專利名稱：：利用腔內(nèi)激光光譜技術(shù)進(jìn)行超靈敏度氣體檢測的采用二極管激光器泵浦的和具有線性腔...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：一般來說，本發(fā)明涉及對氣體中污染物的檢測，更具體地說，本發(fā)明涉及利用通常稱為腔內(nèi)激光光譜學(xué)(ILS)的激光技術(shù)對于氣體分子、原子、原子團(tuán)和/或離子的高靈敏度檢測。發(fā)明
背景技術(shù)：
：眾所周知，在制備用于微電子工業(yè)的高質(zhì)量半導(dǎo)體材料(例如硅膜)的過程中，必須控制污染物的含量。而且人們也熟知，如果不能成功地控制污染物，由于所得到的產(chǎn)品通常無法用于其應(yīng)有的用途，結(jié)果導(dǎo)致重要資源的損失。一般來說，用于硅膜制造的原材料基本由氣體，通常稱之為“主體材料”(例如氮氣或氬氣)或“特殊材料”(例如氯化氫、溴化氫、三氯化硼)構(gòu)成。設(shè)計用于制備半導(dǎo)體材料的制造設(shè)備能否正常工作，主要依賴于原材料氣體的純度。但是，存在于用來處理半導(dǎo)體材料的主體氣體和特殊氣體中的許多分子、原子、原子團(tuán)和各種離子組分都可以被視為“污染物”。這些污染物能夠使制備的半導(dǎo)體材料品質(zhì)下降或降低制備半導(dǎo)體材料的效率?？刂坪?或消除這些污染物的第一步是對作為原材料的主體氣體和特殊氣體進(jìn)行污染物檢測。但是常規(guī)的檢測方法一般來說是不夠的。這主要是由于似乎永遠(yuǎn)在提高的競爭工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所形成的局勢造成的。具體地說，由于微電子器件的尺寸在縮小而其性能指標(biāo)卻在增強(qiáng)，因此提高了對于氣體純度(即不含微污染物)的要求。在這種背景下，很顯然，以下這些測量技術(shù)指標(biāo)對于檢測裝置的效能是十分重要的(1)絕對檢測靈敏度，通常稱之為樣品中氣體分子總數(shù)分比(例如百萬分比或每百萬背景分子中污染物分子數(shù))；(2)在有其它組分污染物存在的情況下測量一種污染物濃度的組分選擇性或能力；(3)得到所需要的信噪比的測量速率；(4)監(jiān)測非反應(yīng)氣體和反應(yīng)氣體中污染物含量的能力；(5)能夠測量的氣體濃度的線性和動態(tài)范圍?，F(xiàn)有技術(shù)中用于污染物檢測(例如水)的裝置采用多種測量技術(shù)。例如，現(xiàn)有技術(shù)中檢測水蒸氣的裝置采用導(dǎo)電率、電化學(xué)、大氣壓離子化質(zhì)量光譜學(xué)、以及直接吸收光譜學(xué))測量技術(shù)。但是，這些方法中的每一種都不能滿足上述的這些要求。在本發(fā)明中，公開了采用激光技術(shù)，具體地說就是腔內(nèi)激光光譜測量(ILS)裝置作為檢測裝置(傳感器)，以非常高的靈敏度檢測氣體組分(污染物)。在這個應(yīng)用方面，激光技術(shù)在氣體組分(污染物)檢測，特別是水蒸氣檢測方面比已知的各種方法具有明顯的優(yōu)點。在采用激光技術(shù)檢測氣體組分(污染物)的常規(guī)應(yīng)用中，激光器產(chǎn)生的輻射用于激發(fā)激光器外的氣體樣品以產(chǎn)生次級信號(例如電離或熒光信號)。或者，可以測量激光經(jīng)過一個氣體樣品之后的，相對于激光初始強(qiáng)度重整化的強(qiáng)度(即吸收)。直接吸收光譜測量通常是使來自外部光源的光通過樣品，并測量由于樣品中的分子、原子、原子團(tuán)和/或離子的吸收所引起的光強(qiáng)的減少。但是，檢測靈敏度主要依賴于兩個較大數(shù)值的差值(從外部光源發(fā)出的光通過樣品之前的光強(qiáng)度和在它通過樣品之后的光強(qiáng)度)。這兩個較大數(shù)值的差值限制了檢測的靈敏度，使得直接吸收方法通常被認(rèn)為是一種低靈敏度測量技術(shù)。大約二十年前，首次發(fā)明了另一種檢測方法，即腔內(nèi)激光光譜測量技術(shù)，這種方法采用激光器本身作為一個檢測裝置；例如參見G.Atkinson，A.Laufer，M.Kurylo，“利用腔內(nèi)染料激光器技術(shù)檢測自由原子團(tuán)”，59，化學(xué)物理雜志，1973年7月1日。腔內(nèi)激光光譜測量技術(shù)(ILS)結(jié)合了常規(guī)的吸收光譜測量技術(shù)和通常與其它激光技術(shù)諸如激光導(dǎo)致的熒光(LIF)和多光子電離(MPI)光譜測量相關(guān)的高檢測靈敏度的優(yōu)點。ILS基于與在一個多模式均勻增寬激光器的光諧振腔內(nèi)存在的氣體組分(例如原子、分子、原子團(tuán)，或離子)的吸收相關(guān)的腔內(nèi)損失。這些腔內(nèi)吸收損失通過多模式激光器的正常模式動態(tài)特性與在激光介質(zhì)中產(chǎn)生的增益(即增益介質(zhì))競爭。傳統(tǒng)上，ILS研究主要是使用染料激光器，因為它們的多模式特性滿足有效模式競爭所需的條件，并且它們較寬的可調(diào)諧度提供了對于多種不同的氣體組分的光譜分析途徑。特別是，已經(jīng)利用具有線性的雙鏡面腔的染料激光器進(jìn)行了在可見光波長的測量；例如可參見V.M.Baev，J.Eschner，J.Sierks，A.Weiler，和P.E.Toschek，所寫的“多模式染料激光器的常規(guī)動態(tài)特性”，光學(xué)通訊，94(1992)436-444；和J.Sierks，V.M.Baev，和P.E.Toschek，所寫“多模式染料激光器對于腔內(nèi)吸收檢測靈敏度的提高”，光學(xué)通訊，96(1993)81-86。但是，液體染料激光器由于其液態(tài)特性和維持物理和光學(xué)穩(wěn)定性的需要而與許多實際應(yīng)用是不相容的。染料激光器還主要工作在可見光譜區(qū)域.許多氣體組分的吸收強(qiáng)度，雖然利用ILS技術(shù)肯定是可以檢測的，但是在可見光下沒有在較低能量的光下(例如在近紅外光下)強(qiáng)。所以當(dāng)利用在紅外光區(qū)域的吸收躍遷時可以得到較高的檢測靈敏度。有些ILS實驗是采用多模式、可調(diào)諧固體激光介質(zhì)諸如色心和Ti藍(lán)寶石進(jìn)行的，例如參見D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，“采用鈦藍(lán)寶石激光器的腔內(nèi)吸收光譜測量”，光學(xué)通訊，77，(1990)，385-89。ILS已經(jīng)成功地用于在因需要高靈敏度而已預(yù)先排除了吸收光譜測量方法的實驗條件下檢測穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的氣體組分。例如，ILS已經(jīng)被用于檢測在諸如低溫冷凍室、等離子體放電管、光解和熱解反應(yīng)室以及超音速膨脹氣流等環(huán)境中的氣體樣品。ILS還用于通過分析吸收線狀譜取得定量吸收信息(例如線性吸收強(qiáng)度和碰撞增寬系數(shù))這些應(yīng)用中的一些在G.Atkinson，“腔內(nèi)激光光譜學(xué)”，SPIEConf.，Soc.Opt.Eng.1637(1992)中給予了介紹。但是，現(xiàn)有技術(shù)中實施ILS的方法雖然適合用于實驗室設(shè)備，但是不適用于商業(yè)銷售的設(shè)備。實現(xiàn)商業(yè)化的障礙，如上所簡述的，主要是由于要求這種檢測裝置大小合適、價格相對便宜，并且性能可靠。實驗室所用的設(shè)備模型不能滿足這些要求。在D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，所寫的論文“利用多模式Cr4+YAG激光器在1.38-1.55微米光譜區(qū)域的腔內(nèi)激光光譜學(xué)”光學(xué)通訊，103(1993)370-74中介紹了在實驗室中關(guān)于使用ILS技術(shù)利用Cr4+YAG激光器檢測氮氣中的少量水蒸氣的可能性的研究工作。所使用的試驗設(shè)備滿足工作性能的演示，但是對于實施本發(fā)明設(shè)想的商業(yè)應(yīng)用是不適用的。在文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了將二極管泵浦固體激光器用于ILS中的可用性，但是在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有公開可以實施的一種全固體二極管泵浦腔內(nèi)光譜儀；例如可參見Gilmore等人(1990)，上文；G.H.Atkinson(1992)，上文；和A.Kachanov，A.Charvat，和F.Stoeckel，“采用電子振動固體激光器的腔內(nèi)激光光譜測量I.Ti藍(lán)寶石激光器的光譜暫時躍遷行為”JournaloftheOpticalSocietyofAmericaB，11(1994)2412-2421。因此，所需要的是以在商業(yè)上具有競爭力的成本提供對使用者來說便利的，即比較簡單的檢測系統(tǒng)，它具有直接吸收技術(shù)的優(yōu)點，但又顯著地提高了檢測靈敏度，能夠檢測反應(yīng)樣品或不反應(yīng)樣品中的氣體組分。發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的各個方面，利用ILS技術(shù)光學(xué)檢測濃度低于一個百萬分比(ppm)(106分之一)到低于一個太分比(ppt)(1012分之一)的污染物。其中使用包括一個光學(xué)諧振腔和包含在該諧振腔中的一塊摻雜離子晶體介質(zhì)的固體激光器作為檢測器。包含氣體污染物組分，例如水蒸氣，的氣體樣品被放入摻雜離子激光器的光學(xué)共振腔中(在反射表面或鏡面之間)活性介質(zhì)的一側(cè)。這里所介紹的激光介質(zhì)包括Tm3+，Tb3+YLF和Tm3+YAG，但是其它具有多個縱向和橫向共振腔模式的摻雜離子晶體也可以采用。在本發(fā)明的各個實施例中，固體激光器可以是一個二極管激光器泵浦的固體激光器，激光器腔可以由一個線性諧振腔組成?？扇〉氖菤怏w檢測系統(tǒng)包括一臺用于提供啟動ILS激光器所需的光學(xué)激發(fā)的泵浦激光器，一臺在所檢測的組分發(fā)生吸收的波長區(qū)域內(nèi)工作的多模式ILS激光器，一種放入ILS激光器的光學(xué)諧振腔中的氣體樣品(或者使用一個置于光學(xué)諧振腔中的氣體樣品盒，或者用氣體樣品充滿整個腔內(nèi)光學(xué)區(qū)域)，一個能夠光譜解析所說ILS激光器的輸出的波長色散譜儀，一個能夠測量所說ILS激光器輸出的波長解析強(qiáng)度的檢測裝置，和一個能夠從所說檢測裝置讀取信號并將其轉(zhuǎn)換成可以由計算機(jī)或其它數(shù)字電路處理的電信號的電路。該氣體檢測系統(tǒng)還包括一個設(shè)計用于周期地中斷泵浦激光光束強(qiáng)度以及ILS激光器輸出的調(diào)制裝置。還公開了一種用于檢測在一種氣體樣品中氣體組分的存在的方法。該方法包括以下步驟(a)將一臺二極管泵浦激光器的輸出光束導(dǎo)向包含在一個激光器腔中的摻雜離子晶體，從而從該摻雜離子晶體產(chǎn)生一個輸出光束，該光束在從該激光器腔出射之前通過包含在該激光器腔中的氣體樣品；和(b)在摻雜離子晶體的輸出光束從激光器腔出射之后，將該光束導(dǎo)向一個檢測器組件，以測定在該氣體樣品中氣體組分的存在和/或濃度。在本發(fā)明的一個實施例中，用于檢測氣體組分的方法包括將泵浦光源的輸出光束導(dǎo)向包含在一個線性激光器腔中的一個增益介質(zhì)(例如一個摻雜離子晶體)的步驟。所用的泵浦激光源可以包括，例如，半導(dǎo)體二極管激光器，摻雜離子晶體激光器(例如Cr4+YAG)、氣體激光器、閃光燈、或其它適合用于提供啟動ILS激光器的光學(xué)激發(fā)的光學(xué)泵浦裝置。附圖簡介下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中相同的標(biāo)號表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)理解，除非專門指出，本說明書中的附圖并不是按照實際比例繪制的。圖1A和圖1B為本發(fā)明的污染物檢測系統(tǒng)的示意性方框圖；圖1A表示基本結(jié)構(gòu)，圖1B表示在圖2所示的實施例中采用的結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明的污染物檢測系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例的更詳細(xì)的示意性透視圖；圖3A-3C示意性表示簡化的激光器以及從這些裝置中得到的光譜輸出圖(強(qiáng)度對波長)；圖4為ILS檢測腔的示意性透視圖，其中包括在圖2中所示的檢測腔元件，某些元件是以局部剖開的形式表示的；圖5為一個實例的ILS激光器晶體支撐架和用于與圖2所示的污染物檢測系統(tǒng)相連的熱穴的透視圖；圖6和圖7示意性表示本發(fā)明的ILS激光器的另一個實施例，其中激光器腔是形成在兩個鏡面之間的一個線性激光器腔；圖8利用激光強(qiáng)度(任意單位)和波長(以納米為單位)的坐標(biāo)圖表示在1450-1455納米(nm)波長范圍內(nèi)水的吸收光譜的一個實例；圖9為可以用半導(dǎo)體二極管激光器激發(fā)的一些摻雜離子晶體的列表和它們各自的調(diào)諧范圍，以及某些氣體組分在1到3微米波長范圍內(nèi)的近紅外光譜吸收區(qū)域。優(yōu)選實施例的描述現(xiàn)在詳細(xì)介紹本發(fā)明的最佳實施例，這些實施例表現(xiàn)了發(fā)明人實施本發(fā)明的最好方式。其它可以應(yīng)用的實施例也予以簡單介紹。如前文簡述的，本發(fā)明的主題特別適合與半導(dǎo)體器件的制造相結(jié)合，因此，本發(fā)明的優(yōu)選實施例將在這方面予以介紹。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些描述并不是對本發(fā)明的用途或應(yīng)用的限制，而僅僅是充分地描述一個優(yōu)選的實施例。從這方面講，本發(fā)明特別適用于檢測污染物。這里使用的污染物一詞指的是可能存在于氣體材料，如用于制造硅膜的氣體材料中，即輸入管線中的分子、原子、原子團(tuán)和離子組分?；蛘?，污染物一詞也指氣體材料本身，例如當(dāng)本發(fā)明的檢測裝置用于確定一條管線(例如氯化氫管線)的氣體材料是否已被凈化。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例并參照圖1A，氣體(污染物)檢測系統(tǒng)10包括一個泵浦激光系統(tǒng)A，一個ILS激光器和相應(yīng)的檢測腔B，一個光譜儀C，和一個檢測裝置以及相應(yīng)的電路(例如計算機(jī)、數(shù)字電路等)D。更具體地說，參照圖1B和圖2，泵浦激光系統(tǒng)A包括一臺泵浦激光器100，一套光束成形光學(xué)組件200和一套光束調(diào)制組件300；激光器和檢測腔B相應(yīng)地包括一套檢測腔組件400和一臺ILS激光器500；光譜儀C相應(yīng)地包括一套光譜儀組件600；以及，檢測裝置D相應(yīng)地包括一套檢測裝置組件700和一個計算機(jī)系統(tǒng)800。正如本文將要詳細(xì)描述的，氣體檢測系統(tǒng)10宜于檢測可能包含在氣體樣品中的氣體組分(污染物)。一般來說，比較可取的是，泵浦激光器驅(qū)動系統(tǒng)A在閾值處或在接近閾值處(但是大于閾值)泵浦ILS激光器500，并使激光束通過氣體樣品，從而能夠測得氣體樣品的光譜。這個光譜是采用檢測裝置/計算機(jī)系統(tǒng)D測得的，在控制下，這個系統(tǒng)能夠以高靈敏度可靠而準(zhǔn)確地確定可能包含在氣體樣品中的氣體組分(污染物)的存在和濃度。參照圖3A-3C，它們示意性地表示了腔內(nèi)激光光譜測量(ILS)的基本原理。按照最簡單的形式，激光器可以描述成包含一個在其中產(chǎn)生光學(xué)增益的增益介質(zhì)，和一個由光學(xué)元件如鏡面構(gòu)成的諧振腔。在增益介質(zhì)和構(gòu)成激光器腔(例如諧振腔)的光學(xué)元件中都可能發(fā)生光的損失。參照圖3A，一臺激光器按照其最簡單的形式可以示意性地表示為包括一個增益介質(zhì)1A，在其周圍分別設(shè)置了鏡面2A和3A。鏡面2A和3A通常經(jīng)過涂覆使其表面在寬光譜范圍內(nèi)具有高反射率。例如，鏡面2A上的鏡面涂層可以全反射的，而鏡面3A上的鏡面涂層可以是部分反射的，從而允許從激光器腔5中逸出一部分光。在鏡面2A和3A的反射表面之間放置增益介質(zhì)1A的空間區(qū)域構(gòu)成了激光器諧振腔或內(nèi)腔，在本發(fā)明中稱其為所謂的“內(nèi)腔區(qū)域”。激光器輸出的光強(qiáng)度(I)可以由增益介質(zhì)1A工作的波長區(qū)域(λ)和諧振腔元件(例如鏡面2A和3A)的反射率確定。通常這個輸出是寬帶，沒有尖銳、特殊的光譜峰值，如圖3A中光譜圖3A中光強(qiáng)度I對波長λ的關(guān)系圖所示。通過選擇不同的光學(xué)元件構(gòu)成激光器腔5，可以改變或“調(diào)諧”激光器的光譜輸出。例如，參照附圖3B，一個可調(diào)諧諧振腔可以用一個衍射光柵2B取代圖3A中所示的全反射鏡2A。所以如圖所示，激光器包括衍射光柵2B，鏡面3B，和設(shè)置在其間的增益介質(zhì)1B。通常，從這種調(diào)諧激光器得到的光譜輸出是窄帶的，并且表現(xiàn)為其波長處于由增益介質(zhì)1A和鏡面2A和3A(圖10A)構(gòu)成的激光器的原始輸出的范圍內(nèi)。例如，在光譜圖3B中示意性表示的光強(qiáng)度(I)對波長(λ)的關(guān)系圖就展示了這樣一個變窄的輸出光譜。通過在光諧振腔(例如內(nèi)腔)中放入處于基態(tài)或激發(fā)態(tài)的氣體分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子也能夠改變激光器的輸出。參見圖3C，這樣構(gòu)成的激光器可以包括一個全反射鏡2C，一個部分反射鏡3C，以及一個增益介質(zhì)1C和放置在其間的一個內(nèi)腔光吸收體4。在這種情況下，內(nèi)腔光吸收器4可以由某種氣體組分構(gòu)成(例如包含污染物的樣品)。內(nèi)腔氣體組分對于激光器輸出的影響可以觀察到。例如在光譜圖3C中表示了這樣一種裝置的光強(qiáng)度對波長的關(guān)系圖。光譜圖3C表示盛裝在內(nèi)腔光吸收器中的氣體組分的吸收光譜。光譜圖3所示特殊的吸收特征譜線來源于內(nèi)腔中氣體組分造成的光損失，激光器增益與其中的光損失必然是相互競爭的。因此，內(nèi)腔組分的吸收光譜會出現(xiàn)在激光器的光譜輸出中。特別是，在較強(qiáng)的內(nèi)腔吸收特征譜線有效地與諧振腔的增益特性競爭的波長處，激光器輸出的光強(qiáng)度減弱得更多。結(jié)果，如圖所示，可以觀察到光譜圖3C所示的是具有一定結(jié)構(gòu)的激光器輸出，而不是如光譜圖3A所示的相對平滑連續(xù)的輸出。如圖3C所示，光強(qiáng)度(I)的降低是由于腔內(nèi)氣體組分的吸收造成的，即吸收特征越強(qiáng)，激光輸出強(qiáng)度的降低越多。根據(jù)本發(fā)明，通過采用一個腔內(nèi)光吸收器的腔內(nèi)激光測量裝置測得的吸收光譜可以用于對某些氣體組分的高靈敏度檢測。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過各種氣體組分各自的吸收光譜(特征)可以唯一地識別各種氣體組分，因此可以可靠地用于識別某些氣體組分(污染物)。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過采用ILS技術(shù)在當(dāng)激光器系統(tǒng)趨近閾值時自然出現(xiàn)的增益與損失之間的競爭開始之前或在此過程中在激光器諧振腔中放入吸收組分(氣體成分)提高了檢測靈敏度?？紤]到與腔內(nèi)吸收體相關(guān)的光損失變成激光器中增益與損失之間競爭的一部分的事實，即使是由于弱的吸收躍遷和/或特別小的吸收物濃度造成的微弱的吸收在增益/損失競爭過程中也會顯著地放大。結(jié)果，這種競爭會清楚地出現(xiàn)在ILS信號的輸出中(參見光譜圖3C)。因此，利用這個原理，可以使用ILS技術(shù)檢測弱吸收和/或極低的吸收物濃度。ILS檢測方法與其它采用激光器的光譜檢測方法明顯不同。如上所述，用于光譜分析的激光器的輸出通常在氣體組分中激發(fā)，然后監(jiān)測發(fā)生的次級現(xiàn)象?；蛘撸辜す馄鞯妮敵鐾ㄟ^一種氣體組分，利用對于激光器輸出中選定波長的吸收特征識別氣體。在這兩種情況下，激光器的工作都是與被測量的氣體組分分開并且不受其影響的。但是，利用ILS檢測，激光器的工作直接受到氣體組分的影響。按照這種方式，ILS激光器500本身即充當(dāng)了一個檢測裝置。特別是，ILS激光器500從激光器腔5出射的輸出中包含了與氣體組分有關(guān)的光譜信息。這種工作模式是ILS檢測和ILS激光器所特有的。因此，ILS激光器500與常規(guī)的激光器明顯不同并且具有區(qū)別于常規(guī)激光器的工作特性。例如，那些產(chǎn)生光損失的吸收組分是有意地放入ILS激光器500的激光器腔5中的。這些吸收組分對ILS激光器500的工作產(chǎn)生影響并改變它的輸出。而且，與應(yīng)用于常規(guī)用途中的激光器不同，ILS激光器500在閾值以上但是接近閾值工作(例如在閾值功率的10％范圍內(nèi))。但是接近閾值工作常常使得ILS激光器500的輸出不穩(wěn)定。因此，可能需要用于穩(wěn)定ILS激光器500輸出的輔助技術(shù)。相反，常規(guī)的激光器通常工作在閾值之上以使輸出值達(dá)到最大。但是，使輸出值最大并不是ILS激光器500的目的。故而，在ILS檢測中可以使用那些不能有效地和/或不能產(chǎn)生高輸出功率的激光介質(zhì)，盡管這些激光介質(zhì)對于大部分其它激光器來說不是可取的。ILS激光器500的目的不是產(chǎn)生激光，而是監(jiān)測在激光器腔5中發(fā)生的光損失。如上所述，激光器腔內(nèi)部的模式競爭使得能夠以提高的靈敏度檢測到在ILS激光器中發(fā)生的這類光損失。由于ILS檢測相對于常規(guī)的光譜分析技術(shù)具有提高的靈敏度，來自具有微弱吸收和/或極小吸收物濃度的背景氣體的干擾將變得十分明顯，即使這種干擾對于其它常規(guī)光譜分析技術(shù)來說是可以忽略的。運用ILS技術(shù)進(jìn)行氣體檢測可以使用多種激光器系統(tǒng)實現(xiàn)。(如本文所使用的含義，激光器系統(tǒng)包括ILS激光器500和泵浦激光器100兩者)這些激光器系統(tǒng)每個都具有一些對于極高檢測靈敏度需要的共同特性。現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)三個這樣的特性。首先，這些激光系統(tǒng)在發(fā)出激光的能量閾值附近表現(xiàn)出多模式工作特性。其二，這些激光系統(tǒng)具有的波寬相對于被監(jiān)測的氣體組分或污染物(即分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子)的吸收特征譜線足夠?qū)挕５谌@些激光系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的強(qiáng)度和波長。應(yīng)當(dāng)理解存在許多具有不同物理和光學(xué)特性的ILS激光系統(tǒng)滿足上述的實現(xiàn)極高檢測靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)。這些激光系統(tǒng)的不同的物理和光學(xué)特性相對于進(jìn)行ILS測量的實驗條件(例如數(shù)據(jù)采集時間)還各有長處。此外，這些不同的物理和光學(xué)特性可能影響到下列因素中的一個或多個(1)能夠被檢測的氣體組分或污染物(即分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子)；(2)能夠被測量的各種氣體組分的各自的濃度；和(3)能夠被檢測的樣品的實際類型。后者的實例包括樣品的總壓力、樣品大小、和樣品所處的環(huán)境(例如反應(yīng)性的與穩(wěn)定的環(huán)境)。在這些基本原理的基礎(chǔ)上，在本發(fā)明中，本發(fā)明人發(fā)明了一種具有商業(yè)價值的污染物檢測系統(tǒng)10，這種系統(tǒng)對于氣體樣品中的污染物具有提高的檢測性能。本發(fā)明的污染物檢測系統(tǒng)10具有上述的進(jìn)行極高靈敏度檢測所需的各種特性。此外，本發(fā)明的ILS激光器系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)中公開的任何一種ILS激光器系統(tǒng)相比都能制造得更小，更簡單和更便宜?，F(xiàn)在參照附圖1A和圖2，并根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，一種氣體檢測系統(tǒng)10可取地包括激光器驅(qū)動裝置100和其中包括ILS激光器500的一個ILS檢測腔組件400。光譜儀組件600和檢測裝置/計算機(jī)系統(tǒng)700、800與ILS500的輸出適合地光學(xué)耦合，由此對吸收光譜進(jìn)行相應(yīng)地控制，使得能夠?qū)怏w組分(污染物)的存在和/濃度進(jìn)行高靈敏度檢測。為了驅(qū)動ILS激光器500，氣體檢測系統(tǒng)10需要一個輸出具有足夠能量和處于適合的波長范圍內(nèi)的輻射的泵浦源，從而在其閾值或略大于其閾值點光學(xué)激發(fā)ILS激光器。在這點上，ILS激光器工作結(jié)果使得激光介質(zhì)中的增益超過總的光損失，是十分重要的，這里所說的光損失包括與增益介質(zhì)、鏡面、和非鏡面腔內(nèi)光學(xué)元件有關(guān)的光損失，以及在光學(xué)諧振腔中的所有氣體組分的吸收產(chǎn)生的光損失。此外，可取的是激光器500以多個縱向模式工作，即具有寬的波長范圍。通常，產(chǎn)生激光反應(yīng)所需的帶寬在大約2nm與大約15nm之間。雖然ILS激光器也可以在一個以上的橫向諧振模式下工作，但這并不需要。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所說的激光器驅(qū)動裝置包括一個半導(dǎo)體二極管激光器，由該激光器作為一個光泵浦激光器100?？扇〉氖?，泵浦激光器100，即該半導(dǎo)體激光器的光學(xué)參數(shù)(例如平均功率密度、峰值功率密度、發(fā)散直徑和光束直徑)與ILS激光器500的光學(xué)特性要求很好地匹配。正如可以理解的，要做到這一點，需要確定在一定體積內(nèi)和在距該泵浦激光器100給定距離內(nèi)經(jīng)過特定的時間能夠產(chǎn)生多少光子。一般來說，根據(jù)本發(fā)明，是根據(jù)已知的理論和量子方程確定這些參數(shù)的，從而可以適當(dāng)?shù)剡x擇泵浦激光器100以使其與ILS激光器500的光學(xué)特性很好地匹配。因此，在其工作波長和光學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上選擇一臺二極管泵浦激光器100，使得它單獨用于激發(fā)ILS激光器500。但是，不利的是，如本領(lǐng)域所熟知的，二極管激光器的輸出光束是高度反對稱的和/或象散的。因此，使二極管激光器的輸出光束與包含在ILS激光器500的ILS增益介質(zhì)的模體積光學(xué)匹配是有一定困難的。正如下面將要詳細(xì)描述的，可以使用光束修正光學(xué)系統(tǒng)，諸如光束成形組件200便利二極管激光器泵浦激光器100和ILS激光器500之間的光學(xué)匹配。根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，泵浦激光器100由一個工作波長為λp的二極管激光器構(gòu)成。(但是，應(yīng)當(dāng)理解，驅(qū)動器100可以由任何能夠激發(fā)ILS激光器500的適合的光學(xué)泵浦源構(gòu)成，相干的或不相干的、連續(xù)的或脈沖的。)特別是，泵浦源100以常規(guī)方式工作，并發(fā)射在所需頻帶和具有所需帶寬的輻射。可取的是，從泵浦激光器100發(fā)出的光束E具有一個線性偏振分量，并可垂直于傳播平面旋轉(zhuǎn)。繼續(xù)參照附圖2，ILS激光器500包括一個由各個鏡面501、503、505之間的整個光路長度限定的光諧振腔。但是，在使用系統(tǒng)10檢測包含在不與激光器本身的元件(例如，增益介質(zhì)或晶體、鏡面、機(jī)械安裝件，以及類似部件)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的樣品中的氣體(污染物)的情況下，諧振腔可以由鏡面501、503和505之間的區(qū)域限定。在這樣一種情況下，氣體樣品區(qū)域(即氣體樣品放置的區(qū)域)包括鏡面501、503和505之間的區(qū)域(除了激光器晶體507)。然而，對于與激光器的一種或多種部件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的樣品，需要將氣體樣品區(qū)域與這些部件分隔開。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，可以有利地采用一個分隔樣品系統(tǒng)400A使樣品獨立于激光器部件。參照圖2和圖4，根據(jù)本發(fā)明的這個優(yōu)選方面，樣品系統(tǒng)400A可取地包括一個氣體樣品盒406，該容器可取地保持在一個氣體樣品盒支撐架407上。在氣體樣品盒406的頂端分別裝有容器窗口404和405，以提供光進(jìn)入容器中樣品的通道。窗口404和405還適合地密封盒406。如在下面將要詳細(xì)討論的，適宜地設(shè)置系統(tǒng)400A的區(qū)域是經(jīng)過象散補償?shù)?。?jīng)過象散補償，窗口404和405不構(gòu)成“活性”光學(xué)元件，即只具有傳輸功能而不會顯著地改變或擾動ILS激光束的輸出。一根導(dǎo)入管408和一根導(dǎo)出管409與氣體盒406動態(tài)聯(lián)接。參照圖4，采用連通器408和409是為了確保提供氣體樣品進(jìn)出氣體(污染物)樣品盒系統(tǒng)404-409的有效通道。因此，本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10能夠連續(xù)監(jiān)測處于包括高壓在內(nèi)的變化壓力下的流動氣體。特別是，使用氣體樣品盒能夠使ILS激光器500在測量具有與大氣壓力或與ILS激光器產(chǎn)生激光所需壓力不同(即較高或較低)的壓力的氣體時能夠正常工作。沒有這樣一個氣體樣品容器406，在檢測具有與調(diào)整ILS激光器500所需壓力不同的壓力的氣體樣品時難以實現(xiàn)激光的產(chǎn)生。因此，采用氣體樣品盒406使得ILS激光器500在檢測具有超過大氣壓或壓力大于ILS激光器500產(chǎn)生激光所需壓力的氣體樣品時能夠穩(wěn)定工作。或者，氣體樣品也可以具有小于大氣壓或壓力小于ILS激光器產(chǎn)生激光所需壓力(例如當(dāng)在氣體樣品容器中存在真空時)。此外，氣體樣品容器406使得ILS激光器500在檢測具有波動壓力的氣體樣品時能夠穩(wěn)定工作?？扇〉氖?，容器406由一個大小為10到90毫米的不銹鋼或鋁制盒體構(gòu)成。可取的是，容器406具有對稱地位于氣體樣品容器406的中央位置的一個開口?？扇〉氖?，將容器406上開口的直徑選擇為明顯大于輸入光束的直徑，以便容易實現(xiàn)對于氣體樣品系統(tǒng)400A的光學(xué)準(zhǔn)直調(diào)整。窗口404和405的厚度最好經(jīng)過選擇，以避免可能對利用氣體檢測系統(tǒng)10得到的ILS吸收光譜的質(zhì)量產(chǎn)生干擾的干涉效應(yīng)的發(fā)生。根據(jù)這一點，用于構(gòu)成窗404和405的材料最好選擇那些使在ILS激光器工作的波長區(qū)域，例如1350到1550納米(nm)范圍內(nèi)吸收損失最小的材料。例如窗口404和405可以用光學(xué)材料，如可從ResearchElectroOpticsofBoulder，CO公司購得的InfrasilTM制成。窗404和405可取的是按照布魯斯特角取向并具有防反射涂層，以進(jìn)一步減少在窗口表面上的反射損失。具有這種結(jié)構(gòu)，氣體樣品容器406就可以允許光束H通過要進(jìn)行分析的氣體樣品。適當(dāng)選擇連通器408和409，以提供便利的調(diào)整條件，例如在不明顯改變閾值泵浦條件的情況下，在ILS激光器500中重新改變和/或準(zhǔn)直窗口404、405在光路中的位置。在使用系統(tǒng)400A的情況下，諧振腔可取的是由鏡面501、503和505(包括激光器晶體507和窗口404、405之間的區(qū)域以及構(gòu)成樣品系統(tǒng)400A的窗口404和405本身)之間的物理長度所限定。在系統(tǒng)400A設(shè)置在檢測腔400中的情況下，完全地除去或消除檢測腔400中任何被檢測氣體(污染物)是十分必要的，因為這樣做可以使利用氣體檢測系統(tǒng)10對包含在系統(tǒng)400A中的氣體樣品內(nèi)的那些氣體(污染物)的數(shù)量和存在進(jìn)行檢測得到的樣品的吸收光譜是準(zhǔn)確的。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，檢測腔400是一個密封容器，既可以從中濾凈待檢測的氣體(污染物)，也可以抽真空排除待檢測的氣體(污染物)，或者將其中氣體(污染物)的含量降低到樣品系統(tǒng)400A中待檢測氣體的含量以下。如下進(jìn)一步詳述的，通過例如抽氣，可以實現(xiàn)連續(xù)地除去污染物。參照圖2和圖4，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，ILS檢測腔400(除了樣品系統(tǒng)400A)可取地包括一個容器底座401和可拆卸的頂蓋410。窗口402、403分別以適當(dāng)方式位于腔體401的壁上相對于其間限定的光諧振腔適當(dāng)?shù)奈恢?。容器底?01和頂蓋410可取的是由不銹鋼或鋁制成。頂蓋410采用任何適宜采用抽真空、濾清和/或進(jìn)一步排除其中的污染物處理的常規(guī)技術(shù)固定在腔體401上。例如，墊圈410A或其它適合的結(jié)合密封器件的方法(例如機(jī)械輔助部件、金屬焊封、粘膠，以及沒有表示出的類似物)都可以用于此目的?？扇〉氖?，在檢測裝置傳送到使用者之前，底座401和頂蓋410就以相對防篡改的形式有效地加以密封。為了濾清或抽真空檢測腔400，設(shè)置了一根用于真空泵浦和/或濾清用的導(dǎo)入管411以及用于真空泵浦和/或濾清的導(dǎo)出管412。在容器的壁401上設(shè)置有窗口402、403，從而提供了進(jìn)出ILS檢測腔的光通道?？扇〉氖?，窗口402上具有一層防反射(AR)涂層。另一方面，可取的是窗口403為一個不具有防反射涂層的光學(xué)窗口。窗口402經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計對于波長為λp的光具有最大的透射率。同樣，窗口403經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計，對于在ILS激光器500的工作波長范圍的光具有最大的透射率。更具體地說，減少在檢測腔400(除了樣品系統(tǒng)400A)中的氣體到可接受的水平的方法可以包括對帶有頂蓋410的可密封的容器401進(jìn)行濾清或抽真空，使得其中氣體(污染物)的含量低于樣品系統(tǒng)內(nèi)的氣體樣品中的待檢測氣體(污染物)的含量。可以理解，當(dāng)檢測腔中氣體濃度(1)與氣體樣品盒中氣體濃度(2)的比值等于諧振腔的長度(1)(即鏡面501與鏡面505之間的長度)與在氣體容器中穿過的ILS激光束的長度(2)的比值時，由檢測腔400中氣體產(chǎn)生的光損失與氣體樣品容器中的氣體樣品產(chǎn)生的光損失將是可比較的。在污染物含水蒸氣的情況下，需要將檢測腔中水蒸氣的含量減少到低于樣品中包含的水蒸氣的含量。根據(jù)本發(fā)明，可以得到最高達(dá)到10ppt的檢測靈敏度。雖然在本發(fā)明中可以采用任何已知的或在今后提出的從檢測腔400(不包括樣品系統(tǒng)400A)中去除污染物(例如水)的方法，但是可取的是，將檢測腔400適當(dāng)密封，并充入惰性氣體，如氮氣。在某些情況下，可能需要進(jìn)一步將檢測腔400抽真空，從而形成將其中包含的所有污染物都排除的真空環(huán)境。此外，在抽真空的同時加熱檢測腔400也是有用的。如果在連續(xù)抽真空的過程中首先加熱或“烘烤”檢測腔400，然后將其冷卻能夠達(dá)到更高的真空度。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在檢測腔400中還可以使用一種吸收體(未示出)以進(jìn)一步清除檢測腔中的水分。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)理解，可以使用能夠連續(xù)吸收水分的一種吸收體(例如一種分子海綿)以便將檢測腔中水(污染物)的含量降低到在氣體樣品盒406中待檢測的水濃度以下(例如小于10ppt)。可取的是通過將一條氣體管線與連通器408、409相連并將氣體輸入樣品系統(tǒng)400A(例如當(dāng)樣品中包含一種腐蝕性氣體時)可以使氣體樣品輸送到系統(tǒng)400A中。但是，在樣品不與激光器部件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下，氣體樣品區(qū)域名義上可以由鏡面501、503和505(除了激光晶體507以外)之間的實際區(qū)域限定。一種樣品適合地通入檢測腔400本身(例如當(dāng)樣品是一種非腐蝕性氣體時)。如上所簡述的，ILS檢測裝置500適合于以光學(xué)方法檢測包含在放置于檢測腔400中的氣體樣品中的氣體組分(污染物、例如水蒸氣)。根據(jù)本發(fā)明，ILS激光器500包括裝載在一個晶體支撐架508上的一塊晶體(增益介質(zhì))507。晶體507適宜地裝載在晶體支撐架508上以使晶體507也相對于入射光束放置在最佳位置。如前所述，利用泵浦激光器100或采用光束成形組件200可以將入射光束適當(dāng)成形，使得入射光束F與ILS增益介質(zhì)(例如晶體507)的模體積較好地匹配。通常，ILS激光器500具有適合的結(jié)構(gòu)，使得腔內(nèi)區(qū)域中的激光光束在通過，例如包含在系統(tǒng)400A中的氣體樣品的區(qū)域中基本平行(即經(jīng)過象散補償?shù)?。雖然為此目的可以采用各種光學(xué)結(jié)構(gòu)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些鏡面結(jié)構(gòu)是特別適用的。這種結(jié)構(gòu)使得可以對ILS激光光束進(jìn)行準(zhǔn)確的象散補償，進(jìn)而可以同時滿足在產(chǎn)生激光閾值下泵浦ILS激光器500和產(chǎn)生在通過如包含在系統(tǒng)400A中的氣體樣品時基本平行的激光光束所需的光學(xué)條件。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，為了實現(xiàn)這個目的采用了相應(yīng)鏡面501、505和一個折疊式反射鏡503。鏡面501可取的是由具有防反射涂層、最佳中心波長約為λp的一個光學(xué)鏡面構(gòu)成。鏡面501也可以具有在ILS激光器500工作的所需光譜區(qū)域有效地產(chǎn)生約99.8％到100％反射率的涂層?？扇〉氖晴R面501由一個凹面鏡構(gòu)成。例如，鏡面501可以具有大約10厘米的曲率半徑(ROC)和大約1.0到1.3厘米的直徑?？扇〉氖晴R面503由一個具有與鏡面501相似結(jié)構(gòu)和相似反射涂層的折疊式反射鏡構(gòu)成?？扇〉氖晴R面505由一個平面鏡(ROC≈∞)構(gòu)成。參照圖2，鏡面505的一側(cè)，即朝向鏡面503的一側(cè)具有在ILS激光器500產(chǎn)生激光所需的光譜范圍的反射涂層。鏡面505的另一側(cè)最好沒有涂層?？扇〉氖?，鏡面505的表面加工成彼此之間成大約0.5到3.0度，最好為約1.0度角的若干尖劈形狀。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以這種方式將表面制成尖劈形可以使導(dǎo)致干涉效應(yīng)的不希望的反射達(dá)到最小。安裝件502、503和506能夠進(jìn)行機(jī)械調(diào)整以準(zhǔn)直檢測腔400中的ILS內(nèi)腔的光路。通過對鏡面501、503和505合適的設(shè)計、布置和構(gòu)造，光束H在鏡面503和505之間的區(qū)域中是基本平行的(即平行光)。因此，可以將樣品系統(tǒng)400A插入腔內(nèi)區(qū)域而不會對ILS激光器500的工作性能產(chǎn)生明顯有害的影響。但是，應(yīng)當(dāng)理解，ILS激光器500中任何反射表面(例如鏡面和窗口)之間的距離必須使得在ILS激光器內(nèi)不會產(chǎn)生任何干涉效應(yīng)。如果反射表面之間的距離等于可與ILS激光器晶體507工作波長比較的波長的整數(shù)倍就會產(chǎn)生干涉圖形。ILS激光器晶體507最好工作在適于檢測包含在氣體樣品中的污染物(例如水蒸氣)的一個波長范圍內(nèi)，在這個波長范圍內(nèi)可以得到清晰的吸收光譜。如前面提到的，激光器晶體507通常表現(xiàn)出多模式激光系統(tǒng)的特性?？梢岳斫猓す馄骶w507的輸出的模間隔需要足夠小以準(zhǔn)確地體現(xiàn)氣體樣品的吸收特征譜線。激光器晶體507產(chǎn)生的光可取地具有小于約1吉赫茲(GHz)的模間隔，從而保證吸收帶光譜的準(zhǔn)確重復(fù)。一種特別優(yōu)選的激光器增益介質(zhì)由一塊以布魯斯特角切割的晶體507構(gòu)成以使反射損失最小。目前可用的激光晶體雖然發(fā)光效率提高了，但是由它們引起的光損失也很大。這些光損失轉(zhuǎn)變成熱。根據(jù)本發(fā)明，晶體507適合地以能夠有效地消散在工作中產(chǎn)生的熱量的方式安裝。但是，應(yīng)當(dāng)理解，隨著新的晶體的開發(fā)，激光晶體507的發(fā)光效率不斷提高，對于散熱裝置的需求將會減少，或者從某種意義上講，光損失將足夠小以使得對散熱的要求無需存在。但是，采用目前可以使用的晶體，ILS激光器系統(tǒng)500最好還是包括一個散熱系統(tǒng)500A。繼續(xù)參照圖2，并同時參照圖5，散熱系統(tǒng)500A與支撐架508和晶體507(在圖5中未示出)相連接。如在圖5中清楚表示的，支撐架508可取的是由適當(dāng)放置的一個兩部分支撐架構(gòu)成以便在機(jī)械上支撐激光晶體507。散熱系統(tǒng)500A可取的是包括一個銅散熱臺座510、一個熱電冷卻器509、和一個熱電傳感器511。此外，在檢測腔400的殼體401上(見圖4)設(shè)置了一個電溫度控制接口512。帶有臺座510、冷卻器509、和傳感器511的支撐架508用于使晶體507相對于ILS激光器500的其它光學(xué)元件光學(xué)準(zhǔn)直，還能夠控制晶體的熱特性。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，散熱系統(tǒng)500A與晶體507直接產(chǎn)生物理接觸。由于光束F的光激發(fā)引起的、晶體507正常工作所產(chǎn)生的熱量通過光束F的光激發(fā)被有效地從晶體507導(dǎo)出，從而保持相對恒定的晶體工作溫度。特別是，在本發(fā)明中，激光晶體507的溫度保持恒定，溫度誤差在大約±1℃°的范圍內(nèi)?？扇〉氖?，支撐架508由銅/鋁制成，與冷卻器509和散熱臺座510直接相連?？扇〉氖巧岬鬃?10包括一個位于檢測腔400的殼體401中的銅散熱件，以便將產(chǎn)生的過熱從晶體507中散掉。傳感器511測量支撐架508、冷卻器509、底座510和晶體507的溫度以保持最佳的工作溫度。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，實現(xiàn)了對晶體507的熱控制，從而不再需要對氣體檢測系統(tǒng)10的工作造成不必要的影響和使之復(fù)雜化的冷卻液體。ILS激光系統(tǒng)500經(jīng)過適當(dāng)設(shè)置，使得激發(fā)晶體507的光束和從鏡面503反射的光束之間的夾角()為20°至30°，更可取的是23°到27°，最好為25°。這束光(光束H)是導(dǎo)向樣品系統(tǒng)400A的。從ILS激光器500輸出的光束G在通過樣品系統(tǒng)400A之后被導(dǎo)向光譜儀組件600。如圖2所示，通過使用恰當(dāng)安裝在鏡面支撐架602中的一個折疊式反射鏡601，可以實現(xiàn)這種光束導(dǎo)向?？扇〉氖晴R面601由一個其上帶有對于ILS激光器500工作的光譜區(qū)域具有全反射性的涂層的平面鏡構(gòu)成。繼續(xù)參照圖2，光譜儀組件600包括用于光譜解析一束相干光束，特別是，在所檢測的樣品中的污染物的吸收光譜的色散光柵?？扇〉氖?，光譜儀組件600的光譜色散能力大到以足清楚地解析這些污染物的吸收特征譜線，從而能夠識別每種污染物的“特征”和定量測定污染物的濃度。盡管根據(jù)本發(fā)明，任何已知的或在今后提出的光譜儀都可以被使用，但是可取的是，光譜儀600包括兩個衍射光柵組件600A和600B，與一個光束擴(kuò)展組件600C和一個聚焦透鏡組件600D給合在一起工作?？扇〉氖枪庾V擴(kuò)展組件600C包括借助于支撐件604和606恰當(dāng)安裝在氣體檢測系統(tǒng)10中的透鏡603和605。可取的是透鏡603為一個負(fù)透鏡，透鏡605為一個準(zhǔn)直透鏡；每個透鏡上涂有中心波長在被檢測的樣品中污染物的吸收光譜內(nèi)的防反射涂層。衍射光柵組件600A和600B分別包括安裝在各個衍射光柵支撐件608和610上的衍射光柵607和609。可以理解，支撐件608和610可以使得衍射光柵607、609在光譜儀組件600中進(jìn)行調(diào)整。透鏡611將光譜儀的輸出聚焦到多通道陣列檢測器701上，可取的是，透鏡611也具有中心波長在污染物的吸收光譜范圍內(nèi)的防反射涂層。ILS激光器500工作的光譜區(qū)域是由光譜組件600形成的，并且在空間上分布于多通道陣列檢測器701在一個安裝支架702上安裝的平面。一個包含驅(qū)動該多通道檢測器701和從中讀取信息所需的控制和定時電路的電路板703與之相連接。因此，利用氣體檢測系統(tǒng)10能夠得到需要識別的特定污染物的完全光譜色散的吸收光譜。污染物的特定吸收特征譜線的位置和相對強(qiáng)度可以用于唯一地識別檢測氣體(污染物)以及定量地檢測所檢測的氣體(污染物)的含量。檢測器701可以由，例如一個InGaAs多通道(256象素，100微米間隔)陣列檢測器構(gòu)成?？扇〉氖怯啥嗤ǖ罊z測器701檢測的光信號在各個檢測器元件(象素)中被轉(zhuǎn)換成電信號，其后這些信號由電路板703傳輸?shù)揭粋€模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)801中。轉(zhuǎn)換器801通過一個BNC接插件和屏蔽電纜704與電路板相連，從而確保準(zhǔn)確地傳輸信息。數(shù)據(jù)經(jīng)過如此轉(zhuǎn)換后，被輸入一臺計算機(jī)802，計算機(jī)通過一定程序?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換成光譜信息，即識別一種具體的氣體(污染物)和氣體(污染物)濃度的光譜特征。現(xiàn)在參見圖2，如前所述，當(dāng)泵浦激光器100使得ILS激光器在其閾值處或在該閾值附近工作時，氣體檢測系統(tǒng)10檢測ILS激光器工作的光譜解析區(qū)域。如上所述，半導(dǎo)體二極管激光器的輸出光束是高度反對稱和/或象散的。因此，由半導(dǎo)體二極管泵浦激光器100產(chǎn)生的、傳輸?shù)皆鲆娼橘|(zhì)(即晶體507)的泵浦輻射的體積與必須在ILS激光器500的增益介質(zhì)中光學(xué)激發(fā)的體積沒有適當(dāng)?shù)仄ヅ洹Ｒ蚨霉馐{(diào)整系統(tǒng)200以促進(jìn)這種體積匹配；即通過將所需的光子密度聚焦在ILS激光器的增益介質(zhì)的正確位置和體積使傳輸?shù)絀LS激光器500的輻射量最佳。具體地說，利用光束調(diào)整系統(tǒng)200改變驅(qū)動裝置100的泵浦輻射以滿足激光器500的要求。為了校正二極管泵浦激光器的輸出光束(光束E)的象散、反對稱、和發(fā)散，可以使用普通的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)和/或微型光學(xué)系統(tǒng)，將它們放置在距半導(dǎo)體二極管激光器幾個微米的范圍內(nèi)?？梢杂糜谡{(diào)整二極管泵浦激光器100的輸出光束(光束E)的形狀的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的例子包括光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡，或者一對合成棱鏡。繼續(xù)參照附圖2，在某些應(yīng)用中，可能需要將入射光束適當(dāng)?shù)氐鼐劢沟絀LS激光器500的激光增益介質(zhì)(例如摻雜離子的晶體或玻璃)507中。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，可以在激光器透鏡支架207中方便地安裝一個聚焦透鏡206，使得聚焦透鏡206位于光束F的光路中適當(dāng)?shù)奈恢?。根?jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選的方面，可取的是，聚焦透鏡206包括一個光學(xué)聚焦透鏡，其上涂有中心波長為λp的防反射涂層。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，利用氣體檢測系統(tǒng)10測得的定量信息的質(zhì)量至少部分依賴于ILS激光器500的穩(wěn)定操作。在本發(fā)明中，激光器500的穩(wěn)定性主要依賴于如何可重復(fù)地使ILS激光器500達(dá)到閾值?？梢栽O(shè)想，泵浦激光器100在閾值附近連續(xù)地泵浦ILS激光器500，在閾值附近可以得到最大的靈敏度。但是，并不是所有的驅(qū)動裝置都能夠連續(xù)地穩(wěn)定工作。此外，連續(xù)工作尚需付出相當(dāng)?shù)呐σ跃S持ILS激光器500的幅值和波長穩(wěn)定性，但是這可能造成成本提高，因而又削弱了這種氣體檢測系統(tǒng)10的商業(yè)競爭力。作為使ILS激光器500連續(xù)工作的另一種方式，并根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，ILS激光器以“脈沖模式”或“斷續(xù)模式”工作。如在本申請中所使用的含義，術(shù)語“脈沖模式”和“斷續(xù)模式”指的是使ILS激光器500(離子摻雜晶體)重復(fù)地受到泵浦輻射的照射，從而使ILS激光器反復(fù)開關(guān)的方式。斷續(xù)模式相應(yīng)于使泵浦輻射以固定頻率和固定的(常常是對稱的)工作循環(huán)周期在零強(qiáng)度與一個固定的強(qiáng)度之間變換。相反，脈沖模式相應(yīng)于使泵浦輻射以可能是變化的、并且通常是不對稱的工作循環(huán)在零強(qiáng)度與一個非零強(qiáng)度(不需要固定)之間變化。(或者，可以調(diào)制泵浦輻射，使得泵浦光束的強(qiáng)度不達(dá)到零強(qiáng)度，但是在至少兩個使ILS激光器在閾值上下交替變化的強(qiáng)度量值之間變動。)通過以斷續(xù)模式或脈沖模式工作，可以以保持商業(yè)可行性的方式實現(xiàn)ILS激光器500進(jìn)行定量光譜和濃度測量所需的穩(wěn)定工作。這種強(qiáng)度調(diào)制(例如中斷)可以通過使用，尤其是，可機(jī)械操作的斬光器、聲光調(diào)制器、快門，和諸如此類的器件實現(xiàn)?；蛘?，可以調(diào)制泵浦激光器100的輸出光強(qiáng)度，而不是對輸出光束(光束E)另行斬光。特別是，可以調(diào)制二極管激光器的電源功率，以交替得到大于或小于使ILS激光器500產(chǎn)生激光的電壓。因而，ILS激光器500可以被開啟或關(guān)閉。雖然根據(jù)本發(fā)明任何已知的或以后提到的產(chǎn)生斷續(xù)模式或脈沖模式的方法都可以采用，但是比較有利的是通過使用調(diào)制組件300實現(xiàn)這些模式。根據(jù)需要，裝置300不控制泵浦光束，而是同步地調(diào)制從檢測腔400出射的ILS激光器輸出光束的強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，利用一個能夠周期地阻擋和通過泵浦激光光束E的調(diào)制組件300周期地阻擋光束E進(jìn)入ILS激光器500。應(yīng)當(dāng)理解，調(diào)制組件300可以由各種能夠周期地阻擋或調(diào)制泵浦激光器光束的器件，例如機(jī)械的、或電光的器件構(gòu)成。如前所述，根據(jù)本發(fā)明，從泵浦激光器100中發(fā)出的泵浦輻射的強(qiáng)度只需低于使ILS激光器500達(dá)到閾值所需強(qiáng)度，所以不需要達(dá)到零值。但是，還應(yīng)當(dāng)理解，從泵浦激光器100傳送到ILS激光器500中的總的泵浦光能量(即總強(qiáng)度)在每個調(diào)制周期中必須保持恒定。在脈沖模式或斷續(xù)模式下，都可以周期地從包含吸收信息的ILS激光器500的輸出中采樣。有利的是，在調(diào)制器304調(diào)制從檢測腔400出射的ILS激光器500輸出光束的同時，調(diào)制泵浦激光器100的輸出光束E，從而周期地對ILS激光器的輸出采樣。調(diào)制組件300交替地阻擋到達(dá)ILS激光器500的增益介質(zhì)(例如晶體507)的泵浦光束E，而調(diào)制器304交替地阻擋從檢測腔400出射的ILS激光光束，使之不進(jìn)入光譜儀組件600和檢測器組件700。從檢測腔400出射的ILS激光器輸出光被導(dǎo)向調(diào)制器304。根據(jù)本發(fā)明的各個方面，調(diào)制器304由一個聲光調(diào)制器構(gòu)成。但是，應(yīng)當(dāng)理解，其它可以應(yīng)用的器件，例如其它機(jī)械操作的斬光器，或甚至快門也適用于此目的。如上面所討論的，為了從ILS激光器500的輸出光束中取得定量信息，調(diào)制器304周期地從ILS激光器輸出光束中所包含的包含在具體樣品中的污染物(例如氣體組分)的吸收數(shù)據(jù)中采樣。(可以理解，還可以不使用調(diào)制器304，而是交替開關(guān)檢測器組件700以周期地從ILS激光器的輸出中采樣，下面將對此進(jìn)行更詳細(xì)的討論。)雖然調(diào)制器的具體形式是可以變化的，但是使用調(diào)制能夠在ILS激光器500中產(chǎn)生可重復(fù)的、有效的光路長度。換句話說，通過改變激光發(fā)生時間(tg)，即在ILS激光器500中可以產(chǎn)生腔內(nèi)模式競爭的時間周期，可以控制和選擇內(nèi)諧振腔中有效吸收路徑長度以實現(xiàn)ILS氣體檢測器10的最佳定量應(yīng)用方式?？扇〉氖?，對于泵浦激光器100的輸出光束的調(diào)制與調(diào)制器件304同步進(jìn)行，從而能夠以按時間分辨的方式從ILS激光器500的輸出中獲取定量信息。通過使泵浦光束E經(jīng)過調(diào)制組件300，可以有效地將泵浦輻射E周期地傳送到ILS激光器500。周期地傳送輻射使ILS激光器500交替地位于閾值之上和閾值之下。在發(fā)生時間tg之后當(dāng)ILS激光器500達(dá)到其閾值時，ILS激光器500的輸出光束被調(diào)制器304折射到光譜儀組件600和檢測器組件700的入口以進(jìn)行檢測。但是，ILS激光器500的輸出光G束僅僅在由調(diào)制組件301和調(diào)制器件304同步調(diào)制所確定的一個很短的時間間隔里被折射到光譜儀組件600和檢測器組件700中。調(diào)制組件300和調(diào)制器件304的同步確保了在一個精確限定的時間間隔(tg)里對ILS激光器500的輻射進(jìn)行采樣。調(diào)制組件301和調(diào)制器件304的同步可以利用多種常規(guī)方法，例如通過與氣體檢測系統(tǒng)10可操作地連接的計算機(jī)802控制的一個數(shù)字電路(未示出)的電控制方法來實現(xiàn)。通常，調(diào)制組件301和3調(diào)制器件04的同步適合于形成小于300到500微秒量級，可取的是小于10到100微秒量級，最好是小于1微秒量級的發(fā)生時間(tg)。這種同步使得調(diào)制組件300允許泵浦激光器100的輸出光束在調(diào)制器304關(guān)閉時可以不間斷地通過。泵浦激光器100的輸出沒有被調(diào)制組件300中斷之時與調(diào)制器304打開時之間的時間間隔由tg確定。通過使泵浦激光器100的輸出脈沖化就可以不使用調(diào)制器304而改變發(fā)生時間tg。如上所述，脈沖化相當(dāng)于使泵浦輻射在一個可能變化的工作循環(huán)周期中在零強(qiáng)度與一個非零強(qiáng)度值(不需要是一個固定值)之間改變，從而使ILS激光器500交替地在閾值上下變化。由此，ILS激光器500關(guān)閉和打開。通過改變泵浦激光器100的工作循環(huán)可以改變ILS激光器500發(fā)出激光的時間，特別是，泵浦激光器將ILS激光器泵浦到閾值的時間。因此，發(fā)生時間(tg)，即在ILS激光器500中可以發(fā)生腔內(nèi)模式競爭的時間周期，發(fā)生了變化。在這種情況下，檢測器組件700保持連續(xù)的工作狀態(tài)，從檢測腔400出射的ILS激光器輸出光束可以連續(xù)地進(jìn)入光譜儀組件600和檢測器組件。但是，如上所述，在每個調(diào)制周期內(nèi)從泵浦激光器100傳送到ILS激光器500的總的泵浦光能量或總的強(qiáng)度必須保持恒定，即使在這個過程中ILS激光器的輸出光束發(fā)生變化。為了維持恒定的總泵浦光能量，在tg將要改變的每個不同的調(diào)制周期中調(diào)節(jié)泵浦光束的強(qiáng)度值。因此，泵浦光束的強(qiáng)度和泵浦激光器100將ILS激光器500泵浦到閾值的時間都被改變以形成不同的發(fā)生時間。利用一個“脈沖發(fā)生器”在外部控制泵浦光束的傳輸可以使泵浦激光器100的輸出脈沖化。或者，通過改變供給二極管激光器的電源功率調(diào)控二極管泵浦激光器的輸出強(qiáng)度。(如上所述，可以調(diào)控供給二極管激光器100的電源功率以交替地得到恰好高于或低于使ILS激光器500產(chǎn)生激光的電壓的電壓值。)因此，本申請已經(jīng)公開了一種利用氣體檢測系統(tǒng)10檢測在一種氣體樣品中的污染物的存在和濃度的裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，本申請還公開了一種高靈敏度檢測方法。這種方法包括下列步驟將樣品腔400中的氣體(污染物)的含量降低到可接受的水平，將待檢測的氣體樣品放入樣品系統(tǒng)400A中，在閾值處或在閾值附近泵浦ILS激光器500，周期地對ILS激光器的輸出采樣，可取的是借助于調(diào)制組件300，利用光譜儀組件600和檢測器組件700測量樣品中的氣體(污染物)的吸收光譜，利用計算機(jī)/軟件系統(tǒng)800分析吸收光譜以識別氣體組分(污染物)并確定其在樣品中的濃度。更具體地說，將樣品腔400(除了氣體樣品盒)中的氣體(污染物)含量降低到可接受的水平包括將可用頂蓋410密封的容器401濾清或抽真空，使得氣體(污染物)含量低于氣體樣品容器中氣體樣品所包含的氣體的含量。如前面所討論的，其它用于降低氣體(污染物)含量的機(jī)構(gòu)也可以采用，只要它們能夠?qū)怏w(污染物)含量降低到可接受的水平。可取的是，容器底座401用頂蓋410密封，并將包含在其中的污染物有效地清除(或減少到可接受的水平)。可取的是，在裝置到達(dá)使用者之前就采用相對防篡改方式將底座401和頂蓋410有效地密封。通過將氣體管線與連通器408、409相連，并將氣體輸入氣體樣品系統(tǒng)(例如當(dāng)樣品中包含腐蝕性氣體時)，或者輸入檢測腔400本身中(例如當(dāng)樣品中包含非腐蝕性氣體時)可以使樣品與系統(tǒng)400A保持較好的流通關(guān)系。更具體地說，在閾值處或在閾值附近泵浦ILS激光器500包括選擇正確的泵浦激光器100的功率、利用光束調(diào)整先路系統(tǒng)200和透鏡206在激光晶體507上的聚焦條件，以及利用調(diào)制系統(tǒng)300的調(diào)制條件。根據(jù)本發(fā)明檢測氣體組分的方法還包括在閾值處或在閾值附近但是大于閾值處驅(qū)動ILS激光器500。根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動裝置100適合地泵浦ILS激光器500。在需要的情況下，利用光束成形組件200將泵浦光束E適當(dāng)成形以滿足ILS激光器500的光學(xué)要求。此外，在氣體檢測系統(tǒng)10以脈沖模式或斷續(xù)模式工作的情況下，如上所述，調(diào)制組件，特別是，調(diào)制器301可以周期地中斷泵浦光束E，從而阻止光束E到達(dá)ILS激光器500。從調(diào)制器301和光束成形組件200中輸出的光束F被適合地導(dǎo)向ILS激光器500。根據(jù)這種方法，當(dāng)光束F從設(shè)置在密封容器壁401上的窗口402進(jìn)入檢測腔400時，光束F被導(dǎo)向ILS激光器500。當(dāng)光束F通過窗口402到達(dá)聚焦透鏡206時，可以對光束F進(jìn)行進(jìn)一步的聚焦和引導(dǎo)，其中聚焦透鏡206適合地聚焦光束F并引導(dǎo)其通過鏡面501。光束F在閾值處或在閾值附近適合地泵浦晶體507，輸出光束被諸如鏡面503和505適合地導(dǎo)向氣體樣品盒406中的氣體樣品。然后出射光束，其中包含氣體(污染物)樣品的吸收數(shù)據(jù)，通過適合地設(shè)置在密封容器壁401上的窗口403從氣體檢測腔400射出。使用調(diào)制器304，可取的是與調(diào)制器301同步，可以使ILS激光器500在脈沖模式或斷續(xù)模式下工作，所說調(diào)制器對ILS激光器的輸出光束周期地采樣，并將所得到的經(jīng)過采樣的輸出傳輸?shù)焦庾V儀組件600和檢測器組件700中?；蛘撸梢耘c調(diào)制器304同步地調(diào)制供給二極管激光器的電源功率?？扇〉氖牵R面601將經(jīng)過采樣的ILS激光器的輸出光束G導(dǎo)向光譜儀組件600和檢測器組件700?；蛘?，不使用調(diào)制器304，而是可以通過開關(guān)檢測器組件700對ILS激光器500的輸出進(jìn)行采樣。根據(jù)本發(fā)明用于檢測氣體樣品的方法還包括分析所采樣的ILS激光器500的輸出光束G。可取的是，光譜儀組件600進(jìn)行光譜解析，檢測器組件700適當(dāng)?shù)胤治鰪腎LS激光器500采樣的光束G。光譜儀組件600利用光束擴(kuò)展組件600C，衍射組件600A、600B和聚焦組件600D將ILS激光器500的輸出光束G進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓庾V分色。從光譜儀組件600出射的經(jīng)過光譜解析的ILS吸收數(shù)據(jù)經(jīng)過適當(dāng)?shù)目臻g分布由多通道檢測器701進(jìn)行檢測?？梢岳斫?，氣體檢測系統(tǒng)10和方法可以用于得到在一種腐蝕性氣體(如氯化氫)，或者非腐蝕性氣體(如氮氣)中的污染物，如水蒸氣在各個波長區(qū)域上的吸收光譜。根據(jù)強(qiáng)度與濃度的關(guān)系，在得到污染物氣體例如水蒸氣的特征譜線時，可以容易地得出包含在樣品中的污染物的濃度。根據(jù)本發(fā)明，計算機(jī)802可以適當(dāng)?shù)鼐幊桃苑治鰯?shù)據(jù)，并提供有關(guān)包含在樣品中的污染物的存在和/或濃度的輸出指示。在本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10的上述實施例中，ILS激光器500具有一個形成于三個鏡面(即鏡面501、503和505)的激光器腔，其中鏡面503是一個折疊式反射鏡。這種三鏡面結(jié)構(gòu)的設(shè)計目的是為了在鏡面503與505之間的區(qū)域中提供象散補償?shù)幕蚧酒叫械墓馐??；蛘撸景l(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10可以由一個包括一個簡化的激光器腔的ILS激光器500構(gòu)成。在本發(fā)明的變型實施例中，激光器腔不具有象散補償功能。相反，激光器腔可以形成在兩個鏡面之間，從而具有基本線性的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不具有象散補償?shù)墓δ堋５?，本發(fā)明的這個變型實施例所采用的線性激光腔設(shè)計能夠構(gòu)成一個更小、更簡單的氣體檢測系統(tǒng)10。所以，本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10的這個實施例與上述的實施例相比成本較低，操作也更容易。此外，本發(fā)明的這個變型實施例可以根據(jù)許多實際用途的需要制作得更加堅固或在機(jī)械方面更加穩(wěn)定。參見附圖6，本發(fā)明的一種氣體檢測系統(tǒng)10被圖示為包括一個具有激光器腔902的ILS激光器，其中激光器腔902是一個線性激光器腔?！熬€性激光腔”或“線性激光器諧振腔”指的是與僅僅形成在兩個鏡面之間的激光器等價的激光腔902。在這種最簡單的形式中，線性激光腔由一個形成在第一鏡面和第二鏡面之間的激光腔902構(gòu)成?？梢岳斫?，可以采用任何數(shù)量的輔助平面鏡以控制(即改變路徑)從第一鏡面到第二鏡面行進(jìn)的光束。但是，這些輔助鏡面的使用并不改變光束在激光腔902內(nèi)的形狀(在第一鏡面與第二鏡面之間的距離不改變的前提下)。因此，在激光器的激光腔902中加入輔助平面鏡不影響激光器的工作，而僅僅是改變激光器實際構(gòu)成的方式。所以，形成在第一鏡面與第二鏡面之間的激光腔902，其間包括輔助平面鏡，與僅僅形成在第一鏡面與第二鏡面之間的激光腔是等價的；去掉輔助平面鏡既不改變光束的形狀，也不改變激光器的工作方式。但是，采用這種輔助平面鏡可以將激光腔902安裝到受到空間限制的外殼中。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，ILS激光器500包括一個設(shè)置在一個線性的激光器腔902中的摻雜離子晶體507。包含設(shè)置在線性激光器腔902中的一塊摻雜離子晶體507的ILS激光器500是一種完全新穎的光學(xué)設(shè)計?？梢岳斫猓景l(fā)明的基于線性激光器腔902的ILS激光器500比現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)計需要較少的和較簡單的光學(xué)元件。在本發(fā)明的第二實施例中，泵浦源100可以由一個半導(dǎo)體二極管激光器、一個固體晶體激光器(例如NdYAG)、一個氣體激光器、一個或幾個閃光燈、或者任何其它工作在適合于泵浦ILS激光器500的波長λp的泵浦源構(gòu)成。但是可取的是，泵浦源100由一個二極管激光器構(gòu)成。ILS激光器500中的摻雜離子晶體507可以包括，例如，Tm3+，Tb3+YLF或Tm3+YAG晶體，可取的是，這些晶體在或接近室溫下工作。在本發(fā)明的實際應(yīng)用中也可以使用其它適合的摻雜離子晶體507。摻雜離子晶體507可以包括，例如，其它摻雜離子的電子振動激光晶體。適合應(yīng)用于本發(fā)明的ILS激光器500中的摻雜離子晶體507的實例列在表1中。但是，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說很顯然，其它的摻雜離子晶體507也是可以使用的，只要它們適合于具體的應(yīng)用。因此，本申請中所公開的、包括列在表1中的這些摻雜離子晶體507并不是窮舉?，F(xiàn)在參見表1，其中提供了能夠被二極管泵浦激光器100光學(xué)泵浦的晶體的清單。這些晶體由摻雜有離子的一種主晶體構(gòu)成。所列舉的主晶體包括以下的晶體YAG，釔鋁石榴石(Y3Al5O12)；YSO或YOS，原硅酸釔(Y2SiO2)；YSAG，釔鈧鋁石榴石(Y3Al5O12)；GSGG，釓鈧鎵石榴石(Gd3Sc2Ga3O12)；YLF，氟化鋰釔(LiYF2)；YSGG，釔鈧鎵石榴石(Y3Sc2Ga3O12)；LUAG，镥鋁石榴石(Lu3Al5O12)；CaYSOAP，(CaY4(Si2O3)4O)；CaLaSOAP氧化磷灰石硅酸鈣鑭(CaLa4(Si2O3)4O)；和玻璃。摻雜離子包括Cr，鉻；Tm，銩；Ho，鈥；Er，鉺。表1中與所列的晶體并列的是對應(yīng)于泵浦輻射的波長和所得到的晶體輸出的總波長。如圖6所示，摻雜離子晶體507的一端904上淀積有一層反射涂層。摻雜離子晶體507的另一端906以2°到3°的角度切割以減少干涉效應(yīng)。(可以設(shè)想以布魯斯特角切割摻雜離子晶體507的端部906，但是，僅僅在摻雜離子晶體足夠大的情況下才能適合這種切割。)圖6中所示的激光器腔902形成在第一鏡面(泵浦鏡面)908和第二鏡面(輸出鏡面)910之間。所說的第一鏡面908由淀積在摻雜離子晶體507的一端904上的反射涂層構(gòu)成。所說的第二鏡面910由一個曲面的反射鏡構(gòu)成。由于激光器腔902形成在僅僅兩個鏡面之間，所以它是一個如上所定義的線性腔。摻雜離子晶體507由泵浦光束F泵浦，泵浦光束如圖6所示入射到其上淀積有反射涂層的晶體一端904上。因此，摻雜離子晶體507被光學(xué)泵浦。摻雜離子晶體507的輸出光束(光束H)通過摻雜離子晶體的另一端906從激光器介質(zhì)中射出，所說的另一端906如上所討論的以一定角度切割以減少干涉效應(yīng)。從摻雜離子晶體507出射的輸出光束(光束H)穿過激光器腔902延伸到第二鏡面910。(可以理解，由于激光器腔902中光束，即光束H的折射，光束在以一定角度，例如大約2°到3°切割的摻雜離子晶體507的端部906會發(fā)生微小的彎折，例如大約2°到3°。)表1能夠被二極管激光器光泵浦的激光晶體1列表</tables>還可以理解，如圖6所示，使用縱向光學(xué)泵浦來泵浦ILS激光器500。本申請中所使用的術(shù)語“縱向光學(xué)泵浦”、“縱向泵浦”和“被縱向泵浦的”都是采用它們在本領(lǐng)域中通常的含義。具體地說，入射到一端904上的泵浦光束F沿著激光器腔902并按照與從摻雜離子晶體507產(chǎn)生的輸出光束(光束H)相同方向(或者以與摻雜離子晶體內(nèi)光束基本相同的方向)傳播，所說光束H沿著一條通過激光器腔的軸從第一鏡面908照射到第二鏡面910?？梢岳斫?，摻雜離子晶體507通常具有從一端904到另一端906延伸的一條對稱軸。縱向泵浦相當(dāng)于以平行于摻雜離子晶體507的對稱軸的方向進(jìn)行泵浦。類似地，由沿著激光器腔902和與摻雜離子晶體的通過激光器腔傳播到輸出鏡面910的輸出光束(光束H)的基本相同方向(或者沿著與摻雜離子晶體內(nèi)的光束基本相同方向)傳播的泵浦光束泵浦的摻雜離子晶體507被稱為沿縱向泵浦的。換一種方式，可以使用橫向光學(xué)泵浦來泵浦ILS激光器500。本申請中所使用的術(shù)語“橫向光學(xué)泵浦”、“橫向泵浦”、和被“橫向泵浦的”都是采用它們在本領(lǐng)域中通常的含義。具體地說，摻雜離子晶體507可以由入射到摻雜離子晶體一側(cè)如圖6中所示的側(cè)面912上的泵浦光束泵浦。橫向光學(xué)泵浦指的是泵浦光束，即入射到摻雜離子晶體507中的泵浦激光器100的輸出光束，沿垂直于摻雜離子晶體的對稱軸方向傳播的情況。采用橫向光學(xué)泵浦，泵浦光束沿著基本垂直于摻雜離子晶體507的輸出光束(光束H)的方向傳播，所說輸出光束沿著通過線性激光器腔902的一條軸從第一鏡面908延伸到第二鏡面910。特別是，由入射到摻雜離子晶體一側(cè)，例如側(cè)面912上的泵浦光束泵浦的摻雜離子晶體507被稱為是被橫向泵浦的。類似地，由基本垂直于摻雜離子晶體507的輸出光束(光束H)方向傳播的泵浦光束泵浦的一個摻雜離子晶體也被稱為是被橫向泵浦的，其中所說的光束H穿過激光器腔902延伸到輸出鏡面910。當(dāng)泵浦源100由一個半導(dǎo)體二極管激光器或一個固體晶體激光器(例如NdYAG)構(gòu)成使，可以采用縱向泵浦。相反，閃光燈或二極管激光器可以被用于橫向泵浦?？梢岳斫?，采用橫向泵浦時，可以使用一組閃光燈作為泵浦源100，從摻雜離子晶體507的一個以上的側(cè)面進(jìn)行泵浦。如圖6所示，在激光器腔902中設(shè)置有一個氣體樣品盒系統(tǒng)400A。氣體樣品盒系統(tǒng)400A如圖所示由帶有導(dǎo)入管408和導(dǎo)出管409的樣品盒406構(gòu)成。如上所述，對于非腐蝕性氣體來說，不需要樣品盒406，在這種情況下，氣體可以包含在整個激光器腔902中。根據(jù)本發(fā)明，摻雜離子晶體507的光學(xué)激發(fā)是由泵浦源100完成的。如圖6所示，泵浦激光器100可以由半導(dǎo)體二極管激光器914構(gòu)成，該激光器采用電源916供電，利用熱電冷卻器918進(jìn)行冷卻。半導(dǎo)體二極管激光器914和熱電冷卻器918安裝在一個散熱裝置920中以散掉半導(dǎo)體二極管激光器所產(chǎn)生的熱量。如上所述，半導(dǎo)體二極管激光器914的輸出光束(光束E)是高度反對稱和/或象散的。為了校正半導(dǎo)體二極管激光器914的輸出光束(光束E)的反對稱和/或象散，使用了光束成形組件200。光束成形組件200使得半導(dǎo)體二極管激光器914的輸出光束(光束E)能夠與包含在ILS激光器500中的ILS增益介質(zhì)(即摻雜離子晶體507)的模體積光學(xué)匹配。圖6表示光束成形組件200由顯微光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，該光學(xué)系統(tǒng)包括一對合成棱922鏡和一對透鏡924。或者，可以使用光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡或微光學(xué)系統(tǒng)，將它們放置在距半導(dǎo)體二極管激光器914幾微米的范圍內(nèi)?？梢岳斫猓琁LS激光器500能夠以連續(xù)模式(cw)或者以脈沖模式或斷續(xù)模式工作。如上所述，斬光相當(dāng)于使泵浦輻射以固定的頻率和固定(通常是對稱的)的工作循環(huán)在零強(qiáng)度和一個固定強(qiáng)度之間變化。比較起來，脈沖化相當(dāng)于使泵浦輻射在一個工作循環(huán)內(nèi)在零強(qiáng)度和一個非零強(qiáng)度(這個強(qiáng)度不需要是固定的)變化，所說的工作循環(huán)可以是變化的，通常它是反對稱的。(或者，可以調(diào)制泵浦輻射使得泵浦光束的強(qiáng)度不達(dá)到零強(qiáng)度，而是在至少兩個使ILS激光器500交替地處于閾值之上和閾值之下的強(qiáng)度值之間交替變化。)如上所述，已經(jīng)證明脈沖模式和斷續(xù)模式對于穩(wěn)定性和檢測靈敏度具有優(yōu)點?？扇〉氖牵琁LS激光器500在脈沖模式或斷續(xù)模式或其它經(jīng)過調(diào)制的模式下工作。但是，在某些環(huán)境下可以采用連續(xù)工作模式。如圖7所示，在泵浦激光光束F和摻雜離子晶體507之間可以插入一個機(jī)械的或光電的(例如聲光的)調(diào)制器926。該機(jī)械的或光電的調(diào)制器926由一個調(diào)制器驅(qū)動裝置928提供能量和控制。在泵浦源100由一個半導(dǎo)體二極管激光器914構(gòu)成的情況下，可以使從電源916供給半導(dǎo)體二極管激光器的電能脈沖化或經(jīng)過調(diào)制。給半導(dǎo)體二極管激光器914提供交變電壓，從而使得半導(dǎo)體二極管激光器的輸出在高強(qiáng)度和低強(qiáng)度之間浮動變化。該二極管激光器泵浦源100的輸出的高強(qiáng)度和低強(qiáng)度使得摻雜離子晶體507恰好在產(chǎn)生激光所需的閾值之上和閾值之下被光學(xué)激發(fā)。于是打開和關(guān)閉ILS激光器500。圖7表示通過待檢測的氣體組分的ILS激光器500的輸出(光束G)被導(dǎo)向光譜儀組件600。但是在到達(dá)光譜儀組件600之前，ILS激光器500的輸出(光束G)先通過調(diào)制器件304。根據(jù)本發(fā)明的各個方面，調(diào)制器件304由一個聲光調(diào)制器構(gòu)成。但是應(yīng)當(dāng)理解，其它適用的器件，例如其它機(jī)械的斬光器或者甚至一個快門都可以適用于此目的。如上所討論的，為了從ILS激光器500的出射光束中獲取定量信息，調(diào)制器304從含有包含在具體的樣品中的污染物(例如氣體組分)的吸收數(shù)據(jù)的ILS激光器500的輸出中周期地采樣。比較有利的是，在調(diào)制器件304適當(dāng)?shù)卣{(diào)制從激光器腔出射的ILS激光器500的輸出光束的同時，對泵浦激光光束F進(jìn)行調(diào)制，從而對ILS激光器的輸出周期地采樣。在調(diào)制器304交替地遮擋從激光器腔902出射的光束(光束G)的同時，調(diào)制器926交替地阻擋泵浦光束F進(jìn)入ILS激光器500的增益介質(zhì)(例如晶體507)?？梢岳斫猓耸褂谜{(diào)制器304之外，還可以交替地開關(guān)檢測器組件700以對ILS激光器500的輸出周期地采樣。對于泵浦源100的輸出光束的調(diào)制是與調(diào)制器件304同步進(jìn)行的，從而能夠以按時間分辨的方式從ILS激光器500的輸出中獲取定量信息。通過使泵浦光束F通過調(diào)制組件300可以有效地將泵浦輻射E周期地傳送到ILS激光器500(即摻雜離子晶體)。周期地傳送輻射使ILS激光器500交替地位于閾值之上和閾值之下。在發(fā)生時間tg之后當(dāng)ILS激光器500達(dá)到或大于其閾值時，ILS激光器500的輸出光束被調(diào)制器304折射到光譜儀組件600和檢測器組件700的入口以進(jìn)行檢測。但是，ILS激光器500的輸出光束G僅僅在由調(diào)制組件300和304同步調(diào)制所確定的一個很短的時間間隔里被折射到光譜儀組件600和檢測器組件700中。調(diào)制組件300和調(diào)制器件304的同步確保了在一個精確限定的時間間隔(tg)里對ILS激光器500的輻射采樣。泵浦激光器100的輸出沒有被調(diào)制組件300中斷時起到調(diào)制器304打開時之間的時間間隔由tg確定。通過使泵浦激光器100(例如半導(dǎo)體二極管激光器)的輸出脈沖化就可以不使用調(diào)制器304而改變發(fā)生時間tg。如上所述，脈沖化相當(dāng)于使泵浦輻射在一個可能變化的工作循環(huán)周期中在零強(qiáng)度與一個非零強(qiáng)度值(不需要是一個固定值)之間改變，從而使ILS激光器500(即摻雜離子晶體)交替地在閾值上下變化。由此，ILS激光器500關(guān)閉和打開。通過改變泵浦激光器100的工作循環(huán)可以改變ILS激光器500發(fā)出激光的時間，特別是，泵浦激光器100將ILS激光器泵浦到閾值的時間間隔。因此，發(fā)生時間(tg)，即在ILS激光器500中可以發(fā)生腔內(nèi)模式競爭的時間周期，發(fā)生了變化。在這種情況下，檢測器組件700保持連續(xù)的工作狀態(tài)，從檢測腔400出射的ILS激光器輸出光束可以連續(xù)地進(jìn)入光譜儀組件600和檢測器組件。但是，如上所述，在每個調(diào)制周期內(nèi)從泵浦激光器100傳送到ILS激光器500的總的泵浦光能量或總的強(qiáng)度必須保持恒定，即使在這個過程中ILS激光器的輸出光束發(fā)生變化。為了維持恒定的總光泵浦能量，在tg將要改變的每個不同的調(diào)制周期中調(diào)節(jié)泵浦光束的強(qiáng)度水平。因此，泵浦光束的強(qiáng)度和二極管泵浦激光器100將ILS激光器500泵浦到閾值的時間都被改變以形成不同的發(fā)生時間。利用一個“脈沖發(fā)生器”在外部控制泵浦光束的傳輸可以使泵浦激光器100，例如半導(dǎo)體二極管激光器914，的輸出脈沖化。或者，可以通過改變供給半導(dǎo)體二極管激光器914(泵浦源100)的電源功率調(diào)控二極管泵浦激光器的輸出強(qiáng)度。如上所述，可以調(diào)控供給半導(dǎo)體二極管激光器914的電源功率以交替地得到恰好高于或低于使摻雜離子晶體507產(chǎn)生激光的電壓的電壓值。因此，本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10可以具有下列結(jié)構(gòu)中的任何一種，這些結(jié)構(gòu)中的每一種都能夠改變發(fā)生時間(1)可以用一個外部斬光器(例如調(diào)制組件300)遮擋泵浦激光器100的輸出，并使檢測器700連續(xù)地保持工作狀態(tài)，用一個脈沖發(fā)生器(例如調(diào)制器304)控制ILS激光器500的輸出光束的傳輸，以便能夠周期地采樣；(2)可以用一個外部斬光器(例如調(diào)制組件300)遮擋泵浦激光器100的輸出，并周期地打開和關(guān)閉檢測器700，以便能夠周期地從ILS激光器500的輸出中采樣；(3)在泵浦源100是一個半導(dǎo)體二極管激光器914的情況下，可以通過改變半導(dǎo)體二極管激光器的電源功率使半導(dǎo)體二極管激光器的輸出脈沖化，并使檢測器700連續(xù)地保持工作狀態(tài)，利用從使ILS激光器產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體二極管激光器輸出的脈沖寬度控制ILS激光器500的輸出光束與氣體組分之間相互作用的持續(xù)時間；(4)可以利用一個外部的脈沖發(fā)生器(例如調(diào)制組件300)使泵浦源100的輸出脈沖化，并使檢測器700連續(xù)地保持工作狀態(tài)，利用從泵浦源產(chǎn)生的使ILS激光器產(chǎn)生激光的脈沖寬度控制ILS激光器500的輸出光束與氣體組分之間相互作用的持續(xù)時間；(5)在泵浦激光器100是一臺半導(dǎo)體二極管激光器914的情況下，可以通過改變供給半導(dǎo)體二極管激光器的電源功率截止半導(dǎo)體二極管激光器的輸出，并且可以使檢測器700連續(xù)地處于工作狀態(tài)，利用一個脈沖發(fā)生器(例如調(diào)制器304)控制ILS激光器500的輸出向檢測器的傳輸，以便能夠周期地采樣；和(6)在泵浦激光器100是一臺半導(dǎo)體二極管激光器914的情況下，可以通過改變供給二極管激光器的電源功率截止半導(dǎo)體二極管激光器的輸出，可以周期地開關(guān)檢測器700，以便能夠周期地對ILS激光器500的輸出采樣。如圖7所示，鏡面930和鏡面932將光束G導(dǎo)向光譜儀組件600的衍射光柵607和609。透鏡603和605用于在光束G入射到衍射光柵607和609之前將其擴(kuò)展。透鏡611將光譜儀組件600的輸出聚焦到一個與計算機(jī)802相連的多通道陣列檢測器701上。光譜儀組件600與多通道(多波長)檢測器701結(jié)合工作，從而能夠測量激光器腔902中的氣體組分的光譜特征?；蛘撸梢詫⑼ㄟ^待檢測的氣體組分的ILS激光器500的輸出(光束G)導(dǎo)向其中具有至少一個色散光學(xué)元什(例如衍射光柵607和609)的光譜儀組件600，其中這些元件可以被相對于波長掃描。然后，可以將光譜儀組件600的輸出導(dǎo)向一個單通道檢測器。當(dāng)通過光譜儀組件600傳輸?shù)墓馔ㄟ^設(shè)置在該單通道檢測器前面的一個適合的孔(例如狹縫)時，通過掃描色散光學(xué)元件可以得到激光器腔902中氣體組分的光譜特征。透過光譜儀組件600的光的強(qiáng)度，即光譜儀組件的輸出，當(dāng)掃描色散光學(xué)元件時被記錄下來。根據(jù)光譜圖中找到的吸收特征譜線的強(qiáng)度可以確定氣體組分的濃度。可以理解，光譜圖中找到的吸收特征譜線必須進(jìn)行標(biāo)定。由于腔內(nèi)激光光譜測量技術(shù)具有比現(xiàn)有技術(shù)提高的靈敏度，利用本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10使得以前不能測量的弱躍遷第一次變?yōu)榭蓽y量的。在這種情況下，這些弱躍遷可以用于識別光譜特征和確定氣體組分的存在。也可以利用該氣體檢測系統(tǒng)10標(biāo)定這種弱躍遷，從而能夠根據(jù)與這些弱躍遷相對應(yīng)的吸收特征譜線的強(qiáng)度確定氣體組分的濃度。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，采用本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10記錄的水蒸氣的吸收數(shù)據(jù)表示在圖8中。水的光譜圖是使用包含由Tm3+，Tb3+YLF制成的摻雜離子晶體507的一臺ILS激光器500得到的，所說晶體采用一臺半導(dǎo)體二極管激光器914光學(xué)激發(fā)。用于獲取吸收數(shù)據(jù)的氣體檢測系統(tǒng)10與圖7中示意性表示的系統(tǒng)相似，除了沒有使用調(diào)制器926。而是對半導(dǎo)體二極管激光器914的電源功率進(jìn)行調(diào)制。圖8表示了對應(yīng)于在波長為1450-1455nm之間的光譜區(qū)域中水的光譜圖的關(guān)系圖。在1452.5nm和1452.1nm處的水的吸收譜線分別用箭頭932和934表示?？梢岳斫?，ILS激光器500的輸出(光束G)也可以通過一根光纖交替地傳輸?shù)竭h(yuǎn)處以進(jìn)行分析。具體地說，光輸G可以耦合到一根光纖或一簇光纖束中。從而將通過氣體組分的ILS激光器500的輸出傳送到位于遠(yuǎn)處的光譜儀組件600中。在適當(dāng)?shù)臈l件下，已經(jīng)證明這種光纖傳輸不會干擾光譜數(shù)據(jù)。表2歸納了本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)。每種結(jié)構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明的一個實施例。列于表2中的、可以改變的設(shè)計參數(shù)包括以下參數(shù)(1)調(diào)制可以包括斬光器、脈沖發(fā)生器、或設(shè)置在泵浦源100之外的調(diào)制器或?qū)缱鳛楸闷衷?00的一臺半導(dǎo)體二極管激光器914的電源功率的調(diào)制；(2)氣體樣品可以限定在一個單獨的樣品系統(tǒng)400A中，或者可以限定在檢測腔(檢測室)400中；(3)ILS激光器500的輸出可以直接傳輸?shù)焦庾V儀組件600，或者通過耦合到光纖中再送入光譜儀組件；和(4)氣體組分的光譜圖可以利用一個固定波長的光譜儀和一個多通道檢測器701，或者利用一個掃描波長光譜儀和仰射單通道檢測器測得。表2本發(fā)明氣體檢測系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)的歸納調(diào)制樣品盒光學(xué)連接光譜儀/檢測器無(1)具有密封窗的腔內(nèi)樣品盒或(2)僅有檢測室(1)直接或借助鏡面引導(dǎo)光束或(2)光纖光學(xué)耦合器件(1)固定波長光譜儀和多通道檢測器或(2)掃描波長光譜儀和單通道檢測器斬光器脈沖發(fā)生器或調(diào)制器(位于泵浦源與ILS激光器之間)(1)具有密封窗的腔內(nèi)樣品盒或(2)僅有檢測室(1)直接或借助鏡面引導(dǎo)光束或(2)光纖光學(xué)耦合器件(1)固定波長光譜儀和多通道檢測器或(2)掃描波長光譜儀和單通道檢測器以電調(diào)制方式將二極管激光器電源功率調(diào)制到大于閾值和低于閾值(1)具有密封窗的腔內(nèi)樣品盒或(2)僅有檢測室(1)直接或借助鏡面引導(dǎo)光束或(2)光纖光學(xué)耦合器件(1)固定波長光譜儀和多通道檢測器或(2)掃描波長光譜儀和單通道檢測器</tabl>此外，調(diào)制器304可以控制ILS激光器500傳輸?shù)焦庾V儀組件600和檢測器組件700中，也可以開關(guān)檢測器組件700或檢測器，而不是使用調(diào)制器304。此外，通過使泵浦源100的輸出脈沖化，就可以在不使用調(diào)制器304的情況下使檢測器組件700保持在連續(xù)工作狀態(tài)。比較有利的是，可以使用二極管激光器泵浦對具有不同成分的各種不同類型的摻雜離子晶體507進(jìn)行光學(xué)激發(fā)，例如參見表1。因此，本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)10可以用于檢測在寬變化波長具有吸收特征譜線的多種氣體組分(即分子、原子、原子團(tuán)、和/或離子)。圖9列舉了一定數(shù)量的目前可以利用半導(dǎo)體二極管激光器914光學(xué)激發(fā)的摻雜離子晶體507，它們各自的可調(diào)諧范圍在大約1000至3000納米的波長范圍內(nèi)。所列舉的在室溫下以連續(xù)模式產(chǎn)生激光的摻雜離子晶體507包括以下晶體Yb3+YAG、Cr鎂橄欖石、Cr4+YAG、TmTbYLF、ErYb玻璃、Tm3+YAG/YSGG、Tm3+YLF、Er3+YLF。此外，包含CO2MgF2的摻雜離子晶體507在低溫冷卻時可以以連續(xù)模式工作，而包含Cr2+ZnSe的摻雜離子晶體可以在室溫下以脈沖模式工作。(可以理解，Cr2+ZnS/ZnSe/ZnTe可能的調(diào)諧范圍表示在圖9中)。圖9中還表示了某些氣體組分的近紅外光譜吸收。(可以理解，對于H2O2、CO、SO2、CH4、和NO吸收光譜的波長范圍是計算了諧波的。)因此，圖9表示了能夠利用一臺ILS激光器500檢測的氣體組分的一些實例，該激光器500包含一個摻雜離子晶體507，該晶體利用一臺半導(dǎo)體二極管激光器914光學(xué)泵浦。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可以用作光學(xué)泵浦源的半導(dǎo)體二極管激光器914是電動工作的。因此，二極管泵浦激光器100與其它光學(xué)泵浦源相比相對較小和緊湊。此外，由于二極管泵浦激光器所需的光學(xué)泵浦能量較低，所以ILS激光器500的熱控制比現(xiàn)有技術(shù)中的氣體檢測系統(tǒng)10較為容易。而且，與現(xiàn)有技術(shù)中的許多氣體檢測系統(tǒng)10相比，其成本降低，操作簡化。比較有利的是，本發(fā)明的線性激光器腔902比由三個鏡面限定的激光器腔設(shè)計包含較少的光學(xué)元件。因此，降低了外部腔的復(fù)雜性，從而增加了機(jī)械穩(wěn)定性(即牢固度)，而且降低了該氣體檢測系統(tǒng)10的成本。這種二極管泵浦激光器100和線性激光器腔902的小巧/緊湊的體積使得由此構(gòu)成的氣體檢測系統(tǒng)10適合于各種用途。具體地說，本發(fā)明包括二極管泵浦激光器100或線性激光器腔902的氣體檢測系統(tǒng)的緊湊性使之可以用于與氣體檢測的完全不同的應(yīng)用中。特別是，使用二極管泵浦激光器光學(xué)激發(fā)ILS激光器500的氣體檢測系統(tǒng)10可以應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、工藝控制、環(huán)境監(jiān)測、空氣質(zhì)量和安全鑒定、健康和安全鑒定、核能量生成、以及醫(yī)學(xué)診斷。根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法，檢測并分析ILS激光器500的輸出信號(光束G)以識別氣體組分(通過它的光譜特征)和確定它的濃度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，利用本發(fā)明可以得到的檢測靈敏度一般超過利用現(xiàn)有技術(shù)裝置可以得到的檢測靈敏度。此外，氣體檢測系統(tǒng)10可以在線使用，隨時得到有關(guān)包含在氣體樣品中的污染物的存在和濃度數(shù)值的接近實時的測量結(jié)果，從而避免了許多與使用現(xiàn)有技術(shù)裝置相關(guān)的缺點。特別是，本發(fā)明的方法提供了以在現(xiàn)有技術(shù)中不可能達(dá)到的檢測靈敏度就地快速地檢測氣體樣品中的水蒸氣的手段。應(yīng)當(dāng)理解，前面的描述涉及本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本發(fā)明并不限于這里所述的具體形式。在不脫離如所附的權(quán)利要求書所述的本發(fā)明范圍的前提下，對于本申請中所提出的各種元件的設(shè)計和排列結(jié)構(gòu)可以作出各種改變。此外，氣體檢測系統(tǒng)10的應(yīng)用以及ILS氣體檢測器的位置，例如在半導(dǎo)體制造設(shè)備中，可以根據(jù)需要加以變化。例如，在ILS檢測腔400中各種元件的具體位置以及氣體檢測系統(tǒng)10本身的具體位置可以改變，只要它們的結(jié)構(gòu)和位置能夠以容易重復(fù)的方式使ILS激光器被光激發(fā)。對于本發(fā)明的設(shè)計、排列結(jié)構(gòu)、以及應(yīng)用的現(xiàn)在所知的或今后被本領(lǐng)域技術(shù)人員所提出的這些和其它改進(jìn)都包括在所提出的權(quán)利要求書中。權(quán)利要求1.一種用于檢測在一種氣體樣品中的氣體組分的存在的氣體檢測系統(tǒng)(10)，它包括(a)一個激光器腔(902)；(b)一塊置于其中的、具有兩個端部的摻雜離子晶體(507)；(c)位于所說激光器腔(902)外面的一個半導(dǎo)體二極管激光器(914)，其輸出可光激發(fā)所說的摻雜離子晶體(507)，從而產(chǎn)生一個從所說激光器腔中射出的輸出光束；和(d)位于所說激光器腔(902)外的光束成形光學(xué)系統(tǒng)(200)，該系統(tǒng)使所說半導(dǎo)體二極管激光器(914)的輸出成形；和(e)用于將所說氣體樣品保持在所說激光器腔(902)中的一個容器(400、406)，所說摻雜離子晶體(507)的輸出在從所說激光器腔(902)出射之前首先通過所說的氣體樣品。2.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(tǒng)(10)，其特征在于所說摻雜離子晶體(507)的輸出光束在從所說激光器腔(902)出射之后被導(dǎo)向或者(a)以固定波長方式工作的一個光譜儀(600)和一個多通道檢測器(701)，或者(b)以掃描波長方式工作的一個光譜儀(600)和一個單通道檢測器。3.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(tǒng)(10)，其特征在于所說的摻雜離子晶體(507)包括從以下組中選擇出的一種激光晶體材料，所說的組包括CrTmHoYAG、Cr4+YSO、Cr4+YAG、Cr4+YSAG、ErGSGG、Er3+YLF、Er3+Yb3+玻璃、Ho3+YSGG、Ho3+Tm3+LuAG、Tm3+Ho3+YLF、Tm3+Ho3+YAG、Tm3+CaY皂、Tm3+YLF、Tm3+Tb3+YLF、Tm3+玻璃、Tm3+CaLa皂、Tm3+YOS、Tm3+YSGG、Tm3+YAG、Yb3+YAG、Cr橄欖石砂、ErYb玻璃、Co2+MgF2、Cr2+ZnSe和Cr2+ZnS/ZnSe/ZnTe。4.一種使用如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(tǒng)(10)檢測在一種氣體樣品中氣體組分的存在的方法，所說方法包括以下步驟(a)將所說二極管泵浦激光器(100)的輸出光束導(dǎo)向所說的摻雜離子晶體(507)；和(b)在所說摻雜離子晶體(507)的輸出光束從所說激光器腔(902)出射之后將其導(dǎo)向一個檢測器組件(700)以測定在所說氣體樣品中氣體組分的存在和/或濃度。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所說的半導(dǎo)體二極管激光器(914)在兩個強(qiáng)度值之間周期地轉(zhuǎn)換，從而使得所說摻雜離子晶體(507)的輸出光束交替開關(guān)。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于利用從以下一組方式中選擇的一種技術(shù)周期地轉(zhuǎn)換所說半導(dǎo)體二極管激光器(914)的輸出，所說的一組方式包括斬光、脈沖化，從而使得所說半導(dǎo)體二極管激光器(914)的輸出在可以改變的工作循環(huán)中在零強(qiáng)度和一個非零強(qiáng)度之間交替變化，調(diào)制，以及改變供給所說半導(dǎo)體二極管激光器(914)的電源功率。7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于周期地阻擋從所說激光器腔(902)出射的輸出光束進(jìn)入所說檢測器組件(700)，或者周期地開關(guān)所說檢測器(701)。8.一種用于檢測在一種氣體樣品中的氣體組分的存在的氣體檢測系統(tǒng)(10)，它包括(a)形成在第一鏡面(908)與第二鏡面(910)之間的一個線性激光器腔(902)；(b)一塊設(shè)置在所說線性激光器腔(902)中的摻雜離子晶體(507)；(c)位于所說線性激光器腔(902)外面的一個泵浦源(100)，其輸出光激發(fā)所說的摻雜離子晶體(507)，從而產(chǎn)生一個從所說線性激光器腔(902)中射出的輸出光束；和(d)用于將所說氣體樣品保持在所說線性激光器腔(902)中的一個容器(400、406)，所說摻雜離子晶體(507)的輸出在從所說線性激光器腔(902)出射之前首先通過所說的氣體樣品。9.如權(quán)利要求8所述的氣體檢測系統(tǒng)(10)，其特征在于所說泵浦源(100)是從包含氣體激光器、固體晶體激光器、半導(dǎo)體二極管激光器(914)、和至少一個閃光燈的一組中選擇的。10.如權(quán)利要求9所述的氣體檢測系統(tǒng)(10)，其特征在于所說的線性激光器腔(902)包括至少一個插在所說的第一鏡面(908)和第二鏡面(910)之間的、用于光束控制的附加平面鏡。11.如權(quán)利要求8所述的氣體檢測系統(tǒng)(10)，其特征在于所說的摻雜離子晶體(507)是縱向泵浦的或橫向泵浦的。12.一種使用如權(quán)利要求8所述的氣體檢測系統(tǒng)(10)檢測在一種氣體樣品中氣體組分的存在的方法，所說方法包括以下步驟(a)將所說泵浦源(100)的輸出光束導(dǎo)向所說的摻雜離子晶體(507)；和(b)在所說摻雜離子晶體(507)的輸出光束從所說線性激光器腔(902)出射之后將其導(dǎo)向一個檢測器組件(700)以測定在所說氣體樣品中氣體組分的存在和/或濃度。全文摘要利用腔內(nèi)激光光譜(ILS)技術(shù)以光學(xué)方式檢測濃度低于百萬分之一(ppm)和接近太分之一(ppt)的污染物。采用一種光學(xué)泵浦的固體激光器(ILS激光器)500作為檢測器。該ILS激光器(500)包括一塊設(shè)置在一個激光器腔(902)中、由一個泵浦源(100)光學(xué)泵浦的摻雜離子晶體介質(zhì)(507)。包含氣體污染物組分的樣品放置在激光器腔(902)中并在摻雜離子晶體(507)的一側(cè)。檢測并分析ILS激光器(500)的輸出信號以識別這種氣體組分(通過其光譜特征)。利用光譜特征還可以確定氣體組分的濃度。在本發(fā)明的第一實施例中，ILS激光器(500)包括一塊由一臺半導(dǎo)體二極管激光器(914)光學(xué)泵浦的摻雜離子晶體介質(zhì)(507)。在第二實施例中，ILS-激光器(500)包括放置在仰射線性激光器腔(902)中的一塊摻雜離子晶體介質(zhì)(507)。使用半導(dǎo)體二極管激光器(914)和/或線性激光器腔(902)能夠使ILS激光器(500)與其它結(jié)構(gòu)設(shè)計相比具有相對較小和緊湊的結(jié)構(gòu)。氣體檢測系統(tǒng)的小巧/緊湊結(jié)構(gòu)使之具有廣泛的實際用途。文檔編號G01N21/27GK1166202SQ96191246公開日1997年11月26日申請日期1996年8月29日優(yōu)先權(quán)日1995年9月1日發(fā)明者G·H·艾金森,Y·卡列斯基,J·張,M·海尼曼,E·梅迪扎德,M·沃爾帕丁格申請人:創(chuàng)新激光有限公司