用於光譜設備的適應性單元設計的製作方法

2023-06-12 21:14:11

用於光譜設備的適應性單元設計的製作方法
【專利摘要】一種可調光學單元組件，包括限定出腔的中空體和固定地附加在腔中的多個光學元件。第一致動器被配置為向中空體的外表面施加足以使中空體的至少一部分彈性變形的力，使得多個光學元件中的第一和第二光學元件之間的距離和相對定向中的一個以響應式改變。
【專利說明】用於光譜設備的適應性單元設計
[0001]相關申請
[0002]本申請要求於2011年3月25日以Kevin K.Lehmann的名義提交的題為「CELLDESIGN FOR CAVITY RING-DOWN AND OTHER FORMS OF CAVITY ENHANCED SPECTROSCOPYAND RELATED METHOD THEREOF」、申請號為61/467，467的臨時申請的優先權，其轉讓給本申請的同一受讓人。本申請還要求於2011年12月12日以Kevin K.Lehmann的名義提交的題為 「CELL DESIGN FOR CAVITY RING-DOWN AND OTHER FORMS OF CAVITY ENHANCEDSPECT0SC0PY AND RELATED METHOD THEREOF」、申請號為 61/569，527 的臨時申請的優先權，其轉讓給本申請的同一受讓人。這些申請中的每個都結合於此作為參考。
【技術領域】
[0003]本申請總體上涉及光譜領域，並且更特別地，涉及用於光譜設備的適應性單元設計的系統和方法。
【背景技術】
[0004]光學吸收是用以確定樣本的組成的方法，包括其化學成分及其各自的濃度。這在一系列情況下得到了應用，包括化學處理控制、製造過程中雜質的監測和控制、監測符合排放法規、監測自然和擬物種的擴散和化學歸趨、助燃診斷、醫療診斷以及生物醫學研究。

【發明內容】

[0005]根據本發明的一個方面，提供了一種可調光學單元組件。該組件包括限定腔的中空體以及剛性地固定於腔中的多個光學元件。第一致動器被配置為向中空體的外表面施加足以使中空體的至少一部分彈性變形的力，使得多個光學元件中的第一光學元件和第二光學元件之間的距離和相對定向中的一個以響應的方式被改變。
[0006]根據本發明的另一方面，組件包括光學單元設備。該光學單元設備包括中空管狀體，其包括光學單元設備的壁。管狀體具有縱向隔開的第一體端部和第二體端部，並且圍繞光學單元的縱軸限定出穿過其中的構件管腔。第一端部構件基本上是剛性的，並且附接到第一體端部，以限定第一光學單元端部。第一光學元件位於構件管腔中，並且固定地附接到第一端部構件。第二端部構件基本上是剛性地，並且附接到第二體端部以限定出第二光學單元端部。第二光學元件位於光學單元中，並且固定地附接到第二端部構件。第一致動器安裝在構件管腔外部，並且被配置為在基本上平行於縱軸的方向上向光學單元設備的外表面施加足以使光學單元設備的至少一部分彈性變形的力，使得第一光學元件和第二光學元件之間的縱向距離以響應的方式被改變。
[0007]根據本發明的另一方面，提供了一種檢測分析物濃度的方法。用產生具有基本固定波長的光的雷射器激發光腔，光腔包括剛性體和附加到剛性體的第一和第二光學元件。剛性體至少在第一位置被彈性變形，以使雷射和腔共振。檢測從腔發出的光。評估所檢測光，以確定分析物濃度。【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]通過參照附圖閱讀以下的說明書，對於本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，本發明的上述和其他特徵將變得顯而易見，在附圖中:
[0009]圖1是根據本發明一個方面的沿著用於提供可調長度的光學單元設備的組件的縱軸的橫截面圖；
[0010]圖2示出了根據本發明一個方面的沿可調單元組件的一個實施方式的縱軸的橫截面圖；
[0011]圖3提供了沿圖2的組件的橫軸的橫截面圖；
[0012]圖4提供了根據本發明一個方面的沿可調單元組件的另一實施方式的橫軸的橫截面圖；
[0013]圖5示出了根據本發明一個方面的沿可調單元組件的另一實施方式的縱軸的橫截面圖；
[0014]圖6示出了根據本發明一個方面的可調單元組件的另一實施方式；
[0015]圖7示出了根據本發明一個方面的使用可調長度的單元的一個實例的光腔衰蕩光譜(⑶RS)系統；以及
[0016]圖8示出了根據本發明一個方面的用於確定分析物濃度的方法。
【具體實施方式】
[0017]腔增強光譜涵蓋了使用低損耗光腔以允許對主要是氣態樣品的弱吸收的樣品進行檢測的若干相關光譜技術。為了在受到加速或震動的環境中在一個或多個可攜式儀器中使用這些技術，提供了一種保持構成光腔的反射鏡或稜鏡的剛性對準的單元設計。為了從窄帶寬雷射器向這種腔中注入大量的光量，有必要使雷射和腔共振。設置了允許調節剛性單元的長度以實現共振的可調單元，而不是調製激發雷射的波長，其會在波長檢測中引入不確定性並且降低了測量的精確度。這可以適用於由兩個或多個高反射率反射鏡或稜鏡構成的光腔。
[0018]該單元是單片的並且保持腔內的任意光學元件的剛性對準。使用一個或多個高解析度和高力換能器來掃描由單元本體的彈性變形引起的單元長度。掃描的腔長度超過用於激發腔的光波長的二分之一，這確保了腔的至少一個TEMtltl模式將通過與雷射的共振。該單元的一個優點是其在鎖頻雷射Cw-CRDS技術中的使用，相比於可選的沿腔的自由光譜範圍(FSR)來掃描雷射的頻率，這增加了測量的頻率精度。然而，可以理解，該單元可以用於其中期望高度剛性但是穩定的光學校準器的任何應用。
[0019]圖1是根據本發明一個方面的沿用於提供長度可調光學單元設備20的組件10的縱軸的橫截面圖。光學單元設備20包括形成光學單元設備的壁的中空管狀體22。管狀體22具有縱向隔開的第一和第二體端部24和26，並且圍繞光學單元的縱軸而限定出穿過其中的構件管腔(member lumen) 28。在一個實施方式中，管狀體22可以是由剛性金屬形成的固態圓柱形管，該剛性金屬具有足以承受相關光源(未示出)的幾個波長級的擴張的彈性極限。例如，管狀體22可以由不鏽鋼或殷鋼形成。
[0020]第一和第二端部構件30和32分別附接到第一和第二體端部24和26，以限定相應的第一光學單兀端部和第二光學單兀端部。第一端部構件30和第二端部構件32足夠硬，並且與管狀體22組合形成光學單元組件的基本密閉腔。可以理解，第一端部構件30和第二端部構件32中的每個都可以與管狀體22集成，或者是經由適當方法附接的分離物品以形成耐用的、基本密閉的密封。在一個實施方式中，第一端部構件30可以包括諸如Conflat
法蘭的真空法蘭。
[0021]第一光學元件34和第二光學元件36位於構件管腔中，並且分別固定地附接到第一端部構件30和第二端部構件32。光學兀件34和36可以包括一個或多個反射鏡、分束器、稜鏡、透鏡或用於改變光束的方向、偏振、和相干性的任何其他部件。在一個實施方式中，光學元件34和36中的每個都是反射鏡，其具有由在與光源相關的頻率有高反射率的材料形成的至少一個表面或塗敷有該材料的至少一個表面。在一個實施方式中，該反射鏡可以是凹的並且被定位在附近的共焦布置中。為了使光學元件34和36即使在受到加速或震動時也能保持其對準，他們可以抵靠著其各自的端部構件30和32的表面被壓縮。
[0022]根據本發明的一個方面，已經確定，雖然光學單元設備有剛性，但是光學單元設備20有足夠的彈性，其可以將光學單元設備22拉伸足夠的量，以將光學元件34和36之間的距離改變用於檢測的光波長的至少一半的距離，允許單元與固定於感興趣的分析物的吸收線峰值上的雷射進行共振。為此，第一致動器40可以安裝在構件管腔的外部，並且被配置為向光學單元設備20的外表面上的位置施加足以使光學單元設備的至少一部分彈性變形的力，使得第一光學元件34和第二光學元件36之間的縱向距離作出響應而改變。在一個實例中，第一致動器40可以實施為壓電換能器。
[0023]致動器40可以定位為施加拉伸管狀體22的力，增大光學元件34和36之間的距離。從所施加的力F、構成管狀體22的材料的楊氏模量E、以及管狀體的橫截面面積A，計算光學兀件的位移AL:
[0024]
【權利要求】
1.一種組件，包括: 光學單元設備，包括: 中空管狀體，包括所述光學單元設備的壁，所述管狀體具有縱向隔開的第一體端部和第二體端部並且圍繞所述光學單元的縱軸而限定出穿過所述管狀體的構件管腔， 第一端部構件，實質上為剛性的並且附接到所述第一體端部以限定第一光學單元端部; 第一光學元件，位於所述構件管腔中並且固定地附接到所述第一端部構件； 第二端部構件，實質上為剛性的並且附接到所述第二體端部以限定第二光學單元端部；以及 第二光學元件，位於所述光學單元中並且固定地附接到所述第二端部構件；以及 第一致動器，安裝在所述構件管腔的外部，並且被配置為在與所述縱軸基本上平行的方向，向所述光學單元設備的外表面施加足以使所述光學單元設備的至少一部分彈性變形的力，使得所述第一光學元件和所述第二光學元件之間的縱向距離以響應方式而改變。
2.根據權利要求1所述的組件，其中，所述第一致動器被配置為在第一位置向所述光學單元設備施加力，所述組件進一步包括第二致動器，安裝在所述構件管腔的外部並且被配置為在與所述第一位置不同的第二位置向所述光學單元設備施加力，使得能夠選擇性地改變所述第一光學元件和所述第二光學元件的相對定向。
3.根據權利要求2所述的組件，其中，所述構件管腔是圓柱，並且所述第一致動器和所述第二致動器包括多個致動器中的第一致動器和第二致動器，所述多個致動器中的每個安裝到所述構件管腔的外部，並且`被配置為在相關位置向所述光學單元設備施加力，所述多個致動器的所述相關位置關於在由所述管狀構件限定的所述圓柱的軸總共具有η倍的旋轉對稱性，其中，η是大於I的整數。
4.根據權利要求1所述的組件，其中，所述第一端部構件和所述第二端部構件中的每個在垂直於所述縱軸截取的所述管狀構件的橫截面之外橫向延伸，所述第一致動器固定地附接到橫向地定位於所述構件管腔外部的所述第一端部構件的一部分，並且被配置為向所述第二端部構件施加力，以增大所述第一光學元件和所述第二光學元件之間的縱向距離。
5.根據權利要求3所述的組件，進一步包括剛性杆，所述剛性杆附接到所述第一致動器並且在所述第一致動器和所述第二端部構件之間縱向延伸，以在所述第一致動器和所述第二端部構件之間傳遞力。
6.根據權利要求1所述的組件，所述光學單元設備進一步包括中間件，所述中間件在所述第一端部構件和所述第二端部構件之間的點被剛性地附接到所述管狀體的外表面。
7.根據權利要求6所述的組件，其中，所述第一致動器附接到在所述第一端部構件和所述中間件中所選擇的一個，並且被配置為在所述第一端部構件和所述中間件中的另一個上施加力。
8.根據權利要求6所述的組件，其中，所述中間件是第一中間件，並且所述光學單元設備進一步包括在所述第一端部構件和所述第二端部構件之間剛性地附接到所述管狀體的外表面的第二中間件，所述第一致動器安裝在所述第一中間件上並且被配置為向所述第二中間件施加力。
9.根據權利要求1所述的組件，其中，在所述管狀體的外表面上設置有腔，並且所述第一致動器至少部分地安裝在所述腔中。
10.根據權利要求1所述的組件，其中，所述第一換能器是壓電換能器。
11.根據權利要求1所述的組件，其中，所述第一光學元件和所述第二光學元件是第一反射鏡和第二反射鏡。
12.根據權利要求1所述的組件，其中，所述管狀體由不鏽鋼和殷鋼中的一種形成。
13.根據權利要求1所述的組件，進一步包括第二致動器，所述第二致動器與所述第一致動器串聯布置，以使得所述第一致動器和所述第二致動器中的每個在所述外表面的相同位置施加力。
14.一種腔衰蕩光譜設備，包括: 權利要求1所述的組件； 雷射器組件，被配置為向所述光學單元設備提供光； 系統控制，被配置為控制所述第一致動器，以使得能夠在預定範圍內動態地選擇所述第一光學元件和所述第二光學元件之間的距離；以及 檢測器，被配置為檢測從所述光學單元設備發出的光，並且將表示所述發出的光的電信號提供給所述系統控制。
15.—種組件,包括: 限定腔的剛性中空體； 剛性地附加在所述腔中的多個光學元件；以及 第一致動器，被配置為向所述中空體的外表面施加足以使所述中空體的至少一部分彈性變形的力，使得所述多個光學元件中的第一光學元件和第二光學元件之間的距離和相對定向中的一個以響應方式而改變。
16.根據權利要求15所述的組件，其中，所述中空體由不鏽鋼和殷鋼中的一種製成。
17.一種腔衰蕩光譜設備，包括: 權利要求15所述的組件； 雷射器組件，被配置為向所述光學單元設備提供具有相關波長的光；以及系統控制，被配置為控制所述第一致動器，以使得施加到所述中空體的所述外表面的力足以將所述中空體拉伸大於由所述雷射器組件提供的光的相關波長的一半的量。
18.一種用於確定分析物濃度的方法，包括: 用產生具有基本固定波長的光的雷射激發光腔，所述光腔包括剛性體以及附加到所述剛性體的第一光學元件和第二光學元件； 至少在第一位置使所述剛性體彈性變形，以使所述雷射和所述腔共振； 檢測從所述腔發出的光；以及 評估所檢測的光，以確定所述分析物的濃度。
19.根據權利要求18所述的方法，進一步包括至少在第一位置和第二位置彈性變形所述剛性體，以改變所述第一光學元件和所述第二光學元件的相對定向。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，至少在第一位置使所述剛性體彈性變形包括將所述剛性體拉伸所述基本固定波長的至少一半。
【文檔編號】G01N21/00GK103562704SQ201280025010
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月23日 優先權日:2011年3月25日
【發明者】凱文·K·萊曼 申請人:維吉尼亞大學專利基金委員會