專利名稱：利用連續波腔環降光譜法的液體改進分析的設備和方法
技術領域：
總的來說，本發明涉及吸收光譜法，具體而言，本發明針對的是利用腔環降腔光譜法檢測液體中的微量物質(trace species)。
背景技術：
現在參考附圖，所有附圖中相似標號涉及相似元件，圖1A在對數標尺上說明電磁頻譜。光譜法學科研究光譜。與涉及頻譜其它部分的學科形成對比，光學具體涉及可見和近可見光——可用頻譜非常窄的一個部分，該部分在波長上從大約1毫米到大約1納米。近可見光包括比紅色更紅的顏色(紅外)以及比紫色更紫的顏色(紫外)。這個范圍延伸到可見光兩邊足夠遠，其中光仍然能夠用一般材料制作的大多數透鏡或者反射鏡來處理。常常必須考慮材料光學特性的波長依賴性。
吸收型光譜法具有高靈敏度，微秒量級的響應時間，無毒并且來自除被研究物質以外的分子物質干擾有限。可以利用吸收光譜法檢測或者識別各種分子物質。這樣，吸收光譜法提供一種檢測重要微量物質的通用方法。在氣相中，這一方法的靈敏度和選擇性最優，因為這些物質的吸收強度集中在一組尖銳譜線中。可以將這一頻譜中的窄線用于區分多數干擾的物質。
在許多工業過程中，必須高速、高精度地測量和分析流動氣體流和液體中微量物質的濃度。這種測量和分析是必要的，原因是對于最終產品的質量，污染物濃度常常是至關重要的。例如，像N2、O2、H2、Ar和He這樣的氣體被用來制造集成電路，那些雜質氣體的存在——即使是百萬分之幾(ppb)的程度——也會帶來損害，降低工作電路的產量。因此，以光譜方式監測水的相對高靈敏度對于半導體工業使用的高純度氣體的制造商而言非常重要。在其它工業應用中必須檢測各種雜質。此外，液體中雜質的存在，或者是固有的，或者是故意放置的，近來已經受到特別關注。
對于高純度氣體中的氣體污染物，光譜法已經獲得了百萬分之幾(ppm)程度的檢測。在某些情形中能夠獲得ppb級別的檢測靈敏度。因此，已經將幾種光譜方法應用于像氣體中定量污染物監測這樣的應用，包括傳統長路徑長度單元中的吸收測量，光聲光譜法，頻率調制光譜法，以及腔內激光吸收光譜法。這些方法具有幾個特征，在頒發給Lehmann的第5528040號美國專利中進行了討論，這些特征使得它們很難使用，并且對于工業應用不實際。因此，它們很大程度上局限于實驗室研究。
相反，連續波腔環降光譜法(CW-CRDS)已經成為應用于科學、工業過程控制以及大氣微量氣體檢測的重要光譜技術。已經證明CW-CRDS是一種擅長于在傳統方法沒有足夠靈敏度的低吸收狀態測量光吸收的技術。CW-CRDS將高精細度(finesse)的光學諧振器中光子的平均壽命用作對吸收敏感的可觀測物。
典型情況下，從結構適當以形成穩定光諧振器的一對窄帶、超高反射率電介質反射鏡形成所述諧振器。通過反射鏡將激光脈沖注入這個諧振器，以獲得平均壽命，這個平均壽命依賴于光子往返渡越時間(round-trip transit time)、諧振器長度、吸收截面和所述物質數密度以及是固有的諧振器損耗原因的因素(當衍射損失可以忽略的時候，這個損耗主要來自頻率依賴性反射鏡反射)。于是，光吸收的確定從傳統的功率比測量轉換成衰減時間測量。CW-CRDS的最終靈敏度由固有的諧振器損耗的幅度決定，而這一損耗可以利用能夠用于制造超低損耗光學器件的技術，諸如超拋光來最小化。
圖1B說明一種用于測量玻璃單元109中包含的液體111里雜質的傳統CW-CRDS設備100。如圖1B所示，從窄帶、可調諧、連續波二極管激光器102產生光104。激光器102是通過溫度和/或電流控制器(未示出)用溫度和/或電流調諧的，以便將它的波長調整到所需要的雜質譜線上。聚焦透鏡(或者透鏡系統)106與激光器102發射的光104成一條線。光104從聚焦透鏡106出來，進入光學單元112。光學單元112在它的輸入端包括反射鏡108，在它的輸出端包括反射鏡110。當光104進入光學單元112以后，它沿著單元112的縱軸行進，并且當它反復地在單元反射鏡108和110之間行進時指數衰減。這一衰減的測量表明玻璃單元109中包含的液體111存在或者缺乏雜質。
檢測器114連接在光學單元112輸出端和處理器116之間。處理器116處理來自光檢測器114的信號，以便確定玻璃單元109中雜質水平。這一系統的一個缺點是雖然相對于光104，玻璃單元109以布儒斯特角取向，但是光104通過液體111行進時，來自玻璃單元109表面的折射會使光104的路徑偏離布儒斯特角。調整玻璃單元109的取向來補償這一折射，則會在玻璃單元109的外表面產生外部反射。這樣一來，光104必須通過其傳播的玻璃單元109的壁，不可避免地引入了產生不希望折射的附加界面。結果是信號損失增大，使得設備靈敏度降低。
為了克服傳統系統的這些缺點，提供了使用CW-CRDS分析液體中雜質的一種改進的系統和方法。
發明內容
本發明提供一種設備和一種方法，用于定量測量液體中的雜質。該設備包括一種連續波腔環降分光計(CW-CRDS)，該連續波腔環降分光計配備了一種裝置用來將液體流提供給CW-CRDS的第一反射鏡和第二反射鏡之間的單元。用檢測器監視從該單元逸出的光。將該檢測器信號輸出給處理器進行分析。將透射到該單元中的光的波長調諧到雜質吸收光譜之內的時候，處理器將單元中光的衰減與液體中雜質的濃度聯系起來。
相對于光提供液體流的角度是可調整的，以減少光從液體流表面的外反射(菲涅爾反射)。液體流與光之間的理想相交角被本領域里的技術人員公知為布儒斯特角。
對于玻璃或者其它電介質材料，有一個特殊入射角，叫做偏振角(也叫作布儒斯特角，ΘB，因為它是由戴維·布儒斯特通過實驗發現的)，在這個角度上，P偏振分量的反射系數是0。這樣，雖然強度低，但是從玻璃反射的光是平面偏振的，它的振蕩面與入射面成直角。在偏振角，P偏振分量以折射角Θr’完全折射；S偏振分量僅僅是部分折射。這樣，高強度的透射光僅僅是部分偏振的。
因為本發明將液體作為通過光路徑的自由流來提供，因此沒有一個或者多個容器壁產生的任何附加干擾。存在容器壁在單元的反射鏡之間引入了附加的界面。這一附加界面產生的任何折射都會引起光在通過液體的路徑上偏離布儒斯特角，并因為外反射而產生損耗。通過這樣去掉容器的時候，光的損耗減少到雜質和液體流表面發生的少量散射所產生的損耗。
根據本發明的另一個方面，在源和檢測器之間引入p偏振器。
根據本發明的另一個方面，將液體流自由地注入所述單元。
根據本發明的另一個方面，CW-CRDS單元基本上是敞開的，以方便注入液體流，通過光束。
根據本發明的另一個方面，將這一設備設計成允許調整液體流和光束之間的所述相交的角以減少光束外反射。
根據本發明的另一個方面，將處理器配置成基于雜質的尖峰和離開尖峰波長之間的環降率之差，確定液體中的雜質濃度。
根據本發明的另一個方面，將處理器配置成基于整個尖峰曲線確定雜質濃度。
根據本發明的另一個方面，還給所述設備配備分光器、第二單元、第二流提供裝置以及第二檢測器。將第二液體引入第二單元，用于與第一單元中的液體比較。第二檢測器將它的信號輸出給還從第一檢測器接收信號的處理器。然后，處理器通過比較來自每一檢測器的數據，來確定第一流中的雜質濃度。
根據本發明的另一個方面，這一設備還配備了第二光源。可以將第二光源調諧到第二波長，用于分析另一雜質，或者用于與第一波長進行基線比較。
根據本發明的另一個方面，這一設備還配備了第二光源、第二流提供裝置以及第二檢測器。射出第一流和第二流以通過第一束和第二束，以使得同時測量兩個波長的兩個流，用于分析多種雜質或者在兩個流之間進行比較。
顯然，本發明前面的一般描述和后面的詳細描述都是示例性的，而不是限制性的。
結合附圖，從以下詳細描述能夠最好地理解本發明。要強調的是，根據一般實踐，附圖的各個細節不是按比例畫出的。相反，為了清楚起見，任意地放大或者縮小了各個細節的尺寸。附圖包括圖1A在對數標尺上說明電磁頻譜；圖1B說明用于分析液體的現有技術CW-CRDS系統；圖2說明本發明的一個示例性實施例；以及圖3說明本發明的另一個示例性實施例。
具體實施例方式
圖2說明本發明的一個示例性實施例200。如圖2所示，從例如窄帶、可調諧、連續波激光器的光源102產生光104。光源102是用溫度和/或電流控制器(未示出)進行溫度和/或電流調諧的，以便將它的波長調整到感興趣的雜質例如微量物質的希望譜線上。用聚焦透鏡或者透鏡系統106將光104聚焦，再將它提供給將光104偏振到p方向的p偏振器202。p偏振的光205從偏振器202沿著單元204的縱軸，透射到第一單元反射鏡108并且進入單元204，比如敞開的單元。放置用于提供液體流208的裝置210，比如液體噴射口，在第一反射鏡108和第二反射鏡110之間提供液體流208，以角度206與單元204的縱軸相交。在一個實施例中，將角度206調整到減少光104的外反射。優選將角度206設置成與布儒斯特角互補或者近似互補。在這種情況下，由于這一噴射口處于布儒斯特角，菲涅爾反射最小。此外，在一個實施例中，以自由狀態，也就是沒有將它限定在玻璃導管或者其它限制性元件之內，將液體208引入單元204。
將裝置210連接到泵浦機構212或者其它源，以便給裝置210提供基本上連續的液體流208。通過液體流208傳播的光205被第二反射鏡110沿著單元204的縱軸反射回來。連接到單元204的檢測器114監視單元204內光205的衰減率，并提供說明這一衰減率的輸出信號214。處理器116與檢測器114連接，并且被配置成確定液體流208中一種或者多種雜質或者被分析物的水平。在一個非限制性的實例中，這一確定可以通過比較第一環降率和第二環降率來實現，其中第一環降率是在選擇為適當遠離雜質尖峰曲線的波長上測量得到的，第二環降率是在選擇在該雜質尖峰曲線之內的另一個波長上測量得到的。確定技術的另一個實例是進行整個尖峰曲線測量，并且擬合譜線形狀。雖然在這個示例性的實施例中示出了p偏振器202，但是本發明不是這樣限于p偏振器202，p偏振器202是可選的，并且如果需要可以去掉。此外，雖然這個示例性的實施例是對于液體雜質描述的，但是通過將固體樣本溶解到載體液體中，本發明還可以用于固體樣本的分析。
圖3說明本發明的另一個示例性實施例300。這個實施例還提供分光器302，這個分光器302將光104分成第一束303和第二束305。如果需要，用反射鏡304將這兩束重新定向到各自的單元204和310。在一個示例性的實施例中，第一單元204和第二單元310可以同時工作。第二單元310類似于上面在第一個示例性的實施例中討論的單元204，包括第一反射鏡306和第二反射鏡308。第二光束305通過第一反射鏡306進入單元310，在單元310內沿著縱向路徑傳播。裝置316在第一反射鏡306和第二反射鏡308之間提供第二液體流314，以角度312與光束305相交。與第一個示例性的實施例一樣，將角度312調整為減少光的外反射，優選將它調整為與布儒斯特角互補。
裝置316與泵浦機構314或者其它源連接，以便給第二裝置316提供基本上連續的第二液體流314。按照需要，第二液體314可以是基本上沒有感興趣的雜質(或者被分析物)的參考液體，用于與第一液體比較的第二活性液體樣本，或者用于基本同時分析的另一液體樣本。通過第二液體流314傳播的第二光束305被第二反射鏡308沿著單元310的縱軸反射回來。第二檢測器316與第二單元310連接，監視第二單元310內第二光束305的衰減率，并且提供表明這一衰減率的輸出信號320。處理器116也與第一檢測器114和第二檢測器316連接，并且用于確定液體流208、314之一或者兩者的雜質水平。在所有其它方面里，這個示例性的實施例類似于第一個示例性的實施例。
雖然參考了具體實施例來說明和描述本發明，但是不是要將本發明限制于所示細節。相反，在本發明權利要求等同物的范圍內可以進行各種詳細的改進而不背離本發明。
權利要求
1.一種利用光源分析液體中雜質的裝置，包括連接到所述光源的單元，包括第一反射鏡，位于該單元第一端，用于從所述光源接收光，并且沿著該單元的縱軸將所述光傳遞到該單元，以及第二反射鏡，位于該單元第二端，至少部分地將來自所述第一反射鏡的光沿著所述縱軸反射回到所述第一反射鏡；第一液體供給設備，用于在所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間并穿過所述單元的縱軸，射出第一液體流；以及檢測器，連接到所述單元的第二端，用于基于通過所述液體的光，確定所述單元內光的衰減率。
2.如權利要求1的裝置，還包括連接在所述光源和所述單元之間的偏振器。
3.如權利要求1的裝置，其中所述液體流被自由地射入所述單元。
4.如權利要求1的裝置，其中所述單元基本上是敞開的。
5.如權利要求1的裝置，其中所述液體流以預定角度與所述單元的縱軸相交，從而明顯地減少所述液體流對光的反射。
6.如權利要求5的裝置，其中所述相交角與布儒斯特角互補。
7.如權利要求1的裝置，還包括處理器，其與所述檢測器連接，以便基于所述單元內光的衰減率，確定所述液體內的雜質水平。
8.如權利要求7的裝置，其中所述處理器用于基于第一環降率和第二環降率之差，確定所述液體中雜質的水平，其中所述第一環降率是在所述雜質曲線偏離尖峰波長處測量得到的，第二環降率是在所述雜質曲線的尖峰波長處測量得到的。
9.如權利要求7的裝置，其中所述處理器用于基于整個尖峰曲線測量，確定所述液體中雜質的水平。
10.如權利要求1的裝置，還包括分光器，與所述光源連接，以便將所述光從所述光源分開成第一光束和第二光束，所述單元連接到所述分光器，第二單元，連接到所述分光器，該第二單元包括第一反射鏡，位于所述第二單元的第一端，用于接收所述第二光束，并且沿著所述第二單元的縱軸，將所述第二光束傳遞到所述第二單元，以及第二反射鏡，位于所述第二單元的第二端，用于至少部分地將來自第二光束的所述光沿著所述縱軸反射回所述第一反射鏡；第二液體供給設備，用于將基本上沒有所述雜質的第二液體的第二流射入所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間的所述第二單元，并跨過所述第二單元的縱軸；以及第二檢測器，連接到所述第二單元的第二端，用于確定所述第二單元內所述第二光的衰減率。
11.如權利要求10的裝置，還包括連接到所述第一檢測器和所述第二檢測器的處理器，其中所述處理器用于基于所述單元內衰減率與所述第二單元內第二衰減率之差，確定所述液體內的雜質水平。
12.利用光源分析液體內微量物質的一種方法，包括以下步驟從所述光源發射光；傳遞所述光通過所述液體的第一流；測量通過所述液體的光的衰減率；和基于所述衰減率確定所述微量物質的水平。
13.如權利要求12的方法，還包括在所述發射步驟以后偏振所述光的步驟。
14.如權利要求12的方法，還包括以下步驟將來自所述光源的所述光分成第一光束和第二光束；讓所述第一光束通過包含所述微量物質的所述第一液體流；將所述第二光束通過基本上沒有所述微量物質的第二流；測量通過所述第一液體流的所述第一光束的第一衰減率；測量通過所述第二液體流的所述第二光束的第二衰減率；以及基于所述第一衰減率和所述第二衰減率之差，確定所述第一液體流中所述微量物質的水平。
15.如權利要求12的方法，其中所述液體中所述微量物質吸收光譜的確定基于第一環降率與第二環降率之差，所述第一環降率是在偏離所述微量物質曲線尖峰波長處測量得到的，所述第二環降率是在所述微量物質曲線尖峰波長處測量得到的。
16.如權利要求12的方法，其中所述確定步驟基于第一整個尖峰曲線測量。
17.如權利要求12的方法，還包括以預定角度將所述第一液體流穿過所述光射出的步驟。
18.如權利要求17的方法，其中所述預定角度被選擇成減少所述光的外反射。
19.如權利要求18的方法，其中所述預定角度大約與布儒斯特角互補。
20.用于分析液體中微量物質的一種裝置，包括發射光的模塊；讓所述光通過第一液體流的模塊；測量通過所述第一液體流的光的衰減率的模塊；以及基于所述衰減率確定所述微量物質水平的模塊。
全文摘要
用于分析液體中雜質的一種裝置和方法。該裝置包括連接到光源(102)和檢測器(114)的一單元(204)。該單元(204)包括在該單元第一端，用于接收所述光并且讓所述光沿著該單元的縱軸通過該單元的第一反射鏡(108)，以及在該單元第二端用于至少部分地反射所述光的第二反射鏡(110)。液體供給裝置(210)在所述第一反射鏡(108)和所述第二反射鏡(110)之間，穿過所述單元(204)的所述縱軸射出所述液體流(208)。所述檢測器(114)連接到所述單元的所述第二端，并且基于通過所述液體的所述光，確定所述單元內所述光的衰減率。
文檔編號G01N21/31GK1890541SQ200480035691
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月1日 優先權日2003年12月3日
發明者閻文斌 申請人:虎光學公司
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
