[发明专利]用于减少光的条纹干涉的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于减少由激光光谱系统中的、由部分反射光学面限定的无源腔中产生的光的条纹干涉的方法，其中，该无源腔的光路长度随着三角形来回移动而改变。

背景技术

激光吸收光谱在大气压下利用对其他气体成分的小的交叉灵敏度来提供对气体混合体中的多种示踪气体核素进行高速和高精度检测的能力。可调二极管激光分光计尤其适于高灵敏度研究，部分原因在于它们可频繁调节来减少低频激光噪声和电子噪声。典型的分光计包括：频率可调激光器，其用于产生通过包含所述气体混合体的样本单元而到达光学检测器上的激光束。对在光学检测器处接收到的信号进行调制以获得吸收感应信号。

不幸的是，灵敏度受到由被样本单元和激光分光计的光学系统的其他光学元件(诸如窗或透镜)的部分反射光学面散射或反射的光引起的光学噪声的限制。平行的光学面形成无源光学腔或标准具，所述标准具在所反射或散射的光到达光学检测器并相干地与源射激光束混合在一起时会产生所谓的标准具效应。当通过频率或波长将激光调制通过所需吸收信号的范围时，该混合就产生基线的随机正弦调制。正弦条纹的周期取决于杂散光和主光束之间的路径长度差。回射到检测器上的光包括一个主分量和许多小幅值的杂散分量，从而在扫描激光波长时产生若干正弦分量的周期性依赖于波长的稳态图案，即使在这些正弦分量非常弱时，也会易于使有关的吸收信号与样本混淆，从而影响分光计的精度。

即使利用高质量抗发射涂层以及认真的进行光学对准也极难完全消除引起干涉条纹的反射。此外，基线条纹的相位对于光学系统的对准的小的改变也非常敏感，这是因为所述图案随着分光计装置的环境温度而改变。

干涉图案是确定的而不是随机的，从而激光扫描的正态平均不能减少干涉。一种已知的减少条纹的有效方法是通过使导致产生标准具信号的光学分量的位置振动来改变杂散分量的路径长度。US 4,684,258提出了在两个标准具产生面之间插入振动布鲁斯特板，从而周期性改变标准具的光路长度。US 4,934,816提出了类似的机械方法，其中通过引入振动镜来减小多通道单元中的标准具效应。在这两种情况中，振动频率与激光调制频率是非同步的，从而由于标准具效应产生的条纹图案最终得到平衡。

此外，这两种方法都使用三角波形来分别驱动振动布鲁斯特板和振动镜。相比于方形波形或正弦波形，三角波形能更好地减少标准具条纹，这是因为其使得振动元件在转折点所经历的时间最少。不幸的是，该方法具有两个缺点。首先，三角波的产生需要高线性机电换能器，并对机电装置有很高要求。其次，实际上，光学元件的振动幅值需要高于30FSR(自由光谱区)或15激光波长以实现标准具效应的充分减小。这在使用较长激光波长从而机械部件(例如，具有有限波长扩展能力的标准压电换能器)具有较高的功耗并且对该机械部件有较高的要求时变得尤其不实用。此外，在具有大幅值的元件振荡位置会出现不想要的激光束的位移/散焦。

EP 1927831披露了利用高斯(正态)分布来改变无源光腔的光路长度，其中，标准差为光的波长的至少四分之一。从而，相比于需要大于若干激光波长的振动幅值的三角调制，已经利用略高于上述四分之一波长的标准差在服从高斯分布的幅值处实现了有效的标准具平衡。另一个优点在于，由于噪声调制的特性，无需对调制波形进行幅值和相位进行控制，从而允许硬件设计更加简单。另一方面，随机(噪声)调制包含对移动机构施加较高加速力的高频分量。

发明内容

本发明致力于改善激光光谱系统中光学噪声的减少，其中无源光腔的光路长度随着三角波形而改变。

根据本发明，这通过权利要求1限定的方法实现。

在其余的权利要求中具体说明了根据本发明方法的优选实施例。

因此，根据本发明的方法的特征在于，

-在连续测量周期中执行光谱测量，其中在每两个连续测量周期之间具有时间间隔，

-以下述方式进行三角形移动：在连续的时间间隔中的连续时间间隔中定位三角形移动的转折点，以及

-在每一或每第n个测量周期之后，各转折点的时间位置相对于测量周期来移动。

相对于激光光谱扫描来移动三角形机械扫描的转折点的时间位置(即，光腔的路径长度的变化)提高了基线图案的平均的效率。这减少了对经过干涉图案的许多周期进行扫描的要求。此外，由于在各测量周期间的时间间隔中定位各转折点，因此机械扫描的转折点对测量的影响最小，且测量不受通常由转折点处的减速移动或加速移动引起的干扰的影响。转折点的时间位置在各测量周期间的时间间隔中总是在变化(例如，向前或向后移动)，从而每个平均测量值都表示转折点的若干个时间位置。