包括光学换能器的光声或光热检测器制造技术

本发明专利技术是一种用于检测介质中的分析物的设备和方法。激励光源产生激励光波，该激励光波传播到介质，并加热该介质。所述设备包括用于检测所述介质的加热的换能器。根据一个实施例，所述换能器是配置为检测所述介质的温度变化的热换能器。根据另一实施例，所述换能器是配置为检测从所述介质传播的光声波的声学换能器。无论哪一个实施例，换能器都实施其上布置有波导的膜。所述波导包括谐振光腔。通过分析光腔的谐振波长的变化来实现换能。析光腔的谐振波长的变化来实现换能。析光腔的谐振波长的变化来实现换能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括光学换能器的光声或光热检测器


[0001]本专利技术的
是根据光声检测或光热检测的原理，检测介质中的分析物。

技术介绍

[0002]光声检测基于检测在由被分析介质对脉冲或调幅的电磁激励波(称作激励波)的吸收作用下生成的声波。在加热存在于被分析介质中的吸收性分子之后，在激励波的吸收作用下，形成声波。加热造成介质的调制的热膨胀，所述膨胀导致声波。
[0003]通过将激励波的波长设置为分析物的吸收波长，光声检测可以特定于一种特定分析物。由此，已经将光声检测应用于检测气体中的气体物质，或检测在生物组织中特定分子的存在。入射波的波长经常位于红外线中。
[0004]光声检测则是一种可以应用于扩散或不透明介质的非侵入式分析技术。
[0005]例如在以下出版物中说明将光声检测应用于生物组织：
[0006]‑
Bauer AJ.“IR
‑
spectroscopy for skin in vivo:Optimal skin sites and properties for non
‑
invasive glucose measurement by photoacoustic and photothermal spectroscopy”；Journal of biopohtonics 11(2018)；
[0007]‑“
Windowless ultrasound photoacoustic cell for in
‑
vivo mid
‑
IR spectroscopy of human epidermis:Low interference by changes of air pressure,temperature,and humidity caused by skin contact opens the possibility for a non
‑
invasive monitoring of glucose in the interstitial fluid”，Rev.Sci.Instrum.84,084901(2013)。
[0008]在这些出版物中，使用以数十千赫的频率激活的脉冲激光源。目的在于，在使用者皮肤下方10μm至50μm的深度处估计间质体液中的葡萄糖浓度。为此，使用紧靠使用者皮肤布置的光声检测设备。
[0009]还已知基于检测被分析介质在由介质吸收脉冲或调幅的激励电磁波的作用下的温度变化的光热检测技术。温度变化由存在于被分析介质中的吸收性分子，在激励波的吸收作用下的加热引起。
[0010]通过估计在温度变化的作用下介质的折射率的变化，可以例如检测周期性温度调制。这例如在EP3359949B1中描述。
[0011]无论是光热检测还是光声检测，试样可以是气体试样，目的在于检测某些气体物质或可以例如视为污染物的某些颗粒。也可以涉及液体或固体试样，可能在工业领域(例如食品工业领域)，或如前所述的健康领域中。
[0012]本专利技术人已经设计了一种换能器，该换能器可以用于采用光声检测的应用，或用于采用光热检测的应用。它允许获得专用于每个应用、具有高检测敏感度，和简单设计的设备。

技术实现思路

[0013]本专利技术的第一主题在于一种旨在通过接触面施加在待分析介质上的检测设备，该被分析介质可能包含分析物，所述分析物吸收至少一个吸收波长的光，所述设备包括：
[0014]‑
开口，其形成在接触面中；
[0015]‑
激励光源，其配置为发射在包括吸收波长的激励光谱带中的激励光波，所述激励光波以激励频率脉冲或调幅，所述设备设置为使得激励光波穿过开口朝着被分析介质传播；
[0016]‑
换能器，其旨在在分析物吸收激励光波的一部分之后所述介质的响应；
[0017]所述设备的特征在于，所述换能器包括：
[0018]‑
膜，其承载波导；
[0019]‑
波导，其包括第一反射器和第二反射器，每个反射器反射一反射光谱带中的光；
[0020]‑
第一反射器和第二反射器，所述第一反射器和第二反射器彼此间隔，以形成谐振光腔，谐振光腔限定反射光谱带中的谐振波长；
[0021]以使得波导：
[0022]·
以谐振波长传输光；
[0023]·
反射反射光谱带中谐振波长以外的光；
[0024]所述换能器还包括：
[0025]‑
辅助激光源，其配置为将反射光谱带中的辅助光波发射到波导中；
[0026]‑
光电检测器，其设置为检测由波导以谐振波长传输的光波；
[0027]‑
伺服电路，其连接到光电检测器，并配置为确定谐振光腔的谐振波长的周期性时间相关调制。
[0028]所述设备可以包括处理单元，其连接到伺服电路，并配置为：
[0029]‑
估计谐振波长的时间相关调制的幅度；
[0030]‑
根据所估计的幅度，检测分析物在介质中的存在。
[0031]处理单元可以配置为根据所估计的幅度，估计分析物在介质中的浓度。
[0032]根据称作光声实施例的一个实施例，所述设备包括通向开口的空腔，换能器连接到空腔。换能器是配置为检测从开口穿过空腔传播的光声波的幅度的声学换能器，以使得在介质被激励光波照射的作用下，膜以激励频率振动，导致以等于激励频率的调制频率对谐振波长的时间相关调制。
[0033]膜可以平行于接触面放置。膜可以限定空腔的一部分。
[0034]根据称作光热实施例的一个实施例，所述设备使得：
[0035]‑
换能器的膜形成设备的接触面，所述接触面旨在被施加为与介质接触；
[0036]‑
开口穿过膜延伸；
[0037]‑
换能器是热换能器，以使得在介质被激励光波照射的作用下，膜的温度呈现周期性随时间变化，导致谐振波长的周期性时间相关调制。
[0038]无论哪个实施例，至少一个反射器或每个反射器是通过沿着波导的折射率的周期性调制形成的布拉格镜。
[0039]无论哪个实施例，伺服电路包括伺服环路，所述伺服环路连接到辅助光源并配置伺服控制由辅助光源发射的光波的波长到谐振光腔的谐振波长。伺服电路可以尤其实施
Pound
‑
Drever
‑
Hall型伺服技术。
[0040]无论哪个实施例，所述设备可以使得：
[0041]‑
第一反射器是第一布拉格镜；
[0042]‑
第二反射器是第二布拉格镜；
[0043]‑
所述第一布拉格镜和第二布拉格镜形成包括缺陷的相同布拉格镜，所述第一布拉格镜和第二布拉格镜分别与位于缺陷的任一侧上的布拉格镜的部分相对应。
[0044]在光声实施例中，所述设备可以使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种旨在通过接触面(3)施加在待分析介质(2)上的检测设备(1、1
’
)，所述被分析介质易于包含分析物(4)，所述分析物吸收至少一个吸收波长的光，所述设备包括：
‑
开口(13)，其形成在所述接触面(3)中；
‑
激励光源(10)，其配置为发射在包括所述吸收波长的激励光谱带(Δλ
11
)中的激励光波(11)，所述激励光波以激励频率(f
11
)脉冲或调幅，所述设备设置为使得所述激励光波(11)穿过开口(13)朝着被分析介质传播；
‑
换能器(15)，其旨在在由所述分析物吸收激励光波(11)的一部分导致的介质的周期性加热之后测量所述介质的响应；所述设备使得换能器(15)包括：
‑
膜(18)，其承载波导(20)；
‑
所述波导，其包括第一反射器(241)和第二反射器(242)，每个反射器反射一反射光谱带(Δλ
20
)中的光；
‑
所述第一反射器和第二反射器，所述第一反射器和第二反射器彼此间隔，以形成谐振光腔(26)，所述谐振光腔限定所述反射光谱带中的谐振波长(λ
r
)；以使得所述波导：
·
以所述谐振波长(λ
r
)传输光；
·
反射所述反射光谱带(Δλ
20
)中所述谐振波长以外的光；所述换能器还包括：
‑
辅助激光源(30)，其配置为将所述反射光谱带(Δλ
20
)中的辅助光波(32)发射到所述波导中；
‑
光电检测器(36)，其设置为检测由所述波导以所述谐振波长(λ
r
)传输的光波(34)；
‑
伺服电路(41)，其连接到所述光电检测器(36)，并配置为确定所述谐振光腔(26)的谐振波长的周期性时间相关调制(λ
r
(t))；所述设备的特征在于：
‑
所述波导(20)直接形成在膜上；
‑
所述膜(18)配置为在介质的周期性加热的作用下变形。2.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括处理单元(42)，所述处理单元连接到所述伺服电路，并设置为：
‑
估计所述谐振波长(λ
r
)的时间相关调制的幅度
‑
根据所估计的幅度，检测所述分析物在介质(2)中的存在。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述处理单元配置为根据所估计的幅度估计所述分析物在介质(2)中的浓度。4.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，所述设备包括通向开口(13)的空腔(16)，所述换能器连接到所述空腔，并且其中，所述换能器(15)是配置为检测从所述开口穿过空腔传播的光声波(6)的幅度的声学换能器，以使得在所述介质被激励光波(11)照射的作用下，所述膜(18)以激励频率(f
11
)振动，导致以等于所述激励频率的调制频率下对所述谐振波长(λ
r
)的时间相关调制。5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述膜(18)与所述接触面(3)平行地延伸。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的设备，其中，所述膜限定所述空腔(16)的一部分。7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(1
’
)，其中：
‑
所述换能器(15)的膜(18)形成所述设备的接触面(3)，所述接触面旨在被施加为与所述介质(2)接触；
‑
所述开口(13)穿过所述膜(20)延伸；
‑
所述换能器(15)是热换能器，以使得在所述介质被激励光波(11)照射的作用下，所述膜的温度遵循周期性随时间变化，导致所述谐振波长(λ
r
)的周期性时间相关调制。8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，至少一个反射器或每个反射器是通过沿着所述波导的折射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：格勒诺布尔大学法国国家科学研究中心格勒诺布尔综合理工学院，
类型：发明
国别省市：