专利名称：具有可调节的光路程长度的多程池的光学吸收光谱的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学吸收光谱装置和一种光学吸收光谱方法。特别地，但不完全地，本发明涉及的装置和方法是使用紫外光、可见光或红外光应用微分或常规的光学吸收光谱方法来检测一种或多种物质的存在和/或浓度。被检测物质可以是流体(气体或液体)，例如污染物或有毒物质。
背景技术：
包含一种或多种流体物质(比如气体或液体)的样本的浓度，能通过让光通过样本并检测这些物质的光谱吸收特性，通过光学吸收光谱分析检测出来。物质吸收光的量和本方法的灵敏度取决于物质的浓度和光通过物质的光路程长度。气体的浓度，即每单位体积内的摩尔数一般低于液体或固体，因而光通过气体样本的光路程长度相应地会更长。例如，检测由低浓度的目标气体，如污染气体组成的混合气体所需的光路程长度通常是2米到10米，如此大的光路程长度可以通过以下方式实现:把光源和探测器远距离分开放置，或让光来回反射并通过在测量池内的样本以使其达到探测器前多次通过样本。利用光多次通过测量池能在一个紧凑的装置内实现有效的路程长度，一个光多次通过的测量池的实例是怀特池。基本的怀特池是一个多次反射系统，该系统由J.U.怀特构想并在1942年5月的《美国光学》杂志上发表题为“Long Optical Paths of LargeAperture” 的论文。

怀特池由三个曲率半径相同的球面反射镜组成，其基本的构造如

图1所示。前反射镜(场镜)与两个并排的后反射镜(目镜)相对放置，两组反射镜之间的距离为它们焦距的2倍。光从邻近前反射镜的Ftl点上的光源射出，被第一后反射镜聚焦于前反射镜表面上F1点上，前反射镜再把光反射到第二后反射镜上，通过第二后反射镜把光再次聚焦于前反射镜上F2点上，该光线被第一后反射镜再次聚焦于F3点上，如此反复，在前反射镜的表面上形成两组焦点FpF3、F5……和F2、F4、F6……。最终，在η次反射后，被第二后反射镜反射的光偏出前反射镜的一侧，并聚焦于点Fn上，同时被探测器收集到，通过对光进行光谱分析，检测出该光线通过该物质后的光学吸收光谱。由上述描述显而易见，从光源射出的光被重复聚焦，目的是使长距离传输后发散效应最小化，发散效应在非点状光源和非理想准直系统中较为常见，这使得怀特池对弧光灯非常有效。怀特池是一个优良的多次通过的光池，即使实际应用中会有一些改变，如结合赫里奥特单元、衰减谐振器、积分球面等等的应用。典型的怀特池具有一个大的场镜和与其有些距离的两个小的可调目镜，这些反射镜在光学上具有可调的偏离和倾斜，偏离和倾斜用于确保光从光源射出后在怀特池中进行准直并能够到达探测器，偏离调节控制的是在光路平面的方向上进行，倾斜调节控制的是在垂直于光路平面的方向(这里同样被称为垂直纸面方向)上进行。怀特池需要考虑的一个重要因素是机械紧凑性，由于怀特池光学布局，使器件平行于池的垂直平面会使池更加耐用，这是因为任何光路径的偏离会得到场镜上奇数次反射的补偿。在水平方向上，器件的弯曲将给光准直带来更为严重的影响。第一后反射镜(光线首先到达的后反射镜)有一个偏离角度的调节以使入射光到达前反射镜形成一个聚焦点，通常需要调整好两个后反射镜的倾斜度以便于入射到怀特池的光线和从怀特池射出的光线能在同一平面上，一旦怀特池被设置好，只有第二反射镜的偏离角度(这里定义为 )是可调的，用来改变光通过池的次数，通过次数可用 η +1)描述，这里η为光入射到前反射镜的次数。通常，怀特池第二后反射镜角度调节是在检测前进行的，通过设置光通过的次数可用来优化或改变仪器的灵敏度。给定样本的浓度能通过物质对光的吸收率计算得出，根据朗伯-比尔定律，吸收率与物质的浓度、光通过的路径长度成比例，它们之间的关系如下式:
权利要求
1.光学吸收光谱装置，包括 光源； 探测器，用于检测从所述光源射出的传输光通过样本后的光学吸收光谱； 一个或多个反射镜，用于将所述传输光多次反射经过所述样本； 可驱动的调节器，用于调节至少一个可调节的光学器件，以便通过控制所述光反射通过所述样本的次数来改变所述传输光的光路程长度，所述可驱动的调节器用于在对应于不同的光路程长度的可调节的范围内连续地或准连续地驱动所述可调节的光学器件； 所述探测器用于在所述可调节的光学器件被调节时连续地或准连续地检测所述传输光，使所述探测器检测所述传输光在所述可调节的范围内的变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述装置具有一怀特池，所述怀特池包括一前反射镜以及第一与第二后反射镜。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于: 所述调节器用于调节至少一个所述反射镜的角度。
4.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于: 包括一装载样本的测量池。
5.根据权 利要求4所述的装置，其特征在于: 包括一用于将样本弓I入或排出所述测量池的流体传输部件。
6.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于: 包括一用于通过分析不同光路程长度的被检测的光的变化来分析所述样本中样本流体的光学吸收特性的分析仪器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于: 所述分析仪器用于分析样本流体的吸收特性与所述传输光的光路程长度之间的关系。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于: 所述分析仪器用于通过对已经测量出的吸收值的推算来确定零吸收值。
9.根据权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于: 所述分析仪器用于通过微分分析方法对样本流体的光学吸收特性进行分析。
10.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于: 包括一用于控制所述可驱动的调节器的控制器。
11.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于: 所述装置用于分析气体的光学吸收特性。
12.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于: 所述装置用于分析样本流体的紫外光或紫外-可见光的光学吸收特性。
13.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于: 所述可驱动的调节器用于在对应于三个或以上的不同光路程长度的可调节范围内连续地或准连续地驱动所述可调节的光学器件。
14.通过光学吸收光谱测量流体中一种或多种成分的方法，包括 a.将光多次反射通过样本中的流体； b.在可调节的范围内连续地或准连续地驱动一可调节的光学器件，以改变所述光被反射的次数和所述光传输通过所述流体的光路程长度；C.在所述可调节的光学器件在所述可调节的范围内被驱动时，连续地或准连续地检测所述传输光； d.检测所述传输光随所述可调节的范围改变而变化的情况，并分析所述传输光在复数个不同的光路程长度下的光学吸收光谱；以及 e.从变化的光路程长度的光学吸收光谱中确定所述流体中一种或多种成分的浓度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于: 包括通过一个或多个反射镜反射所述传输光，并通过对至少一个所述反射镜的调节来改变所述光路程长度。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于: 包括使用怀特池让光穿过所述流体。
17.根据权利要求14至16任一项所述的方法，其特征在于: 包括将所述流体装载在一个测量池内。
18.根据权利要求14至17任一项所述的方法，其特征在于: 包括检测所述传输光随所述可 调的范围的改变而变化的情况，并分析所述传输光在三个或多个不同的光路程长度下的光学吸收光谱。
全文摘要
一种光学吸收光谱装置包括一个光源，一个用于检测从光源射出并通过样本的传输光的光学吸收光谱的探测器，一个或多个用于将传输光反射使其多出通过样品的反射镜，一个用于调节至少一个光学器件的调节器，以便通过控制光反射通过样本的次数来改变光路程长度，驱动仪器用于驱动调节器，以使探测器在不同的光路程范围下检测传输光。
文档编号G01J3/42GK103221793SQ201180008865
公开日2013年7月24日 申请日期2011年2月8日 优先权日2010年2月9日
发明者史蒂文·威尔金斯 申请人:达维斯技术有限公司