用于在气体或液体介质中对分析物质进行光声识别和定量的方法和装置制造方法及图纸

用于在气体或液体介质中对以低浓度存在的一种或多种分析物质进行光声识别和定量的方法和装置，其利用激光器和包含介质的共振光学腔，并且腔内具有至少两个部分透明的反射镜，一个是腔耦合反射镜，一个可移动地安装在响应于输入信号的组件上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在气体或液体介质中对分析物质进行光声识别和定量的方法和装置
技术介绍
本专利技术涉及气体物质的超灵敏分析的领域，具体而言，涉及分析的光谱法，诸如举例而言受益于高强度光源的光声光谱学(PAS)。PAS已经存在于科学研究中流行的超灵敏光谱学方法中，但至今其对气体感测工业只有非常有限的影响。多年的作为分析法的PAS研究已导致对光声效应的本质以及光声单元的合适配置的一般理解。经典PAS(传声器和共振声池)已达到高级别的操作性能。其证据为以下事实，不同群体(如)近年来展示的最佳结果非常接近并且报告了归一化噪声等效吸收(NNEA)的值为I. 5-2. δΧΙΟ'πΓΜ/Ηζ"2。这表示，利用这种光声池，如果检测电子仪器的等效噪声带宽等于1Hz，使用IW的激光源功率，在信噪比为I的情况下，可检测到在I. 5 X IO^W1和2. 5 X IO^W1之间的吸收系数k。然而，要求试样池的精密声隔离以及对 环境噪声低抗扰性的PAS中所用的灵敏的通用传声器可能是阻碍其在有噪声的工业环境中使用的原因。不到十年之前，提出石英音叉(QTF)作为新的光声传感器，参见。QTF由于叉齿之间的光吸收对局部压力变化敏感，但是它对平面波形式出现的环境声微扰具有高抗扰性。该方法已被命名为QEPAS-石英增强光声光谱学。QEPAS在灵敏度方面已达到与常规PAS相同的性能级别，但是具有非常小的传感器大小的重要优点。然而，令人惊讶的是，即使在2009年，在QEPAS专利技术的七年之后，仍无法找到一种基于QEPAS的商用气体检测产品。更令人惊讶的是，只有几个基于“经典”PAS池的商用气体传感器的示例，尽管使用激光器的PAS早在1968年就由Kerr和Atwood提出，参见AppliedOptics, 7(5), 915-922(1968).其解释很简单，即可商业上购得的激光源的功率太低，并且因此对浓度的检测极限相对于其它方法无竞争力。只有意在用于电信工业的、在1206至1675nm的光谱范围(O波段至U波段)内操作的分布反馈(DFB)激光器当前可符合工业气体传感器的要求，即稳健性、易用、可靠性和可负担的价格。电信光学波段的波长范围如下 波段名称以纳米(nm)为单位的波长 O波段原始1260 - 1360 E波段扩展1360 - 1460S 波段短1460 - 1530 C波段常规1530 - 1565 L 波段长1565 - 1625 U波段超长1625 - 1675超出该范围，这种激光器的扩展版本可从有限数量的供应商购得，其波长高达2350nm，但是其价格显著较高。所有这些激光器的输出功率在10至IOOmW的范围内，这导致对于常规PAS以及QEPAS两者，噪声等效吸收(NEA)均为2 X 10_8至2 X 10_7cm_VHz1/2。这对应于对于许多重要物质的不高于O. lppmv/Ηζ172的噪声等效浓度(NEC)，这使得使用电信DFB激光器的PAS在性能上完全无法与其它超灵敏光谱技术(例如腔衰荡光谱学(CRDS)，其NEA为约3X 10_ncm_7HZ1/2)竞争。PAS与其它气体检测法相比具有若干重要优点，如果能克服灵敏度的损失，这将使其成为一种精选的方法。随着在中红外操作的量子级联激光器(QCL)的出现，这些优点中的一些优点已变得特别具有吸引力。这些优点包括· PAS是固有地零基线技术，无吸收-无信号 对干扰带的高抗扰性，这应当允许长时间的求平均-相对于CRDS和ICOS的重大优点 与低温冷却的MCT光电二极管成对比，不昂贵的传声器作为检测器。无需低噪声高灵敏度、高线性度以及大带宽检测器。所有强度监控可用低成本检测器完成，这是中红外光谱范围的一个重大优点。 利用QEPAD的最小检测容积(小于或等于 Icm3)允许高速气体监控。作为对比，在CRDS中，容积可以是 20cm3，而在ICOS中，其约为I升。 与需要超高反射率反射镜的CRDS和ICOS相反，没有严苛的(并且昂贵的)光学元件。本专利技术的目的在于使一般PAS，尤其QEPAS的灵敏度增加几百倍，并且因此使PAS性能(NEA)达到其它超灵敏光学感测技术的级别。有三个对光声气体检测器的NEA起作用的部分-传感器响应率R、传感器噪声N和光激发功率P MNKA=-P(I)。 R传感器响应率R的单位为V/cnT1 · W或A/cnT1 · W，并且指定每单位光吸收系数和每单位光功率的声信号换能器(传声器或音叉)的电信号。通过将声共振器安排在声信号换能器周围响应率可增加10至50倍，这在PAS中已实现。可以说，这些声共振增强技术一般已被优化，并且无法合理地预期不大于百分之几十的进一步的响应率增加。方程(I)示出不单单是响应率R，而是其与单位频率带宽中的均方根噪声N的比率确定了 ΝΕΑ。在安静环境中理想声换能器的噪声的根本原因应当是由于周围气体分子的热扰动引起的感测元件附近的声压的随机变化。在理想传感器中，诸如传感器机械噪声之类的其它噪声源的作用是由于感测元件自身的分子的热扰动，或相反传感器前置放大器噪声应当是可忽略的。这实际上是针对PAS中所用的灵敏紧凑传声器和QEPAS中所用的QTF两者的情况。这表示两种传感器的检测阈值无法被进一步改善，并且降低NEA的唯一方法是增加激发功率。利用在C波段或L波段电信范围中操作的半导体激光器，通过使用掺杂铒的光纤放大器，功率可增加到瓦特级，但是该方案具有无法接受的高价格。通过将光声池置于激光器的共振腔内来增加激发束功率的另一方法显然不适用于DFB半导体激光器，并且即使用外部腔二极管激光器也不可行，因为在这种激光器的损耗腔中累积功率相当小。最后剩下的可能性似乎是通过光功率累积腔(OPBC)中DFB激光束的强度增强来增加激发功率。自1980年左右起，该方法已被用于多种实验室原子光谱学实验。尽管有这些展示，但是对使用OPBC将增强的光功率传递到光声池的知识的第一次(并且是唯一的)实验已由Rossi及其同事报告。他们报告 100 倍的 PAS 信号增加与具有99.0%反射镜反射率的腔中的100倍光功率累积的匹配。然而，该工作不能被认为示出了构造工业气体OPBC-PAS传感器的鼓舞人心的前景，其有以下若干原因。首先，中的数据示出的 I. 3 X KT9CnT1W/ V Hz的NNEA并未显著优于“传统”PAS展示的2X KT9CnT1W/ V Hz的值，其中在没有OPBC增强的情况下使用半导体激光器。第二个重要原因是，Rossi的论文中描述的将二极管激光器辐射锁定在腔中的方法即使在没有扰动的实验室环境中也只是边际有效的。二极管到腔的锁定的不稳定和不可靠操作也导致作为时间的函数的累积强度依赖的稳定性极差，如从Rossi文献中的图2所能见到的。 具有半导体激光器的OPBC-PAS中的最近发展在Selker及其同事的美国专利7，263，871中有报告。该专利教导如何能够使用各种配置的腔与腔中的共振声池相组合来实现半导体二极管激光器的实质功率累积。该专利中也描述了保持半导体激光器与光学腔共振的若干方法，其包括电子仪器方法以及利用光反馈的方法。以上讨论的现有技术描述了用于光吸收的光声测量的系统，该系统使用无源光学腔和位于腔内的光声传感器，以通过光功率累积效应来增强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·卡恰诺夫，S·科里科夫，
申请(专利权)人：利康股份有限公司，
类型：
国别省市：