一種用于水質光學分析儀表的激光誘導光譜生成裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于檢測水體有機物綜合性指標的水質光學分析儀表的激光誘導光譜生成裝置。該裝置包括，TLD光源1、光纖2、入射光學窗口3、樣品池4、透射光探測光學窗口5、熒光探測光學窗口6、雙通道光譜儀7和數據處理與控制計算單元8。TLD光源1采用單片集成可調諧半導體激光器，在數據處理與控制計算單元8的同步控制下，TLD光源1在UV/Vis波段依次輸出不同波長的單色光，照射樣品產生透射光和熒光，雙通道光譜儀7則將其分別進行光電轉換，送入數據處理與控制計算單元8生成UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光光譜。該裝置結構簡單，可充分激勵樣品中各種有機物成分的光譜特性，有利于提高樣品有機物綜合性指標檢測精度。
【專利說明】一種用于水質光學分析儀表的激光誘導光譜生成裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光譜生成裝置，特別是一種用于檢測水體有機物綜合性指標的水質光學分析儀表的樣品激光誘導光譜生成裝置。
【背景技術】
[0002]所述水質光學分析儀表被廣泛用于檢測水體的有機物綜合性指標值(如C0D、B0D、TOC、CODmn等)，其工作機制是利用紫外/可見(UV/Vis)波段(200-800nm)的連續光譜光束照射水體時，其能量會被其中各種有機物分子選擇性吸收、散射或激發熒光的原理，通過測量水樣的UV吸收光譜強度或熒光發射光譜強度，再由數學模型計算獲得水樣中有機物綜合性指標的測量值。在這種工作原理的測量裝置中，除了光源、光敏傳感器、水樣采樣裝置等物理光學檢測設備和嵌入式計算機數據處理單元外，排除了所有化學反應過程，因此不再需要任何化學反應設備，從而從性能上克服了傳統的水質化學分析儀表的一系列缺陷，特別適用于無人值守的大范圍在線水質分析、環境污染監測。中國發明專利申請CN101275905《一種多源光譜融合便攜式水質分析儀》給出了此類水質光學分析儀表的一個典型實例。
[0003]但現有的光譜生成技術通常直接利用產生UV/Vis連續光譜的光源(如氘鎢燈)照射樣品，并通過光譜儀將透射光轉換為吸收光譜；或利用單波長激光光源(如半導體激光器)激發樣品，然后通過光譜儀將樣品發射的熒光轉換成熒光發射光譜。采用上述方法生成的樣品光譜均為描述吸收光強與光源照射波長之間關系(對UV/Vis吸收光譜而言)、或描述熒光發射光強與熒光發射波長之間關系(對熒光發射光譜而言)的一維光譜，對樣品中各種有機物成分的辨別能力較差，使水體有機物綜合性指標值的檢測誤差較大。并且生成上述兩類光譜需采用不同的光源，增加了水質分析儀表結構的復雜性。
[0004]事實上，在所述水質光學分析儀表中，利用不同波長的光源照射樣品激發熒光并獲取其熒光發射光譜，最后生成描述熒光發射光強與激發光源波長及熒光發射波長之間關系的高維熒光光譜，對于充分揭示樣品中各種化合物的成分和含量、提高水質有機物綜合性指標的檢測精度具有重要意義。目前在熒光分析領域，生成高維熒光光譜的裝置主要是熒光分光光度計，采用可產生連續光譜的光源(如氙弧燈)經掃描激發單色器過濾出一系列單色激發光照射樣品，然后依次將樣品發射的熒光轉換成熒光發射光譜，聯合激發光源的不同波長構成高維熒光光譜。通常由于獲得的樣品熒光發射強度極其微弱，除需使用大功率的光源外，在獲取樣品的熒光發射光譜時還需使用發射單色器和光電倍增管，進一步增加了裝置的復雜性和儀表的測量誤差。針對這一問題，中國發明專利申請CN101275905給出了一種以多個小型固體激光器和半導體激光器組成的數控多波長集成激光器為光源的高維熒光光譜生成裝置，通過計算機控制不同波長的激光器切換產生一系列單色激發光。但這種裝置要使用多個激光器，結構復雜，成本高，而且輸出的激發光波長受各個激光器的材料限制，難以在需要的帶寬范圍內均勻分布在不同的激發波長上，不能獲得理想的高維熒光光譜，從而不利于提高水質分析儀表的精度。此外，使用上述技術方案只能生成樣品的熒光光譜，如需生成UV/Vis吸收光譜仍需采用其他光源。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術在生成水質樣品高維光譜時設備結構復雜、激發光源波長受限的問題，而提供一種新的水質光學分析儀表激光誘導光譜生成裝置。其特點是采用單一可調波長激光光源即可同時獲取被分析樣品的UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光光譜，并且激發光波長在需要的帶寬范圍內均勻分布，使樣品中各種有機物成分的光譜特性得到充分激勵，可顯著改善樣品有機物綜合性指標值的檢測精度。
[0006]本發明的關鍵設備是可調諧半導體激光器(TLD)。TLD是在一定范圍內可以連續改變激光輸出波長的激光器，通過熱調諧、機械調諧或載流子注入來直接或間接改變激光器諧振腔的光學長度，來實現激光波長調諧，再通過波長選擇單元、相位調節單元進行腔模對準和波長輸出。TLD被廣泛應用于寬帶光通訊系統和物質結構分析，在大氣環境監測、燃氣溫度測量等領域也有少量應用實例。但在這些應用中，通常采用可見和紅外波段的TLD光源，在光譜分析領域的應用通常采用吸收光譜。本發明首次采用TLD光源在UV/Vis波段范圍內同時生成樣品吸收光譜和高維熒光光譜，用于水體有機物成分和含量分析。
[0007]本發明的技術方案是:采用寬帶TLD作為樣品光譜生成的激發光源，通過光纖連接至樣品池的入射光學窗口照射樣品，在樣品池與入射光成90°和180°夾角位置分別設置透射光和熒光探測光學窗口，通過光纖連接至雙通道面陣式電荷耦合元件(CCD)高靈敏度光譜儀生成所需樣品光譜。激發光源和光譜儀的運行由一數據處理與控制計算單元實現同步控制。
[0008]多維光譜生成裝置工作時，數據處理與控制計算單元啟動TLD光源，并在UV/Vis波段范圍內由低到高連續調諧激光器的輸出波長，依次通過入射光學窗口照射樣品，并同步控制雙通道光譜儀的光信號輸入端口，分別從透射光探測光學窗口和熒光探測光學窗口獲取在每一入射波長激光激發下樣品的透射光強以及拉曼散射光/熒光光強信號，然后經數據處理與控制計算單元進行數據處理，生成樣品在所需波段范圍內的吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光發射光譜，其中TLD光源的每一輸出波長對應于樣品吸收光譜的一個對應波長，以及一個完整的樣品拉曼散射光譜和熒光發射光譜。
[0009]在本發明中由于采用了單一的TLD光源，并在UV/Vis波段范圍內連續調諧激光器的輸出波長，因此整個裝置的結構簡潔、充分激勵了樣品中各種有機物成分的吸收光譜、拉曼散射光譜和熒光光譜特性，可顯著提高樣品有機物綜合性指標值的檢測精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為水質光學分析儀高維光譜生成裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0011]如圖1所示，一種用于檢測水體有機物綜合性指標的水質光學分析儀表的樣品高維光譜生成裝置，由TLD光源1、光纖2、入射光學窗口 3、樣品池4、透射光探測光學窗口 5、熒光探測光學窗口 6、雙通道光譜儀7和數據處理與控制計算單元8組成。TLD光源I通過光纖2連接至樣品池4的入射光學窗口 3，而樣品池4的透射光探測光學窗口 5和熒光探測光學窗口 6通過光纖2分別連接至雙通道光譜儀7的UV/Vis吸收光譜測量通道和拉曼散射/熒光發射光譜通道。數據處理與控制計算單元8的同步控制信號輸出端通過信號電纜9分別與TLD光源I和雙通道光譜儀7的控制信號輸入端相連接，數據處理與控制計算單元8的光譜信號輸入端通過信號電纜9與雙通道光譜儀7的光譜信號輸出端相連接。
[0012]TLD光源I采用帶寬范圍在[370nm，800nm]的小體積、低功耗單片集成可調諧半導體激光器，輸出功率可達60mw，采用載流子注入方式進行波長調諧，波長切換速率不小于IKHz。
[0013]入射光學窗口 3帶有準直透鏡組10。
[0014]透射光探測光學窗口 5帶有準直透鏡組11，其軸線與入射光學窗口 3軸線夾角為180。。
[0015]突光探測光學窗口 6帶有聚焦透鏡組12,其軸線與入射光學窗口 3軸線夾角為90。。
[0016]雙通道光譜儀7采用面陣式熱電制冷背照式CXD高靈敏度光譜儀。
[0017]數據處理與控制計算單元8為一嵌入式計算機，帶有數據處理與控制應用軟件。
[0018]數據處理與控制計算單元8以IOHz的速率在TLD光源I的可調諧波長范圍內由小到大順序控制切換TLD光源I的輸出波長，并對應于每一個輸出波長同步控制雙通道光譜儀7，依次從透射光探測光學窗口 5和熒光探測光學窗口 6獲取樣品的光譜信息，經光電轉換后送入數據處理與控制計算單元8，進行數據處理后生成樣品的UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光發射光譜，用于樣品的有機物綜合性指標分析。
【權利要求】
1.一種用于檢測水體有機物綜合性指標的水質光學分析儀表的激光誘導光譜生成裝置，由TLD光源1、光纖2、入射光學窗口 3、樣品池4、透射光探測光學窗口 5、突光探測光學窗口 6、雙通道光譜儀7和數據處理與控制計算單元8組成，其特征在于TLD光源I通過光纖2連接至樣品池4的入射光學窗口 3，而樣品池4的透射光探測光學窗口 5和熒光探測光學窗口 6通過光纖2分別連接至雙通道光譜儀7的UV/Vis吸收光譜測量通道和熒光發射光譜通道，數據處理與控制計算單元8的同步控制信號輸出端通過信號電纜9分別與TLD光源I和雙通道光譜儀7的控制信號輸入端相連接，數據處理與控制計算單元8的光譜信號輸入端通過信號電纜9與雙通道光譜儀7的光譜信號輸出端相連接。
2.根據權利要求1所述的用于檢測水體有機物綜合性指標的水質光學分析儀表的激光誘導光譜生成裝置，其特征在于TLD光源I采用帶寬范圍不小于[370nm，800nm]的單片集成可調諧半導體激光器，輸出功率不小于60mw，波長切換速率不小于ΙΚΗζ。
3.根據權利要求1所述的用于檢測水體有機物綜合性指標的水質光學分析儀表的激光誘導光譜生成裝置，其特征在于入射光學窗口 3帶有準直透鏡組10，透射光探測光學窗口 5帶有準直透鏡組11，其軸線與入射光學窗口 3軸線夾角為180°，用于獲取樣品的UV/Vis吸收光譜；熒光探測光學窗口 6帶有準直透鏡組12，其軸線與入射光學窗口 3軸線夾角為90°，用于獲取樣品的拉曼散射光譜和高維熒光發射光譜。
4.根據權利要求1所述的用于檢測水體有機物綜合性指標的水質光學分析儀表的激光誘導光譜生成裝置，其特征在于數據處理與控制計算單元8在TLD光源I的可調諧波長范圍內，由小到大順序控制切換TLD光源I的輸出波長，并對應于每一個輸出波長同步控制雙通道光譜儀7，依次從透射光探測光學窗口 5和熒光探測光學窗口 6獲取樣品的光譜信息，經光電轉換后送入數據處理與控制計算單元8，進行計算后生成樣品的UV/Vis吸收光譜、拉曼散射光譜和高維熒光發射光譜，用于樣品的有機物綜合性指標分析。
【文檔編號】G01N21/63GK103630523SQ201210297382
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月21日 優先權日:2012年8月21日
【發明者】吳鐵軍, 李宏, 潘漢青 申請人:杭州希瑪諾光電技術有限公司