[发明专利]光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光谱分析装置，特别是一种光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置，主要用于流体、薄膜、界面、纳米物质等形态物质的痕量浓度测试。

技术背景

在环境分析、生命科学、医学医疗、国防安全、先进制造工业等许多领域存在大量的物质痕量测量需求，并且对检测灵敏度的要求越来越高。腔衰荡光谱分析由于具有检测灵敏度高、绝对测量、选择性好等优点，成为痕量物质测量技术发展趋势之一。腔衰荡光谱分析技术多用来分析痕量气体浓度和组分，近些年来，研究者将腔衰荡光谱分析技术应用于流体物质分析，在先技术中，有一种腔衰荡光谱分析系统(参见美国专利“Cavityring down arrangement for non-cavity filing samples”，专利号：US6,452,680B1)。该腔衰荡光谱分析系统具有相当的优点，尽管可以将腔衰荡光谱分析技术功能扩充，对流体物质进行分析测试，但是，仍然存在一些不足：

1)该腔衰荡光谱分析系统只能用来测试分析流体物质，不能对薄膜、界面、纳米物质等形态物质的痕量浓度测试；

2)该腔衰荡光谱分析系统对系统结构的机械加工和定位要求高，激光束入射和出射样品池时，为了使光能量在界面不出现损失，均要以布鲁斯特角入射和出射，这样就增加了样品池机械定位要求和提供了光束方向控制精度；

3)该测试系统中，激光束初次入射高精度腔镜时发生透射和反射，透射光在高精细度腔内发生往返传播，光电探测器探测此透射到腔内光在某一腔镜的出射激光能量衰荡变化，所以光能量很低，要求探测器具有高探测灵敏度，对系统光电检测部分提出高要求；

4)对流体进行测量时，需要至少填充样品池，需要被检测流体具有一定体积数量，对具有少量的被测流体无法进行检测；

5)该腔衰荡光谱分析系统中的高精细度腔有两个或多个高反射率反射镜光学元件构成，结构复杂，并且对光学元件相对位置具有高精度定位要求。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服了上述在先技术的不足，提供一种光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置，具有测量物质范围广泛，被测物质所需量少，所需探测光学信号强，可光纤远距离传输，精细腔构成简单等特点。

本发明的基本构思是：将近场光学传感、光纤长距离传播和光学外差分光电探测技术应用于腔衰荡光谱分析技术。光纤将传感探测部分和信息处理部分连接，可实现远距离测试，光纤分布式测试系统。光学外差分中探测器探测光强信号为直流光场振幅和有用弱变化光场振幅取和后模的平方，交叉项含有用光信号，同时此信号振幅中含直流光场振幅参数，可实现所需探测光信号增强的效果。采用一个光学元件度高反射膜形成高精细强，采用近场光消逝波区域测试物质，所需物质量小，并且测量范围广。

本发明的技术解决方案为：

光纤式光学外差法倏逝波腔衰荡光谱分析装置，包括探测部件、光纤、光电探测器、分光镜和激光光源。所述的探测部件为对称结构的柱体或半球体，内部形成光反射腔，外表面镀有高反射膜。探测部件光纤耦合准直器与探测部件位置配合。激光光源和分光镜光纤耦合准直器分别设置在分光镜的两侧，激光光源的发射光方向与分光镜的工作面的夹角为45°，分光镜光纤耦合准直器设置在发射光方向上。光电探测器与分光镜光纤耦合准直器设置在分光镜的工作面的同一侧面，并且设置在分光镜的反射光方向上。探测部件光纤耦合准直器与分光镜光纤耦合准直器通过光纤连接。

所述的探测部件为截面呈半圆形的柱体，柱体的弧面镀有高反射膜。探测部件光纤耦合准直器设置在半圆形的径向方向上。

所述的探测部件为截面呈等腰三角形的柱体，柱体的等腰面镀有高反射膜。探测部件光纤耦合准直器与等腰三角形一边的腰平行设置。

所述的半球体的探测部件的弧面镀有高反射膜。探测部件光纤耦合准直器设置在半球体的径向方向上。

所述的分光镜为分光棱镜；光纤为单模光纤、多模光纤、光纤束中的一种。

所述的分光镜为偏振分光棱镜，偏振分光棱镜与分光镜光纤耦合准直器之间设置有四分之一波片，四分之一波片的光轴方向与偏振分光棱镜的出射光偏振方向的夹角为45°；所述的光纤为保偏光纤。

所述的光电探测器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。