本发明专利技术涉及一种吸收光谱设备，包括：光腔脉管(1)，其内壁至少部分地被涂覆有光反射层(2)，其中，所述光反射层是分布式布拉格反射器或者包括不锈钢或铝；光探测器；和光源，其中，所述光源能够发射经过所述光腔脉管的光辐射，其中，所述光腔脉管能够反射所发射的辐射，并且其中，所述光探测器能够探测所发射的光的至少一部分。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种吸收光谱设备，包括：光腔脉管，其内壁至少部分地是光反射的；光探测器；以及光源，其中，所述光源能够发射经过所述光腔脉管的光辐射，其中，所述光腔脉管能够反射所发射的辐射，并且其中，所述光探测器能够探测所发射的光的至少一部分。本专利技术还涉及一种用于对气体(优选地为O2)的浓度进行光谱测量的方法，包括以下步骤：(a)发射光辐射，所述光辐射经过包括所述气体的光腔脉管，其中，所述光辐射至少部分地由所述腔脉管的内壁反射；(b)利用光探测器来探测所发射的光的至少一部分；以及(c)在(i)具有限定量的所述气体和(ii)没有所述气体的情况下，通过对探测到的光与根据步骤(a)和(b)执行的参考测量结果进行比较，来确定气路上所述气体的辐射吸收。
技术介绍
对于人类的生命周期而言，氧气被称为最重要的气体物质之一。在许多领域中，其存在和浓度具有高相关性，包括健康护理、食品工业、安保等。高精度氧传感器因此是非常受欢迎的。不同的分子典型地取决于辐射的频率来吸收电磁辐射。因此，特定分子相对于所使用的辐射频率具有唯一的吸收光谱，这允许特异性吸收确定以及由此的对分子的浓度的测量。在氧气分子的情况下，分子的基态是X3Sg-，其可以被激发到a1Dg、b1Sg+、c1Su-C3Du、B3Su-的低激发态。基态到所有低激发态之间的偶极子跃迁是被禁止的，使得氧气分子的基态在300-1200nm的波长范围中示出弱光吸收。例如Kroll等人(Appl.Phys.Lett.，51(18)，1987年，1465-1467页)或Philippe和Hanson(Appl.Opt.32(30)，1993年，6090-6103页)的文献中已经描述了用于测量基态氧分子的浓度的方法。在这些方法中，典型地将位于760nm周围的b1Sg+-X3Sg-的弱带跃迁用于光学吸收光谱以测量氧分子浓度。作为用于吸收的光源，可以采用具有760nm的中心波长的IR激光，并且在对应的波长处的光电二极管可以被用于探测吸收之后的激光强度。因此，激光可以被引入含有氧分子的气体环境中。当激光被发送通过环境时，激光的光子通过b1Sg+-X3Sg-的弱带跃迁而由基态氧分子(X3Sg-)吸收。这导致激光强度的减小。可以通过将经减小的激光强度与初始激光强度或在缺少气体分子的情况下的等价控制激光强度进行比较，来基本确定在基态(X3Sg-)中的氧分子的浓度。可以在这样的激光吸收传感器中确定的激光的强度减小典型地与激光路径(L)的长度成比例。在这些激光吸收传感器的实际实现方案中，使传感器设备的几何大小小型化可以是有利的。然而，通过减少设备的大小，则至少在只使用单路径激光吸收的情况下，激光路径(L)的长度也减少。对该问题的可能的解决方案是采用多路径激光吸收，其中，激光被镜面反射多次直到激光由光电二极管探测到。则将激光路径的有效长度(Leff)与反射次数(n)相乘，例如Leff＝n×Lgeo 公式(1)其中，Lgeo是激光与(一个或多个)镜面之间的距离的几何长度。当前已知的激光吸收传感器基于作为具有760nm辐射的光源的激光和用于探测的光电二极管。它们典型地使用单路径吸收，使得当传感器的尺寸变得更小时，探测限制变得更大。在这些情况下，不能满足探测限制的要求。另外，通过使激光吸收传感器小型化到例如几cm的范围，空间可能变得受限，使得在设置中使用分离的光源和光电二极管变得困难。因此，存在对于发展具有小型化格式的用于气体测量应用的经改进的吸收光谱设备的需要。
技术实现思路
本专利技术解决了这些需要并且提供了用于甚至在小几何大小处对气体浓度尤其是氧气浓度进行光谱测量的装置和方法。以上目标是通过吸收光谱设备来具体完成地，其包括：光腔脉管，其内壁至少部分地是光反射性的；光探测器；以及光源，其中，所述光源能够发射经过所述光腔脉管的光辐射，其中，所述光腔脉管能够反射所发射的辐射，并且其中，所述光探测器能够探测所发射的光的至少一部分。具体而言，专利技术人出人意料地发现，通过使用不具有具体限定的镜面配置和预定光路径的光腔脉管，由于所述光腔脉管的光反射内壁，光能够在整个所述光腔脉管上散射。即来源于所述光源的光子由所述腔的所述内壁反射回，经反射的光子再次命中所述反射内壁等，并且因此在光脉管中反射多次。因此，所述光可以填充所述腔的所有几何空间，即以在几何上均匀的强度来填充所述光腔脉管并由此为光吸收提供无限长度路径。所发射的光的一部分将最终命中所述光探测器，并且可以因此而被测量。基于该方法，不再需要确切地确定所述光路径的长度。与根据现有技术已知的单路径吸收相反，本专利技术的设备允许实现较高的吸收率，这得到对氧分子的浓度的较低的探测限制。这允许对相当低或非常低的气体浓度的探测，或对现有气体浓度的小变化的探测。在本专利技术的优选的实施例中，所述设备的所述光源是发光二极管或激光器。在另一优选实施例中，所述光腔脉管的所述内壁至少部分地被涂覆有光反射层。在特别优选的实施例中，所述光反射层是分布式布拉格反射器，或包括不锈钢或铝。在特定实施例中，所述分布式布拉格发射器可以包括以下的层：SiO2和TiO2；SiO2和ZrO2；SiC和MgO；SiC和二氧化硅；GaAs和AlAs；ITO；或者a-Si和a-Si。在另一优选实施例中，所述分布式布拉格反射器针对与氧分子从电子基态到电子激发态(a1Δg、)的电子跃迁相对应的辐射可以是反射性的，其中，所述辐射的波长为大约343.4nm、360.5nm、380.2nm、446.7nm、477.3nm、532.2nm、630.0nm、687.2nm、689.3nm、760.8nm、763.8nm或1065.2nm作为中心波长，在±10nm的波长偏差内。在又一优选的实施例中，所述光源可以是具有UV-A辐射、UV-B辐射、可见光辐射或红外辐射的发光二极管或激光二极管。在特别优选的实施例中，所述光源是垂直腔面发射激光器(VCSEL)二极管。在特定实施例中，所述VCSEL二极管可以发射波长为大约687.2nm、689.3nm、760.8nm或763.8nm附近，在±10nm的波长偏差内的激光辐射。在特定实施例中，所述VCSEL二极管可以是激光器封装的一部分，所述激光器封装额外地包括所述光电二极管作为集成元件。在特别优选的实施例中，所述设备适于测量气体，优选地为O2。在另一方面中，本专利技术涉及一种用于对气体(优选地为O2)的浓度进行光谱测量的方法，包括以下步骤：(a)发射光辐射，所述光辐射经过包括所述气体的光腔脉管，其中，所述光辐射至少部分地由所述腔脉管的内壁反射；(b)利用光探测器来探测所发射的光的至少一部分；以及(c)在(i)具有限定量的所述气体和(ii)没有所述气体的情况下，通过对探测到的光与根据步骤(a)和(b)执行的参考测量结果进行比较，来确定气路上所述气体的辐射吸收。在以上限定的方法的优选实施例中，所述光辐射是来自发光二极管或激光器的波长在大约687.2nm、689.3nm、760.8nm或763.8nm，在±10nm的波长偏差内的辐射，优选地是波长在687.2nm、689.3nm、760.8nm或763.8nm，在±10nm的波长偏差内的激光发射。在特别优选的实施例中，可以在如上文所限定的设备中执行所述方本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种吸收光谱设备，包括：‑光腔脉管(1)，其内壁至少部分地是光反射性的，并且其中，所述光腔脉管(1)的所述内壁至少部分地被涂覆有光反射层(2)；‑光探测器；以及‑光源，其中，所述光源能够发射光辐射，所述光辐射经过所述光腔脉管(1)，其中，所述光腔脉管(1)能够反射所发射的辐射，并且其中，所述光探测器能够探测所发射的光的至少一部分，并且其中，所述光反射层(2)是分布式布拉格反射器或包括不锈钢或铝。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.07 EP 14150285.61.一种吸收光谱设备，包括：-光腔脉管(1)，其内壁至少部分地是光反射性的，并且其中，所述光腔脉管(1)的所述内壁至少部分地被涂覆有光反射层(2)；-光探测器；以及-光源，其中，所述光源能够发射光辐射，所述光辐射经过所述光腔脉管(1)，其中，所述光腔脉管(1)能够反射所发射的辐射，并且其中，所述光探测器能够探测所发射的光的至少一部分，并且其中，所述光反射层(2)是分布式布拉格反射器或包括不锈钢或铝。2.根据权利要求1所述的吸收光谱设备，其中，所述光源是发光二极管或激光器。3.根据权利要求1所述的吸收光谱设备，其中，所述分布式布拉格反射器包括以下层：SiO2和TiO2；SiO2和ZrO2；SiC和MgO；SiC和二氧化硅；GaAs和AlAs；ITO；或a-Si和a-Si。4.根据权利要求1所述的吸收光谱设备，其中，所述分布式布拉格反射器针对与氧分子从电子基态到电子激发态的电子跃迁相对应的辐射可以是反射性的，其中，所述辐射的波长为大约343.4nm、360.5nm、380.2nm、446.7nm、477.3nm、532.2nm、630.0nm、687.2nm、689.3nm、760.8nm、763.8nm或1065.2nm作为中心波长，在±10nm的波长偏差内。5.根据权利要求1所述的吸收光谱设备，其中，所述光源是具有UV-A辐射、UV-B辐射、可见光辐射或红外辐射的发光二极管或激光二极管。6.根据权利要求1所述的吸收光谱设备，其中，所述光源是垂直腔面发射激光器(VC...
【专利技术属性】
技术研发人员：D·林，A·希尔格斯，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL
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