专利名称：减少激光光谱系统的光学系统中产生的条纹干涉的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于减少激光光谱系统的光学系统中产生的条纹干涉的设备，该 设备包括电磁执行器，其用于沿激光路径产生光学系统的光学元件的物理直线振动；以 及控制装置，其用于控制该振动的振幅和频率。
背景技术：
激光吸收光谱中的背景和噪声的主控源(dominating source)是在光学系统中产 生杂散光驻波，即所谓的标准具效应。该标准具效应是来自不同的光表面(例如，反光镜、 窗等)的多次反射产生的。标准具效应在检测到的信号中将自身表示为易于使分析信号与 样本混淆的干涉条纹。即使使用了高质量的抗反射涂层，也极难消除标准具效应。由于干 涉图案是确定的而不是随机的，因此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。US4，934，816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，三角波形的产生需要高 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。现 有的商用仪器(其通常使用0. 76至1. 5 μ m范围内的振动变换谐波波长)要求约从10至 25 μ m的振动幅值。然而，由于对于激光光谱的最佳激光波长介于3至20 μ m之间(其间 由于分子振动变换而造成存在强的吸收信号)，因此需要较大的振动幅值以有效减少校准 具干涉信号，从而将振动幅值从10至25 μ m提高到45至300 μ m。由于标准的压电换能器 具有有限的波长扩展能力，因此它们的应用对于具有较长波长的激光来说实际上是不可能 的。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。所有已知的方法都使用开环压电作用器，来以振动方式使导致产生标准具信号的 光学分量移动。
发明内容
本发明致力于提供一种用于减小在激光光谱系统的光学系统中产生的条纹干涉 的改进设备，该设备尤其利用了较长波长，并适于利用三角波形使导致产生标准具效应的 光学分量的位置振动。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的方法的优选实施例。因此，根据本发明的设备的特征在于，执行机构是电磁型的，光学元件布置在悬臂 体上，该悬臂体一端经由弯曲支枢(flexural pivot)连接至基座以及另一自由端连接至电 磁执行机构，以及控制装置包括控制器，其控制所述振动(χ)的幅值；以及振动传感器，其 连接至悬臂体并向控制器提供实际振动值。根据本发明的设备有利地提供-大的振动幅值；-良好控制的运动波形；以及-极强的低成本实现性能。大的幅值通过悬臂体及其弯曲的装配部来产生，其中可以对机械设计进行定制以 产生任何所需的幅值。弯曲支枢可以由若干种不同的材料制成，其中，铜-铍材料由于其 (相比于钢材料)优良的疲劳特性及其较低的模数而特别适合。该机械系统自身具有两个不期望的特性，正弦曲线运动轮廓和固定的共振频率。 这些不期望的特性通过向机械弯曲部分添加运动控制系统来消除，其中该控制装置包括 控制器，其控制振动的幅值；以及振动传感器，其连接至悬臂体并向控制器提供实际振动 值。添加良好设计的控制系统将运动带宽从百分之几提高到大到足以以适当的保真度再现 三角波形的带宽。应该使悬臂体惯性力矩最小化，同时使较高阶共振频率保持高到足以使他们不限 制控制系统的性能。这通常将可允许的较高阶共振频率设置为超过控制系统的上限带宽的 3至10倍。从而，结合机械挠曲的控制系统以及良好设计的控制系统的组合提供了具有足 够带宽的良好控制运动曲线。机电性能(与功耗成比例的运动保真度)可以被有利地优化之处在于将光学元件 布置在悬臂体两端之间的位置处，在该位置处，枢轴周围的光学元件的惯性力矩至少大致 等于悬臂体的惯性力矩。电磁执行机构优选是动磁体类型，该类型具有连接至悬臂体的磁体和连接至支撑 块的驱动线圈。这简化了设计，提高了可靠性并降低了加工成本。磁体典型的可以是稀土 型或钕铁硼或钐钴型，这是因为它们具有实现紧凑设计所需的磁能。在非常低成本的安排中，振动传感器包括与电磁执行机构进行交互的感测线圈。 从而，将驱动器和感测线圈以及磁体组合到一个单元中，其中两个线圈可以缠绕在同一线 轴上。然而，该简单的低成本安排将会具有在驱动器和感测线圈之间交叉耦合的变压器，这 在一定程度上限制了控制系统的性能。交叉耦合在很大程度上可利用电子装置抵偿。该安 排通常用于具有较低运动频率、尺寸限制以及略低的三角保真度的低成本系统。对于高运动频率，执行机构和传感器优选地在构造上完全相同地分开。振动传感器是动磁体类型，该类型动磁体具有连接至悬臂体的另一磁体以及连接至支撑块或另一支 撑块的感测线圈。
下面将参照附图来利用实例描述本发明，附图中图1是用于减小激光分光计的光学系统中产生的条纹干涉的设备的一个实施例 的示意图，图2是该设备的可替换实施例的细节；以及图3是转移函数框图。
具体实施例方式图1作为根据本发明设备的实例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。除 了有源部件1和4以外，光学系统3还包括样本单元(未示出)，其在气体混合气中包含示 踪气体核素(species)以及其他光学元件(诸如准直透镜幻。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)。该标准具在由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 内的多次反射将产生驻波，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 = m λ/4(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 过以(例如三角形)来回运动X而沿激光束方向振动来改变。为此，激光器1布置在悬臂体9上，该悬臂体在一端10经由弯曲支枢12连接至基 座11，而在另一自由端13连接至电磁执行机构14。激光器1布置在悬臂体9的两端10和 13之间的位置处，在该位置中，激光器1在支枢周围的惯性力矩至少大致等于悬臂体9的惯 性力矩。执行机构14是动磁体类型，并包括连接至悬臂体9的磁体15和连接至支撑块17 的驱动线圈16。此外，悬臂体9连接有振动传感器18，用于提供实际振动值19。振动传感 器18也是动磁体类型，并包括连接至悬臂体9的另一磁体20和连接至支撑块17的感测线 圈21。控制单元7与激光调制信号6同步产生三角振动器驱动信号22，该信号被馈送至 控制装置23，用于控制悬臂体9的振动运动χ。控制装置23包括振动传感器18、控制器M 和用于执行机构14的驱动器25。如图2所示，振动传感器18可以包括与电磁执行机构14的磁体15进行交互的感测线圈。从而，驱动线圈16和感测线圈21以及磁体15结合到一个单元中，其中这两个线 圈16和21可以缠绕在同一线轴上。下面的图3示出了关于机械共振的带宽(机械转移函数MTF)如何通过控制环从 几Hz增加到超过100Hz (闭环转移函数CLTF)的实例。控制器增益CG和机械转移函数MTF 组合成环增益LG，以及机械共振包括在该控制回路内。控制器增益CG在低于额定运动频率 的频率时逐渐减少，以是控制其设计更容易。总之，根据本发明的设备提供了以下优点-弯曲部分周围的机械尺寸可适于易于实现低疲劳负载，低疲劳负载允许进行长 时间连续操作，其中典型的应用必须以高可靠性实现10千兆循环。-该机械布置可适于区分光学需求和大负载。-相比于压电及动线圈执行机构，该机械相同具有机械坚固性及紧凑性。-弯曲部分的机械参数的合理改变可以通过控制系统来消除。这降低了系统的成 本并提高了可靠性和坚固性。-该设备可以由来白若干来源的易于得到的标准零件来制造。-该设计成本低。-执行机构被设计用于任何适合的驱动电压。-该执行机构需要低的驱动功率。
权利要求
1.一种用于减小在激光光谱系统的光学系统(3)中产生的条纹干涉的设备，所述设备 包括执行机构(14)，其用于沿激光路径产生所述光学系统(3)的光学元件(1)的物理直 线振动(χ)；以及控制装置(23)，其用于控制所述振动(χ)的幅值和频率，其特征在于，所述 执行机构是电磁类型的，所述光学元件(1)布置在悬臂体(9)上，所述悬臂体在一端(10) 经由弯曲支枢(12)连接至基座(11)，以及在另一自由端(13)耦合至电磁执行机构(14)， 以及所述控制装置包括控制器(M)，其控制所述振动(χ)的幅值；以及振动传感器 (18)，其连接至所述悬臂体(9)并向所述控制器04)提供实际振动值(19)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学元件(1)布置在所述悬臂体(9) 两端(10，1 之间的一个位置处，在所述位置处，所述支枢周围的光学元件(1)的惯性力矩 至少大致等于所述悬臂体(9)的惯性力矩。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述电磁执行机构(14)是动磁体类 型的，具有连接至所述悬臂体(9)的磁体(1 和连接至支撑块(17)的驱动线圈(16)。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述振动传感器(18)包括与所述电磁执 行机构(14)进行交互的感测线圈01)。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述振动传感器(18)是动磁体类型的，具 有连接至所述悬臂体(9)的另一磁体OO)和连接至所述支撑块或者另一支撑块(17)的感 测线圈01)。
全文摘要
本发明提供了一种用于减小在激光光谱系统的光学系统中产生的条纹干涉的设备。该已知的设备包括执行机构(14)，其用于沿激光路径产生所述光学系统(3)的光学元件(1)的物理直线振动(x)；以及控制装置(23)，其用于控制所述振动(x)的幅值和频率。为了尤其利用较长的波长来提高降低条纹干涉的能力而提出，执行机构(14)是电磁类型的，光学元件(1)布置在悬臂体(9)上，所述悬臂体在一端(10)经由弯曲支枢(12)连接至基座(11)，以及在另一自由端(13)耦合至电磁执行机构(14)，以及控制装置(23)包括控制器(24)，其控制振动(x)的幅值；以及振动传感器(18)，其连接至悬臂体(9)并向控制器(24)提供实际振动值(19)。
文档编号G01J3/02GK102128681SQ201010594550
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者帕维尔·克鲁克兹恩斯基, 托马斯·E·洛克, 里卡德·拉尔金 申请人:西门子公司
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