多通道激光吸收光譜測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多通道激光吸收光譜測量系統，包括：可調節激光器組，包括多個可調節激光器；激光合成單元，用于將多個可調節激光器發出的激光匯成一束合成激光束；激光分光單元，用于將激光束合成單元發出的合成激光束分為相同的第一激光束和第二激光束；法布里-珀羅干涉儀，用于激光頻率標定；第一檢測器，位于法布里-珀羅干涉儀的后端，用于檢測經過法布里-珀羅干涉儀后的第一激光束的強度；待測氣體腔室，用于容納待測氣體；第二檢測器，位于待測氣體腔室的后端，用于檢測經過待測氣體腔室后的第二激光束的強度；和顯示裝置，用于顯示檢測結果。本發明具有可調節輸出的激光波長覆蓋范圍大、使用過程無需頻繁更換光路等優點。
【專利說明】多通道激光吸收光譜測量系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學儀器領域，具體涉及ー種多通道激光吸收光譜測量系統。
【背景技術】
[0002]對于研究低溫等離子體內部粒子的動力學規律，通常采用光學診斷方法獲得目標激發態粒子的粒子數密度。為了獲得可發光能級的粒子數密度，通常通過觀測等離子體的發光強度獲得發光上能級的密度。而對于發光能級下能級的粒子數密度往往通過光學吸收的方法，即通過觀測等離子體中下能級粒子對相應波長光的吸收情況判斷下能級粒子數密度，所以吸收光譜方法需要外在光源向等離子體發射光子，而激光擁有很好的単色性以及方向性，是用于光學吸收的高質量光源，并且利用激光吸收信息可以得到下能級粒子的吸收線型，得到多普勒展寬從而得到氣體溫度等信息。
[0003]對于科學研究與エ業需求，放電氣體種類繁多，每種放電氣體又有多種需要利用激光吸收確定粒子數密度的能級粒子，因此對于激光光源有以下要求:第一，激光器能夠調節的激光波長范圍要盡可能大，要能夠覆蓋輸出測量需要的譜線。第二，激光的輸出激光在掃描過程中波長與能量需要極其穩定，可重復性好。同時，對檢測單元有以下要求:第一，由于放電形式多祥，對激光吸收檢測時要求檢測裝置具有可調的時間分辨能力。在脈沖放電情況下，粒子數密度是隨時間變化的。有些能態，比如氬原子的兩個共振態ls2和ls4密度變化的特征時間是微秒量級的，這就要求檢測器具有很高的時間分辨能力。而有些能態，比如氬原子的兩個亞穩態Is3和Is5密度變化的特征時間為毫秒量級，對檢測器的時間分辨能力要求就較低。第二，由于激光吸收存在能量飽和的情況，所以在測量亞穩態時往往激光強度較低，測量共振態時激光強度較大，所以檢測器需要有可調的靈敏度以適應不同實驗中的不同強度靈敏度要求。
[0004]常用于激光吸收的激光器為窄范圍可調節半導體激光器，這類激光器輸出波長與能量很穩定，但波長的可調節范圍僅有30nm左右。但對于氬氣放電等情況，4個第一激發態Is2-1s5的密度測量需要的波長跨度是大于30nm的。現有技術中常常需要在測完ー種能態粒子密度之后需要更換激光器。激光光學光路是極精密的，更換激光器可能會對光路造成擾動，帶來測量誤差。而且由于更換激光器的操作導致測試時間較長，也會影響測量結果的真實程度。再者，現有技術中，測量器的時間分辨率和靈敏度固定，不能適用于所有的被測試粒子，往往給帶來很大的誤差。
【發明內容】
[0005]本發明g在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的目的在于提出ー種具有較大波長調節范圍的多通道激光吸收光譜測量系統。
[0006]根據本發明實施例的多通道激光吸收光譜測量系統，包括:可調節激光器組，所述可調節激光器組包括多個可調節激光器；激光合成単元，所述激光合成単元用于將所述多個可調節激光器發出的激光匯成一束合成激光束；激光分光単元，所述激光分光単元用于將所述激光束合成單元發出的所述合成激光束分為相同的第一激光束和第二激光束；法布里-珀羅干涉儀，所述法布里-珀羅干渉儀用于激光頻率標定，所述第一激光束經過所述法布里-珀羅干涉儀；第一檢測器，所述第一檢測器位于所述法布里-珀羅干涉儀的后端，用于檢測經過所述法布里-珀羅干涉儀后的第一激光束的強度；待測氣體腔室，所述待測氣體腔室用于容納待測氣體，所述第二激光束經過所述待測氣體腔室；第二檢測器，所述第二檢測器位于所述待測氣體腔室的后端，用于檢測經過所述待測氣體腔室后的第二激光束的強度；和顯示裝置，所述顯示裝置與所述第一檢測器和所述第二檢測器相連，用于顯示檢測結果。
[0007]由上可知，根據本發明實施例的多通道激光吸收光譜測量系統至少具有如下優點:1.通過可調節激光器組，可調節輸出的激光波長覆蓋范圍在IOOnm以上，覆蓋大多數稀有氣體第一激發態密度測量需要的激光波長；2.利用激光合成単元將多個可調節激光器發出的激光匯到同一條光路上，在更改測量對象吋，只需要更改激光波長，而無需更改光路，大大筒化了操作；3.利用了可調時間分辨能力以及靈敏度的檢測器，能夠滿足任何的條件，降低了在檢測器光路端的難度；4.能夠在任何ー個條件下，在同一個放電時間單元內，同時獲得這個放電中所需要被測量的能級粒子數密度，對于研究等離子體中粒子動カ學過程有重要意義。
[0008]另外，根據本發明實施例的多通道激光吸收光譜測量系統還具有如下附加技術特征。
[0009]在本發明的一個實施例中，還包括:第一衰減片，所述第一衰減片位于所述激光分光単元與所述法布里-珀羅干渉儀之間的所述第一激光束的光路上；和第二衰減片，所述第二衰減片位于所述激光分光単元與所述待測氣體腔室之間的所述第二激光束的光路上。
[0010]在本發明的一個實施例中，所述多個可調節激光器覆蓋的波長范圍大于lOOnm。
[0011]在本發明的一個實施例中，所述激光合成單元包括反射鏡和半透半反鏡的組合。
[0012]在本發明的一個實施例中，所述激光分光單元包括反射鏡和半透半反鏡的組合。
[0013]在本發明的一個實施例中，所述第一檢測器和所述第二檢測器的靈敏度可調。
[0014]在本發明的一個實施例中，所述顯示裝置為示波器。
[0015]在本發明的一個實施例中，所述顯示裝置的時間分辨能力不低于所述第一檢測器和所述第二檢測器的時間分辨能力。
[0016]在本發明的一個實施例中，所述可調節激光器組包括共面平行出光的、依次排列的第一可調節激光器、第二可調節激光器和第三可調節激光器；并且，所述激光合成単元包括:第一反射鏡，所述第一反射鏡被構造為用于反射所述第二可調節激光器發出的激光；第一半透鏡，所述第一半透鏡被構造為用于反射所述第一可調節激光器發出的激光，并且透過由所述第一反射鏡反射的第二可調節激光器發出的激光，合成第一可調激光器和第二可調激光器的合成激光；第二反射鏡，所述第二反射鏡被構造為用于反射所述第一可調激光器和第二可調激光器的混合激光；和第二半透鏡，所述第二半透鏡被構造為用于透過所述第三可調節激光器發出的激光，并且反射由所述第二反射鏡反射的所述第一可調激光器和第二可調激光器的混合激光，合成第一可調激光器、第二可調激光器和第三可調激光器的合成激光。
[0017]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0019]圖1是本發明實施例一的多通道激光吸收光譜測量系統的結構框圖。
[0020]圖2是本發明實施例ニ的多通道激光吸收光譜測量系統的結構框圖。
[0021]圖3是本發明具體實施例的多通道激光吸收光譜測量系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，g在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0023]下面結合圖1至圖3介紹本發明的多通道激光吸收光譜測量系統。
[0024]如圖1所示，本發明實施例一的多通道激光吸收光譜測量系統可以包括:可調節激光器組100、激光合成單元200、激光分光單元300、法布里-珀羅干涉儀400、第一檢測器500、待測氣體腔室600、第二檢測器700以及顯示裝置800。可調節激光器組100包括多個可調節激光器。激光合成単元200用于將多個可調節激光器發出的激光匯成一束合成激光束。激光分光単元300用于將.激光束合成單元發出的合成激光束分為相同的第一激光束和第二激光束。法布里-珀羅干涉儀400用于激光頻率標定，第一激光束經過法布里-珀羅干涉儀400。第一檢測器500位于法布里-珀羅干涉儀400的后端，用于檢測經過法布里-珀羅干涉儀400后的第一激光束的強度待測氣體腔室600用于容納待測氣體，第二激光束經過待測氣體腔室600。第二檢測器700位于待測氣體腔室600的后端，用于檢測經過待測氣體腔室600后的第二激光束的強度。顯示裝置800與第一檢測器500和第二檢測器700相連，用于顯示檢測結果。該實施例的多通道激光吸收光譜測量系統中激光光源可調，即能夠在不變光路的情況下，實現較大的波長調節范圍，井能夠穩定輸出。
[0025]如圖2所示，本發明實施例ニ的多通道激光吸收光譜測量系統還可以包括--第一衰減片900和和第二衰減片1000。第一衰減片900位于激光分光單元300與法布里-珀羅干涉儀400之間的第一激光束的光路上；第二衰減片1000位于激光分光単元300與待測氣體腔室600之間的第二激光束的光路上。衰減片用于調整進入法布里-珀羅干涉儀400和待測氣體腔室600的激光強度，以防止功率飽和，以及保證檢測器上信號的強度在合適范圍內。
[0026]在本發明的一個實施例中，多個可調節激光器覆蓋的波長范圍大于lOOnm。波長范圍大于IOOnm意味著可以覆蓋大多數稀有氣體第一激發態密度測量需要的激光波長。
[0027]在本發明的一個實施例中，激光合成單元200包括反射鏡和半透半反鏡的組合。需要說明的是，該技術特征是可選的而非必須的，技術人員可以根據實際需要靈活選擇光學元件來實現匯聚激光的目的。
[0028]在本發明的一個實施例中，激光分光單元300包括反射鏡和半透半反鏡的組合。需要說明的是，該技術特征是可選的而非必須的，技術人員可以根據實際需要靈活選擇光學元件來實現均分激光的目的。
[0029]在本發明的一個實施例中，待測氣體腔室600用于容納待測氣體。例如等離子體，或者氣體包含有待測粒子的氣體。
[0030]在本發明的一個實施例中，第一檢測器500和第二檢測器700的靈敏度可調。這意味著，對于不同的測量條件，不同的待測粒子，檢測器具有可調節的時間分辨能力及靈敏度。
[0031]在本發明的一個實施例中，顯示裝置800為示波器。示波器具有成本低、直觀性好的優點。
[0032]在本發明的一個實施例中，顯示裝置800的時間分辨能力不低于第一檢測器500和第二檢測器700的時間分辨能力。如此顯示裝置800在時間分辨能力上可以完全滿足記錄與顯示由第一檢測器500和第二檢測器700輸出的信號。
[0033]在本發明的一個實施例中，可調節激光器組100可以包括共面平行出光的、依次排列的第一可調節激光器、第二可調節激光器和第三可調節激光器。此時，激光合成単元200可以包括:第一反射鏡，第一半透鏡，第二反射鏡，和第二半透鏡。第一反射鏡被構造為用于反射第二可調節激光器發出的激光。第一半透鏡被構造為用于反射第一可調節激光器發出的激光，并且透過由第一反射鏡反射的第二可調節激光器發出的激光，合成第一可調激光器和第二可調激光器的合成激光。第二反射鏡被構造為用于反射第一可調激光器和第ニ可調激光器的混合激光。第二半透鏡被構造為用于透過第三可調節激光器發出的激光，并且反射由第二反射鏡反射的第一可調激光器和第二可調激光器的混合激光，合成第一可調激光器、第二可調激光器和第三可調激光器的合成激光。
[0034]由上可知，根據本發明實施例的多通道激光吸收光譜測量系統至少具有如下優點:1.通過可調節激光器組100，可調節輸出的激光波長覆蓋范圍在IOOnm以上，覆蓋大多數稀有氣體第一激發態密度測量需要的激光波長；2.利用激光合成単元200將多個可調節激光器發出的激光匯到同一條光路上，在更改測量對象時，只需要更改激光波長，而無需更改光路，大大簡化了操作；3.利用了可調時間分辨能力以及靈敏度的檢測器，能夠滿足任何的條件，降低了在檢測器光路端的難度；4.能夠在任何ー個條件下，在同一個放電時間單元內，同時獲得這個放電中所需要被測量的能級粒子數密度，對于研究等離子體中粒子動力學過程有重要意義。
[0035]為使本領域技術人員更好地理解本發明下面結合圖3列舉ー詳細實施例。
[0036]圖3示意性地給出了本發明的具體實施例。三個可調節激光器1A、1B、1C(相當于圖1和圖2中的可調節激光器組100)能夠覆蓋較大范圍的波長，能夠用于進行不同放電氣體條件下多種不同能態粒子的激光吸收。反射鏡3、4以及半透半反鏡2、5組成了前級光路(相當于圖1和圖2中的激光合成單元200)，該前級光路將三臺激光器輸出的激光在經過半透半反鏡5后匯成一路，具體光路如圖所示:通過反射鏡3以及半透半反鏡2將可調節激光器IA和可調節激光器IB發出的激光匯為一路，在經過反射鏡4的反射以及半透半反鏡5的反射后，與可調節激光器IC發出的激光經過半透半反鏡5透射后合為一路，這樣由此三臺激光器及前級光路可以發出可調節波長約IOOnm的激光束。此設計在提供足夠波長范圍的激光器時(理論上激光器數目無上限)，可以覆蓋更大范圍的激光波長。激光束經過半透半反鏡6 (相當于圖1和圖2中的激光分光単元300)后分為兩束。其中一束經過反射鏡7和衰減片8后進入法布里-珀羅干涉儀9，然后進入檢測器10，實現對進入的激光進行頻率標定。另一束經過衰減片11后進入待測氣體腔室12，激發其中的待測的氣體，然后進入檢測器13。激光進入檢測器10和13，光信號轉化為電信號后被示波器14獲得并顯示，對比兩束激光的檢測信號，可以分析該待測粒子對于激光的吸收情況，獲得該種粒子的粒子數密度，在以多普勒展寬為主的條件下，還可以根據該種粒子的吸收線型獲得多普勒展寬以及氣體溫度等信息。需要說明的是，測量不同粒子密度或需要不同時間分辨能力時，只需選擇合適激光器(1A、1B或1C)出光以及更改檢測器13的時間分辨能力，無需調整光路以及拆卸安裝激光器與檢測器；連接檢測器的示波器14的時間分辨能力應優于檢測器13的最好時間分辨能力。
[0037]本發明的多通道激光吸收光譜測量系統，可以應用在多種粒子(例如等離子體)的分析測量場合中。測量過程通常分為兩個步驟:首先，在待測氣體腔室中無待測氣體的情況下(空氣或真空)由第二檢測器測量并記錄激光的強度，作為空白參比數據。其次，在待測氣體腔室充有待測氣體的情況下由第二檢測器測量并記錄激光的強度，此時同時利用法布里-珀羅干渉儀對進入待測氣體的激光進行頻率標定。在第一個測量過程中得到的是未被待測氣體吸收的激光強度信息，第二個測量中得到的是被待測氣體吸收后剩余激光的信息。通過對這兩種測量結果的處理計算，可以得到整個被待測氣體吸收的激光強度，從而得到待測氣體中待測粒子的密度等情況。
[0038]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0039]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括ー個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0040]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0041]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0042]在本說明書的描述中，參考術語“ー個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“ー些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少ー個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例進行結合和組合。
[0043]盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，包括: 可調節激光器組，所述可調節激光器組包括多個可調節激光器； 激光合成単元，所述激光合成単元用于將所述多個可調節激光器發出的激光匯成一束合成激光束； 激光分光単元，所述激光分光単元用于將所述激光束合成單元發出的所述合成激光束分為相同的第一激光束和第二激光束； 法布里-珀羅干涉儀，所述法布里-珀羅干渉儀用于激光頻率標定，所述第一激光束經過所述法布里-珀羅干涉儀； 第一檢測器，所述第一檢測器位于所述法布里-珀羅干涉儀的后端，用于檢測經過所述法布里-珀羅干涉儀后的第一激光束的強度； 待測氣體腔室，所述待測氣體腔室用于容納待測氣體，所述第二激光束經過所述待測氣體腔室； 第二檢測器，所述第二檢測器位于所述待測氣體腔室的后端，用于檢測經過所述待測氣體腔室后的第二激光束的強度；和 顯示裝置，所述顯示裝置與所述第一檢測器和所述第二檢測器相連，用于顯示檢測結果。`
2.如權利要求1所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，還包括:` 第一衰減片，所述第一衰減片位于所述激光分光単元與所述法布里-珀羅干渉儀之間的所述第一激光束的光路上；和 第二衰減片，所述第二衰減片位于所述激光分光単元與所述待測氣體腔室之間的所述第二激光束的光路上。
3.如權利要求1或2所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，所述多個可調節激光器覆蓋的波長范圍大于lOOnm。
4.如權利要求1或2所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，所述激光合成単元包括反射鏡和半透半反鏡的組合。
5.如權利要求1或2所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，所述激光分光単元包括反射鏡和半透半反鏡的組合。
6.如權利要求1或2所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，所述第一檢測器和所述第二檢測器的靈敏度可調。
7.如權利要求1或2所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，所述顯示裝置為示波器。
8.如權利要求1或2所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，所述顯示裝置的時間分辨能力不低于所述第一檢測器和所述第二檢測器的時間分辨能力。
9.如權利要求1或2所述的多通道激光吸收光譜測量系統，其特征在于，所述可調節激光器組包括共面平行出光的、依次排列的第一可調節激光器、第二可調節激光器和第三可調節激光器；并且， 所述激光合成單元包括: 第一反射鏡，所述第一反射鏡被構造為用于反射所述第二可調節激光器發出的激光； 第一半透鏡，所述第一半透鏡被構造為用于反射所述第一可調節激光器發出的激光，并且透過由所述第一反射鏡反射的第二可調節激光器發出的激光，合成第一可調激光器和第二可調激光器的合成激光； 第二反射鏡，所述第二反射鏡被構造為用于反射所述第一可調激光器和第二可調激光器的混合激光；和 第二半透鏡，所述第二半透鏡被構造為用于透過所述第三可調節激光器發出的激光，并且反射由所述第二反射鏡反射的所述第一可調激光器和第二可調激光器的混合激光，合成第一可調激光器、第二可·調激光器和第三可調激光器的合成激光。
【文檔編號】G01N21/39GK103439292SQ201310412853
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】程治文, 蒲以康 申請人:清華大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
