專利名稱：：具有激光反饋優(yōu)化的基于激光的腔增強光學吸收氣體分析儀的制作方法具有激光反饋優(yōu)化的基于激光的腔增強光學吸收氣體分析儀
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般地涉及痕量氣體(tracegas)檢測以及更具體地涉及腔增強吸收光譜(cavityenhanceabsorptionspectroscopy,CEAS)系統(tǒng)和測量痕量氣體的方法。
背景技術(shù)：
：在腔增強吸收光譜系統(tǒng)和方法中，激光器的輻射進入諧振腔中，并且腔內(nèi)的光強被觀測。激光器的光學頻率可被周期性地掃描。如果為了清楚起見，假定激光線寬比諧振腔的共振寬度小得多，當激光頻率與腔模式發(fā)射峰一致時，諧振腔內(nèi)的光強反映總體腔損耗，并且只要已知入射強度和腔參數(shù)，則可以定量地確定總體腔損耗。總體腔損耗是腔內(nèi)鏡損耗和由腔內(nèi)存在的氣體混合物吸收引起的損耗之和。腔內(nèi)鏡損耗越低，或等效地，每個鏡的反射率越高，則能被檢測到的腔內(nèi)氣體混合物的吸收越小。通過反射率很高的鏡，激光線寬會變得與腔共振寬度相比過大，從而限制了腔能夠達到的氣體混合物吸收增強。這可以通過使用來自腔的光學反饋和對來自腔的光學反饋敏感或有響應的激光器來縮小激光線寬以獲得幫助。在掃描期間用這種激光器，由于激光頻率接近腔模式之一的頻率，該激光器鎖定到該模式。所謂激光器鎖定到模式，這意味著激光線寬變得比諧振模式寬度小得多，并且不管未鎖定激光器的頻率掃描范圍是否可能較大，在鎖定條件下，激光器的光學頻率僅僅會在諧振峰內(nèi)發(fā)生變化。由于激光器頻率掃描繼續(xù)，激光器會失去鎖定到當前腔模式并且重新鎖定到下一接近的腔模式。由于光學反饋的影響，掃描期間的激光器光學頻率本質(zhì)上取得與在光學頻率上等距的腔模式峰相對應的多個離散值。因而被分析氣體的離散吸收光譜可通過連續(xù)耦合到掃描范圍內(nèi)的整個一組腔模式來獲得，并且痕量氣體濃度可從吸收光譜導出。該使用光學反饋的腔增強光學吸收光譜系統(tǒng)和方法的子類，被稱為光學反饋腔增強吸收光譜(OFCEAS)。在OFCEAS中，從諧振腔到激光器的光學反饋的強度必須在一定限度內(nèi)，否則不可能在激光器掃描時提供可再現(xiàn)的掃描-掃描模式稱合。在已知的OFCEAS系統(tǒng)和方法中，復雜光學組件用于此目的，例如法拉第隔離器、可變光學衰減器、或偏振旋轉(zhuǎn)器。不良的干涉效應、溫度漂移和老化漂移可能由系統(tǒng)的這些組件產(chǎn)生。獲得光學吸收測量的高穩(wěn)定性和高可再現(xiàn)性成為主要難題。因此需要提供能克服上述或其他難題的OFCEAS系統(tǒng)和方法。尤其是，在保持到腔內(nèi)每個模式的可再現(xiàn)掃描-掃描連續(xù)稱合(sequentialcoupling)而不錯過模式的同時，能夠達到吸收測量的高穩(wěn)定性和可再現(xiàn)性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供光學反饋輔助腔增強吸收光譜系統(tǒng)以及具有改進的長期穩(wěn)定性和可再現(xiàn)性的用于測量痕量氣體的方法。本發(fā)明的實施例有利地能夠在不錯過多個腔模式中任何一個的情況下實現(xiàn)腔模式上的激光器頻率掃描，同時在激光器和腔之間的路徑上不設置用于控制光學反饋強度的附加光學元件的情況下提供對腔內(nèi)氣體混合物光學吸收的測量。在先前的系統(tǒng)中，附加光學部件用于幫助確保不會錯過模式。在本發(fā)明的實施例中，激光器可再現(xiàn)地鎖定到激光器可調(diào)頻率范圍內(nèi)的任何光學諧振腔模式，而沒有先前系統(tǒng)中存在的額外復雜性，以及更重要地，沒有由這些附加元件引起的不穩(wěn)定性和混亂。為了減少復雜性以及獲得連續(xù)耦合，例如，當光學鎖定范圍不大于腔FSR(自由光譜范圍)時，光學反饋強度保持在閾值以下。在特定實施例中，這是通過三種不同方法中的一個來實現(xiàn)的，即通過以下方法I)或2)或其組合3)中的一個:1)對于第一種方法，腔的總往返損耗被選擇以提供所需的設備靈敏度，然而鏡的透射或透射率被選擇或設置為提供閾值以下的光學反饋強度，從該鏡處產(chǎn)生來自腔的反饋光。2)對于第二種方法，在使用具有固有線性偏振輸出發(fā)射的激光器和具有兩組相互正交的線性偏振模式的腔的情形中，激光器以如下方式進行定向:其輸出偏振相對于正交偏振腔模式組成非零度角。角度的值被設置成為每組模式提供閾值以下的光學反饋強度。在特定實施例中，例如如果光學反饋強度在激光和腔本征偏振之間相互取向角的整個范圍內(nèi)在閾值以上，第二種方法與第一種方法相結(jié)合，即耦合鏡的透射被設置成為兩個模式組提供閾值以下的光學反饋強度。當激光與腔模式偏振之間成非零度角時，該激光器可被鎖定到兩組正交偏振腔模式。兩種不同偏振的模式損耗是不同的并且由鏡涂層的設計(例如多層鏡涂層)來確定。第二種方法提供幾個附加優(yōu)點，例如:-正交偏振模式間的損耗差異可被用作腔增強吸收測量的內(nèi)在標準；-正交偏振模式組間的相同損耗差異在強光譜線飽和時通過使用低損耗模式組測量弱光譜線來提供更寬的動態(tài)范圍，但是強光譜線可通過使用高損耗模式組來測量；-在正交偏振模式組之間模式頻率的現(xiàn)有差異導致更高的光譜分辨率。在特定實施例中，提供一種使用包含氣體混合物的諧振光學腔檢測痕量氣體系統(tǒng)和方法，該腔具有兩個或更多鏡并且能夠通過改變腔的光學長度來進行頻率掃描。能夠進行頻率掃描的激光器或其他光源通過腔鏡之一(例如耦合鏡)耦合到腔。當激光頻率接近腔模式之一的頻率時，激光器開始將腔填充到該模式。當激光頻率與腔模式發(fā)射峰一致時，諧振腔內(nèi)的光學強度反映整體腔損耗。整體諧振腔損耗是腔鏡損耗和由被分析的氣體混合物的吸收引起的損耗之和。對從腔入射到激光器的光反饋強度的控制使能夠可再現(xiàn)鎖定到激光器可調(diào)頻率范圍內(nèi)任一光學諧振腔模式。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的系統(tǒng)。該系統(tǒng)典型地包括包含該介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的諧振光學腔，其中腔鏡之一是腔耦合鏡，并且該腔具有多個光學諧振腔模式，并且該系統(tǒng)還包括發(fā)射連續(xù)波激光的激光器，其中該激光器能被掃描，由此激光器的平均光學頻率在一頻率范圍上可調(diào)，以及其中該激光器響應于來自腔的光學反饋光。該系統(tǒng)還典型地包括配置成通過腔耦合鏡將激光耦合到腔的模式匹配光學器件，以及配置成測量在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的強度并產(chǎn)生表示在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號的檢測器。該腔典型地設計成其中至少兩個腔鏡的透射率被選擇或設置成入射到激光器的光學反饋光強度低于閾值強度值，以確保激光器光學頻率的頻率保持間隔范圍小于腔的自由光譜范圍。例如，有利地避免使用獨立的光學反饋強度調(diào)整元件，所有鏡的透射率(即，表示從腔穿過鏡的光量的度量)，并且尤其是反饋光返回到激光器所穿過的鏡的透射率被選擇為到激光器的光反饋強度低于閾值。這通常意味著提供反饋到激光器的鏡的透射率應該比其他鏡的透射率低得多。例如，為了有利地使系統(tǒng)達到和具有三個反射率相同的鏡并包括獨立光學反饋強度調(diào)整元件的系統(tǒng)(在本示例中稱為“系統(tǒng)I”)相同的加強，腔往返損耗可與系統(tǒng)I的腔往返損耗相等(但是沒有使用這種調(diào)整元件)；腔往返損耗因子是腔鏡反射率的自然對數(shù)之和，所以可以通過選擇4*ln(R)=ln(Rl)+2*ln(R2)+ln(R3)來使得兩個腔相等，上式中R是系統(tǒng)I的鏡反射率，并且對于V腔的實施例，Rl是一個末端鏡的反射率，R2是耦合鏡(提供反饋到激光器)的反射率，以及R3是另一個末端鏡的反射率。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的系統(tǒng)。該系統(tǒng)典型地包括包含該介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的諧振光學腔，其中腔鏡之一是腔耦合鏡，并且該腔具有多個光學諧振腔模式，其中該腔具有兩組相互正交的線性偏振腔模式，并且該系統(tǒng)還包括發(fā)射連續(xù)波激光的激光器，其中該激光器具有線性偏振輸出，其中該激光器能被掃描，由此激光器的平均光學頻率在一頻率范圍上可調(diào)，以及其中該激光器響應于來自腔的光學反饋光。該系統(tǒng)還典型地包括配置成通過腔耦合鏡將激光耦合到腔的模式匹配光學器件，以及配置成測量在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的強度并且產(chǎn)生表示在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號的檢測器。在一個實施例中，激光器相對于腔的取向被選擇為:激光器的輸出偏振相對于腔模式偏振成非零度角，由此入射到激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值，以確保鎖定到具有在激光器的所述頻率范圍內(nèi)的頻率的多個光學諧振腔模式中的一個或多個。在某些方面，激光器相對于腔的取向是可調(diào)的，這樣激光器的輸出偏振相對于腔模式的偏振成非零度角，使得入射到激光器上的光學反饋光的強度低于閾值強度值。在某些方面，該系統(tǒng)包括用于調(diào)整激光器位置和/或取向的裝置，以調(diào)整輸出偏振相對于腔模式偏振的角度。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的系統(tǒng)。該系統(tǒng)典型地包括包含該介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的諧振光學腔，其中腔鏡之一是腔耦合鏡，并且該腔具有多個光學諧振腔模式，并且該系統(tǒng)還包括發(fā)射連續(xù)波激光的激光器，其中該激光器能被掃描由此激光器的平均光學頻率在一頻率范圍上可調(diào)，以及其中該激光器響應于來自腔的光學反饋光。該系統(tǒng)還典型地包括配置成通過腔耦合鏡將激光耦合到腔的模式匹配光學器件，以及配置成測量在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的強度并產(chǎn)生表示在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號的檢測器。在一個實施例中，激光輸出耦合器的透射率被選擇為入射到激光器或活性激光介質(zhì)上的反饋光的強度低于閾值強度值以確保鎖定到具有在激光器的所述頻率范圍內(nèi)的頻率的多個光學諧振腔模式中的一個或多個。根據(jù)又一方面，提供一種檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的系統(tǒng)。該系統(tǒng)典型地包括包含該介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的諧振光學腔，其中腔鏡之一是腔耦合鏡，并且該腔具有多個光學諧振腔模式，其中該腔具有兩組相互正交的線性偏振腔模式，并且該系統(tǒng)還包括發(fā)射連續(xù)波激光的激光器，其中該激光器具有線性偏振輸出，其中該激光器能被掃描由此激光器的平均光學頻率在一頻率范圍上可調(diào)，以及其中該激光器響應于來自腔的光學反饋光。該系統(tǒng)還典型地包括配置成通過腔耦合鏡將激光耦合到腔的模式匹配光學器件，以及配置成測量在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的強度并產(chǎn)生表示在腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號的檢測器。在一個實施例中，通過選擇激光器相對于腔的取向從而激光器的輸出偏振相對于腔模式偏振成非零度角和/或選擇至少兩個腔鏡的反射率，入射到激光器上的光學反饋光的強度被控制到閾值強度值以下，該閾值強度值確保鎖定到具有在激光器的所述頻率范圍內(nèi)的頻率的多個光學諧振腔模式中的一個或多個。在某些方面，激光器包括半導體二極管激光器。在某些方面，光學反饋光從腔耦合鏡入射到激光器上。在某些方面，腔耦合鏡的反射率大于其他腔鏡(多個腔鏡)的反射率。在多個實施例中，由于激光器的平均光學頻率在頻率范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整(掃描)，激光器有利地鎖定到連續(xù)腔模式而不會錯過任何腔模式。激光器能夠可再現(xiàn)地鎖定到激光器可調(diào)頻率范圍內(nèi)的任何光學諧振腔模式。在某些方面，多個實施例中的腔可以具有包含3個或更多腔鏡的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)、包含兩個腔鏡的線性腔結(jié)構(gòu)或包含3個腔鏡的V形腔結(jié)構(gòu)。在多個實施例的某些方面，提供一種調(diào)整光學反饋光相位的裝置。在多個實施例的某些方面，提供一種調(diào)整光學反饋光強度的裝置。這些裝置可包括，例如，在激光器和腔之間沿反饋光路徑定位的光學衰減器元件。參考本說明書的其余部分，包括附圖和權(quán)利要求，將認識到本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。本發(fā)明的進一步的特征和優(yōu)點以及本發(fā)明各實施例的結(jié)構(gòu)和操作在下文中將參考附圖詳細描述。在附圖中，類似的附圖標記表示相同或功能上相似的元件。圖1示出根據(jù)一個實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)。圖2和3示出根據(jù)另一實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)200，其中偏振取向的選擇或調(diào)整被用于控制到激光光源的光學反饋強度。圖4示出V形腔的腔鏡的反射率關(guān)系，其確定了到激光光源的反饋強度。圖5示出根據(jù)又一實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)。圖6示出根據(jù)再一實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)。圖7示出根據(jù)另一實施例的具有V形腔配置的CEAS系統(tǒng)。具體實施例方式本發(fā)明提供用于測量痕量氣體的腔增強吸收光譜系統(tǒng)和方法，其具有改進的掃描-掃描模式耦合效率和改進的光學反饋控制。本發(fā)明的實施例提供簡單、精確和可靠的用于檢測痕量氣體的腔增強吸收光譜系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法相對于基于相似原理的現(xiàn)有系統(tǒng)和方法具有改進的精確性和穩(wěn)定性。這些是部分地通過從激光器和腔部件之間的光路上去除可能引起光學干涉效果、溫度和/或老化漂移等的元件并且增加或加強剩余部件的特征以在無需被去除的元件的情況下提供改進的器件操作，來實現(xiàn)的。例如，本文公開的CEAS系統(tǒng)的實施例有利地不要求或不需要例如設置在激光器和腔之間路徑上的任何可置位(settable)衰減器，或衰減或控制激光器-腔耦合率的其他元件。圖1示出根據(jù)一個實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)100。如所示的，CEAS系統(tǒng)100包括發(fā)射連續(xù)波相干光(例如連續(xù)波激光)的光源1、光學腔4及兩個檢測器，檢測器8和檢測器9。如所示的，腔4是由腔耦合鏡5和鏡6、7限定的V形腔?？烧J識到，腔可以是具有兩個或更多鏡的線性腔，或具有三個或更多鏡的環(huán)形腔，或具有三個或更多鏡的其他任何結(jié)構(gòu)的腔。封裝或外殼(未示出)為腔4提供氣密密封，以允許對外殼和腔4內(nèi)的環(huán)境進行控制。一個或更多光學部件2被配置和安排成便于將來自光源I的激光經(jīng)由腔耦合鏡5引導到光學腔4并且確保激光器與腔的模式匹配。在圖1示出的實施例中，分束元件3被定位和對準成允許由光源I發(fā)射或產(chǎn)生的基本上所有入射光12入射到腔耦合鏡5上。入射光束12的部分由元件3引導(例如反射或折射)到檢測器8上。在此實施例中，腔率禹合鏡5相對于光束12以一角度設置,盡管其可以垂直于光束12。入射光12的部分經(jīng)由鏡5進入腔4。依賴于入射光12的頻率和腔4的光學長度(例如，從鏡7到鏡5到鏡6的光學長度)，在腔內(nèi)循環(huán)的光18可建立并在由腔的光學長度限定的一個或多個腔模式下共振。腔4內(nèi)在鏡7、5和6之間循環(huán)的腔內(nèi)光18的部分通過鏡5出射或逃逸并入射到元件3上。元件3允許部分20返回到光源I。在某些方面，光源I包括對光學反饋敏感或有響應的激光器或其他相干光源。一種有用的激光器是半導體二極管激光器，其對來自腔(例如，來自在當前配置中的耦合鏡5)入射到激光器的光20的光學反饋敏感。通常，有用的激光光源可包括二極管激光器、量子級聯(lián)激光器和固態(tài)激光器、任何外腔激光器等等。鏡5、6和7的反射率(或透射率)選擇限定光束20的強度以及因此提供給激光器501的光學反饋強度(例如參見圖4)。通過設置或控制光學反饋強度，激光器可耦合到在激光器掃描范圍內(nèi)的任何腔模式。光源I也優(yōu)選是可以頻率掃描的，由此激光器的平均光學頻率在一頻率范圍內(nèi)可調(diào)。這可通過已知方式來實現(xiàn)，例如，通過調(diào)整施加到二極管激光器上的電流和/或調(diào)整激光器介質(zhì)的溫度。在某些方面，腔4也能夠進行頻率掃描，例如通過改變或調(diào)整腔的光學長度，由此腔諧振峰的光學頻率在一頻率范圍內(nèi)可調(diào)。腔光學長度的調(diào)整可包括調(diào)整或調(diào)制一個或更多腔鏡的相對位置，調(diào)整腔4內(nèi)的介質(zhì)壓強(pressure)或本領域技術(shù)人員熟知的其他方式。在某些實施例中，CEAS系統(tǒng)10是對檢測腔4內(nèi)存在的氣體混合物中的痕量氣體有用的。當由光源I發(fā)射的光12的頻率接近腔模式之一的頻率時，進入腔4的光12開始將腔填充到該模式。當光12的光頻率與腔模式透射峰一致時，在諧振腔內(nèi)循環(huán)的光18的強度反映了整體腔損耗。整體腔損耗是腔鏡損耗和由存在于腔內(nèi)的氣體混合物的一種或更多種成分的吸收引起的損耗之和?；谠诒环治鰵怏w中存在吸收成分時的腔損耗和在參考氣體中不存在吸收成分時的腔損耗之間的差異，來確定分析物吸收(例如，由一種或多種氣體成分的吸收引起的吸收損耗)。圖2和3示出根據(jù)另一實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)200，其中偏振取向的選擇和調(diào)整用于控制到激光光源的光學反饋強度。CEAS系統(tǒng)200的工作原理與CEAS系統(tǒng)100的類似，包括操作V形腔結(jié)構(gòu)204，其中腔鏡205是腔耦合鏡。這里，如圖所示，光源201具有固有的線性偏振發(fā)射，并且腔具有兩組相互正交的線性偏振模式。在圖2中，入射激光束212的偏振與腔模式的偏振一致。在圖3中，入射激光束212的偏振與腔模式的偏振不一致，由此到激光器201的光學反饋強度減弱。在此實施例中，提供旋轉(zhuǎn)入射激光212的偏振的裝置，用于設置、控制或調(diào)整到激光器201的光學反饋強度。在某些方面，該裝置包括物理地旋轉(zhuǎn)激光器以使輸出偏振旋轉(zhuǎn)的與激光器耦合的機械元件或支持激光器的平臺。例如，如果光束212的偏振矢量相對于腔模式的偏振旋轉(zhuǎn)α角，腔內(nèi)功率與cos(a)成比例，并且被引導返回激光器201的光220的強度也和C0S(a)成比例，然而，耦合到激光模式的反饋光的強度與C0s2U)成比例。應該注意，在腔與激光器之間不需要使用衰減器，因為腔和激光器的相互取向影響腔耦合率。圖4示出對于V形腔(圖4a)和用于線性腔(圖4b)，到激光器的反饋強度相關(guān)于腔鏡反射率的關(guān)系。為了簡潔，腔內(nèi)的任何鏡上吸收損耗被忽略。一般地，需要腔耦合鏡的反射率(R)大于或顯著大于其他腔鏡的反射率(Rl)?；蛘?，換言之，需要腔耦合鏡的透射率(T=1-R)小于或顯著小于其他腔鏡的透射率(Tl)。圖4也示出兩種配置:a)其中反饋光從腔出射所采用的鏡與輸入鏡相同(圖4a);以及b)輸入和輸出鏡不同。輸入和反饋鏡不同的第二種配置對于OFCEAS和PAS應用是有利的，因為這種配置典型地提供更大的腔內(nèi)功率。下面參考圖7討論對控制和操縱輸出/反饋光束有用的配置。圖5示出根據(jù)又一實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)500。CEAS系統(tǒng)500的工作原理與CEAS系統(tǒng)100的類似，包括V形腔結(jié)構(gòu)504，腔鏡505是腔耦合鏡。在此配置中，腔I禹合鏡505被定位以及定向為由光源501產(chǎn)生的入射光束512在撞擊區(qū)域處相對于由鏡面505限定的平面成角度地入射到鏡505上。鏡505可垂直于光束512定向。檢測器509檢測從鏡507出射的光，并且產(chǎn)生表示腔504內(nèi)循環(huán)光的腔內(nèi)光功率的信號。智能模塊(未不出)接收并處理檢測器輸出信號。這里，激光器501的激光輸出I禹合器503使其透射率被設置或者調(diào)整，以控制與激光器501或激光介質(zhì)522相互影響的反饋光強度，例如來提供閾值以下的光反饋強度。激光器501包括具有輸出耦合器的任何激光器，例如，外腔激光器。圖6示出根據(jù)再一實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)600，該系統(tǒng)允許使用相同腔進行光-聲光譜(PAS)和直接吸收光譜測量。CEAS系統(tǒng)600的工作原理與CEAS系統(tǒng)100的相似，包括V形腔結(jié)構(gòu)604，腔鏡605是腔耦合鏡。腔耦合鏡605被定位成由光源601產(chǎn)生的入射光束612在撞擊區(qū)域處相對于由鏡面605限定的平面成角度地入射到鏡605上。鏡605可垂直于光束612定向。檢測器609檢測從鏡607出射的光，并且產(chǎn)生表不腔604內(nèi)循環(huán)光的腔內(nèi)光功率的信號。在此實施例中，檢測器608被定位在腔內(nèi)(例如，在腔殼體結(jié)構(gòu)內(nèi))來檢測填充光學腔604的氣體混合物對腔內(nèi)光功率的、采用聲學信號形式的響應。2010年3月2日提交的美國專利申請N0.12/660，614提供光-聲光譜、有用的光-聲傳感器和光-聲測量技術(shù)和參數(shù)的細節(jié)，其全部內(nèi)容通過引用整體結(jié)合于此。智能模塊(未示出)接收和處理檢測器輸出信號，并且提供表示PAS和/或CEAS測量的輸出信號。在某些實施例中，提供圍繞光學腔組織單向光路的裝置。例如，這樣的安排可以包括一個或更多光學隔離器，光學隔離器防止光在反方向上從腔傳播到光源。在某些實施例中，提供用以調(diào)整反饋光強度的裝置。例如，圖7示出根據(jù)這種實施例的腔增強吸收光譜(CEAS)系統(tǒng)700。CEAS系統(tǒng)700的工作原理與CEAS系統(tǒng)100的相似，例如，包括V形腔結(jié)構(gòu)704，腔鏡705是腔耦合鏡。腔耦合鏡705被定位成由激光二極管光源701產(chǎn)生的入射光束712在撞擊區(qū)域處相對于由鏡705限定的平面成角度地入射到鏡705上，這樣光被反射到光電檢測器708。可選的分束元件703引導入射光束712的部分到可選檢測器710。在此實施例中，光電檢測器709被定位成接收和檢測腔704內(nèi)在鏡705、706和707之間往返循環(huán)的腔內(nèi)光718中經(jīng)由鏡706出射或逃逸的部分。與CEAS100的工作類似，光電檢測器710檢測并產(chǎn)生表示入射到腔耦合鏡705的激光712的強度的信號，檢測器708檢測并產(chǎn)生表示由腔耦合鏡705反射的激光強度的信號，并且檢測器709檢測并產(chǎn)生表示腔704內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號。智能模塊(未示出)接收三個檢測器的輸出信號并處理這些信號來生成或產(chǎn)生輸出信號。圖7中也示出用于增強對光學反饋的控制(特別是對到光源701的光學反饋的控制)的附加元件。如所示的，從腔鏡707出射的光穿過相位計(phasor)720并通過分束元件713返回光源701。提供光學隔離器718和719來完全地阻擋在相反方向上傳播的光。例如，光學隔離器元件719阻擋從鏡705向光源701返回的光(例如，從腔經(jīng)由鏡705反射的光或逃逸的光)，并且光學隔離器元件718防止從相位計720返回的光(例如，在相反路徑上穿過相位計720的由相位計720反射的光或由分束器713反射的光源光)入射到鏡707上。對腔鏡反射率(例如R1、R2、和R3)的選擇限定了提供到光源701的光學反饋強度。相位計720的使用有利地允許對從腔704提供到光源701的光學反饋進行相位控制。可以認識到，用于引導光束和控制反饋強度的相似結(jié)構(gòu)和/或功能可應用到線性腔和環(huán)形腔。這里使用的，在關(guān)于激光光源的光學反饋中使用的術(shù)語“閾值強度值”或“閾值”旨在表示光學反饋強度，在該光學反饋強度之上，激光會鎖定到腔的一個FSR(自由光譜范圍)的腔模式。兩個示例示出在光學反饋強度在閾值之上時的條件:1)當針對多于一個的FSR對腔模式進行掃描但激光器繼續(xù)鎖定在同一腔模式時；2)當激光器的電流或溫度被調(diào)整以使得激光器頻率被掃描時，以及當不受光學反饋干擾的情況下針對一個以上的腔FSR對激光器頻率進行掃描，而在(高)光學反饋存在的情況下，激光器繼續(xù)鎖定到同一腔模式時。如上所述，需要能夠避免以上情形的腔增強吸收系統(tǒng)和方法，并且由于激光波長被掃描而沒有錯過任何腔模式，上述實施例確實有利地確保激光器鎖定到連續(xù)腔模式。盡管已通過示例并根據(jù)特定實施例描述了本發(fā)明，但可理解本發(fā)明不限于所公開的實施例。相反，它旨在涵蓋對本領域技術(shù)人員而言顯見的各種修改和類似安排。因此，所附權(quán)利要求書的范圍應與最寬泛的解釋一致，以便包含所有這樣的修改和類似的安排。權(quán)利要求1.一種檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:包含所述介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的光學諧振腔，所述腔鏡之一是腔耦合鏡，所述腔具有多個光學諧振腔模式；發(fā)射連續(xù)波激光的激光器，其中所述激光器能夠被掃描，由此所述激光器的平均光學頻率在頻率范圍上可調(diào)，并且其中所述激光器響應于從所述腔出射的光學反饋光；配置為通過所述腔耦合鏡將激光耦合到所述腔的模式匹配光學器件；以及配置為測量在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率強度并產(chǎn)生表示在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號的檢測器；其中，所述腔鏡中的至少一個的透射率被選擇成使得入射到所述激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值，以確保所述激光器的光學頻率的頻率保持間隔范圍小于所述腔的自由光譜范圍。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述腔具有從以下構(gòu)成的組中選擇的配置:具有三個或更多腔鏡的環(huán)形腔、具有兩個或更多腔鏡的線性腔、以及具有三個腔鏡的V形腔。3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括結(jié)合到所述光學腔內(nèi)的聲學傳感器，所述聲學傳感器用于測量由所述腔內(nèi)氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)產(chǎn)生的光-聲信號。4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括用于調(diào)整所述激光器的平均光學頻率以便在腔諧振峰上掃描所述激光器的平均光學頻率的裝置。5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述腔能夠被掃描，由此腔諧振模式峰的光學頻率在頻率范圍上可調(diào)。6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括用于控制所述腔鏡中之一的位置以便掃描腔諧振模式峰的光學頻率的裝置。7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器具有線性偏振輸出，并且所述腔具有兩組相互正交的線性偏振模式。8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器相對于所述腔的取向是可調(diào)的，因而所述激光器的輸出偏振相對于腔模式偏振成非零度角，使得入射到所述激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值。9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非零度角被選擇以便為每組模式提供低于閾值的光學反饋強度。10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，由于所述激光器的平均光學頻率在所述頻率范圍上連續(xù)調(diào)整(掃描)，所述激光器鎖定到連續(xù)的腔模式。11.一種檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:包含所述介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的光學諧振腔，所述腔鏡之一是腔耦合鏡，所述腔具有多個光學諧振腔模式，其中所述腔具有兩組相互正交的線性偏振腔模式；發(fā)射連續(xù)波激光的激光器，其中所述激光器具有線性偏振輸出，其中所述激光器能夠被掃描，由此所述激光器的平均光學頻率在頻率范圍上可調(diào)，并且其中所述激光器響應于從所述腔出射的光學反饋光；配置為通過所述腔耦合鏡將激光耦合到所述腔的模式匹配光學器件；以及配置為測量在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率強度并產(chǎn)生表示在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號的檢測器；其中所述激光器相對于所述腔的取向被選擇，使得所述激光器的輸出偏振相對于所述腔模式的偏振成非零度角，從而入射到所述激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值，以確保所述激光器的光學頻率的頻率保持間隔范圍小于所述腔的自由光譜范圍。12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述腔具有從以下構(gòu)成的組中選擇的配置:具有三個或更多腔鏡的環(huán)形腔、具有兩個或更多腔鏡的線性腔、以及具有三個腔鏡的V形腔。13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括第一檢測器，所述第一檢測器配置為測量在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率強度并產(chǎn)生表示在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號。14.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括用于調(diào)整所述激光器的平均光學頻率以便在腔諧振峰上掃描所述激光器的平均光學頻率的裝置。15.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述腔能夠被掃描，由此腔諧振模式峰的光學頻率在頻率范圍上可調(diào)。16.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，由于所述激光器的平均光學頻率在所述頻率范圍上連續(xù)調(diào)整(掃描)，所述激光器鎖定到連續(xù)的腔模式。17.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器相對于所述腔的取向是可調(diào)的，因而所述激光的輸出偏振相對于腔模式的偏振成非零度角，使得入射到所述激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值。18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非零度角被選擇以便為每組模式提供低于閾值的光學反饋強度。19.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括結(jié)合到所述光學腔內(nèi)的聲學傳感器，所述聲學傳感器用于測量由所述腔內(nèi)氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)產(chǎn)生的光-聲信號。20.一種檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:包含所述介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的光學諧振腔，所述腔鏡之一是腔耦合鏡，所述腔具有多個光學諧振腔模式；發(fā)射連續(xù)波激光的激光器，其中所述激光器能夠被掃描，由此所述激光器的平均光學頻率在頻率范圍上可調(diào)，并且其中所述激光器響應于從所述腔出射的光學反饋光；配置為通過所述腔耦合鏡將激光耦合到所述腔的模式匹配光學器件；以及配置為測量在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率強度并產(chǎn)生表示在所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號的檢測器；其中，激光輸出耦合器的透射率被選擇為使得入射到所述激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值，以確保所述激光器的光學頻率的頻率保持間隔范圍小于所述腔的自由光譜范圍。21.一種用于檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的方法，所述方法使用發(fā)射連續(xù)波激光的激光器和包含所述介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的光學諧振腔，所述腔鏡之一是腔耦合鏡，其中所述激光器響應于從所述腔出射的光學反饋光，并且其中所述激光器的平均光學頻率在頻率范圍上可調(diào)，所述方法包括:使用模式匹配光學器件通過所述腔耦合鏡將激光耦合到所述腔，所述腔具有多個光學諧振腔模式；調(diào)整所述激光器的平均光學頻率以便在所述光學諧振腔模式的一個或多個上掃描所述激光器的平均光學頻率，所述光學諧振腔模式具有在所述激光器的所述頻率范圍內(nèi)的頻率；選擇所述腔鏡中至少一個的透射率，使得入射到所述激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值，以確保所述激光器的光學頻率的頻率保持間隔范圍小于所述腔的自由光譜范圍；以及測量所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率強度并且產(chǎn)生表示所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號。22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述腔具有從以下構(gòu)成的組中選擇的配置:具有三個或更多腔鏡的環(huán)形腔、具有兩個或更多腔鏡的線性腔、以及具有三個腔鏡的V形腔。23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述激光器具有線性偏振輸出，以及其中所述腔具有兩組相互正交的線性偏振模式，所述方法進一步包括調(diào)整所述激光器相對于所述腔的取向以使得所述激光器的輸出偏振相對于所述腔模式的偏振成非零度角。24.一種用于檢測氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中存在的一種或多種待分析物種類的方法，所述方法使用發(fā)射連續(xù)波激光的激光器和包含所述介質(zhì)并具有至少兩個腔鏡的光學諧振，所述腔鏡之一是腔耦合鏡，其中所述激光器響應于從所述腔出射的光學反饋光，其中所述激光器具有線性偏振輸出，并且其中所述激光器的平均光學頻率在頻率范圍上可調(diào)，所述方法包括:使用模式匹配光學器件通過所述腔耦合鏡將激光耦合到所述腔，所述腔具有多個光學諧振腔模式，并且所述腔具有兩組相互正交的線性偏振腔模式；調(diào)整所述激光器的平均光學頻率以便在所述光學諧振腔模式的一個或多個上掃描所述激光器的平均光學頻率，所述光學諧振腔模式具有在所述激光器的所述頻率范圍內(nèi)的頻率；調(diào)整所述激光器相對于所述腔的取向以使得所述激光器的輸出偏振相對于所述腔模式的偏振成非零度角，以使得入射到所述激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值，以確保所述激光器的光學頻率的頻率保持間隔范圍小于所述腔的自由光譜范圍；以及測量所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率強度并且產(chǎn)生表示所述腔內(nèi)循環(huán)的光的腔內(nèi)光功率的信號。25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述腔具有從以下構(gòu)成的組中選擇的配置:具有三個或更多腔鏡的環(huán)形腔、具有兩個或更多腔鏡的線性腔、以及具有三個腔鏡的V形腔。26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述非零度角被選擇成為每組腔模式提供低于閾值的光學反饋強度。27.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，由于所述激光器的平均光學頻率在所述激光器的所述頻率范圍上進行掃描，連續(xù)鎖定到所述多個光學諧振腔模式，所述光學諧振腔模式具有在所述激光器的所述頻率范圍內(nèi)的頻率。28.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括用于調(diào)整光學反饋光的強度的裝置。29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于調(diào)整的裝置包括沿光學反饋光路徑設置在所述激光器和所述腔之間的光學衰減器元件。30.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括用于調(diào)整光學反饋光的相位的裝置。全文摘要提供一種具有激光反饋優(yōu)化的基于激光的腔增強光學吸收氣體分析儀。一種用于在長期穩(wěn)定性和可再現(xiàn)性得到改進的情況下測量痕量氣體的光學反饋輔助腔增強吸收光譜系統(tǒng)和方法，包括與包含氣體介質(zhì)的光學諧振腔相耦合的激光器，該諧振腔具有至少兩個腔鏡和多個光學諧振腔模式。該激光器發(fā)射連續(xù)波激光，其中激光器的平均光學頻率在頻率范圍上可調(diào)，并且激光器響應于從腔出射的光學反饋光。腔鏡中至少一個的透射率被選擇成使得入射到激光器上的光學反饋光強度低于閾值強度值，以致確保激光器的光學頻率的頻率保持間隔范圍小于腔的自由光譜范圍。文檔編號H01S3/13GK103207161SQ20121052077公開日2013年7月17日申請日期2012年10月8日優(yōu)先權(quán)日2011年10月4日發(fā)明者S·科里科夫,A·卡恰諾夫申請人:利康股份有限公司