[发明专利]具有激光反馈优化的基于激光的腔增强光学吸收气体分析仪

说明书

技术领域

本发明一般地涉及痕量气体(trace gas)检测以及更具体地涉及腔增强吸收光谱(cavity enhance absorption spectroscopy，CEAS)系统和测量痕量气体的方法。

背景技术

在腔增强吸收光谱系统和方法中，激光器的辐射进入谐振腔中，并且腔内的光强被观测。激光器的光学频率可被周期性地扫描。如果为了清楚起见，假定激光线宽比谐振腔的共振宽度小得多，当激光频率与腔模式发射峰一致时，谐振腔内的光强反映总体腔损耗，并且只要已知入射强度和腔参数，则可以定量地确定总体腔损耗。总体腔损耗是腔内镜损耗和由腔内存在的气体混合物吸收引起的损耗之和。腔内镜损耗越低，或等效地，每个镜的反射率越高，则能被检测到的腔内气体混合物的吸收越小。通过反射率很高的镜，激光线宽会变得与腔共振宽度相比过大，从而限制了腔能够达到的气体混合物吸收增强。这可以通过使用来自腔的光学反馈和对来自腔的光学反馈敏感或有响应的激光器来缩小激光线宽以获得帮助。在扫描期间用这种激光器，由于激光频率接近腔模式之一的频率，该激光器锁定到该模式。所谓激光器锁定到模式，这意味着激光线宽变得比谐振模式宽度小得多，并且不管未锁定激光器的频率扫描范围是否可能较大，在锁定条件下，激光器的光学频率仅仅会在谐振峰内发生变化。由于激光器频率扫描继续，激光器会失去锁定到当前腔模式并且重新锁定到下一接近的腔模式。由于光学反馈的影响，扫描期间的激光器光学频率本质上取得与在光学频率上等距的腔模式峰相对应的多个离散值。因而被分析气体的离散吸收光谱可通过连续耦合到扫描范围内的整个一组腔模式来获得，并且痕量气体浓度可从吸收光谱导出。该使用光学反馈的腔增强光学吸收光谱系统和方法的子类，被称为光学反馈腔增强吸收光谱(OF CEAS)。

在OF CEAS中，从谐振腔到激光器的光学反馈的强度必须在一定限度内，否则不可能在激光器扫描时提供可再现的扫描-扫描模式耦合。在已知的OF CEAS系统和方法中，复杂光学组件用于此目的，例如法拉第隔离器、可变光学衰减器、或偏振旋转器。不良的干涉效应、温度漂移和老化漂移可能由系统的这些组件产生。获得光学吸收测量的高稳定性和高可再现性成为主要难题。

因此需要提供能克服上述或其他难题的OF CEAS系统和方法。尤其是，在保持到腔内每个模式的可再现扫描-扫描连续耦合(sequentialcoupling)而不错过模式的同时，能够达到吸收测量的高稳定性和可再现性。

发明内容

本发明提供光学反馈辅助腔增强吸收光谱系统以及具有改进的长期稳定性和可再现性的用于测量痕量气体的方法。

本发明的实施例有利地能够在不错过多个腔模式中任何一个的情况下实现腔模式上的激光器频率扫描，同时在激光器和腔之间的路径上不设置用于控制光学反馈强度的附加光学元件的情况下提供对腔内气体混合物光学吸收的测量。在先前的系统中，附加光学部件用于帮助确保不会错过模式。在本发明的实施例中，激光器可再现地锁定到激光器可调频率范围内的任何光学谐振腔模式，而没有先前系统中存在的额外复杂性，以及更重要地，没有由这些附加元件引起的不稳定性和混乱。

为了减少复杂性以及获得连续耦合，例如，当光学锁定范围不大于腔FSR(自由光谱范围)时，光学反馈强度保持在阈值以下。在特定实施例中，这是通过三种不同方法中的一个来实现的，即通过以下方法1)或2)或其组合3)中的一个：

1)对于第一种方法，腔的总往返损耗被选择以提供所需的设备灵敏度，然而镜的透射或透射率被选择或设置为提供阈值以下的光学反馈强度，从该镜处产生来自腔的反馈光。

2)对于第二种方法，在使用具有固有线性偏振输出发射的激光器和具有两组相互正交的线性偏振模式的腔的情形中，激光器以如下方式进行定向：其输出偏振相对于正交偏振腔模式组成非零度角。角度的值被设置成为每组模式提供阈值以下的光学反馈强度。

在特定实施例中，例如如果光学反馈强度在激光和腔本征偏振之间相互取向角的整个范围内在阈值以上，第二种方法与第一种方法相结合，即耦合镜的透射被设置成为两个模式组提供阈值以下的光学反馈强度。当激光与腔模式偏振之间成非零度角时，该激光器可被锁定到两组正交偏振腔模式。两种不同偏振的模式损耗是不同的并且由镜涂层的设计(例如多层镜涂层)来确定。

第二种方法提供几个附加优点，例如：

-正交偏振模式间的损耗差异可被用作腔增强吸收测量的内在标准；