[发明专利]高分辨率、紧凑型内腔激光光谱仪

说明书

本发明涉及图像光谱仪，更为特别地涉及基于内腔激光光谱学的图像光谱仪。

激光器的最简单形式在结构上图解为包括位于两个镜之间的增益媒质。激光器腔内的光在镜间来回反射，每一次通过增益媒质，这产生光增益。第一个镜可以是全反射的，而第二个镜可以是部分反射的，由此允许部分光从激光腔中逸出。两个反射镜表面之间的空间区域确定了激光腔或谐振腔，在本发明的文中涉及到所谓的“内腔区域”。

激光输出的强度是增益媒质工作的波长范围和谐振腔元件的反射率的函数。通常输出是宽的，并且没有细锐的、特征谱线特征。

采用激光光谱对气体种类的确认，例如原子、分子、基或离子，要求激光的输出在该种类气体的吸收波长范围内。激光器在气体种类探测中的一般应用中，激光辐射被用于激励在激光器外部的气体样品来产生二级信号，例如电离或荧光。在一般的吸收光谱仪中，激光通过位于激光器外的气体样品，监测随波长变化的衰减。

二十年前，另一种探测方法，内腔激光光谱学(ILS)被首次公开；例子参见，G.Atkinson，A.Laufer，M.Kurylo，“利用内腔染料激光器技术探测自由基”，59物理化学学报，7月1，1973。在ILS中，激光器本身被用作探测器。被分析的气体样品被插入在一个多模、均匀展宽的激光器的光学腔中。Atkinson等指出将光学腔中的气体分子、原子、基和/或离子置于它们的基态或者激发态，激光器的输出可以被改变。特别地，内腔气体种类的吸收光谱出现在激光器的输出光谱中。

激光器输出中不同的吸收特征来自于由气体种类吸收所产生的内腔损失。(正如这里所用，吸收特征对应于光强度与波长关系曲线中的光强度达到局部最小值的一系列连续波长)。在一个多模激光器中，内腔吸收损失与激光器增益通过正常的模式动力学相竞争。结果在较强的内腔吸收特征有效地与激光器增益相抗衡的波长处，从激光器的输出中可以观察到强度的衰减。吸收特征越强烈，在那些波长的激光器输出降低得越多。

利用在激光器谐振腔中插入吸收气体种类，ILS可以提供比普通光谱学方法更为增强的探测灵敏度。ILS技术的增强的探测灵敏度来源于(1)激光器增益媒质所产生的增益，和(2)吸收体损失的非线性竞争。因此利用ILS既可以探测弱的吸收也可以探测极小的吸收体浓度。

在光学腔中的每一种气体种类可以靠它们对应的吸收谱或特征谱线来唯一地辨认。此外，如果传感器被合适地校准，气体种类的浓度可以通过光谱特征或特定的吸收强度来确定。(这里所用的术语“光谱特征”对应于波长与吸收强度或吸收率的曲线，其唯一地确定气体种类)。

气体种类的光谱特征可以由ILS激光器的输出对波长的色散来获得。典型的两种探测方式被采用来色散ILS激光器的输出，以获得气体种类的光谱特征。ILS激光器的输出可以通过一个固定波长、色散光谱仪，并且由这个光谱仪分辨的特定光谱区域可以用一个多通道探测器来计录；参见1996年7月3日提交的申请号为08/675,605的专利，专利名称为“利用内腔激光光谱学(ILS)的高灵敏度气体探测用激光二极管泵浦的激光系统”。另一种方法，可以利用一种能够波长扫描的光谱仪选择性分辨由一个单通道探测器记录的不同谱线区。

ILS探测系统的现有技术中，所采用的ILS激光器具有一个较宽的谱线宽度，相对于所被探测的内腔种类的吸收光谱中特征谱线的宽度而言；参见美国专利5,689,334，1997年11月18日授予G.H.Atkinson等的“用于杂质的高灵敏度探测的内腔激光光谱学”。特别地，激光器系统具有一个工作谱线宽度，其至少为被监测气体种类特征吸收谱线的三倍宽度。

然而，先前的在试验室被成功证实的实现ILS的方法，对于许多商业应用而言太大并且太复杂。特别地，对将激光器输出光谱色散的光谱仪、以及计算机分析吸收谱线的要求，增加了探测系统的尺寸和复杂性。相反，商业现实的制约要求气体探测器必须是方便使用的尺寸，相对地不昂贵并且可靠。

这样，对ILS应用所要求的就是一种高分辨的、紧凑型光谱仪。

根据本发明，提出了一种高分辨率、紧凑型的内腔激光光谱仪。“高分辨率”意思为光谱仪的分辨率小于1/50,000。将输入光束色散为波长λ以便为探测器所探测的光谱仪包括：

(a)聚焦透镜，其与光谱仪的数值孔径匹配；

(b)入口狭缝，入射光束由此通过；

(c)第一镜，准直来自入口狭缝的光束；

(d)第一反射光栅，将准直光束色散来形成具有光谱强度分布的光束，其具有的沟槽数目为N₁；