ILS激光器500產(chǎn)生激光的電壓的電壓值。)因此，本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10可以具有下列結(jié)構(gòu)中的任何一種，這些結(jié)構(gòu)中的每一種都能夠改變發(fā)生時(shí)間(1)可以用一個(gè)外部斬光器(例如斬光器301)遮擋泵浦激光器100的輸出，并使檢測(cè)器700連續(xù)地保持工作狀態(tài)，用一個(gè)脈沖發(fā)生器(例如調(diào)制器304)控制ILS激光器500的輸出光束的傳輸，以便能夠周期性地采樣；(2)可以用一個(gè)外部斬光器(例如斬光器301)遮擋泵浦激光器100的輸出，并周期地打開和關(guān)閉檢測(cè)器700，以便能夠周期性地從ILS激光器500的輸出中采樣；(3)可以用一個(gè)外部脈沖發(fā)生器使泵浦激光器100的輸出脈沖化，并使檢測(cè)器700連續(xù)地保持工作狀態(tài)，利用從泵浦激光器輸出的使ILS激光器產(chǎn)生激光的脈沖寬度控制ILS激光器500的輸出光束與氣體組分之間相互作用的持續(xù)時(shí)間；(4)在泵浦激光器100是一臺(tái)二極管激光器的情況下，可以通過改變二極管激光器的電源功率使二極管激光器的輸出脈沖化，利用使ILS激光器產(chǎn)生激光的二極管激光器輸出的脈沖寬度控制ILS激光器500的輸出光束與氣體組分之間相互作用的持續(xù)時(shí)間；(5)在泵浦激光器100是一臺(tái)二極管激光器的情況下，可以通過改變二極管激光器的電源功率截止二極管激光器的輸出，并且可以使檢測(cè)器700連續(xù)地處于工作狀態(tài)，利用一個(gè)脈沖發(fā)生器(例如調(diào)制器304)控制ILS激光器500的輸出向檢測(cè)器的傳輸，以便能夠周期地采樣；和(6)在泵浦激光器100是一臺(tái)二極管激光器的情況下，可以通過改變二極管激光器的電源功率截止二極管激光器的輸出，可以周期地開關(guān)檢測(cè)器700，以便能夠周期地對(duì)ILS激光器500的輸出采樣。
在如上所述的本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10的實(shí)施例中，ILS激光器500具有一個(gè)形成于三個(gè)鏡面(即鏡面501、503和505)之間的激光腔5，其中鏡面503是一個(gè)折疊式反射鏡。如上所述，三個(gè)鏡面被設(shè)計(jì)成這種結(jié)構(gòu)是為了在鏡面503與505之間的區(qū)域中形成象散補(bǔ)償?shù)幕蚧酒叫械墓馐?br> 或者，本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10可以包括一個(gè)具有簡(jiǎn)化的激光腔5的ILS激光器500。在本發(fā)明的這個(gè)變型實(shí)施例中，激光腔5不具有色散補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｏ喾?，激光?可以形成在兩個(gè)鏡面之間，從而具有基本線性的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不具有象散補(bǔ)償?shù)墓δ堋５?，本發(fā)明的這個(gè)變型實(shí)施例所采用的線性激光腔設(shè)計(jì)能夠構(gòu)成一個(gè)更小、更簡(jiǎn)單的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10。所以，本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)的這個(gè)實(shí)施例與上述的實(shí)施例相比成本較低，操作也更容易。此外，本發(fā)明的這個(gè)基于線性激光腔的變型實(shí)施例可以根據(jù)許多實(shí)際用途的需要制作得更加堅(jiān)固或在機(jī)械方面更加穩(wěn)定。
“線性激光腔”指得是與僅僅形成在兩個(gè)鏡面之間的激光器等價(jià)的激光腔5。在這種最簡(jiǎn)單的形式中，線性激光腔由一個(gè)形成在一個(gè)第一鏡面和一個(gè)第二鏡面之間的激光腔5構(gòu)成?？梢岳斫?，可以采用任何數(shù)量的輔助平面鏡以控制(即改變路徑)從第一鏡面到第二鏡面行進(jìn)的光束。但是，這些輔助鏡面的使用并不改變光束在激光腔5內(nèi)的形狀(第一鏡面與第二鏡面之間的距離不改變)。因此，在激光器的激光腔5中加入輔助平面鏡不影響激光器的工作，而僅僅是改變激光器物理構(gòu)成的方式。所以，形成在第一鏡面與第二鏡面之間的激光腔5，其間包括輔助平面鏡，與僅僅形成在第一鏡面與第二鏡面之間的激光腔是等價(jià)的；去掉輔助平面鏡既不改變光束的形狀，也不改變激光束的工作方式。但是，采用這種輔助平面鏡可以將激光腔5安裝到受到空間限制的外殼中。
因此，本申請(qǐng)已經(jīng)公開了一種利用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10檢測(cè)在包含腐蝕性氣體的一種氣體樣品中的污染物的存在和濃度的裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還要公開一種高靈敏度檢測(cè)方法。這種方法包括下列步驟將樣品腔400中的氣體(污染物)的含量降低到可接受的水平，將待檢測(cè)的氣體樣品放入樣品系統(tǒng)400A中，在閾值處或在閾值附近工作的泵浦ILS激光器500，周期地對(duì)ILS激光器的輸出采樣，可取的是借助于調(diào)制組件300，利用光譜儀組件600和檢測(cè)器組件700測(cè)量樣品中的氣體(污染物)的吸收光譜，利用計(jì)算機(jī)/軟件系統(tǒng)800分析吸收光譜以識(shí)別氣體組分(污染物)并確定其在樣品中的濃度。
用于檢測(cè)在包含腐蝕性氣體的樣品中的氣體組分的存在的方法要求選擇特殊的光譜區(qū)域，使得在該光譜區(qū)域中(i)氣體組分具有至少一個(gè)吸收特征譜線，并且(ii)腐蝕性氣體沒有產(chǎn)生顯著干擾的吸收特征譜線。(如上所述，產(chǎn)生干擾的吸收特征譜線是指與用于識(shí)別氣體組分的吸收特征譜線重疊，從而影響了氣體組分與腐蝕性氣體之間的檢測(cè)選擇性的吸收特征譜線。)根據(jù)本發(fā)明的方法，提供了一種激光器，該激光器包括一個(gè)激光腔5和一個(gè)增益介質(zhì)507，該增益介質(zhì)輸出光的波長(zhǎng)分布中至少有一部分處于所選擇的光譜區(qū)域內(nèi)。ILS激光器500包含在樣品腔400中。此外，還提供了一個(gè)氣體樣品盒406，該容器具有對(duì)于在所選擇光譜區(qū)域內(nèi)的光透明，從而使得光束能夠通過該氣體樣品容器的窗口404和405。將氣體樣品盒406插入ILS激光器500中使得增益介質(zhì)507的輸出光束在從激光腔5出射之前通過氣體樣品。將樣品腔400中的氣體(污染物)含量減少到可接受的水平。將待檢測(cè)的氣體樣品放入氣體樣品盒406中。在閾值處或在閾值附近泵浦ILS激光器500，并對(duì)ILS激光器500的光輸出周期地采樣，可取的是借助于調(diào)制組件300。利用光譜儀組件600和檢測(cè)器組件700測(cè)量樣品中的氣體(污染物)的吸收光譜。運(yùn)用計(jì)算機(jī)/軟件系統(tǒng)800分析吸收光譜以識(shí)別氣體組分(污染物)和確定其在樣品中的濃度。
更具體地說，將樣品腔400(除了氣體樣品盒406)中的氣體(污染物)含量降低到可接受的水平包括將可用頂蓋410密封的容器401濾清或抽真空，使得氣體(污染物)含量低于氣體樣品容器中氣體樣品所包含的氣體的含量。如前面所討論的，其它用于降低氣體(污染物)含量的機(jī)構(gòu)也可以采用，只要它們能夠?qū)怏w(污染物)含量降低到可接受的水平?？扇〉氖牵萜鞯鬃?01用頂蓋410密封，并將包含在其中的污染物有效地清除(或減少到可接受的水平)?？扇〉氖?，在裝置到達(dá)使用者之前就采用相對(duì)防篡改方式將底座401和頂蓋410有效地密封。
通過將氣體管線與連通器408、409相連，并將氣體輸入氣體樣品容器中可以使樣品與氣體樣品盒406保持較好的流通關(guān)系(例如當(dāng)樣品中包含一種腐蝕性氣體或反應(yīng)性氣體時(shí))。
更具體地說，在閾值處或在閾值附近泵浦ILS激光器500包括選擇正確的泵浦激光器100的功率、利用光束調(diào)整光路系統(tǒng)200和透鏡206在激光晶體507上的聚焦條件，以及利用調(diào)制系統(tǒng)300的調(diào)制條件。根據(jù)本發(fā)明檢測(cè)氣體組分的方法還包括在閾值處或在閾值附近但是大于閾值處驅(qū)動(dòng)ILS激光器500。根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動(dòng)裝置100適合地泵浦ILS激光器500。在需要的情況下，利用光束成形組件200將泵浦光束E適當(dāng)成形以滿足ILS激光器500的光學(xué)要求。此外，在氣體檢測(cè)系統(tǒng)10以脈沖模式或斷續(xù)模式工作的情況下，如上所述，調(diào)制組件，特別是，調(diào)制器301可以周期地中斷泵浦光束E，從而阻止光束E到達(dá)ILS激光器500。從調(diào)制器301和光束成形組件200中輸出的光束F被適合地導(dǎo)向ILS激光器500。
根據(jù)這種方法，當(dāng)光束F從設(shè)置在密封容器壁401上的窗口402進(jìn)入檢測(cè)腔400時(shí)，光束F被導(dǎo)向ILS激光器500。當(dāng)光束F通過窗口402到達(dá)聚焦透鏡206時(shí)，可以對(duì)光束F進(jìn)行進(jìn)一步的聚焦和引導(dǎo)，其中聚焦透鏡206適合地聚焦光束F并引導(dǎo)其通過鏡面501。光束F在閾值處或在閾值附近適合地泵浦晶體507，鏡面503和505將輸出光束適合地導(dǎo)向氣體樣品盒406中的氣體樣品。然后出射光束，其中包含氣體(污染物)樣品的吸收數(shù)據(jù)，通過適合地設(shè)置在密封容器壁401上的窗口403從氣體檢測(cè)腔400射出。
使用調(diào)制器304，可取的是與調(diào)制器301同步，可以使ILS激光器500在脈沖模式或斷續(xù)模式下工作，所說調(diào)制器對(duì)ILS激光器的輸出光束周期地采樣，并將所得到的經(jīng)過采樣的輸出傳輸?shù)焦庾V儀組件600和檢測(cè)器組件700中?；蛘?，在泵浦激光器100由一個(gè)二極管激光器構(gòu)成的情況下，可以與調(diào)制器304同步地調(diào)制供給二極管激光器的電源功率。可取的是，鏡面601將經(jīng)過采樣的ILS激光器的輸出光束G導(dǎo)向光譜儀組件600和檢測(cè)器組件700?；蛘?，不使用調(diào)制器304，而是可以通過開關(guān)檢測(cè)器組件700對(duì)ILS激光器500的輸出進(jìn)行采樣。
根據(jù)本發(fā)明用于檢測(cè)氣體樣品的方法還包括分析所采樣的ILS激光器500的輸出光束G。可取的是，光譜儀組件600進(jìn)行光譜解析，檢測(cè)器組件700適當(dāng)?shù)胤治鰪腎LS激光器500采樣的光束G。光譜儀組件600利用光束擴(kuò)展組件600C，衍射組件600A、600B和聚焦組件600D將ILS激光器500的輸出光束G進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓庾V分色。從光譜儀組件600出射的經(jīng)過光譜解析的ILS吸收數(shù)據(jù)經(jīng)過適當(dāng)?shù)目臻g分布由包括，例如多通道檢測(cè)器701的檢測(cè)器組件700進(jìn)行檢測(cè)。
可以理解，本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10和方法可以用于得到在一種腐蝕性氣體或反應(yīng)性氣體，如氯化氫，或者非腐蝕性氣體，如氮?dú)庵械奈廴疚?，如水蒸氣在多種波長(zhǎng)區(qū)域上的吸收光譜。特別是，圖7和圖8表示了利用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10可以得到水蒸氣在各種環(huán)境(腐蝕性氣體中或非腐蝕性氣體中)下的特征譜線。具體地說，圖7表示氯化氫中的水(曲線900)和氮?dú)庵械乃?曲線902)在大約1433-1440nm光譜區(qū)域中的經(jīng)過重整化的激光強(qiáng)度/吸收對(duì)波長(zhǎng)的關(guān)系圖，而圖8類似地表示氯化氫中的水(曲線904)和氮?dú)庵械乃?曲線906)在大約1420-1434nm光譜區(qū)域中的經(jīng)過重整化的激光強(qiáng)度/吸收對(duì)波長(zhǎng)的關(guān)系圖。圖7和圖8中顯示的光譜是利用光譜儀組件600和通過測(cè)量二極管701的輸出得到的?？梢岳斫?，每個(gè)所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)是經(jīng)過多次測(cè)量得出的。
在圖7和圖8所示的關(guān)系圖中表示的數(shù)據(jù)表明利用本發(fā)明的方法可以成功地檢測(cè)出氯化氫中的水成分。此外，水的吸收光譜與測(cè)量是否在氯化氫或氮?dú)庵羞M(jìn)行無關(guān)而完全相同這一觀測(cè)結(jié)果表明不存在氯化氫的光譜干擾，即使它是以極高的濃度存在(例如一個(gè)大氣壓的總壓力)。
根據(jù)強(qiáng)度與濃度的關(guān)系，在得到污染物氣體例如水蒸氣的特征譜線時(shí)，可以容易地得出包含在樣品中的污染物的濃度。根據(jù)本發(fā)明，計(jì)算機(jī)802可以適當(dāng)?shù)鼐幊桃苑治鰯?shù)據(jù)，并提供有關(guān)包含在樣品中的污染物的存在和/或濃度的輸出指示。在圖9和圖10表示了利用本發(fā)明得到的水的吸收強(qiáng)度對(duì)氮?dú)庵兴臐舛鹊年P(guān)系圖。圖9和圖10中所示的氮?dú)庵兴膬艋謩e利用滲透裝置和在線凈化器完成。
(可以理解在光譜中找到的吸收特征譜線必須進(jìn)行標(biāo)定。由于腔內(nèi)激光光譜測(cè)量方法比現(xiàn)有技術(shù)的方法具有提高的靈敏度，過去無法測(cè)量出的弱的躍遷利用本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)10第一次變成可以測(cè)量的。在這種情況下，這些弱的躍遷可以用于識(shí)別光譜特征譜線和確定氣體組分的存在。這種弱的躍遷還可以利用氣體檢測(cè)系統(tǒng)10標(biāo)定，從而可以利用與這些弱躍遷相應(yīng)的吸收特征譜線的強(qiáng)度確定氣體組分的濃度。)雖然本發(fā)明在上面被描述成用于得到在腐蝕性氣體如氯化氫中的污染物如水蒸氣的吸收光譜，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很顯然，本發(fā)明也可以用于其它適合的污染物和腐蝕性或反應(yīng)性氣體。適合應(yīng)用本發(fā)明的腐蝕性氣體的實(shí)例包括，但是并不限于，下列的氣體N2O、NO、NO2、HONO、HNO2、SO、SO3、H2SO4、Cl2、ClO、Cl2O2、HOCl、PH3、OCS、HI、HF、HBr、BCl3、NF3、BCl2、BCl、SO2、BF3、Br2、I2、F2、O3、AsH3、NH3、SiH4、B2H4、HNO3、HCN、HNC、H2S、COF2、CH4-xXx，其中X為F或Cl，x等于1到4。并不是說本申請(qǐng)中所公開的腐蝕性或反應(yīng)性氣體，包括上面所羅列的，就是所有的氣體；相反，根據(jù)具體的應(yīng)用的需要還可以使用其它的腐蝕性或反應(yīng)性氣體。例如，腐蝕性氣體可以包括其它用于制造半導(dǎo)體器件的腐蝕性氣體。此外，可以理解，腐蝕性氣體可以包括任何數(shù)量的腐蝕性氣體，諸如上面所列舉的那些的組合物。還應(yīng)當(dāng)理解，待檢測(cè)的氣體組分可以包括，但不限于，上面所列舉的一種或多種腐蝕性氣體。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，利用本發(fā)明可以得到的檢測(cè)靈敏度一般超過利用現(xiàn)有技術(shù)裝置可以得到的檢測(cè)靈敏度。此外，氣體檢測(cè)系統(tǒng)10可以在線使用，隨時(shí)得到有關(guān)包含在特定腐蝕性氣體樣品中的污染物的存在和濃度的接近實(shí)時(shí)的測(cè)量結(jié)果，從而避免了許多與使用現(xiàn)有技術(shù)裝置相關(guān)的缺點(diǎn)。特別是，本發(fā)明的方法提供了以在現(xiàn)有技術(shù)中不可能達(dá)到的檢測(cè)水平就地快速地檢測(cè)包含腐蝕性氣體的氣體樣品中的水蒸氣的手段。
應(yīng)當(dāng)理解，前面的描述涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本發(fā)明并不限于這里所述的具體形式。在不脫離如所附的權(quán)利要求書所述的本發(fā)明范圍的前提下，對(duì)于本申請(qǐng)中所提出的各種元件的設(shè)計(jì)和排列結(jié)構(gòu)可以作出各種改變。此外，氣體檢測(cè)系統(tǒng)10的應(yīng)用以及ILS氣體檢測(cè)器的位置，例如在半導(dǎo)體制造設(shè)備中，可以根據(jù)需要加以變化。例如，在ILS檢測(cè)腔400中各種元件的具體位置以及氣體檢測(cè)系統(tǒng)10本身的具體位置可以改變，只要它們的結(jié)構(gòu)和位置能夠以容易重復(fù)的方式使ILS激光器被光激發(fā)。對(duì)于本發(fā)明的設(shè)計(jì)、排列結(jié)構(gòu)、以及應(yīng)用的現(xiàn)在所知的或今后被本領(lǐng)域技術(shù)人員所提出的這些和其它改進(jìn)都包括在所提出的權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)在一種氣體樣品中的氣體組分的存在的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，它包括(a)一個(gè)激光器腔(5)；(b)一塊置于其中的摻雜離子晶體(507)；(c)位于所說激光器腔(5)外面的一個(gè)泵浦激光器(100)，其輸出光激發(fā)所說的摻雜離子晶體(507)，從而產(chǎn)生一個(gè)輸出光束，該光束從所說激光器腔(5)中射出；和(d)一個(gè)容器(400，406)，用于在所說的激光器腔(5)中盛裝所說的氣體樣品，所說摻雜離子晶體(507)的輸出光束在從所說的激光器腔(5)中出射之前通過所說的氣體樣品。
2.一種使用如權(quán)利要求1所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)檢測(cè)在一種氣體樣品中氣體組分的存在的方法，所說方法包括以下步驟(a)將所說泵浦激光器(100)的輸出光束導(dǎo)向所說的摻雜離子晶體(507)；和(b)在所說摻雜離子晶體(507)的輸出光束從所說激光器腔出射之后將其導(dǎo)向一個(gè)檢測(cè)器組件(700)以測(cè)定在所說氣體樣品中氣體組分的存在和/或濃度。
3.一種用于檢測(cè)在包含腐蝕性氣體的一種氣體樣品中的氣體組分的存在的方法，包括以下步驟(a)選擇一個(gè)光譜區(qū)域，其中(i)所說的氣體組分具有至少一個(gè)吸收特征譜線和(ii)所說腐蝕性氣體基本上不具有產(chǎn)生干擾的吸收特征譜線；(b)提供一個(gè)其中包括激光器腔(5)和增益介質(zhì)(507)的激光器(500)，所說增益介質(zhì)(507)輸出光的波長(zhǎng)分布至少有一部分處于所選擇的光譜區(qū)域中；(c)提供一個(gè)氣體樣品盒(406)，它具有對(duì)于在所說光譜區(qū)域的光透明的窗口(404、405)，使得光束能夠通過所說的氣體樣品盒(406)；(d)將所說的氣體樣品盒(406)放入所說的激光器(500)，使得從所說增益介質(zhì)(507)中輸出的光在從所說的激光器腔(5)中出射之前通過所說的氣體樣品；(e)將包含所說腐蝕性氣體的氣體樣品放入所說的氣體樣品盒(406)中使得從所說增益介質(zhì)(507)輸出的光通過所說的氣體樣品，所說的氣體樣品密封在所說的氣體樣品容器(406)，使得所說的腐蝕性氣體不與所說的激光器(500)發(fā)生反應(yīng)；和(f)在從所說的增益介質(zhì)(507)中輸出的光從所說的激光器腔(5)出射之后，將其導(dǎo)向一個(gè)檢測(cè)器組件(700)以測(cè)定在所說氣體樣品中所說氣體組分的存在和/或濃度。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所說的腐蝕性氣體包括從包含下列氣體的組中選擇的一種氣體，所說的一組氣體包括N2O、NO、NO2、HONO、HNO2、SO、SO3、H2SO4、Cl2、ClO、Cl2O2、HOCl、PH3、OCS、HI、HF、HBr、BCl3、NF3、BCl2、BCl、SO2、BF3、Br2、I2、F2、O3、AsH3、NH3、SiH4、B2H4、HNO3、HCN、HNC、H2S、COF2、CH4-xXx，其中X為F或Cl，x等于1到4。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所說的氣體組分包括水。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所說的選擇出的光譜區(qū)域是從大約1420到1440納米之間的波長(zhǎng)區(qū)域中選擇的。
7.一種采用如權(quán)利要求3所述的方法檢測(cè)在包含腐蝕性氣體的一種氣體樣品中的氣體組分的存在的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，所說系統(tǒng)(10)包括(a)所說的激光器腔(5)；(b)置于所說激光器腔中的所說的增益介質(zhì)(507)，所說的增益介質(zhì)(507)輸出光的波長(zhǎng)分布中至少有一部分位于所說的光譜區(qū)域中；(c)包含在所說激光器(500)中的所說的氣體樣品盒(406)；(d)用于將包含所說腐蝕性氣體的所說氣體樣品放入到所說氣體樣品容器(406)中的導(dǎo)管(408、409)；和(e)所說的檢測(cè)器組件(700)，用于確定在所說氣體樣品中的氣體組分的存在和/或濃度，所說激光器(500)的光輸出被導(dǎo)向所說的檢測(cè)器組件(700)。
8.如權(quán)利要求7所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其特征在于所說的增益介質(zhì)(507)由從包括固體激光器和二極管激光器的組中選擇出的一種泵浦激光器泵浦。
9.如權(quán)利要求7所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其特征在于所說的激光器腔(5)包含在一個(gè)檢測(cè)腔(400)中，所說檢測(cè)腔(400)具有抽空所說待檢測(cè)氣體組分的結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求7所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)(10)，其特征在于所說氣體樣品包含在所說激光器腔(5)的一個(gè)區(qū)域中，所說區(qū)域具有象散補(bǔ)償?shù)墓δ芤詼p少?gòu)乃f增益介質(zhì)(507)中輸出的光束的象散。
全文摘要
利用腔內(nèi)激光光譜測(cè)量技術(shù)光學(xué)檢測(cè)濃度低于一個(gè)百萬(wàn)分比(ppm)到低于一個(gè)太分比(ppb)的在氣體如腐蝕性氣體中的污染物。采用一個(gè)激光器(500)，ILS激光器(500)作為檢測(cè)器(10)。該ILS激光器(500)包括一塊包含在激光器腔(5)中的增益介質(zhì)(507)。包含氣體污染物組分的一種氣體樣品盛裝在一個(gè)氣體樣品盒(406)中，該容器放置在激光器腔(5)中和增益介質(zhì)(507)的一側(cè)。在待檢測(cè)的氣體組分處于腐蝕性氣體的情況下，腐蝕性氣體被防止與ILS激光器(500)的元件發(fā)生反應(yīng)。ILS激光器(500)的輸出信號(hào)被引導(dǎo)和分析以識(shí)別氣體組分(借助于光譜特征譜線)。從光譜特征譜線還可以確定氣體組分的濃度。
文檔編號(hào)G01N21/35GK1166203SQ96191258
公開日1997年11月26日 申請(qǐng)日期1996年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月1日
發(fā)明者G·H·艾金森, Y·卡列斯基, J·張, M·海尼曼, E·梅迪扎德, M·沃爾帕丁格 申請(qǐng)人:創(chuàng)新激光有限公司