[发明专利]检测稀介质中的物质

说明书

技术领域

本发明涉及用于检测稀介质中的物质，尤其是检测气体样品或大气中的分子物质的方法和设备。

背景技术

吸收光谱法和荧光光谱法通常用于检测在一定范围的样品，尤其是诸如气体的稀介质中，特定化学物质的存在。可以通过检测到的尤其是紫外或可见光谱中强度或振幅的减小来检测特定分子跃迁对窄带激光的吸收。宽带光的吸收可能是由于一种或多种分子跃迁，并且也可通过光的光谱分析来检测。类似地，也可检测源于激发分子态的荧光。

然而，此类技术通常依赖于振幅检测，因此易受闪烁和激光噪声的影响。

“Resonant,heterodyne-laser-interferometer for state density measurements in atoms and ions”（Review of Scientific instruments 77，093108（2006），J.J.Moschella等人）描述了一种用于测量等离子体的粒子数密度的谐振双波长外差干涉仪。使用两个单独的激光器，声光调制器对光束进行分束。然而，该系统并不特别适合于稀物质，因为信号会被噪声和其它因素掩盖。

因此，需要能够克服这些问题的检测稀物质的方法和设备。

发明内容

介质的折射率随波长而改变。然而，当照射波长接近并穿过介质的吸收性的、电子的、振动的或其它光谱特征时，这种折射率的改变会特别急剧或显著，而随着照射波长离开所述光谱特征，其通常返回到基线或较缓慢地改变折射率。因此，可通过对折射率改变的测量值来推断稀介质中物质的测量值。例如，可由折射率改变测量值来计算稀介质中物质的浓度，尤其是在物质的光谱特征与稀介质的光谱特征不重合的情况下。

根据本发明的第一方面，提供一种检测稀介质中的物质的方法，所述方法包括：提供彼此相干并具有匹配的啁啾模式的第一激光束和第二激光束；使至少所述第一激光束穿过所述稀介质，同时所述第一激光束的所述啁啾模式与所述物质的光谱特征的至少一部分交叉；将所述第一激光束和所述第二激光束混合以形成混合光束；在所述啁啾模式期间检测所述混合光束以形成输出信号；处理所述输出信号，以测量由整个所述光谱特征上所述稀介质的折射率变化引起的所述混合光束的改变；以及从测量到的属性的改变确定测量到所述物质。使激光啁啾提高检测能力。因此，两个光束均可相干。随着激光的频率改变速率增大，信噪比也增大。例如，光谱特征可为光谱吸收特征。

可选地，所述第一激光束和所述第二激光束均可穿过所述稀介质，并且在将所述第一激光束和所述第二激光束混合之前可对所述第二激光束施加光学频移。因此，由于一个光束遇到光谱特征，所以两个光束可经历不同的有效光程。可在将单个光束分光束以形成第一激光束和第二激光束的同时对第二激光束施加光学频移，或者可作为单独的过程。

可选地，所述第二激光束的啁啾模式可不与所述物质的光谱特征交叉。

可选地，测量到的所述混合光束的改变包括所述第一激光束和所述第二激光束之间的光学频率差的改变。也可测量波长和/或相位的改变。

优选地，所述光学频率差可介于1MHz和1GHz之间。这可依赖光谱特征的线宽。

可选地，所述检测步骤还可包括检测由所述光学频率差引起的所述混合光束中的拍频信号。

有利地，由折射率变化引起的所述混合光束的改变可包括相位的改变，所述处理步骤还可包括测量所述混合光束的相位的改变。

优选地，所述检测步骤还可包括检测所述拍频信号的频率改变。这提供可随折射率改变的方便测量。

可选地，处理所述输出信号还可包括测量由整个所述光谱特征上所述稀介质中的折射率变化引起的所述第一激光束和所述第二激光束之间的光程差的改变。

优选地，可通过比较所述混合光束的相位性质来测量所述光程差的改变。

可选地，利用量子级联激光器产生所述第一激光束和所述第二激光束。可使用可相干啁啾的其它光束源或激光器。

优选地，在所述啁啾模式期间，所述第一激光束和所述第二激光束以至少100Hz/ns的速率改变频率，更优选地以至少100KHz/ns的速率改变频率。

优选地，每一啁啾模式可在少于10毫秒内与所述光谱特征的至少一部分交叉，更优选地在少于10μs内与所述光谱特征的至少一部分交叉。这发生的越快，信噪比越高。

可选地，所述光谱特征选自包括以下项的组：电子吸收、分子跃迁、旋转跃迁、振转跃迁、能带隙和振动带。可使用其它光谱特征。