專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型高精密度快速痕量分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種新型高精密度快速痕量分析裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高精密度快速痕量分析裝置。
背景技術(shù)：
高精度快速痕量分析裝置在精密醫(yī)學(xué)診斷、大氣成分監(jiān)測(cè)、物質(zhì)組成分析等方面發(fā)揮著重要作用。例如，高精度光梳痕量分析裝置可以為研究人體機(jī)能狀況提供依據(jù)，人體內(nèi)特殊的生理反應(yīng)能夠從散布于肺中的痕量氣體體現(xiàn)出來(lái)，在人體呼出的氣體中一些反常成份的存在可用來(lái)判斷和監(jiān)控許多疾病，如通過(guò)檢測(cè)人體呼出氣的二氧化碳濃度可以協(xié)助診斷呼吸功能衰竭；通過(guò)探測(cè)人體內(nèi)的氨含量來(lái)判斷腎衰竭的病情；還可以用于研究甲胺對(duì)肝病、腎病的影響；痕量分析裝置的核心是物質(zhì)的特征譜測(cè)量，目前最常用的特征譜測(cè)量裝置主要是基于分光裝置的樣品吸收光譜探測(cè)技術(shù)，這種裝置利用單色光通過(guò)樣品，然后依靠光學(xué)色散元件標(biāo)定探測(cè)光的具體波長(zhǎng)，并掃描單色光波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品在寬譜范圍內(nèi)的吸收光譜的測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量裝置的缺點(diǎn)是:1、精度不高。由于測(cè)量采用的是光學(xué)色散方式標(biāo)定激光波長(zhǎng)，所以波長(zhǎng)的準(zhǔn)確度受到機(jī)械加工工藝的限制和光學(xué)儀器空間分辨能力的限制，光譜測(cè)量精度通常在Inm 0.0lnm 之間。2、探測(cè)靈敏度不夠。由于傳統(tǒng)光譜測(cè)量技術(shù)采用了大量光學(xué)色散元件，而這些元件對(duì)信號(hào)光都存在著一定程度的吸收損耗作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)弱光信號(hào)的超靈敏測(cè)量。3、測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。傳統(tǒng)光譜測(cè)量技術(shù)采用的主要是對(duì)掃描探測(cè)光波長(zhǎng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品整個(gè)光譜的測(cè)量，所以整個(gè)過(guò)程耗時(shí)耗能。
4、光譜掃描范圍有限，且調(diào)諧精度不高。傳統(tǒng)光譜技術(shù)中的探測(cè)光源采用的波長(zhǎng)可調(diào)諧的連續(xù)激光器。這種連續(xù)激光器的工作波長(zhǎng)范圍有限，調(diào)節(jié)精度嚴(yán)重受到了腔內(nèi)色器件的機(jī)械調(diào)節(jié)精度的限制，所以調(diào)諧精度有限。5、光譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便攜帶。傳統(tǒng)的光譜測(cè)量主要是依靠棱鏡等色散元件組成的分光計(jì)系統(tǒng)對(duì)光波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。由于棱鏡、光柵等元件體積大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以增加了光譜儀的復(fù)雜度。6、連續(xù)光的光功率有限，在對(duì)固體介質(zhì)表面光譜測(cè)量時(shí)，難以激化固體表面分子，從而無(wú)法進(jìn)一步獲得物體表層極化分子的光譜信息。7、傳統(tǒng)光譜測(cè)量裝置采用的連續(xù)光，不具備時(shí)間脈沖特性，所以無(wú)法對(duì)樣品進(jìn)行時(shí)間可分辨的光譜探測(cè)。 本實(shí)用新型就是基于這種情況作出的。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在提高光譜成分的測(cè)量精度和靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)光譜的無(wú)掃描快速成譜測(cè)量的高精密度快速痕量分析裝置。[0013]本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題，采用以下技術(shù)方案:一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于包括有能發(fā)出穩(wěn)定時(shí)頻域探測(cè)光源的光纖光梳裝置，以及讓探測(cè)光源通過(guò)的裝有待測(cè)樣品的樣品池和能發(fā)出與探測(cè)光源的重復(fù)頻率不同的本振光源的本振光源裝置，此外，還包括有多個(gè)能對(duì)探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行透射和反射的半透半反鏡和能將探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行反射的全反鏡，將經(jīng)過(guò)樣品池和未經(jīng)過(guò)樣品池的探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行拍頻的雙光拍頻裝置和將拍頻信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大的平衡探測(cè)裝置。如上所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的光纖光梳裝置包括有摻鉺光纖激光器和摻鉺光纖放大器。如上所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的樣品池為空心光子晶體光纖。如上所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的雙光拍頻裝置包括有第一高速光電探測(cè)器和第二高速光電探測(cè)器，所述的第一高速光電探測(cè)器探測(cè)經(jīng)過(guò)樣品池的探測(cè)光源和本振光源，所述的第二高速光電探測(cè)器探測(cè)未經(jīng)過(guò)樣品池的探測(cè)光源和本振光源。如上所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的平衡探測(cè)裝置包括將第二高速光電探測(cè)器的拍頻信號(hào)延時(shí)處理的延時(shí)器，將經(jīng)延時(shí)處理和未經(jīng)延時(shí)處理的信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大的差分放大器，將經(jīng)過(guò)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行分析的分析儀。如上所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的半透半反鏡包括有第一半透半反鏡、第二半透半反鏡和第三半透半反鏡，所述的全反鏡包括有第一全反鏡和第二全反鏡，所述的第一半透半反鏡置于光纖光梳裝置和樣品池之間，所述的第二半透半反鏡置于樣品池和第一高速光電探測(cè)器之間，所述的第三半透半反鏡置于第二半透半反鏡的正下方，所述的第一全反鏡置于第一半透半反鏡的正下方，所述的第二全反鏡置于第三半透半反鏡的正下方，所述的第一反全鏡和第三半透半反鏡置于同一光路上，所述的第二半透半反鏡、第三半透半反鏡、第二全反鏡置于同一光路上。本實(shí)用新型和現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn):1、光譜測(cè)量分辨精度高，可達(dá)IOOMHz。2、探測(cè)靈敏度高。3、可以對(duì)樣品光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)快速測(cè)量。4、光譜測(cè)量范圍寬,可達(dá)IOOnm及以上。5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)集成化。6、光梳脈沖的峰值功率極高，可以激化固體表面分子，從而進(jìn)一步獲得物體表層極化分子的光譜信息。7、光梳脈沖的脈寬在飛秒量級(jí)，因此可以用于實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品光譜的時(shí)間可分辨探測(cè)。本實(shí)用新型中的光梳光源具有極高的頻率穩(wěn)定度，可以確保物質(zhì)痕量分析中特征光譜的測(cè)量準(zhǔn)確度和精度，同時(shí)采用的差分平衡光譜探測(cè)裝置可以有效提高光譜測(cè)量靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)弱吸收信號(hào)的探測(cè)。
圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型光纖光梳裝置示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:一種新型的高精密度快速痕量分析裝置，包括有能發(fā)出穩(wěn)定時(shí)頻域探測(cè)光源的光纖光梳裝置1，以及讓探測(cè)光源通過(guò)的裝有待測(cè)樣品的樣品池4和能發(fā)出與探測(cè)光源的重復(fù)頻率不同的本振光源的本振光源裝置5，此外，還包括有多個(gè)能對(duì)探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行透射和反射的半透半反鏡2和能將探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行反射的全反鏡3，將經(jīng)過(guò)樣品池4和未經(jīng)過(guò)樣品池4的探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行拍頻的雙光拍頻裝置6和將拍頻信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大的平衡探測(cè)裝置7。所述的光纖光梳裝置I包括有摻鉺光纖激光器11和摻鉺光纖放大器12。所述的樣品池4為空心光子晶體光纖。所述的雙光拍頻裝置6包括有第一高速光電探測(cè)器61和第二高速光電探測(cè)器62，所述的第一高速光電探測(cè)器61探測(cè)經(jīng)過(guò)樣品池4的探測(cè)光源和本振光源，所述的第二高速光電探測(cè)器62探測(cè)未經(jīng)過(guò)樣品池4的探測(cè)光源和本振光源。所述的平衡探測(cè)裝置7包括將第二高速光電探測(cè)器62的拍頻信號(hào)延時(shí)處理的延時(shí)器71，將經(jīng)延時(shí)處理和未經(jīng)延時(shí)處理的信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大的差分放大器72，將經(jīng)過(guò)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行分析的分析儀73。
所述的半透半反鏡2包括有第一半透半反鏡21、第二半透半反鏡22和第三半透半反鏡23，所述的全反鏡3包括有第一全反鏡31和第二全反鏡32，所述的第一半透半反鏡21置于光纖光梳裝置I和樣品池4之間，所述的第二半透半反鏡22置于樣品池4和第一高速光電探測(cè)器61之間，所述的第三半透半反鏡23置于第二半透半反鏡22的正下方，所述的第一全反鏡31置于第一半透半反鏡21的正下方，所述的第二全反鏡32置于第三半透半反鏡23的正下方，所述的第一反全鏡31和第三半透半反鏡23置于同一光路上，所述的第二半透半反鏡22、第三半透半反鏡23、第二全反鏡32置于同一光路上。本實(shí)用新型中的探測(cè)光源和本振光源的光路如下:光纖光梳裝置I發(fā)出探測(cè)光源，一部分的探測(cè)光源通過(guò)第一半透半反鏡21透射進(jìn)入到樣品池4中，經(jīng)過(guò)樣品池4的探測(cè)光源通過(guò)第二半透半反鏡22透射進(jìn)入第一高速光電探測(cè)器61進(jìn)行拍頻；另一部分的探測(cè)光源通過(guò)第一半透半反鏡21折射到第一全反鏡31上，再通過(guò)第一全反鏡31反射后穿過(guò)第三半透半反鏡23進(jìn)入到第二高速光電探測(cè)器62進(jìn)行拍頻。本振光源裝置5發(fā)出本振光源，一部分的本振光源通過(guò)第二全反鏡32反射后穿過(guò)第三半透半反鏡23再通過(guò)第二半透半反鏡22折射進(jìn)入第一高速光電探測(cè)器61進(jìn)行拍頻；另一部分的本振光源通過(guò)第二全反鏡32反射后再通過(guò)第三半透半反鏡23折射進(jìn)入第二高速光電探測(cè)器62進(jìn)行拍頻。本實(shí)用新型中，首先是采用光纖光梳裝置1，讓一束具有時(shí)頻域穩(wěn)定特性的激光光梳通過(guò)裝有待測(cè)樣品的樣品池4，由于樣品分子會(huì)與激光發(fā)生共振吸收作用，所以經(jīng)過(guò)樣品的探測(cè)光中的某些與樣品特征譜線(xiàn)一致的光譜成分會(huì)因樣品吸收而變?nèi)酢0041]然后利用雙光梳拍頻探測(cè)裝置6將經(jīng)過(guò)樣品池的探測(cè)光與本振光進(jìn)行拍頻探測(cè)，獲得樣品在射頻波段的拍頻吸收譜。此拍頻信號(hào)與探測(cè)光在光頻波段的光譜分布一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可以通過(guò)直接分析拍頻信號(hào)的強(qiáng)弱變化來(lái)表征樣品的特征譜線(xiàn)。最后結(jié)合平衡探測(cè)裝置7，讓經(jīng)過(guò)樣品池4后的雙光梳拍頻信號(hào)與未經(jīng)過(guò)樣品的雙光梳拍頻信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大，從而提高探測(cè)響應(yīng)靈敏度，使其更適用于弱信號(hào)檢測(cè)。實(shí)施例一:近紅外光梳痕量分析檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施細(xì)節(jié)如下:1、探測(cè)光源(如圖2所示):(I)本實(shí)施例采用摻鉺光纖激光器11為探測(cè)光梳的脈沖發(fā)生源，通過(guò)調(diào)整激光器的腔長(zhǎng)可以達(dá)到調(diào)整脈沖重復(fù)頻率的目的。在這種情況下，調(diào)節(jié)重復(fù)頻率至frl=100.000132MHz，調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振控制器PC可以使激光器產(chǎn)生鎖模脈沖，鎖模激光器的中心波長(zhǎng)位于λ=1550ηπι附近，光譜寬度在Λ λ =50nm，此時(shí)，光譜范圍內(nèi)包含的光梳尺的個(gè)數(shù)n=c.(Δ入/入2)/仕1=2.21父105，其中，(:為光速3\108111/8。(2)光纖放大器，采用前向泵浦的摻鉺光纖放大器，提高脈沖的平均功率。(3)重復(fù)頻率的鎖定，使用分束器BS從放大器的輸出端分出一小部分光(約
0.5W)，其中一部分(0.49W)用于零頻信號(hào)探測(cè)與控制，另一部分(0.0lff)用于脈沖重復(fù)頻率的探測(cè)。探測(cè)到的重復(fù)頻率frl與信號(hào)發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)頻率fr’對(duì)比產(chǎn)生誤差信號(hào)Eiror，并將該信號(hào)濾波放大后驅(qū)動(dòng)激光器中的壓電陶瓷PZT，反饋控制腔長(zhǎng)從而實(shí)現(xiàn)脈沖重復(fù)頻率的穩(wěn)定。(4)載波包絡(luò)相位零頻的雙鎖定，將0.49W的放大輸出光送入零頻拍頻探測(cè)，即使激光經(jīng)過(guò)一塊周期調(diào)制的鈮酸鋰晶體(PPLN)后，產(chǎn)生覆蓋一個(gè)倍頻層的超連續(xù)譜，同時(shí)在PPLN晶體中連續(xù)譜的 高頻成分(2m*fr+f0)與低頻成分的倍頻光2 (m.fr+fO)進(jìn)行拍頻，即拍頻fB=2(m.fr+fO)-(2m.fr+fO) =f0，其中m為激光器的縱模個(gè)數(shù)，為正整數(shù)，f0為載波包絡(luò)相位零頻，從而探測(cè)獲得 信號(hào)。再將 信號(hào)分兩路，一路與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)f0’對(duì)比產(chǎn)生誤差信號(hào)Error-fO，并將該信號(hào)用于反饋控制激光器泵浦LD的電流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)f0的初步鎖定；另一路信號(hào)用于電路濾波放大后驅(qū)動(dòng)聲光頻移器A0FS，其I級(jí)衍射光被精密頻移-fo，從而與原光脈沖的fO抵消，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)fO的精密鎖定。為了保證測(cè)量精度，光梳的重復(fù)頻率抖動(dòng)被控制在ImHz范圍內(nèi)，載波包絡(luò)相位零頻的線(xiàn)寬被控制在IOmHz以?xún)?nèi)。2、本振光梳:采用與上述相同的方式，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)重復(fù)頻率相近，波長(zhǎng)相同的摻鉺光纖光梳。為了保證探測(cè)光流和本振光流的拍頻信號(hào)落在一個(gè)重復(fù)頻率范圍內(nèi)，本實(shí)施例中采用的本振光源重復(fù)頻率fr2=100.000132MHz+0.2kHz,與探測(cè)光源相差0.2kHz，這樣整個(gè)拍頻譜的寬度為 0.2kHz X 2.21 X IO5, BP 44ΜΗζ〈Π。3、樣品池:為了增加探測(cè)光與被探測(cè)氣體的接觸程度，樣品池采用空心光子晶體光纖，將探測(cè)光通過(guò)顯微物鏡耦合進(jìn)入注有未知?dú)怏w的光子晶體光纖，在光纖的束縛空間內(nèi)，單位面積的光場(chǎng)強(qiáng)度增加，而且光與氣體接觸幾率增大，提高了探測(cè)靈敏度。4、雙光梳拍頻探測(cè):將探測(cè)光經(jīng)過(guò)樣品池，然后通過(guò)1:1分束片BS進(jìn)行與本振光源的合束，并在合束后由光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。由于探測(cè)光源和本振光源波長(zhǎng)相近，重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相位零頻均被精確鎖定，所以可以在探測(cè)器上產(chǎn)生穩(wěn)定的拍頻信號(hào)，其頻率間隔為 fr2-frl=0.2kHz。[0052]5、平衡探測(cè):探測(cè)光平均分為兩路，一路經(jīng)過(guò)樣品池，然后與本振光在探測(cè)器Dl上拍頻，并將信號(hào)送入差分放大器的“ + ”端；另一路不經(jīng)過(guò)樣品，直接與本振光在探測(cè)器D2上拍頻，信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)器后送入差分放大器端。先使樣品池中不放入樣品，調(diào)節(jié)延時(shí)，使差分輸出信號(hào)為0，然后裝入氣體進(jìn)行探測(cè)。此時(shí)，差分放大的輸出信號(hào)便是平衡探測(cè)的輸出信號(hào)。本實(shí)施例中，差分放大器起到了平衡抑制兩路光的共模噪聲的作用。
權(quán)利要求1.一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于包括有能發(fā)出穩(wěn)定時(shí)頻域探測(cè)光源的光纖光梳裝置(1)，以及讓探測(cè)光源通過(guò)的裝有待測(cè)樣品的樣品池(4)和能發(fā)出與探測(cè)光源的重復(fù)頻率不同的本振光源的本振光源裝置(5)，此外，還包括有多個(gè)能對(duì)探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行透射和反射的半透半反鏡(2)和能將探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行反射的全反鏡(3)，將經(jīng)過(guò)樣品池(4)和未經(jīng)過(guò)樣品池(4)的探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行拍頻的雙光拍頻裝置(6)和將拍頻信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大的平衡探測(cè)裝置(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的光纖光梳裝置(I)包括有摻鉺光纖激光器(11)和摻鉺光纖放大器(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的樣品池(4)為空心光子晶體光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的雙光拍頻裝置(6)包括有第一高速光電探測(cè)器(61)和第二高速光電探測(cè)器(62)，所述的第一高速光電探測(cè)器(61)探測(cè)經(jīng)過(guò)樣品池(4)的探測(cè)光源和本振光源，所述的第二高速光電探測(cè)器(62)探測(cè)未經(jīng)過(guò)樣品池(4)的探測(cè)光源和本振光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的平衡探測(cè)裝置(7)包括將第二高速光電探測(cè)器(62)的拍頻信號(hào)延時(shí)處理的延時(shí)器(71)，將經(jīng)延時(shí)處理和未經(jīng)延時(shí)處理的信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大的差分放大器(72)，將經(jīng)過(guò)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行分析的分析儀(73 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型高精密度快速痕量分析裝置，其特征在于所述的半透半反鏡(2)包括有第一半透半反鏡(21)、第二半透半反鏡(22)和第三半透半反鏡(23)，所述的全反鏡(3)包括有第一全反鏡(31)和第二全反鏡(32)，所述的第一半透半反鏡(21)置于光纖光梳裝置(I)和樣品池(4)之間，所述的第二半透半反鏡(22)置于樣品池(4)和第一高速光電探測(cè)器(61)之間，所述的第三半透半反鏡(23)置于第二半透半反鏡(22)的正下方，所述的第一全反鏡(31)置于第一半透半反鏡(21)的正下方，所述的第二全反鏡(32)置于第三半透半反鏡(23)的正下方，所述的第一反全鏡(31)和第三半透半反鏡(23)置于同一光路上，所述的第二半透半反鏡(22)、第三半透半反鏡(23)、第二全反鏡(32)置于同一光路上。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種新型的高精密度快速痕量分析裝置，包括有能發(fā)出穩(wěn)定時(shí)頻域的探測(cè)光源的光纖光梳裝置，以及讓探測(cè)光源通過(guò)的裝有待測(cè)樣品的樣品池和能發(fā)出與探測(cè)光源的重復(fù)頻率不同的本振光源的本振光源裝置，此外，還包括有多個(gè)能對(duì)光探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行透射和反射的半透半反鏡和能將探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行反射的全反鏡，將經(jīng)過(guò)樣品池和未經(jīng)過(guò)樣品池的探測(cè)光源和本振光源進(jìn)行拍頻的雙光拍頻裝置和將拍頻信號(hào)進(jìn)行差分濾波放大的平衡探測(cè)裝置。本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在提高光譜成分的測(cè)量精度和靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)光譜的無(wú)掃描快速成譜測(cè)量的高精密度快速痕量分析裝置。
文檔編號(hào)G01N21/31GK203011826SQ201220598700
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 閆明 申請(qǐng)人:廣東漢唐量子光電科技有限公司