专利名称：用于减少光的条纹干涉的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于减少由激光光谱系统中的、由部分反射光学面限定的无源腔 中产生的光的条纹干涉的方法，其中，该无源腔的光路长度随着三角形来回移动而改变。
背景技术：
激光吸收光谱在大气压下利用对其他气体成分的小的交叉灵敏度来提供对气体 混合体中的多种示踪气体核素进行高速和高精度检测的能力。可调二极管激光分光计尤其 适于高灵敏度研究，部分原因在于它们可频繁调节来减少低频激光噪声和电子噪声。典型 的分光计包括频率可调激光器，其用于产生通过包含所述气体混合体的样本单元而到达 光学检测器上的激光束。对在光学检测器处接收到的信号进行调制以获得吸收感应信号。不幸的是，灵敏度受到由被样本单元和激光分光计的光学系统的其他光学元件 (诸如窗或透镜)的部分反射光学面散射或反射的光引起的光学噪声的限制。平行的光学 面形成无源光学腔或标准具，所述标准具在所反射或散射的光到达光学检测器并相干地与 源射激光束混合在一起时会产生所谓的标准具效应。当通过频率或波长将激光调制通过所 需吸收信号的范围时，该混合就产生基线的随机正弦调制。正弦条纹的周期取决于杂散光 和主光束之间的路径长度差。回射到检测器上的光包括一个主分量和许多小幅值的杂散分 量，从而在扫描激光波长时产生若干正弦分量的周期性依赖于波长的稳态图案，即使在这 些正弦分量非常弱时，也会易于使有关的吸收信号与样本混淆，从而影响分光计的精度。即使利用高质量抗发射涂层以及认真的进行光学对准也极难完全消除引起干涉 条纹的反射。此外，基线条纹的相位对于光学系统的对准的小的改变也非常敏感，这是因为 所述图案随着分光计装置的环境温度而改变。干涉图案是确定的而不是随机的，从而激光扫描的正态平均不能减少干涉。一种 已知的减少条纹的有效方法是通过使导致产生标准具信号的光学分量的位置振动来改变 杂散分量的路径长度。US 4，684，258提出了在两个标准具产生面之间插入振动布鲁斯特 板，从而周期性改变标准具的光路长度。US 4，934，816提出了类似的机械方法，其中通过引 入振动镜来减小多通道单元中的标准具效应。在这两种情况中，振动频率与激光调制频率 是非同步的，从而由于标准具效应产生的条纹图案最终得到平衡。此外，这两种方法都使用三角波形来分别驱动振动布鲁斯特板和振动镜。相比于 方形波形或正弦波形，三角波形能更好地减少标准具条纹，这是因为其使得振动元件在转 折点所经历的时间最少。不幸的是，该方法具有两个缺点。首先，三角波的产生需要高线 性机电换能器，并对机电装置有很高要求。其次，实际上，光学元件的振动幅值需要高于 30FSR(自由光谱区)或15激光波长以实现标准具效应的充分减小。这在使用较长激光波 长从而机械部件(例如，具有有限波长扩展能力的标准压电换能器)具有较高的功耗并且 对该机械部件有较高的要求时变得尤其不实用。此外，在具有大幅值的元件振荡位置会出 现不想要的激光束的位移/散焦。EP 1927831披露了利用高斯(正态)分布来改变无源光腔的光路长度，其中，标准差为光的波长的至少四分之一。从而，相比于需要大于若干激光波长的振动幅值的三角调 制，已经利用略高于上述四分之一波长的标准差在服从高斯分布的幅值处实现了有效的标 准具平衡。另一个优点在于，由于噪声调制的特性，无需对调制波形进行幅值和相位进行控 制，从而允许硬件设计更加简单。另一方面，随机(噪声)调制包含对移动机构施加较高加 速力的高频分量。

发明内容
本发明致力于改善激光光谱系统中光学噪声的减少，其中无源光腔的光路长度随 着三角波形而改变。根据本发明，这通过权利要求1限定的方法实现。在其余的权利要求中具体说明了根据本发明方法的优选实施例。
因此，根据本发明的方法的特征在于，-在连续测量周期中执行光谱测量，其中在每两个连续测量周期之间具有时间间 隔，-以下述方式进行三角形移动在连续的时间间隔中的连续时间间隔中定位三角 形移动的转折点，以及-在每一或每第η个测量周期之后，各转折点的时间位置相对于测量周期来移动。相对于激光光谱扫描来移动三角形机械扫描的转折点的时间位置(即，光腔的路 径长度的变化)提高了基线图案的平均的效率。这减少了对经过干涉图案的许多周期进行 扫描的要求。此外，由于在各测量周期间的时间间隔中定位各转折点，因此机械扫描的转 折点对测量的影响最小，且测量不受通常由转折点处的减速移动或加速移动引起的干扰的 影响。转折点的时间位置在各测量周期间的时间间隔中总是在变化(例如，向前或向后移 动)，从而每个平均测量值都表示转折点的若干个时间位置。为了改变无源光腔的光学长度，激光分光计的光学元件之一、包括激光头以三角 振荡来驱动。


下面将参照附图来利用实例描述本发明，附图中图1是用于减小无源腔中产生的条纹干涉的激光光谱系统的示意图，其中，该无 源腔的光路长度随着三角形来回移动而变化；图2是示出根据本发明第一实施例的产生三角移动的时序图；以及图3是示出根据本发明第二实施例的产生三角移动的时序图。
具体实施例方式图1示出了激光分光计的简化示意图，该激光分光计包括频率可调激光器1，其 用于产生通过光学系统3到达光学检测器4上的激光束2。光学系统3还包括样本单元(未 示出)，其在气体混合体中包含示踪气体核素(species)以及其他光学元件(诸如准直透镜 5)。利用三角或锯齿调制信号对激光器1进行调制，以扫除跨过待确定的示踪气体的特定 吸收线的激光波长。调制信号6由控制单元7产生，并经由激光驱动器8施加给激光器1。对在光学检测器4处接收到的信号进行调制，以获得吸收感应信号。样本单元的部分反射光学面和光学系统3的其他光学元件(诸如窗户或透镜，例 如5)形成无源光腔(标准具)。该标准具在有所述光学面发射或散射的光到达检测器4 并与原射线束2产生干涉时就会产生标准具效应。当激光束2传播通过标准具时，标准具 内的多个反射将产生驻波，从而发射光强度将随着激光波长而周期性改变。在扫描激光波 长时，光传输将跟随周期性图案，其相位将取决于整个标准具长度。该标准具条纹图案会 使相关的吸收信号与样本混淆，从而影响分光计的精度。如果标准具长度正好改变AL = πιλ4(其中m为奇数)，则激光波长λ处的标准具条纹图案将相反。从而，通过来回改变标 准具长度，可以使不想要的周期性条纹图案最终得到平衡，从而产生平滑的光传输。为了改变无源光腔的光学长度，光学元件之一(例如激光器1或透镜幻的位置通 过三角形来回移动χ而沿激光束方向振动来改变。控制单元7于激光调制信号6同步产生 矩形振动器驱动器信号9，该信号由振动器驱动器10变换为同步三角信号11，振动器或电 机换能器12根据该三角信号控制各光学部件1或5的位置或移动χ。矩形振动器驱动器信 号9的边沿的时间位置、进而三角形来回移动χ的转折点时间位置可以通过移动速度寄存 器14控制下的振动器控制单元13来改变。如图2所示，在连续的测量周期16中进行光谱测量15，其中在每两个连续的测量 周期16之间具有恒定的时间间隔17。时间间隔17由时间窗信号18定义，而时间窗信号由 控制单元7产生并用于控制移动速度寄存器14。每个测量周期16都可以包括一个或多个 激光扫描(调制信号6)。矩形振动器驱动器信号9与测量周期16同步产生，从而三角形移 动χ的转折点19被定为在连续的时间间隔17中。在时间间隔17中，矩形振动器驱动器信 号9的边沿的时间位置进而转折点19的时间位置相对于测量周期16而移动。这可以在每 次或每第η个测量周期16之后完成。在所示的实例中，首先，三角形移动χ的来回移动部 分被延长了很小量，从而转折点19从时间间隔17的开始到结尾递增地向前移动。当到达 时间间隔17的结尾时，三角形移动χ的来回移动部分缩短了很小量，从而转折点19从时间 间隔17的开始到结束递增地向后移动。在每次转折点19到达时间间隔17的界限时就重 复该过程。在图3所示的实例中，通过延长或缩短时间间隔17的长度来执行转折点19的时 间位置的相对移动，而三角形移动X的来回移动部分的长度恒定。如所示，时间间隔17首 先被缩短很小量，从而转折点19从时间间隔17的开始到结尾递增地向前移动。当到达时 间间隔17的结尾时，使时间间隔17延长很小量，从而转折点19从时间间隔17的结尾到开 始递增地向后移动。在每次转折点19到达时间间隔17的界限时就重复该过程。尽管图2和图3示出了转折点19的时间位置在时间间隔17的界限之间进行递增 的来回移动，但是所述时间位置的移动可以在时间间隔17内随机地交替进行。三角形移动的向前移动部分和向后移动部分不必相等，S卩，该移动可以是锯齿状 的。此外，测量15，即测量周期16，可以限于两个来回移动7部分中的一个或另一个。
权利要求
1.一种用于减小在由激光光谱系统中的、由部分反射光学面限定的无源腔中产生的光 的条纹干涉的方法，其中，所述无源腔的光路长度随着三角形来回移动(X)而变化，其特征 在于，-在连续测量周期(16)中执行光谱测量(15)，其中在每两个所述连续测量周期(16) 之间具有时间间隔(17),-以下述方式进行三角形移动(χ)在连续的所述时间间隔(17)中的连续时间间隔中 定位所述三角形移动(χ)的转折点(19)，以及-在每一或每第η个测量周期(16)之后，各转折点(19)的时间位置相对于所述测量周 期(16)来移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间间隔(17)的长度恒定，且所述转 折点(19)的时间位置的相对移动通过延长或缩短所述三角形移动(χ)的所述来回移动区 段来进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转折点(19)的时间位置的相对移动 通过延长或缩短所述时间间隔(17)进行。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述转折点(19)的时间位置的 相对移动随机进行。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述转折点(19)的时间位 置的相对移动在所述时间间隔(17)的开始和结尾之间递增地往复进行。
全文摘要
为了减少在由激光光谱系统中的、由部分反射光学面限定的无源腔中产生的光的条纹干涉，该无源腔的光路长度随着三角形来回移动(x)而变化。根据本发明，在连续测量周期中执行光谱测量，其中在每两个连续测量周期之间具有时间间隔，以下述方式进行三角形移动在连续的时间间隔中定位三角形移动的转折点，以及在每一或每第n个测量周期之后，相对于测量周期来移动各转折点的时间位置。
文档编号G01J3/02GK102066887SQ200980122880
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年6月20日
发明者帕维尔·克鲁克兹恩斯基, 里卡德·拉尔金 申请人:西门子公司