基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置及方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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：Cavity Ringdown Spectroscopy)(Cavity ring-down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources”,REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS,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(Optical feedback cavity ring-down spectroscopy)(Measurement of trace gases by diode laser cavity ringdown spectroscopy”,PROCEEDING OF SPIE-THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING,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。

发明内容

本发明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。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明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。

本发明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腔和样品的衰荡时间，具体的衰荡时间可以表示为：

y＝y₀+Aexp(Rx)

$\tau =x^{\prime }-x=\frac{1}{R}ln(1+\frac{(1-e)y_0}{{\mathrm{Ae}}^{Rx}})-\frac{1}{R}$

其中，x为新曲线峰值的横坐标；y₀，A和R都是拟合方程中的常数项。

本发明利用电磁诱导透明效应，在衰荡腔内加入电磁诱导透明介质，在探测光和控制光经过介质并且达到共振时，电磁诱导透明介质体现出对探测光零吸收并且具有一个非常大的色散，这个极大的色散用于减慢探测光的光子速度，延长光子在腔内的寿命，增加光子与样品相互作用的时间，提高探测光的灵敏度。

本发明添加一束控制光，通过偏振分光棱镜引入电磁诱导透明介质气室(PBS：Polarization Beam Splitter)，并在气室内与探测光小角度相交，两光在重合部分构建电磁诱导透明效应，然后控制光再通过偏振分光棱镜反射出衰荡腔，以免在腔内循环。

本发明在衰荡腔后腔镜上附加压电陶瓷(PZT：Piezoelectric Transducer)，通过信号发生器对压电陶瓷加上一个具有三角波信号的电压控制，控制其伸缩，实现对衰荡腔的腔长进行扫描。并且通过调节信号发生器，可实现对扫腔频率和幅度的改变。

与现有技术相比，本发明的积极效果如下：

针对以往连续波腔衰荡腔方案中的不足，本发明提出一种基于电磁诱导透明(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)基础上的连续波腔衰荡光谱技术方案。本发明通过在最初的连续波腔衰荡光谱技术中引入电磁诱导透明介质，利用电磁诱导透明效应的特性，在探测光和控制光满足共振时，介质对探测光会出现极大色散和零吸收的性质，极大的色散可以显著提高介质的折射率，减慢光子在介质内的速度，从而实现延长腔内光子寿命，增加光子与样品相互作用的时间，可以有效的提高探测光的灵敏度。更重要的是此技术也能够很好的兼容各类腔衰荡光谱方案，可以进一步提高其探测灵敏度。

本发明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。

附图说明

图1为本发明的基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置的结构示意图；

其中，探测光-1，控制光-2，光学谐振腔的前腔镜-3，第一偏振分光棱镜-4，电磁诱导透明介质气室-5，第二偏振分光棱镜-6，待测样品气室-7，光学谐振腔的后腔镜-8，光电探测器-9，压电陶瓷-10，信号发生器-11；

图2为腔透射谱线数据处理示意图；其中，a为存在电磁诱导透明效应的腔透射谱；b中竖直虚线为透射峰的峰值位置，以此为对称轴，作出透射上升沿的对称曲线，即为c所示；d为透射峰下降沿减去上升沿对称曲线后的新曲线；

图3为衰荡时间随样品原子数的变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例

如图1所示，本发明的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，连续波半导体激光器作为探测光1和控制光2的光源，在其出射的探测光1光路上依次设有光学谐振腔的前腔镜3、第一偏振分光棱镜4、电磁诱导透明介质气室5、第二偏振分光棱镜6、待测样品气室7、光学谐振腔的后腔镜8，以及用于接受探测光1信号的光电探测器9；

光学谐振腔的前腔镜3和光学谐振腔的后腔镜8构成衰荡腔；光学谐振腔的前腔镜3和光学谐振腔的后腔镜8反射率均大于99.5％。

光学谐振腔后腔镜3上设有压电陶瓷10，压电陶瓷10与信号发生器11相连，信号发生器11为压电陶瓷10提供电压信号；

控制光2通过第一偏振分光棱镜4反射进入光学谐振腔内，控制光1通过调节其偏振使得其在第一偏振分光棱镜4和第二偏振分光棱镜6处反射，控制光1在经过电磁诱导透明介质气室时，与探测光2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1再通过第二偏振分光棱镜6反射出光学谐振腔，避免其在腔内循环。

控制光2与探测光1在电磁诱导透明介质气室5内小角度相交，是为了防止第二偏振分光棱镜6不能完全反射控制光2时，使得一部分控制光2在与探测光1在样品介质气室6重叠影响结果，并且这样可以避免了控制光2在腔内谐振。

光学谐振腔为共焦腔。

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。

电磁诱导透明介质为铷、钠或铯等原子。

第一偏振分光棱镜4和第二偏振分光棱镜6用于使控制光2反射，探测光1透射。

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1和控制光2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；

对探测光1和控制光2的波长和频率进行选择并调节其强度，具体是指：探测光1和控制光2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1和控制光2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。

b.光波信号进入光学谐振腔并在腔内形成反射

b1)探测光1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4，然后经过电磁诱导透明介质气室5，再经过第二偏振分光棱镜6，穿过样品气室7后达到光学谐振腔的后腔镜8，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9所接收；

b2)控制光2通过第一偏振分光棱镜4反射进入光学谐振腔内，控制光2通过调节其偏振使得其在第一偏振分光棱镜4和第二偏振分光棱镜6处反射，控制光2在经过电磁诱导透明介质气室5时，与探测光1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2再通过第二偏振分光棱镜6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11输出三角波电压驱动信号施加在压电陶瓷10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1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9接收从光学谐振腔的后腔镜8透射出的探测光1信号，首先测得不放入待测样品气室7时的透射谱，即空腔的透射谱，然后将待测样品放入待测样品气室7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。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腔和样品的衰荡时间，具体的衰荡时间可以表示为：

y＝y₀+Aexp(Rx)

$\tau =x^{\prime }-x=\frac{1}{R}ln(1+\frac{(1-e)y_0}{{\mathrm{Ae}}^{Rx}})-\frac{1}{R}$

其中，x为新曲线峰值的横坐标；y₀，A和R都是拟合方程中的常数项。

具体的，在选用铷原子作为电磁诱导透明介质，且选择对探测光波长有吸收的铷原子蒸汽作为待测样品。存在电磁诱导透明效应时的腔透射谱如图2a所示，并通过上述数据处理过程，通过拟合新曲线下降沿得到了其衰荡时间。图2a中表示的是未经过数据处理时，存在电磁诱导透明效应时的腔透射谱线；图2b中的竖直虚线位于图a透射峰的峰值位置，以此作为对称轴，作出腔透射峰上升沿的对称曲线，如图2c中的虚线所示；图2d是将腔透射峰下降沿减去上升沿的对称曲线之后，得到的新曲线，并进行数据拟合，或者拟合曲线。

通过改变待测样品在腔内的长度，测量对应的腔透射谱，从而获得了不同样品长度，即不同样品原子数情况下的衰荡时间，具体结果如图3所示。圆点表示腔内存在电磁诱导透明效应时的衰荡时间，方块表示腔内不存在电磁诱导透明效应时的衰荡时间。实线和虚线分别表示其拟合曲线。

根据理论分析，腔内存在电磁诱导透明效应时的衰荡时间表达式可以写成：

$\tau =\frac{(L-l_e)/c+l_e/v_g}{(1-R)+{\alpha }_s{l}_s+{\alpha }_e{l}_e}$

其中，L表示的是谐振腔长度，l_e和l_s分别表示电磁诱导透明介质气室和待测样品的长度，c为光在真空中的光束，v_g表示光在电磁诱导透明介质中群速度，R表示腔镜的反射率，α_e和α_s分别表示电磁诱导透明介质和待测样品的吸收系数。实验中，探测光和控制光的强度确定时，表达式中α_e和v_g不随时间变化。

从图3中可以看出，当电磁诱导透明效应存在时，待测样品的衰荡时间得到了有效的延长，而它的灵敏度，即曲线上的点对应的切线斜率大小，也得到了有效地增强，经对比增强效果约为1.5倍。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。