[发明专利]连续锁模近场光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，特别是一种连续锁模近场光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，并且对痕量物质检测灵敏度的要求越来越高。腔衰荡光谱分析技术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，研究者也将腔衰荡光谱分析技术应用于流体物质分析。现有技术中，有一种腔衰荡光谱分析系统(参见美国专利“Cavity ring down arrangement for non-cavityfiling samples”，专利号：US6,452,680B1)。该腔衰荡光谱分析系统具有相当的优点，但是，仍然存在一些不足：1)该腔衰荡光谱分析系统中采用线型精细腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，导致光强分布不均，以及光束入射端腔镜的反射光易对激光器产生干扰；2)该测试系统中，激光与腔耦合效率低，激光束初次入射高精细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，光能利用率低，光电探测器探测此透射到腔内光束通过某一腔镜的出的射激光能量衰荡变化，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；3)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，对流体进行测量时，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；4)该腔衰荡光谱分析系统对高精细度腔系统结构的机械加工和定位要求高，结构复杂，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光束方向控制精度要求；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。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种连续锁模近场光腔衰荡光谱分析装置，具有光学行波环形高精细度腔中光强分布均匀，反射光不易影响激光器性能，激光与高精细度腔实现连续锁模，测量物质范围广泛，被测物质所需量少，系统构成简单等特点。

本发明的基本构思是：将激光器出射光束分成具有不同偏振特性的两束，一束偏振光经过光学调制与控制构成测量光束，另一束经过频率调控形成锁模光束，两束光经过偏振分光镜统一到同一路径后，入射单一光学元件构成的环形高精细度腔，由于两束光存在频率和偏振差异，在腔内不存在耦合相干，出射光束经过偏振分光镜分光，锁模光束被探测后形成反馈信号经过分析处理单元控制移动部件，带动环形高精细度腔与入射光束产生相对位移，从而确保入射光束与高精细度腔保持连续锁模，出射的测量光束被另外探测器接受，形成衰荡信号，实现痕量物质检测；环形高精细度腔的内全反射点处形成光学近场检测区，可对流体、生物芯片、颗粒物质等形态物质测试。

本发明的技术解决方案为：包括相干光源、入射偏振分光镜、光束调制与控制器、频率调控器、分析控制单元、光学行波高精细度腔、探测偏振分光镜、锁模探测器，信号探测器。光束整形隔离部件、入射偏振分光镜和锁模光束反射镜依次置在相干光源的出射光束位置上。入射偏振分光镜对s光反射，对p光透射，测量光束反射镜设置在入射偏振分光镜的出射s偏振态光束光路上。在测量光束反射镜的反射光路上依次设置有光学行波高精细度腔和探测偏振分光镜；合成偏振分光镜设置在测量光束反射镜和光学行波高精细度腔之间，位于测量光束反射镜的反射光路与锁模光束反射镜的反射光路的交点处，测量光束反射镜的反射光路与锁模光束反射镜的反射光路以合成偏振分光镜的偏振分光面对称。光束调制与控制器设置在测量光路上，频率调控器设置在锁模光路上；所述的测量光路为光通过入射偏振分光镜、测量光束反射镜和合成偏振分光镜的路径；所述的锁模光路为光通过入射偏振分光镜、锁模光束反射镜和合成偏振分光镜的路径。锁模探测器设置在探测偏振分光镜的透射光光路上，信号探测器设置在探测偏振分光镜的反射光光路上。所述的光学行波高精细度腔为等腰三角形棱镜或等腰梯形棱镜，两个腰为高反射率入射面和高反射率出射面、底面为内全反射面；移动部件与光学行波高精细度腔配合连接。相干光源、光束调制与控制器、频率调控器、移动部件、锁模探测器和信号探测器均与分析控制单元电连接。

所述的相干光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器的一种。