基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置及方法。该装置包括：连续波半导体激光器，所述连续波半导体激光器作为探测光和控制光的光源，在其出射的探测光光路上依次设有光学谐振腔的前腔镜、第一偏振分光棱镜、电磁诱导透明介质气室、第二偏振分光棱镜、待测样品气室、光学谐振腔的后腔镜，以及用于接受探测光信号的光电探测器。本发明专利技术结合电磁诱导透明效应和腔衰荡光谱技术，将电磁诱导透明效应的特有的零吸收高色散效应用于腔内光子速度的减慢，延长光子寿命，增加光子与样品的相互作用时间，从而大大提高腔衰荡光谱的灵敏度。具有结构简单，方便易调节，兼容性好等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于连续波腔衰荡光谱技术，特别涉及一种基于电磁诱导透明效应下的连续波腔衰荡光谱装置及方法，该装置及方法可以用于痕量气体定量分析等精密测量领域。
技术介绍
痕量气体的定量分析在许多领域都非常重要，例如光谱学、化学分析、医疗诊断、环境监测和工业生产中的污染物控制能。比如，随着半导体技术的飞速发展，半导体生产过程中所需的气体纯度要求不断提高，所含杂质最高浓度减少了四个量级以上。超高纯度的气体对半导体集成电路中所要求的越来越小的几何特征具有极其重要的作用，所以半导体制造过程要求其中水费含量不能大于1×10-9，因此对气体测量灵敏度和精度的要求将会不断提高。腔衰荡光谱(CRDS：CavityRingdownSpectroscopy)(Cavityring-downopticalspectrometerforabsorptionmeasurementsusingpulsedlasersources”,REVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS,Vol.QE-59,No.12,1988)技术是近30年快速发展起来的一种新型吸收光谱检测技术，其具有极高的灵敏度和分辨率，且不受光源光强波动的影响。自1988年O’Keefe和Deacon首次提出运用腔衰荡光谱以来,各种腔衰荡光谱技术方案都曾被提出和应用，它们各具特色、相辅相成。譬如，根据选用的激光光源类型，腔衰荡光谱技术可分为脉冲型和连续光波型两种。其中，连续波作为光源的腔衰荡光谱技术而备受科技工作者的青睐，是目前国际上商业化高精度气体分析仪的首选方案。通常这种技术都需要一个具有很高品质因子的光学谐振腔，然而当腔达到很高的品质时，想要继续提高，所需要技术难度和代价非常大，并且在实现很高的腔品质因子的同时时，其腔镜的反射率也会非常的大。此时，探测光将会很难耦合进入腔，耦合效率会非常低，这将会导致探测光信号的信噪比会很小，不能被探测器探测到。为了改善上述问题，提高其信噪比。1999年D.Romanini等人提出了一种折叠衰荡腔方案，并将此方案命名为光反馈式腔衰荡光谱技术(Opticalfeedbackcavityring-downspectroscopy)(Measurementoftracegasesbydiodelasercavityringdownspectroscopy”,PROCEEDINGOFSPIE-THEINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICALENGINEERING,Vol.3821,1999)。该方案能够充分利用光学谐振腔选模的特点，利用其谐振反馈信号锁定激光器频率并压窄激光谱线，使得光谱系统的稳定性和腔衰荡信号的信噪比大大增强。但是这种方案需要改变传统的光学谐振腔，使用一个V型腔，需要3个腔镜，搭建难度较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置及方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：本专利技术的第一方面在于提供一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，包括：连续波半导体激光器，所述连续波半导体激光器作为探测光和控制光的光源，在其出射的探测光光路上依次设有光学谐振腔的前腔镜、第一偏振分光棱镜、电磁诱导透明介质气室、第二偏振分光棱镜、待测样品气室、光学谐振腔的后腔镜，以及用于接受探测光信号的光电探测器；所述光学谐振腔的前腔镜和光学谐振腔的后腔镜构成衰荡腔；所述光学谐振腔后腔镜上设有压电陶瓷，所述压电陶瓷与信号发生器相连，所述信号发生器为所述压电陶瓷提供电压信号；所述控制光通过所述第一偏振分光棱镜反射进入光学谐振腔内，所述控制光通过调节其偏振使得其在所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜处反射，所述控制光在经过电磁诱导透明介质气室时，与所述探测光形成一个角度θ的交叉，两束光在重合部分构建电磁诱导透明效应，然后所述控制光再通过所述第二偏振分光棱镜反射出光学谐振腔，避免其在腔内循环；进一步的，所述的角度θ范围在0～2°，通过调节控制光入射所述第一偏振分光棱镜的位置和角度对其进行控制。进一步的，所述光学谐振腔为对称稳定腔结构、非对称稳定腔结构、V型腔结构或环形腔结构；优选的，所述光学谐振腔为共焦腔。进一步的，所述光学谐振腔的前腔镜和光学谐振腔的后腔镜反射率均大于99.5％，且越高越好。进一步的，所述电磁诱导透明介质气室的两个端面覆盖有增透膜，用来减小腔内的损耗。进一步的，所述电磁诱导透明介质为铷、钠或铯等原子。进一步的，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜用于使所述控制光反射，所述探测光透射。本专利技术的第二方面在于提供一种采用上述基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置进行测量的方法，包括：a.光波信号的选择对探测光和控制光的波长和频率进行选择并调节其强度，使其在电磁诱导透明介质气室中构建电磁诱导透明效应，实现对探测光的零吸收和光速减慢；b.光波信号进入光学谐振腔并在腔内形成反射b1)探测光经过光学谐振腔的前腔镜进入光学谐振腔后，由于偏振关系，先全透过第一偏振分光棱镜，然后经过电磁诱导透明介质气室，再经过第二偏振分光棱镜，穿过样品气室后达到光学谐振腔的后腔镜，此时大部分光会反射回去并在腔内循环，一小部分光会透射出光学谐振腔被光电探测器所接收；b2)控制光通过第一偏振分光棱镜反射进入光学谐振腔内，控制光通过调节其偏振使得其在第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜处反射，控制光在经过电磁诱导透明介质气室时，与探测光形成一个角度θ的交叉，两束光在重合部分构建电磁诱导透明效应，然后控制光再通过第二偏振分光棱镜反射出光学谐振腔，避免其在腔内循环；c.光波信号的处理分析c1.信号发生器输出三角波电压驱动信号施加在压电陶瓷上，扫描光学谐振腔的长度，此时腔的纵模位置也会随之来回扫描，当腔纵模位置与探测光频率重合时，探测光耦合进光学谐振腔并且在腔内形成稳定的谐振；c2.光电探测器接收从光学谐振腔的后腔镜透射出的探测光信号，首先测得不放入样品气室时的透射谱，即空腔的透射谱，然后将待测样品放入样品气室测得样品的透射谱；d.通过计算机分析透射谱得到空腔和样品的衰荡时间，然后计算得出样品的浓度或者种类。进一步的，所述对探测光和控制光的波长和频率进行选择并调节其强度，具体是指：所述探测光和控制光根据选取的电磁诱导透明介质的能级结构确定其波长和频率，并且锁定在构建电磁诱导透明所需的能级跃迁上，同时探测光和控制光的强度根据电磁诱导透明效应和光电探测器的探测极限做具体的调整，在保证光电探测器可以探测到探测光信号的前提下，探测光强度应远小于控制光强度，而控制光强度可以通过测量同条件样品情况下的衰荡时间进行优化，选取衰荡时间最长时的强度。进一步的，所述步骤d，具体包括：由于这里采用连续光激光器作为光源，且没有采用阈值探测方法，所以探测光在整个透射峰过程中都会注入谐振腔，需要将透射峰进行处理来消除探测光全程注入的影响。具体步骤如下，首先以透射峰峰值位置为对称轴作出透射峰前沿的对称曲线，然后用透射峰后沿减去所述对称曲线，得到新的曲线，再用指数方程：y＝y0+Aexp(Rx)，拟合新曲线的后沿。根据衰荡时间的定义，即强度减小到最高强度的1/e时所需的时间，可以通过拟合出的曲线得到空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于，包括：连续波半导体激光器，所述连续波半导体激光器作为探测光和控制光的光源，在其出射的探测光光路上依次设有光学谐振腔的前腔镜、第一偏振分光棱镜、电磁诱导透明介质气室、第二偏振分光棱镜、待测样品气室、光学谐振腔的后腔镜，以及用于接受探测光信号的光电探测器；所述光学谐振腔的前腔镜和光学谐振腔的后腔镜构成衰荡腔；所述光学谐振腔后腔镜上设有压电陶瓷，所述压电陶瓷与信号发生器相连，所述信号发生器为所述压电陶瓷提供电压信号；所述控制光通过所述第一偏振分光棱镜反射进入光学谐振腔内，所述控制光通过调节其偏振使得其在所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜处反射，所述控制光在经过电磁诱导透明介质气室时，与所述探测光形成一个角度θ的交叉，两束光在重合部分构建电磁诱导透明效应，然后所述控制光再通过所述第二偏振分光棱镜反射出光学谐振腔，避免其在腔内循环。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于，包括：连续波半导体激光器，所述连续波半导体激光器作为探测光和控制光的光源，在其出射的探测光光路上依次设有光学谐振腔的前腔镜、第一偏振分光棱镜、电磁诱导透明介质气室、第二偏振分光棱镜、待测样品气室、光学谐振腔的后腔镜，以及用于接受探测光信号的光电探测器；所述光学谐振腔的前腔镜和光学谐振腔的后腔镜构成衰荡腔；所述光学谐振腔后腔镜上设有压电陶瓷，所述压电陶瓷与信号发生器相连，所述信号发生器为所述压电陶瓷提供电压信号；所述控制光通过所述第一偏振分光棱镜反射进入光学谐振腔内，所述控制光通过调节其偏振使得其在所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜处反射，所述控制光在经过电磁诱导透明介质气室时，与所述探测光形成一个角度θ的交叉，两束光在重合部分构建电磁诱导透明效应，然后所述控制光再通过所述第二偏振分光棱镜反射出光学谐振腔，避免其在腔内循环。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于：所述角度θ的范围在0～2°。3.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于：所述光学谐振腔为对称稳定腔结构、非对称稳定腔结构、V型腔结构或环形腔结构。4.根据权利要求3所述的一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于：所述光学谐振腔为共焦腔。5.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于：所述光学谐振腔的前腔镜和光学谐振腔的后腔镜反射率均大于99.5％。6.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于：所述电磁诱导透明介质气室的两个端面覆盖有增透膜。7.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置，其特征在于：所述电磁诱导透明介质为铷、钠或铯原子。8.一种采用权利要求1-7任一项所述的基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置进行测量的方法，包括：a.光波信号的选择对探测光和控制光的波长和频率进行选择并调节其强度，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：钮月萍，吉慕尧，林功伟，龚尚庆，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31