專利名稱：高分辨率、緊湊型內(nèi)腔激光光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像光譜儀，更為特別地涉及基于內(nèi)腔激光光譜學(xué)的圖像光譜儀。
激光器的最簡單形式在結(jié)構(gòu)上圖解為包括位于兩個(gè)鏡之間的增益媒質(zhì)。激光器腔內(nèi)的光在鏡間來回反射，每一次通過增益媒質(zhì)，這產(chǎn)生光增益。第一個(gè)鏡可以是全反射的，而第二個(gè)鏡可以是部分反射的，由此允許部分光從激光腔中逸出。兩個(gè)反射鏡表面之間的空間區(qū)域確定了激光腔或諧振腔，在本發(fā)明的文中涉及到所謂的“內(nèi)腔區(qū)域”。
激光輸出的強(qiáng)度是增益媒質(zhì)工作的波長范圍和諧振腔元件的反射率的函數(shù)。通常輸出是寬的，并且沒有細(xì)銳的、特征譜線特征。
采用激光光譜對氣體種類的確認(rèn)，例如原子、分子、基或離子，要求激光的輸出在該種類氣體的吸收波長范圍內(nèi)。激光器在氣體種類探測中的一般應(yīng)用中，激光輻射被用于激勵(lì)在激光器外部的氣體樣品來產(chǎn)生二級信號，例如電離或熒光。在一般的吸收光譜儀中，激光通過位于激光器外的氣體樣品，監(jiān)測隨波長變化的衰減。
二十年前，另一種探測方法，內(nèi)腔激光光譜學(xué)(ILS)被首次公開；例子參見，G.Atkinson,A.Laufer,M.Kurylo，“利用內(nèi)腔染料激光器技術(shù)探測自由基”，59物理化學(xué)學(xué)報(bào)，7月1,1973。在ILS中，激光器本身被用作探測器。被分析的氣體樣品被插入在一個(gè)多模、均勻展寬的激光器的光學(xué)腔中。Atkinson等指出將光學(xué)腔中的氣體分子、原子、基和/或離子置于它們的基態(tài)或者激發(fā)態(tài)，激光器的輸出可以被改變。特別地，內(nèi)腔氣體種類的吸收光譜出現(xiàn)在激光器的輸出光譜中。
激光器輸出中不同的吸收特征來自于由氣體種類吸收所產(chǎn)生的內(nèi)腔損失。(正如這里所用，吸收特征對應(yīng)于光強(qiáng)度與波長關(guān)系曲線中的光強(qiáng)度達(dá)到局部最小值的一系列連續(xù)波長)。在一個(gè)多模激光器中，內(nèi)腔吸收損失與激光器增益通過正常的模式動力學(xué)相競爭。結(jié)果在較強(qiáng)的內(nèi)腔吸收特征有效地與激光器增益相抗衡的波長處，從激光器的輸出中可以觀察到強(qiáng)度的衰減。吸收特征越強(qiáng)烈，在那些波長的激光器輸出降低得越多。
利用在激光器諧振腔中插入吸收氣體種類，ILS可以提供比普通光譜學(xué)方法更為增強(qiáng)的探測靈敏度。ILS技術(shù)的增強(qiáng)的探測靈敏度來源于(1)激光器增益媒質(zhì)所產(chǎn)生的增益，和(2)吸收體損失的非線性競爭。因此利用ILS既可以探測弱的吸收也可以探測極小的吸收體濃度。
在光學(xué)腔中的每一種氣體種類可以靠它們對應(yīng)的吸收譜或特征譜線來唯一地辨認(rèn)。此外，如果傳感器被合適地校準(zhǔn)，氣體種類的濃度可以通過光譜特征或特定的吸收強(qiáng)度來確定。(這里所用的術(shù)語“光譜特征”對應(yīng)于波長與吸收強(qiáng)度或吸收率的曲線，其唯一地確定氣體種類)。
氣體種類的光譜特征可以由ILS激光器的輸出對波長的色散來獲得。典型的兩種探測方式被采用來色散ILS激光器的輸出，以獲得氣體種類的光譜特征。ILS激光器的輸出可以通過一個(gè)固定波長、色散光譜儀，并且由這個(gè)光譜儀分辨的特定光譜區(qū)域可以用一個(gè)多通道探測器來計(jì)錄；參見1996年7月3日提交的申請?zhí)枮?8/675，605的專利，專利名稱為“利用內(nèi)腔激光光譜學(xué)(ILS)的高靈敏度氣體探測用激光二極管泵浦的激光系統(tǒng)”。另一種方法，可以利用一種能夠波長掃描的光譜儀選擇性分辨由一個(gè)單通道探測器記錄的不同譜線區(qū)。
ILS探測系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)中，所采用的ILS激光器具有一個(gè)較寬的譜線寬度，相對于所被探測的內(nèi)腔種類的吸收光譜中特征譜線的寬度而言；參見美國專利5,689,334,1997年11月18日授予G.H.Atkinson等的“用于雜質(zhì)的高靈敏度探測的內(nèi)腔激光光譜學(xué)”。特別地，激光器系統(tǒng)具有一個(gè)工作譜線寬度，其至少為被監(jiān)測氣體種類特征吸收譜線的三倍寬度。
然而，先前的在試驗(yàn)室被成功證實(shí)的實(shí)現(xiàn)ILS的方法，對于許多商業(yè)應(yīng)用而言太大并且太復(fù)雜。特別地，對將激光器輸出光譜色散的光譜儀、以及計(jì)算機(jī)分析吸收譜線的要求，增加了探測系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。相反，商業(yè)現(xiàn)實(shí)的制約要求氣體探測器必須是方便使用的尺寸，相對地不昂貴并且可靠。
這樣，對ILS應(yīng)用所要求的就是一種高分辨的、緊湊型光譜儀。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種高分辨率、緊湊型的內(nèi)腔激光光譜儀?！案叻直媛省币馑紴楣庾V儀的分辨率小于1/50,000。將輸入光束色散為波長λ以便為探測器所探測的光譜儀包括(a)聚焦透鏡，其與光譜儀的數(shù)值孔徑匹配；(b)入口狹縫，入射光束由此通過；(c)第一鏡，準(zhǔn)直來自入口狹縫的光束；(d)第一反射光柵，將準(zhǔn)直光束色散來形成具有光譜強(qiáng)度分布的光束，其具有的溝槽數(shù)目為N1；(e)第二反射光柵，進(jìn)一步色散準(zhǔn)直光束，其具有的溝槽數(shù)目為N2；(f)第二鏡，聚焦準(zhǔn)直的和色散的光束，其中光譜儀具有一個(gè)基本對稱的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的光譜儀配合一個(gè)線性光二極管列陣會特別有用。
光譜儀的對稱性結(jié)構(gòu)使得光柵的分辨率和發(fā)散加倍。具有內(nèi)腔單元的緊湊型高分辨率圖像光譜儀能夠高靈敏度地測量氣體的吸收線。
考慮了下面所附的插圖和插圖的細(xì)節(jié)描述后，本發(fā)明的其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將會變得很明顯，插圖中相同的標(biāo)號代表相同的特征。
參考描述的插圖并非按比例繪制，除非特別標(biāo)明。


圖1為采用本發(fā)明的光譜儀的探測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖；圖2為本發(fā)明光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖，其采用兩個(gè)反射光柵；圖3為本發(fā)明光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了在光譜儀中為產(chǎn)生對稱性反射光柵的角度要求；圖4為本發(fā)明光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了當(dāng)采用兩個(gè)以上反射光柵時(shí)的角度要求。
現(xiàn)在詳細(xì)介紹本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方案，它描述了發(fā)明者為實(shí)施本發(fā)明目前考慮的最好的模式。也簡單地描述了另一種實(shí)用的實(shí)施方案。
現(xiàn)在參考圖1，顯示了一個(gè)氣體探測器系統(tǒng)10，包括泵譜激光器12，內(nèi)腔激光光譜(ILS)激光器和連帶的腔室14，光譜儀16，以及探測器和附帶的電子設(shè)備18(例如計(jì)算機(jī)，數(shù)字電子設(shè)備等)。氣體探測器系統(tǒng)10在其它地方已被詳細(xì)描述；例子參見1997年11月18日授予的美國專利5,689,334。
根據(jù)本發(fā)明，光譜儀16是一個(gè)圖像光譜儀，采用兩個(gè)反射凹面鏡，兩個(gè)平面反射光柵，和一個(gè)入口狹縫，采用線性光二極管列陣作為探測器18。圖2描述了本發(fā)明的圖像光譜儀16。光譜儀16包括入口狹縫20，空間相干光束22通過其進(jìn)入光譜儀。來自ILS激光器14的空間相干光束22在進(jìn)入入口狹縫20之前先穿過透鏡19。光譜儀16給出一個(gè)衍射限制圖像，其光斑尺寸正比于它的f-數(shù)，f-數(shù)定義為光譜儀焦距和光闌孔徑之比。為將入射激光光束22成像到光譜儀16的入口狹縫20，透鏡19的f-數(shù)基本等于光譜儀的f-數(shù)。
光束22入射到準(zhǔn)直鏡24上(它可以是凹的)，在其上光束被準(zhǔn)直然后導(dǎo)向到第一反射光柵26，在該光柵處波長被色散。為清晰起見，光束22的準(zhǔn)直未被顯示，由第一反射光柵26，光束22被導(dǎo)向第二反射光柵28，經(jīng)過光柵28波長被進(jìn)一步色散，然后導(dǎo)向聚焦鏡30(也可以是凹的)。第二光柵28被設(shè)置使得該光柵上感興趣的波長的衍射角基本上等于其在第一光柵26上的入射角。聚焦鏡30將光束22聚焦到平面32上，它可以是出口狹縫(未顯示)或探測器18，在此光束被分析。光探測器列陣適合于被用作探測器18。圖像光譜儀16具有一個(gè)對稱結(jié)構(gòu)，正如下面詳細(xì)描述。
兩個(gè)光柵26和28的分辨率為∂λ=λm(N1+N2)]]>其中λ為所感興趣的波長，m為衍射級數(shù)，N1和N2分別為第一光柵26和第二光柵28的溝槽數(shù)。
在對稱情況下，N1=N2，這樣上面的方程簡化為∂λ=λ2mN]]>圖像光譜儀16的分辨率一般不僅依賴于光柵26和28，也依賴于入口狹縫20的位置和大小、探測器象素孔徑以及圖像光學(xué)器件24和30的像差。兩個(gè)光柵26和28相比于單個(gè)光柵提高了分辨率；利用在光譜儀16中建立對稱性可以獲得最高的分辨率。
兩個(gè)光柵26和28的色散為∂β2∂λ=cosα2+cosβ1cosβ1·cosβ2mg]]>其中αi為光柵入射角，β為光柵衍射角，g為光柵的溝槽頻率(單位毫米的溝槽數(shù))，m為衍射級數(shù)。
在對稱情況下，α2=β1,β2=α1，上面方程簡化為∂β2∂λ=2mgcosβ2]]>圖3描述了入射角和衍射角，在后面將討論。本發(fā)明的小型圖像光譜儀16起因于兩個(gè)光柵26和28的加倍的色散。
圖3是光譜儀16的結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了成一定角度的兩個(gè)光柵26和28彼此的空間位置關(guān)系，入射光束22成象在第一光柵26上，而出射光束22’從第2光柵28射出。對于任意數(shù)目的光柵，光譜儀16的對稱性可以由下面導(dǎo)出αn-1=βnβn-1=αn對于偶數(shù)個(gè)光柵βeven＞αevenβodd＜αadd對于奇數(shù)個(gè)光柵βeven＜αevenβodd＞αaddILS激光器14是進(jìn)入光譜儀16的光束22的源，它提供一個(gè)空間相干光束(高強(qiáng)度窄束寬)。空間相干光束的利用與常用的光譜儀所分析的空間非相干光束相反。
盡管圖1顯示了兩個(gè)光柵26和28，也可以采用多于兩個(gè)光柵。多個(gè)光柵的采用增加了從光譜儀16向輸出平面32(例如出口狹縫或光探測器18)輸出的光束22的波長色散。圖4描述了具有4個(gè)衍射光柵26,28,34,36的光譜儀16。
由于光譜儀16的對稱結(jié)構(gòu)，如下所述，光柵的數(shù)目可以被擴(kuò)展到4,6,8……并且分辨率和色散增加24/2,26/2,28/2倍。
此外，光譜儀光柵26和28均被固定，這樣不進(jìn)行掃描。由于光柵26和28不進(jìn)行掃描，不需要馬達(dá)，因此光譜儀16被進(jìn)一步簡化，尺寸進(jìn)一步減小。
入射到光柵26的光束22采用掠入射，這樣充滿整個(gè)光柵。對整個(gè)光柵的利用增加了波長的分辨率。分辨率隨光柵中溝槽數(shù)N增加，但是如果光束未入射到光柵的某一部分，那些溝槽在光束的衍射中未被利用。這樣充滿光柵對充分利用光柵所能提供的色散很重要。
分辨率由入口狹縫20的寬度、光柵26和28的色散、以及出口狹縫的寬度或線性探測器列陣18的象素的寬度的卷積來確定。
在本發(fā)明的光譜儀16中，光柵26和28行為如一個(gè)總倍率為1的望遠(yuǎn)鏡或光束放大器。第二鏡30將第二光柵28上衍射的色散光束22聚焦。在這種結(jié)構(gòu)中，由于光譜儀的結(jié)構(gòu)，從光譜儀16出射的光束進(jìn)入到線性平面32。線性光二極管列陣18被用來同時(shí)探測光束22的光譜強(qiáng)度分布。線性光二級管列陣18可以是任意的用于單色儀的單通道探測器。
由于光譜儀16的對稱性結(jié)構(gòu)，兩個(gè)光柵象放大率為1X的望遠(yuǎn)鏡一樣工作。準(zhǔn)直鏡24的數(shù)值孔徑(或f-數(shù))與聚焦鏡30的相同，無論多少光柵被采用。
正如這里所用術(shù)語“基本對稱”意思為盡目前工藝所能達(dá)到的最好的對稱性，應(yīng)該意識到在目前理想對稱性可能不能被完全達(dá)到。然而利用這里提示的基本對稱元件，可以提供最高程度的分辨率和小型化。
本發(fā)明的緊湊型、高分辨率圖像光譜儀16能夠測量利用帶有內(nèi)腔元件的高靈敏度氣體傳感器測量氣體的吸收線。
最重要的優(yōu)點(diǎn)是圖像光譜儀16的對稱結(jié)構(gòu)，使光柵26和28的靈敏度和色散加倍。
圖中明顯看到，鏡24,30在光柵26,28和鏡之間折疊光束22。光束22的折疊導(dǎo)致本發(fā)明高分辨率圖像光譜儀的緊湊型尺寸。
對于利用帶有內(nèi)腔元件的高靈敏度氣體傳感器測量氣體吸收線，高分辨率光譜儀的對稱光柵結(jié)構(gòu)在ILS系統(tǒng)中非常有用。此外，對于相干激光器，對稱光柵結(jié)構(gòu)能夠提供高的色散和窄范圍內(nèi)的某些調(diào)諧度。
這樣，公開了一種高分辨率、緊湊型內(nèi)腔激光光譜儀。很明顯在設(shè)計(jì)和元件的安排中可以進(jìn)行眾多的調(diào)整，所有的這些變化和調(diào)整被認(rèn)為屬于在附加的權(quán)利要求中所明確的發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種將輸入光束色散為波長λ來為探測器所探測的光譜儀，包括(a)入口狹縫，入射光束由此通過；(b)第一鏡，準(zhǔn)直來自入口狹縫的光束；(c)第一反射光柵，將準(zhǔn)直光束色散來形成具有光譜強(qiáng)度分布的光束，具有的溝槽數(shù)目為N1；(d)第二反射光柵，進(jìn)一步色散準(zhǔn)直光束，具有的溝槽數(shù)目為N2；(e)第二鏡，聚焦準(zhǔn)直的和色散的光束，其中所說的光譜儀具有一個(gè)基本對稱的結(jié)構(gòu)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，具有一個(gè)數(shù)值孔徑，并且包括與所說的數(shù)值孔徑匹配的聚焦透鏡。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，在所說的第二反射光柵和所說的第二鏡之間包括至少一個(gè)額外的反射光柵。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，包括一個(gè)出口平面，所說的光束被聚焦到其上。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的光譜儀，其中所說的出射平面包括一個(gè)出口狹縫。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的光譜儀，其中所說的出射平面包括一個(gè)光二極管探測器列陣。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所說的光二極管探測器列陣是線性的，以便允許同時(shí)探測所說光束的光譜強(qiáng)度分布。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的光譜儀，其中所說的線性光二極管列陣包括用于單色光譜儀的單通道探測器。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，其中所說的兩個(gè)光柵對波長λ提供的分辨率為∂λ=λm(N1+N2)]]>其中每一個(gè)所說的光柵具有衍射級數(shù)和溝槽數(shù)，m為所說的衍射級數(shù)，N1和N2分別為所說的第一和第二光柵的溝槽數(shù)。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的光譜儀，其中所說的對稱結(jié)構(gòu)提供∂λ=λ2mN]]>其中N1=N2。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，其中所說的兩個(gè)光柵具有的色散為∂β2∂λ=cosα2+cosβ1cosβ1·cosβ2mg]]>其中每一個(gè)所說的光柵具有(1)入射光的入射角和衍射光的衍射角，(2)溝槽頻率，(3)衍射級數(shù)，其中α為所說的入射角，β為所說的衍射角，溝槽頻率是單位線性長度上的溝槽數(shù)，g為所說的溝槽頻率，m為所說的衍射級數(shù)。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的光譜儀，其中所述對稱結(jié)構(gòu)得到∂β2∂λ=2mgcosβ2]]>其中β2為所說的第二反射光柵的衍射角。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，其中所說的對稱結(jié)構(gòu)由下式導(dǎo)出αn-1=βnβn-1=αn
14．根據(jù)權(quán)利要求13的光譜儀，其中對于總數(shù)為偶數(shù)的光柵βeven＞αevenβodd＜αadd而對于總數(shù)為奇數(shù)的光柵βeven＜αevenβodd＞αadd
15．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，用于內(nèi)腔光譜儀來測量氣體的吸收線。
16．根據(jù)權(quán)利要求1的光譜儀，其中所說的入射光束為空間相干的。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明,一種將輸入光束色散為波長λ來為探測器所探測的、高分辨率緊湊型光譜儀被提供。這種光譜儀包括:(a)入口狹縫,入射光束由此通過;(b)第一鏡,準(zhǔn)直來自入口狹縫的光束;(c)第一反射光柵,將準(zhǔn)直光束色散來形成具有光譜強(qiáng)度分布的光束,具有溝槽數(shù)目為N
文檔編號G01J3/12GK1217466SQ9812248
公開日1999年5月26日 申請日期1998年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月17日
發(fā)明者G·H·阿特金森, 鄢雨 申請人:創(chuàng)新激光有限公司