專利名稱：用于增強對痕量物質(zhì)進行光譜測量的光纖諧振器中的瞬逝場暴露的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及吸收光譜學(xué)，特別是，本發(fā)明針對具有增強的瞬逝場(evanescent field)區(qū)域的光纖傳感器，其可與用于環(huán)降腔光譜測量的光纖諧振器一起使用。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在參考示圖，在所有圖中類似的標(biāo)號指示類似的元件，圖1示出了對數(shù)標(biāo)度下的電磁波頻譜。光譜學(xué)學(xué)科研究的是光譜。與關(guān)注頻譜的其他部分的學(xué)科不同的是，光學(xué)具體涉及可見光和近可見光(near-visible light)——可用頻譜中非常窄的一部分，而可用頻譜的波長從約1mm延至約1nm。近可見光包括比紅色更紅的色光(紅外線)和比紫色更紫的色光(紫外線)。范圍向可見區(qū)的兩側(cè)延伸足夠地遠，恰好使得光通過常規(guī)材料制成的絕大多數(shù)透鏡和反射鏡仍然能夠被操控。通常必須考慮材料光學(xué)特性的波長依賴性。
吸收型光譜測量提供了高靈敏度、微秒量級的響應(yīng)時間、抗污染能力，以及有限的來自除所研究物質(zhì)種類以外的其他分子種類的干擾。通過吸收光譜學(xué)可以檢測或識別各種分子種類。因此，吸收光譜測量提供了一種檢測重要痕量物質(zhì)(trace species)的通用方法。在氣相狀態(tài)下，這種方法的靈敏度和選擇性被最優(yōu)化，因為物質(zhì)將它們的吸收強度集中在一組尖銳的譜線上。頻譜中的這種狹窄的譜線可以被用來與絕大多數(shù)干擾物質(zhì)進行區(qū)分。
在很多工業(yè)處理中，流動氣流和液體中的痕量物質(zhì)的濃度必須以很高的速度和準(zhǔn)確度來測量和分析。之所以需要這樣的測量和分析是因為污染物的濃度通常對最終產(chǎn)品的質(zhì)量非常關(guān)鍵。例如，諸如N2、O2、H2、Ar以及He之類的氣體被用于制造集成電路，在這些氣體中雜質(zhì)的出現(xiàn)——即使是十億分之一(ppb)水平的——也是破壞性的，降低了運算電路的產(chǎn)出率。所以，對于半導(dǎo)體工業(yè)中所使用的高純度氣體的制造者來說，能夠以相對較高的靈敏度對水進行光譜監(jiān)測是非常重要的。在其他的工業(yè)應(yīng)用中，有各種雜質(zhì)必須要進行檢測。此外，液體中雜質(zhì)的出現(xiàn)，不論是原來就有的還是有意添加的，近來已經(jīng)受到特別的關(guān)注。
對于高純度氣體中的氣態(tài)污染物，光譜測量已經(jīng)達到百萬分之一(ppm)水平的檢測。在一些情況下，可以得到十億分之一水平的檢測靈敏度。相應(yīng)地，幾種光譜方法已經(jīng)被用于諸如氣體中的定量污染監(jiān)測這樣的應(yīng)用，包括在傳統(tǒng)長路徑單元中的吸收測量，光聲光譜法，調(diào)頻光譜法和腔內(nèi)激光吸收光譜法。這些方法的若干特點使它們難以用于工業(yè)應(yīng)用并且對于工業(yè)應(yīng)用來說是不實際的，在授予Lehmann的美國專利No.5,528,040中對這些特點進行了討論。因此，這些方法基本上被限制于實驗室研究。
相反，腔環(huán)降光譜法(CRDS，cavity ring-down spectroscopy)已經(jīng)成為適用于科學(xué)研究、工業(yè)處理控制和大氣痕量氣體檢測的一項重要的光譜技術(shù)。CRDS已經(jīng)被證實是在低吸收率的情況下表現(xiàn)優(yōu)異的一項光吸收測量技術(shù)，而傳統(tǒng)方法在低吸收率的情況下靈敏度不足。CRDS利用高精細光學(xué)諧振器中的光子的平均壽命作為對吸收敏感的可觀察量。
一般，諧振器由一對名義上相同、窄帶、超高反射率的介質(zhì)反射鏡形成，所述反射鏡經(jīng)適當(dāng)構(gòu)造形成穩(wěn)定的光學(xué)諧振器。激光脈沖通過反射鏡被注入諧振器以歷經(jīng)一個平均壽命，該平均壽命取決于光子往返行程的通行時間、諧振器的長度、吸收截面和物質(zhì)的數(shù)量密度，以及表示諧振器固有損耗的因子(在衍射損耗可忽略不計時，其主要由依賴于頻率的反射鏡的反射率引起)。因此，對光吸收的測定從傳統(tǒng)的功率比度量轉(zhuǎn)變成衰減時間度量。CRDS的最終靈敏度由諧振器固有損耗的大小決定，而諧振器固有損耗可以通過諸如能夠制作超低損耗光學(xué)元件的超級拋光之類的技術(shù)來最小化。
目前，CRDS被限制于能夠使用高反射率介質(zhì)反射鏡的光譜區(qū)域。這很大地限制了該方法在很多紫外和紅外區(qū)域中的效用，因為目前還不能得到具有足夠高反射率的反射鏡。即使在適合的介質(zhì)反射鏡可用的區(qū)域中，每套反射鏡也僅允許工作于很小范圍的波長上，一般是百分之幾的一小部分范圍。此外，很多介質(zhì)反射鏡的構(gòu)造所要求使用的材料會隨時間而退化，特別是當(dāng)暴露于化學(xué)腐蝕性環(huán)境中時。由于目前的這些局限性限制或妨礙了CRDS在很多潛在應(yīng)用中的使用，所以人們清楚地認識到有必要就諧振器的構(gòu)造對該技術(shù)領(lǐng)域的目前狀態(tài)做出改進。
A.Pipino等人的文章“Evanescent wave cavity ring-downspectroscopy with a total-internal reflection minicavity”(具有全內(nèi)反射微腔的瞬逝波腔環(huán)降光譜測量)，Rev.Sci.Instrum.68(8)(1997年8月)提出了實現(xiàn)改進的諧振器構(gòu)造的一種方法。該方法使用具有規(guī)則多邊形幾何形狀(例如，正方形和八邊形)的整體式、全內(nèi)反射(TIR)環(huán)形諧振器，其具有至少一個凸面以帶來穩(wěn)定性。光脈沖被位于諧振器外部且在諧振器附近的第一棱鏡全反射，產(chǎn)生瞬逝波，該瞬逝波通過光子隧穿進入諧振器并激發(fā)諧振器的穩(wěn)定模式。當(dāng)光以大于臨界角的角度照射在具有較低折射率的傳播介質(zhì)表面上時，其被完全反射。參見J.D.Jackson，“Classical Electrodynamics”(經(jīng)典電動力學(xué))，第7章，John Wiley & Sons，Inc.New York，NY(1962年)。但是在反射點以外存在一個場，該場是非傳播的，并且隨著距界面的距離而以指數(shù)方式衰減。該瞬逝場在純介質(zhì)媒介中不傳送任何能量，但是反射波的減弱使得能夠觀察到瞬逝場區(qū)域中的吸收物質(zhì)的存在。參見F.M.Mirabella編輯的“Internal Reflection Spectroscopy”(內(nèi)反射光譜學(xué))，第2章，Marcel Dekker，Inc.New York，NY(1993)。
位于諧振器全反射表面處的物質(zhì)的吸收光譜是由整體式諧振器中的光子的平均壽命得到的，該平均壽命是從通過與第二棱鏡(也是位于諧振器外部且在其附近的全反射棱鏡)向外耦合而在探測器處接收到的信號的時間相關(guān)性得出的。這樣，光輻射通過光子隧穿進入和離開諧振器，這使得能夠?qū)斎牒洼敵鲴詈线M行精確的控制。具有CRDS效果的微型諧振器和TIR環(huán)形諧振器將CRDS概念擴展到凝聚物質(zhì)光譜學(xué)。TIR的寬帶性能避開了傳統(tǒng)氣相CRDS中的介質(zhì)反射鏡所帶來的窄帶寬限制。A.Pipino等人的成果只適用于TIR光譜測量，其在本質(zhì)上被限制在較短的吸收總路徑長度，從而被限制于吸收強度大的情況。相反，本發(fā)明提供了較長的吸收路徑長度，因此允許檢測微弱的吸收強度。
在授予Lehmann等人的美國專利5,973,864、6,097,555、6,172,823B1和6,172,824 B1中提出了實現(xiàn)基于反射鏡的CRDS系統(tǒng)的各種新的方法，這里通過引用將其結(jié)合于此。這些方法教導(dǎo)了對由兩個反射元件或者棱鏡元件形成的近共焦諧振器的使用。
圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的CRDS裝置10。如圖2所示，光從窄帶、可調(diào)、連續(xù)波二極管激光器20中產(chǎn)生。激光器20由溫度控制器30進行溫度調(diào)諧，以將其波長置于所需的分析物譜線上。隔離器40被設(shè)置在從激光器20發(fā)射出的輻射前方并與之成一直線。隔離器40提供了單向透射路徑，允許輻射遠離激光器20傳輸而防止輻射沿相反方向傳輸。單模光纖耦合器(F.C.)50將從激光器20發(fā)射出的光耦合到光纖48中。光纖耦合器50被設(shè)置在隔離器40的前方并與之成一直線。光纖耦合器50接收并固定光纖48，將從激光器20發(fā)射出的輻射導(dǎo)向并通過第一透鏡46。第一透鏡46收集輻射并將其聚焦。由于激光器20所發(fā)射的光束的方向特性(beam pattern)與在光纖48中傳播的光的方向特性并不完全匹配，所以存在不可避免的失配損耗。
激光輻射被近似地模式匹配到環(huán)降腔(RDC)單元60中。反射鏡52將輻射導(dǎo)向分束器54。分束器54將該輻射的約90％導(dǎo)引通過第二透鏡56。第二透鏡56將輻射收集并聚焦到單元60中。剩余的輻射穿過分束器54，并被反射鏡58導(dǎo)引至分析物參考單元90中。
透射通過分析物參考單元90的輻射被導(dǎo)向并通過第四透鏡92。第四透鏡92在分析物參考單元90和第二光電探測器94(PD2)之間對準(zhǔn)。光電探測器94向計算機和控制電路100提供輸入。
單元60是由兩個高度反射的反射鏡62、64構(gòu)成的，這兩個反射鏡沿軸a如近共焦標(biāo)準(zhǔn)具那樣排列。反射鏡62、64構(gòu)成單元60的輸入和輸出窗口。所研究的樣品氣體流經(jīng)單元60的與光軸a共軸的狹窄導(dǎo)管66。反射鏡62、64被置于可調(diào)節(jié)的法蘭或者支架上以允許對單元60的光學(xué)校準(zhǔn)進行調(diào)節(jié)，其中所述法蘭或者支架用真空密閉波紋管密封。
反射鏡62、64具有高反射率的介質(zhì)涂層，并被定向為使該涂層朝向單元60所形成的腔內(nèi)。一小部分激光通過前反射鏡62進入單元60，并在單元60的腔內(nèi)往返“環(huán)繞”。透射通過單元60的后反射鏡64(反射器)的光被導(dǎo)向并通過第三透鏡68，并隨后成像到第一光電探測器70(PD1)上。光電探測器70、94中的每一個都將進入光束轉(zhuǎn)換成電流，并由此向計算機和控制電路100提供輸入信號。該輸入信號表示了腔環(huán)降的衰減速率。
圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)的CRDS諧振器100內(nèi)的光路。如圖3所示，用于CRDS的諧振器100是基于使用兩個布魯斯特角后向反射器棱鏡50、52。圖中示出了相對于棱鏡50的偏振角或布魯斯特角，ΘB。入射光12和出射光14被分別示作向棱鏡52的輸入和來自棱鏡52的輸出。諧振光束以約45°角在每個棱鏡50、52中經(jīng)歷兩次全內(nèi)反射而沒有損耗，其中45°角是比熔凝石英以及絕大多數(shù)其他普通光學(xué)棱鏡材料的臨界角都大的一個角度。光沿著光軸54在棱鏡50、52之間傳播。
盡管與其他光譜方法相比，環(huán)降腔光譜法實現(xiàn)起來更簡單、花費更少，但是其仍然是昂貴的，因為環(huán)降腔光譜系統(tǒng)每臺的花費可能在幾千美元的量級上。此外，傳統(tǒng)CRDS設(shè)備在制造時以及在使用過程中容易在光學(xué)元件之間出現(xiàn)未對準(zhǔn)情況。
為了克服實現(xiàn)改進的諧振器構(gòu)造的已知方法的缺點，提供了一種用于CRDS的新的基于光纖的光學(xué)諧振器。本發(fā)明的一個目的是用具有增強瞬逝場部分的傳感器替代傳統(tǒng)光纖傳感器，從而提供更為靈敏的光纖傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于本發(fā)明的目的，為了實現(xiàn)以上以及其他目標(biāo)，本發(fā)明提出了一種用于樣品氣體中的痕量物質(zhì)檢測和測量的改進裝置。該裝置包括無源光纖；與所述光纖成一直線的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器使其一部分暴露于所述樣品氣體或樣品液體；相干輻射源；耦合裝置，用于i)將所述相干源所發(fā)射的輻射的一部分引入所述無源光纖環(huán)，以及ii)接收在所述無源光纖環(huán)中的諧振輻射的一部分；探測器，用于檢測所述耦合裝置接收到的輻射的水平以及響應(yīng)于此生成信號；以及耦合到所述探測器的處理器，用于基于所述探測器生成的所述信號確定所述氣體樣品或液體樣品中的所述痕量物質(zhì)的水平。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述傳感器具有暴露于所述樣品氣體或樣品液體的錐形部分。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，所述傳感器具有有著“D”形橫截面的暴露部分。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，所述痕量物質(zhì)的水平是基于探測器裝置所生成的信號的衰減速率來確定的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在所述耦合裝置和所述探測器之間設(shè)置濾波器，用于有選擇地將從所述無源光纖環(huán)接收的部分輻射傳遞至所述探測器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，耦合器包括i)第一耦合器，用于將由所述相干源發(fā)射的部分輻射引至所述光纖環(huán)的第一部分和ii)第二耦合器，用于在其第二部分處接收所述無源光纖環(huán)中的部分輻射。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述光纖的暴露部分是所述光纖的包層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述光纖的暴露部分是所述光線的內(nèi)芯。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述相干源是光參量發(fā)生器、光參量放大器或者激光器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述光纖內(nèi)傳播的輻射的瞬逝場被暴露于樣品氣體或樣品液體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，來自所述光纖的所述輻射的吸收增大了所述輻射的衰減速率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述無源光纖具有中空芯。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述裝置還包括傳感器，所述傳感器由圓柱體形成并纏繞有所述諧振光纖的一段所述暴露部分，使得通過增大瞬逝場的穿透深度來增強所述瞬逝場向所述痕量物質(zhì)的暴露。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述無源光纖環(huán)的至少一部分包覆有一材料以有選擇地提高所述痕量物質(zhì)在所述光纖環(huán)的被包覆部分處的濃度。
應(yīng)該理解的是，以上概述以及下面的詳細描述對本發(fā)明是示例性的而非限制性的。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，從以下詳細描述中可以最好地理解本發(fā)明。要強調(diào)的是，根據(jù)一般實踐，示圖的各種特征并不依照一定比例。相反，為了清楚，各種特征的尺寸被任意地放大或減小。示圖中包括以下各圖圖1示出了對數(shù)標(biāo)度下的電磁波頻譜；圖2示出了使用反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)的CRDS系統(tǒng)；圖3示出了使用棱鏡的現(xiàn)有技術(shù)的CRDS系統(tǒng)；圖4是本發(fā)明第一示例性實施例的圖示；圖5A是傳統(tǒng)光纖的端視圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的傳感器的透視圖；圖6A是光纜的截面視圖，示出了光纜中輻射的傳播；圖6B是根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的示出了瞬逝場的光纖傳感器橫截面圖；圖6C是根據(jù)本發(fā)明另一個示例性實施例的示出了瞬逝場的光纖傳感器橫截面圖；圖7是本發(fā)明第二示例性實施例的圖示；圖8A-8D是根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的光纖傳感器的圖示；圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明第四示例性實施例的光纖傳感器的圖示；圖10A-10C是根據(jù)本發(fā)明第五示例性實施例的光纖傳感器的圖示。
具體實施例方式
2001年12月12日遞交的美國專利申請10/017,367的全部公開內(nèi)容通過引用特結(jié)合于此。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的基于光纖的環(huán)降裝置400，通過該裝置可以檢測氣體和液體中的痕量物質(zhì)或者分析物。在圖4中，裝置400包括諧振光纖環(huán)408，該光纖環(huán)具有光纜402和沿光纜402的長度分布的傳感器500(以下將詳細描述)。諧振光纖環(huán)408的長度可以方便地適應(yīng)各種采集環(huán)境，例如，諸如周邊探測(perimeter sensing)或者穿過物理設(shè)備的各個截面。盡管如圖所示，多個傳感器500沿著光纖環(huán)408的長度分布，但是如果需要，本發(fā)明可以僅使用一個傳感器500來實現(xiàn)。分布不止一個傳感器500使得能夠?qū)Ρ榧鞍惭b地點的不同點處的痕量物質(zhì)進行采樣。本發(fā)明還可以使用傳感器500與暴露于樣品液體或氣體的光纖402的平直部分的組合來實現(xiàn)，或者僅利用暴露于樣品液體或氣體的光纖402的平直部分來實現(xiàn)?？梢灶A(yù)期到，諧振光纖環(huán)的長度可以小到1米，大到數(shù)千米。
相干輻射源404，例如，諸如光參量發(fā)生器(OPG)、光參量放大器(OPA)或激光器，發(fā)射波長與所感興趣的分析物或者痕量物質(zhì)的吸收頻率一致的輻射。相干源404可以是基于所感興趣的痕量物質(zhì)的具有窄波帶的可調(diào)二極管激光器。市場上可購買到的光參量放大器的一個例子是可以從加利福尼亞州Mountain View的Spectra Physics購買到的型號為No.OPA-800C的產(chǎn)品。
表1中概述了相干源404的頻率與分析物關(guān)系的示例。表1僅僅是說明性的，而并不意圖作為對本發(fā)明范圍的限制。此外，可以預(yù)期到，本發(fā)明可以被用于檢測各種對人體和/或動物有害的化學(xué)和生物試劑。還可以預(yù)期到的是，通過用專門結(jié)合所需抗原的抗體涂敷無源光纖環(huán)的表面，可以增強這種檢測。

表1在第一示例性實施例中，來自相干源404的輻射通過任選的光隔離器406、耦合器410和瞬逝輸入耦合器412被提供給諧振光纖環(huán)408。當(dāng)相干源404是二極管激光器時，使用光隔離器406通過防止反射光回到激光器中而帶來了使激光器中的噪聲最小化的好處。瞬逝輸入耦合器412可以將固定百分比的來自相干源404的輻射提供到諧振光纖環(huán)408中，或者是能夠根據(jù)整個諧振光纖環(huán)408中所出現(xiàn)的損耗而可調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，瞬逝輸入耦合器412向諧振光纖環(huán)408所提供的輻射量與在光纜402和連接器(未示出)中出現(xiàn)的損耗匹配。市場上可購買到的一種瞬逝耦合器是由新澤西州Newton的ThorLabs公司所制造的，零件編號為10202A-99，該瞬逝耦合器提供對輻射的1％的耦合(99％/1％分光比的耦合)。在一個優(yōu)選實施例中，瞬逝輸入耦合器412將少于1％的來自相干源的輻射耦合到光纖402中。
在一個示例性實施例中，為了檢測痕量物質(zhì)或者分析物，將覆蓋光纜402的護套402a的一部分去除，以暴露圍繞光纜402的內(nèi)芯402c的包層402b。作為選擇，或者可以將護套402a和包層402b兩者都去除以暴露內(nèi)芯402c，或者可以將光纜402的套有護套的部分暴露于樣品液體或氣體。在例如瞬逝場(在下面討論)延伸到護套中以與痕量物質(zhì)(其已經(jīng)被吸收或融入到護套中了)相互作用的情況下，后一種方法可能有用。但是，將護套和包層兩者都去除可能不是最優(yōu)選的，因為某些類型的光纜中所使用的內(nèi)芯402c具有易碎特性。圖5A中示出了典型光纜的橫截面。
彎曲全內(nèi)反射(TIR)元件會改變?nèi)肷潆姶挪ń佑|反射表面的角度。在繞圓柱體彎曲光纖的情況下，在纖芯的與圓柱體相對的表面上的反射角接近垂直，瞬逝場的穿透深度增大了。通過將光纖402繞圓柱性芯元件502纏繞數(shù)圈(見圖5B)，瞬逝場穿透深度增大了，并且更長的光纖可以以更小物理體積被暴露于檢測流體。D.Littlejohn等人在文章“Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensors for NearInfrared Spectroscopy”(用于近紅外光譜的彎曲石英光纖瞬逝吸收傳感器)，Applied Spectroscopy 53845-849(1999)中討論了對通過改變彎曲半徑改善光纖傳感的實驗驗證。
圖5B示出了用來檢測液體或氣體樣品中的痕量物質(zhì)的示例性傳感器500。如圖5B所示，傳感器500包括例如心軸之類的圓柱形芯元件502(其可以是實心的、中空的或者可滲透的)，同時一部分暴露包層402b(在該例子中)的光纜402圍繞芯元件502纏繞一段預(yù)定的長度506。還可以通過在光纜402的芯402c被暴露處纏繞芯元件502來制作傳感器500。芯元件502的直徑使得纖芯402c形成具有小于臨界半徑r的半徑，在臨界半徑r的該點處，由于纖芯限定出芯元件502，額外的輻射會通過纖芯402c被損失掉，否則將損壞光纖的完整性。臨界半徑r取決于穿過光纜402的輻射的頻率和/或光纖的構(gòu)成。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，芯元件502的半徑在約1cm和10cm之間，最好至少為1cm左右。如圖中所示，來自光纖402的輻射在輸入端504處被輸入，在輸出端508處被取出。圓柱形芯元件502可以在其放置光纖402的表面上具有螺旋凹槽，以及用于將光纖402固定到圓柱形芯元件502的裝置。這樣的固定裝置可以采取很多形式，例如螺紋接入圓柱形芯元件502，以及諸如環(huán)氧樹脂或硅橡膠之類的粘合劑等等。本發(fā)明也可以在傳感器500與光纖402成為整體或者可以在利用市場可購買到的光纖連接器將傳感器500耦合到光纖402的情況下實現(xiàn)。
圖6A示出了輻射如何傳播通過典型的光纜。如圖6A所示，輻射606在內(nèi)芯402c與包層402b之間的邊界處發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)。存在一些可忽視的損耗(未示出)，該損耗就是輻射未被反射而是被吸收到包層402b中的量。盡管圖6A被描述為光纜，但是圖6A和本發(fā)明的該示例性實施例同樣可以適用于中空光纖，例如中空波導(dǎo)，其中包層402b圍繞著中空的芯。
圖6B是傳感器500的一個示例性實施例的橫截面圖，示出了將光纜402圍繞芯元件502纏繞的效果。如圖6B所示，僅護套402被從光纜402去除。輻射606在芯402c內(nèi)傳輸，并在內(nèi)芯402c與鄰近芯元件502的包層402b-1部分之間的邊界處發(fā)生全內(nèi)反射，同時具有可忽略不計的損耗609。另一方面，在出現(xiàn)痕量物質(zhì)或分析物610的情況下，瞬逝場608穿過內(nèi)芯402c與暴露的包層402b-2部分之間的界面。這實質(zhì)上基于所出現(xiàn)的痕量物質(zhì)610的量衰減了輻射606，被稱為衰減全內(nèi)反射(ATR)。應(yīng)該注意到，如果沒有具有與輻射波長相符的吸收帶的痕量物質(zhì)出現(xiàn)，則輻射606不被衰減(除了被光纖中的固有損耗所衰減以外)。
圖6C是傳感器500的另一個示例性實施例的橫截面圖，示出了將光纜402圍繞芯元件502纏繞同時使護套402a的一部分保持完好的效果。如圖6D所示，僅護套402a的上部分被從光纜402去除。類似于傳感器500的第一示例性實施例，輻射606在芯402c內(nèi)傳輸，并且在內(nèi)芯402c與鄰近芯元件502的包層402b-1部分之間的邊界處發(fā)生全內(nèi)反射，同時具有可忽略不計的損耗609。另一方面，在出現(xiàn)痕量物質(zhì)或分析物610的情況下，瞬逝場608穿過內(nèi)芯402c與暴露的包層402b-2部分之間的界面。
可以想到，護套402a的去除(在傳感器500的任一示例中)可以利用例如傳統(tǒng)的剝光纖工具的機械裝置，或者可以通過將光纜的該部分浸入會侵蝕和溶解護套402a而不影響包層402b和內(nèi)芯402c的溶液中來完成。在部分去除護套402a的情況下，可以通過有選擇地將溶液施加到護套的想要去除的部分上對該溶液方法做出改變。
為了增強對液體樣品中痕量物質(zhì)的分析物分子的吸引，無源光纖環(huán)的少護套的部分可以用材料包覆以有選擇地增加光纖環(huán)的該被包覆部分處的痕量物質(zhì)的濃度。這種包覆材料的一個例子是聚乙烯。另外，可以用抗原專用連結(jié)劑(binder)來包覆光纖，從而以高度專一性吸引所需的生物分析物。
再次參考圖4，在穿過傳感器500之后剩余的輻射通過光纖環(huán)402繼續(xù)前進。該剩余輻射的一部分被瞬逝輸出耦合器416耦合出光纖環(huán)402。瞬逝輸出耦合器416通過探測器418和信號線422被耦合到處理器420。處理器420可以是例如具有將探測器418的模擬輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號用于處理的個人電腦(PC)。處理器420還通過控制線424控制相干源404。一旦處理器420從探測器418接收到信號，處理器就可以基于接收到的輻射衰減速率確定所出現(xiàn)的痕量物質(zhì)的量和類型。
任選地，可以在瞬逝輸出耦合器416與探測器418之間設(shè)置波長選擇器430。波長選擇器430起到濾波器的作用，用于防止不處于預(yù)定范圍內(nèi)的輻射被輸入探測器418。
探測器414被耦合到輸入耦合器412的輸出端。探測器414的輸出經(jīng)由信號線422被提供給處理器420，用于確定諧振光纖環(huán)402何時接收到用于進行痕量物質(zhì)分析的足夠的輻射。
在檢測液體中的痕量物質(zhì)或分析物的情況下，液體的折射率必須低于光纜的折射率。例如，假設(shè)光纜具有n＝1.46的折射率，則本發(fā)明可以用于檢測溶解于水(n＝1.33)以及很多有機溶液中的痕量物質(zhì)，所述有機溶液包括例如甲醇(n＝1.326)、n-己烷(n＝1.372)、二氯甲烷(n＝1.4242)、丙酮(n＝1.3588)、二乙醚(n＝1.3526)和四氫呋喃(n＝1.404)?；瘜W(xué)物質(zhì)和它們相應(yīng)的折射率的詳盡列表可以在由Weast，Rober C.編輯的、俄亥俄州克利夫蘭市的The ChemicalRubber Company的CRC Handbook of Chemistry and Physics(化學(xué)及物理CRC手冊)第52版，1971年，E-201頁中找到，這里將其通過引用結(jié)合于此。還有其他類型的可用的具有不同折射率的光纖，假設(shè)光纖既具有高于給定液體基體的折射率，又通過目標(biāo)分析物有效地透射吸收帶區(qū)域中的光，那么本發(fā)明就可以被調(diào)整適應(yīng)于該給定的液體基體。
目前可用的光纖有很多不同類型。一個例子就是Corning的SMF-28e熔融石英光纖，其在電信應(yīng)用中具有標(biāo)準(zhǔn)用法。傳送眾多不同波長的光的專用光纖也有，例如得克薩斯州奧斯汀市的3M公司制造的488nm/514nm單模光纖(零件編號FS-VS-2614)、得克薩斯州奧斯汀市的3M公司制造的630nm可見波長單模光纖(零件編號FS-SN-3224)、得克薩斯州奧斯汀市的3M公司制造的820nm標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(零件編號FS-SN-4224)和日本的KDD Fiberlabs公司制造的4微米透射(transmission)的0.28-NA氟化玻璃光纖(零件編號GF-F-160)。此外，如上所述，光纜402可以是中空光纖。
可以想到，光纖402可以是中紅外傳送光纖，以允許進入具有高得多的分析物吸收強度的光譜區(qū)域，從而提高裝置400的靈敏度。傳送該區(qū)域中的輻射的光纖一般由氟化玻璃制成。
圖7示出了本發(fā)明的第二示例性實施例，通過該實施例可以檢測氣體和液體中的痕量物質(zhì)或分析物。在對圖7的描述中，與就第一示例性實施例而描述的那些元件執(zhí)行類似功能的元件將使用同樣的標(biāo)號。在圖7中，裝置700使用類似的諧振光纖環(huán)408，包括光纜402和傳感器500。來自相干源404的輻射通過任選的光隔離器406、耦合器410和瞬逝輸入/輸出耦合器434被提供給諧振光纖環(huán)408。瞬逝輸入/輸出耦合器434可以將固定百分比的來自相干源404的輻射提供到諧振光纖環(huán)408中，或者是能夠根據(jù)整個諧振光纖環(huán)408中所出現(xiàn)的損耗而可調(diào)節(jié)的。在該示例性實施例中，瞬逝輸入/輸出耦合器434本質(zhì)上是以上就第一示例性實施例而討論的瞬逝輸入耦合器412的結(jié)構(gòu)變形。在一個優(yōu)選實施例中，瞬逝輸入/輸出耦合器434將少于1％的來自相干源404的輻射耦合到光纖402中。
對痕量物質(zhì)的檢測類似于在第一示例性實施例中所描述的，因此這里不再重復(fù)。
穿過傳感器500之后剩余的輻射通過光纖環(huán)402繼續(xù)前進。該剩余輻射的一部分被瞬逝輸入/輸出耦合器434耦合出光纖環(huán)402。瞬逝輸入/輸出耦合器434通過探測器418和信號線422被耦合到處理器420。如在第一示例性實施例中一樣，處理器420還通過控制線424控制相干源404。一旦處理器420從探測器418接收到信號，處理器就可以基于接收到的輻射衰減速率確定所出現(xiàn)的痕量物質(zhì)的量和類型。
任選地，可以在瞬逝輸入/輸出耦合器434與探測器418之間設(shè)置波長選擇器430。波長選擇器430起到濾波器的作用，用于防止不處于預(yù)定范圍內(nèi)的輻射被輸入探測器418。波長選擇器430還可以受處理器420控制，以防止在來自相干源404的輻射被耦合進光纖402之后的時間周期期間，來自相干源404的輻射使探測器418“失明”。
圖8A-8D示出了用來檢測液體或氣體樣品中的痕量物質(zhì)的另一種示例性傳感器800。如圖8A和8D所示，傳感器800由光纖801通過逐漸縮窄內(nèi)芯804和包層805以生成具有錐形的內(nèi)芯808和錐形的包層809的錐形區(qū)域802而形成。錐形區(qū)域802的形成可以利用兩種技術(shù)中的任一種來完成。第一種技術(shù)是加熱光纖801的局部的一段并同時在希望形成傳感器800的區(qū)域的兩側(cè)上進行絕熱的拉伸。該過程在光纖801中生成恒定的漸縮。該錐形的光纖然后可以被用作例如根據(jù)第一示例性實施例的光譜傳感器。在第二種示例性技術(shù)中，錐形區(qū)域802可以通過用化學(xué)試劑可控地去除預(yù)定厚度的光纖包層805以形成錐形的包層809而形成。對使用第二種技術(shù)形成的傳感器的詳細描述將在以下參考圖10A-10C給出。
圖8B示出了傳感器800在錐形之前和錐形之后區(qū)域中的橫截面。如圖8B所示，內(nèi)芯804和包層805處于未被改變的狀態(tài)。應(yīng)該注意到，為了簡單起見，圖示和描述沒有提到光纜801的護套，但是這樣的護套被認為至少在光纜801的一部分上是存在的。
圖8C示出了傳感器800在錐形區(qū)域802中的橫截面。如圖8C所示，錐形的內(nèi)芯808和錐形的包層809各自具有與內(nèi)芯804和包層805相比明顯減小的直徑。錐形區(qū)域802根據(jù)具體應(yīng)用可以具有任意希望的長度。在該示例性實施例中，如圖8D所示，例如，錐形區(qū)域的長度為大約4mm，腰部直徑814約為12微米。
再次參考圖8A，與錐形區(qū)域802中的增強瞬逝場810相比，內(nèi)芯804區(qū)域中的瞬逝場806狹窄且受限。如圖中所示，如以上就前面的示例性實施例所描述的，增強瞬逝場810容易暴露于痕量物質(zhì)(未示出)，從而更能檢測出區(qū)域812中的痕量物質(zhì)。
圖9A-9C示出了用來檢測液體或氣體樣品中的痕量物質(zhì)的另一種示例性傳感器900。如圖9A所示，傳感器900由光纖901通過去除包層905的一部分以形成基本上為“D”形的橫截面區(qū)域902而形成。“D”形橫截面區(qū)域902的形成可以通過用例如磨料拋光光纖包層905的一側(cè)來完成。磨料被用來以沿著區(qū)域902深度不斷增加的方式去除包層905以保持所引導(dǎo)的模式質(zhì)量，最終在最小包層厚度的點909處達到最大深度。該包層厚度最小的區(qū)域代表了最大瞬逝暴露的區(qū)域910。
圖10A-10C示出了用來檢測液體或氣體樣品中的痕量物質(zhì)的又一種示例性傳感器1000。傳感器1000是使用以上就錐形傳感器示例性實施例所描述的第二種技術(shù)而形成的。如圖10A所示，傳感器1000是由光纖1001通過用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的化學(xué)試劑去除包層1005的一部分以形成錐形區(qū)域1002而形成的，該錐形區(qū)域1002具有錐形的包層1009。非常重要的是，該化學(xué)試劑不允許干擾或者去除內(nèi)芯的任何部分，因為這會在傳感器1000中引入很大的損耗。
圖10B示出了傳感器1000在錐形之前和錐形之后區(qū)域中的橫截面。如圖10B所示，內(nèi)芯1004和包層1005處于未被改變的狀態(tài)。仍應(yīng)注意到，為了簡單，圖示和描述沒有提到光纜1001的護套，但是這樣的護套被認為至少在光纜1001的一部分上是存在的。
圖10C示出了傳感器1000在錐形區(qū)域1002中的橫截面。如圖10C所示，盡管錐形的包層1009與包層1005相比直徑顯著減小，但是內(nèi)芯1004不受影響。錐形區(qū)域1002根據(jù)具體應(yīng)用可以具有任意希望的長度。在該示例性實施例中，例如，錐形區(qū)域的長度為大約4mm，腰部直徑1014約為12微米。
再次參考圖10A，與錐形區(qū)域1002中的增強瞬逝場1010相比，內(nèi)芯1004區(qū)域中的瞬逝場1006狹窄且受限。如圖中所示，如以上就前面的示例性實施例所描述的，增強瞬逝場1010容易暴露于痕量物質(zhì)(未示出)，從而更能檢測出區(qū)域1012中的痕量物質(zhì)。
對于以上描述的傳感器800、900和1000，光纖中由形成傳感器而產(chǎn)生的損耗，可以利用通過在光纖改造之前為希望的檢測極限確定適當(dāng)?shù)腻F形直徑或拋光深度實現(xiàn)的瞬逝場暴露量來平衡。此外，為傳感器800、900和/或1000提供保護性的支架以補償由于相應(yīng)的漸縮和拋光操作造成的脆性增大可能是較理想的。
可以想到，傳感器800、900和/或1000可以或者作為不受限制的光纖用在諸如心軸(圖5B中示出)之類的圓柱形芯元件502(其可以是實心的、中空的或者可滲透的)上，或者是用在環(huán)形或彎曲構(gòu)造(未示出)中。
傳感器800、900和1000還可以通過用諸如生物試劑之類的濃縮物質(zhì)包覆傳感區(qū)域，以吸引所感興趣的分析物來得到進一步的增強。這樣的生物試劑對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是已知的。還可以想到的是，可以沿著光纜的長度形成若干檢測區(qū)域800、900和/或1000以產(chǎn)生分布式環(huán)降傳感器。
盡管這里參照某些具體實施例進行了說明和描述，但是本發(fā)明并不意圖被限于這些詳細示出的內(nèi)容。相反，在權(quán)利要求的等同范疇和范圍中可以做出各種變型而不背離本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測和測量樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的裝置，包括無源光纖；與所述光纖成一直線的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器使其一部分暴露于所述樣品氣體或樣品液體；相干輻射源；耦合裝置，用于i)將所述相干源所發(fā)射的輻射的一部分引入無源光纖環(huán)，以及ii)接收在所述無源光纖環(huán)中諧振的輻射的一部分；探測器，用于檢測所述耦合裝置接收到的輻射的水平以及響應(yīng)于此生成信號；以及耦合到所述探測器的處理器，用于基于所述探測器生成的所述信號，確定所述氣體樣品或液體樣品中的所述痕量物質(zhì)的水平。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述痕量物質(zhì)的水平是基于所述探測器生成的所述信號的衰減速率而確定的。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述耦合裝置是單個光耦合器。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括置于所述耦合裝置和所述探測器之間的光路中的濾波器，用于有選擇地將從所述無源光纖接收到的輻射部分傳遞至所述探測器。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述濾波器基于輻射的波長將輻射傳遞至所述探測器。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述耦合裝置包括i)用于將所述相干源所發(fā)射的輻射的所述部分引入所述光纖的第一部分的第一耦合器和ii)用于在所述光纖的第二部分處接收所述光纖中的輻射的所述部分的第二耦合器。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述傳感器具有暴露于所述樣品氣體或所述樣品液體的錐形部分。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述錐形部分是通過加熱和絕熱拉伸所述光纖而形成的。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述暴露部分具有“D”形橫截面。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述“D”形橫截面是通過磨蝕所述光纖的包層的表面而形成的。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述相干輻射源是光參量發(fā)生器。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述相干輻射源是光參量放大器。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述相干輻射源是激光器。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述相干輻射源是脈沖激光器。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述相干輻射源是連續(xù)波激光器。
16.如權(quán)利要求13、14或15所述的裝置，其中所述激光器是光纖激光器。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述連續(xù)波激光器是具有窄波帶的可調(diào)二極管激光器。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括耦合在所述激光器和所述耦合裝置之間并與從所述激光器發(fā)射的輻射成一直線的隔離器，所述隔離器使所述激光器中的噪聲最小化。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述光纖內(nèi)傳播的輻射的瞬逝場被暴露于所述樣品氣體或所述樣品液體。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中對來自所述光纖的所述輻射的吸收提高了所述耦合裝置所接收的輻射的衰減速率。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述無源光纖是由以熔融石英、藍寶石和基于氟化物的玻璃中的一個形成的。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述無源光纖是由中空光纖形成的。
23.如權(quán)利要求21或22所述的裝置，其中所述無源光纖是單模光纖。
24.如權(quán)利要求21或22所述的裝置，其中所述無源光纖是多模光纖。
25.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括至少一個具有預(yù)定直徑并纏繞有所述傳感器的暴露部分的圓柱體，其中所述瞬逝場向痕量物質(zhì)的暴露通過增大所述瞬逝場的穿透深度而被增強。
26.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括多個圓柱體，所述多個圓柱體具有相應(yīng)的預(yù)定直徑并纏繞有相應(yīng)的多個傳感器的所述暴露部分的相應(yīng)段。
27.如權(quán)利要求25或26所述的裝置，其中管狀結(jié)構(gòu)是一心軸。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述心軸具有至少約1cm的橫截面半徑。
29.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述心軸具有約1cm到10cm之間的橫截面半徑。
30.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述痕量物質(zhì)至少是水、乙炔和氨中的至少一個。
31.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述相干源是在約1390nm和約1513nm的波長區(qū)域中可調(diào)的單模激光器。
32.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述無源光纖在電磁頻譜的可見區(qū)域到中紅外區(qū)域之間的波長上諧振。
33.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述傳感器的至少一部分被置于所述液體樣品中，用于確定所述液體樣品中所述痕量物質(zhì)的存在。
34.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述傳感器的至少一部分包覆有一材料以有選擇地增大所述痕量物質(zhì)在所述傳感器的被包覆部分處的濃度。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述材料吸引所述痕量物質(zhì)的分析物分子。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述材料是聚乙烯。
37.如權(quán)利要求34所述的裝置，其中至少所述傳感器的被包覆部分被置于所述液體樣品中，用于確定所述液體樣品中所述痕量物質(zhì)的存在。
38.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括輸入探測器，用于確定來自所述激光器的能量何時被提供給所述光纖。
39.如權(quán)利要求38所述的裝置，還包括控制裝置，用于基于在所述輸入探測器確定所述激光器提供能量給所述光纖之后接收裝置從所述光纖接收到輻射，而使所述激光器不活動。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中所述控制裝置和所述輸入探測器被耦合到所述處理裝置。
41.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光纖的折射率大于所述樣品液體的折射率。
42.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光纖的折射率是基于所述樣品氣體的折射率和所述痕量物質(zhì)的吸收帶的。
43.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述輻射的被耦合進所述光纖中的所述部分少于提供給所述耦合裝置的所述輻射的約1％。
44.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述輻射的被耦合進所述光纖中的所述部分是可變的。
45.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述輻射的被耦合進所述光纖的所述部分基于所述無源光纖環(huán)中的損耗而變化。
46.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述光纖中的損耗是至少基于連接器損耗和光纖損耗的。
47.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光纖至少約1米長。
48.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光纖至少約10米長。
49.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光纖至少約1千米長。
50.一種用于檢測和測量在樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的裝置，包括無源諧振光纖環(huán)；與所述光纖環(huán)成一直線的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器使其一錐形部分暴露于所述樣品氣體或樣品液體；發(fā)射輻射的相干源；第一光耦合器，用于將所述相干源所發(fā)射的輻射的至少一部分提供給所述無源諧振光纖環(huán)的第一部分；第二光耦合器，用于從所述無源諧振光纖環(huán)的第二部分接收所述諧振光纖環(huán)中的輻射的一部分；以及耦合到所述第二光耦合器的處理器，用于基于所述第二光耦合器接收到的所述輻射的衰減速率來確定所述氣體或液體樣品中所述痕量物質(zhì)的水平。
51.如權(quán)利要求50所述的裝置，還包括耦合在所述第二光耦合器與所述處理器之間的第一光學(xué)探測器，用于響應(yīng)于所述第二光耦合器接收到的輻射生成信號。
52.如權(quán)利要求50所述的裝置，還包括耦合在所述第一光耦合器與所述處理器之間的第二光學(xué)探測器，用于確定來自激光器的能量何時被提供給所述無源光纖環(huán)。
53.如權(quán)利要求52所述的裝置，其中響應(yīng)于從所述相干源接收到輻射，所述第二光學(xué)探測器生成觸發(fā)信號給處理器。
54.如權(quán)利要求50所述的裝置，其中所述第一和第二光耦合器是一單一耦合器。
55.如權(quán)利要求50所述的裝置，還包括耦合到所述傳感器的所述錐形部分以使所述傳感器的所述部分形成為具有預(yù)定半徑的至少一個圓柱體，所述樣品液體或樣品氣體的至少一部分接觸所述傳感器的所述形成部分。
56.一種用于檢測和測量在樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的裝置，包括無源諧振光纖環(huán)；與所述光纖成一直線的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器使其一“D”形橫截面部分暴露于所述樣品氣體或樣品液體；發(fā)射輻射的相干源；第一光耦合器，用于將所述相干源所發(fā)射的輻射的至少一部分提供給所述無源諧振光纖環(huán)的第一部分；第二光耦合器，用于從所述無源諧振光纖環(huán)的第二部分接收所述諧振光纖環(huán)中的輻射的一部分；以及耦合到所述第二光耦合器的處理器，用于基于所述第二光耦合器接收到的所述輻射的衰減速率來確定所述氣體或液體樣品中所述痕量物質(zhì)的水平。
57.如權(quán)利要求56所述的裝置，還包括耦合到所述傳感器的所述“D”形橫截面部分以使所述傳感器的所述部分形成為具有預(yù)定半徑的至少一個圓柱體，所述樣品液體或樣品氣體的至少一部分接觸所述傳感器的所述形成部分。
58.一種用于檢測和測量在樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的方法，該方法包括通過使光纖的一部分形成錐形而由光纖形成傳感器；將所述光纖的所述錐形部分暴露于所述樣品氣體或樣品液體；從相干源發(fā)射輻射；將所述相干源所發(fā)射的輻射的至少一部分耦合進所述光纖環(huán)；接收在所述光纖環(huán)中傳播的輻射的一部分；以及基于所述光纖環(huán)中所述輻射的衰減速率來確定所述氣體或液體樣品中所述痕量物質(zhì)的水平。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，還包括以下步驟基于所述痕量物質(zhì)的吸收頻率使所述無源光纖環(huán)的所述錐形部分的至少一部分形成為具有預(yù)定的半徑；以及將所述傳感器的所述形成部分暴露于所述樣品液體或樣品氣體。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，還包括將在所述光纖內(nèi)傳播的所述輻射的瞬逝場暴露于所述樣品氣體或樣品液體的步驟。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，還包括基于響應(yīng)于所述痕量物質(zhì)對輻射的吸收的所述光纖中的所述輻射的衰減速率，來確定所述樣品氣體或樣品液體中的所述痕量物質(zhì)的水平。
62.一種用于檢測和測量在樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的方法，該方法包括通過去除光纖的包層的一部分以形成“D”形橫截面，而由光纖來形成傳感器；將所述光纖的所述“D”形橫截面部分暴露于所述樣品氣體或樣品液體；從相干源發(fā)射輻射；將所述相干源所發(fā)射的輻射的至少一部分耦合進所述光纖環(huán)；接收在所述光纖環(huán)中傳播的輻射的一部分；以及基于所述光纖環(huán)中所述輻射的衰減速率來確定所述氣體或液體樣品中所述痕量物質(zhì)的水平。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，還包括以下步驟基于所述痕量物質(zhì)的吸收頻率使所述無源光纖環(huán)的所述“D”形橫截面部分的至少一部分形成為具有預(yù)定的半徑；以及將所述傳感器的所述形成部分暴露于所述樣品液體或樣品氣體。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，還包括將在所述光纖內(nèi)傳播的所述輻射的瞬逝場暴露于所述樣品氣體或樣品液體的步驟。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，還包括基于響應(yīng)于所述痕量物質(zhì)對輻射的吸收的所述光纖中的所述輻射的衰減速率，來確定所述樣品氣體或樣品液體中的所述痕量物質(zhì)的水平。
66.一種在腔環(huán)降光譜法中使用的用于檢測樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包括具有分別有著各自的第一直徑的第一內(nèi)芯和包層的無源光纖；由所述光纖形成并與之成一直線的錐形部分，所述錐形部分具有分別有著各自的第二直徑的第二內(nèi)芯和包層，其中所述第二內(nèi)芯的直徑小于所述第一內(nèi)芯的直徑，所述第二包層的直徑小于所述第一包層的直徑，并且所述錐形部分暴露于所述樣品液體和樣品氣體中的至少一個以檢測所述痕量物質(zhì)。
67.如權(quán)利要求66所述的傳感器，其中所述錐形部分的瞬逝場比所述光纖的瞬逝場更強。
68.一種在腔環(huán)降光譜法中使用的用于檢測樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包括具有分別有著各自的第一直徑的內(nèi)芯和第一包層的無源光纖；由所述光纖形成并與之成一直線的磨蝕部分，所述磨蝕部分具有有著基本上“D”形橫截面的包層，其中所述磨蝕部分暴露于所述樣品液體和樣品氣體中的至少一個以檢測所述痕量物質(zhì)。
69.如權(quán)利要求68所述的傳感器，其中所述基本上為“D”形的部分的瞬逝場具有比所述光纖的瞬逝場更大的向所述痕量物質(zhì)的暴露。
70.一種在腔環(huán)降光譜法中使用的用于檢測樣品氣體和樣品液體中的至少一個中的痕量物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包括具有分別有著各自的第一直徑的內(nèi)芯和第一包層的無源光纖；由所述光纖形成并與之成一直線的錐形部分，所述錐形部分具有內(nèi)芯和第二包層，所述第二包層的直徑小于所述第一包層的直徑，其中所述錐形部分暴露于所述樣品液體和樣品氣體中的至少一個以檢測所述痕量物質(zhì)。
71.如權(quán)利要求70所述的傳感器，其中所述錐形部分的瞬逝場比所述光纖的瞬逝場更強。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于檢測和測量氣體或液體樣品中的痕量物質(zhì)的裝置。由光纖形成的環(huán)降單元的傳感器被暴露于該樣品氣體或液體。相干源發(fā)射輻射到光纖環(huán)中，該輻射又在輸出耦合器處被接收。光纖環(huán)被耦合到傳感器，該傳感器使其一部分在輸入端和輸出端之間暴露于樣品氣體或樣品液體。該傳感器具有增強的瞬逝區(qū)域。處理器被耦合到接收器，并基于光纖環(huán)內(nèi)的輻射的衰減速率確定氣體或液體樣品中的痕量物質(zhì)的水平。
文檔編號G01N21/39GK1628241SQ02829036
公開日2005年6月15日 申請日期2002年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月29日
發(fā)明者凱文·K·萊曼, 彼得·B·塔爾薩, 保羅·拉比諾維茨 申請人:普林斯頓大學(xué)理事會