一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置及其實現方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，脈沖寬度調制器、脈沖電壓調制器、脈沖電流產生器、電流合并器與發光器順序連接，脈沖電流產生器與增強電源連接，電流合并器與常規電源連接；其方法為脈沖寬度調制器將外部信號I轉換成脈沖信號II、脈沖信號III給脈沖電壓調制器，進行電壓放大后變換為脈沖V、脈沖IV，同時脈沖電流產生器接收到增強電源輸出的電流VI后受到脈沖V、IV控制發出脈沖增強電流VII，該電流與常規電源提供的穩態電流VIII經電流合并器疊加后提供增強脈沖電流VIV給發光器，使之發出增強的脈沖光束。本發明可以作為增強型的探測光源被應用于光譜測量領域，增強的光束有助于提高信噪比，脈沖的工作方式避免了連續強光照射導致的被測樣品高溫損毀。
【專利說明】一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置及其實現方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，特別是具有發射增強脈沖光束功能的光源裝置。

【背景技術】
[0002]光譜技術是利用物質對光波的吸收、發射以及散射的現象而發展起來的一種強有力的技術手段，通過分析各種光譜數據，人們能夠鑒別物質的化學組成、價鍵類型，以及物質的光學性能。近年來，光譜技術在殘留農藥檢測、環境污染物監控以及爆炸物排除等諸多領域發揮了至關重要的作用。無論何種類型的光譜儀，其核心部件可以分為光源和光強檢測器件兩部分。光源的特性極大程度地影響到實驗測量光譜數據的質量高低。
[0003]大量實驗表明增大探測光源強度是一種行之有效地提高光譜數據信噪比的方法，以吸收光譜為實例進行說明，根據朗伯比爾定律，物質的吸光度可以正比于-1n(IcZIt)，降低吸光度信噪比的主要原因來源于外界雜散光干擾，當探測光強度遠大于雜散光強度時，雜散光對吸光度光譜信噪比的影響就會降低，然而，增大探測光強度會帶來另一個嚴重的問題:長時間高強度的光照極大可能地導致被測試樣品的光熱損傷。光熱損傷的樣品已經無法反應真實信息。脈沖增強光源很好的解決了這一難題，強度增強的光束僅僅持續在納秒到毫秒量級，強度雖然大，但由于持續時間短，總熱能量積累較小，不會損傷被測樣品。光譜測量的過程是由各類電子元件完成，其執行速度快，光強度增強的短時間已經足夠長完成相應的實驗測量工作。因此，發展脈沖增強型光源具有重要意義。
[0004]現有的商品化脈沖光源主要有兩種類型:1)調Q或者鎖模脈沖激光，其脈沖寬度在飛秒到納秒之間可調諧，該技術路線無法實現微秒至毫秒量級脈沖寬度的光脈沖，該技術路線所制備的光脈沖通常情況下是單色光，該技術無法制備寬帶光譜的光脈沖；2)利用機械快門或者斬波器的開關功能調制連續光使之成為脈沖工作模式，然而，連續的高強發光工作模式極大消耗電能的同時也縮短了發光體的壽命。發明一種耐用、節能的脈沖增強型光源是具有實用價值的。


【發明內容】

[0005]針對現有技術的不足，本發明提供一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，該發明所采用的技術方案是:
[0006]一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，脈沖寬度調制器、脈沖電壓調制器、脈沖電流產生器、電流合并器與發光器順序連接，增強電源與脈沖電流產生器連接，電流合并器與常規電源連接。
[0007]所述發光器為氣態或固態發光介質的光源。
[0008]所述增強電源為一個或多個，用于為脈沖電流產生器提供電流。
[0009]所述脈沖電壓調制器有兩對輸入、輸出端。
[0010]所述脈沖電流產生器采用一個或多個場效應管，每個場效應管的漏極與所述增強電源輸出端連接。
[0011]一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源實現方法，包括如下步驟:
[0012]脈沖寬度調制器將外部觸發源的TTL信號I轉換成脈沖信號II和III輸入給脈沖電壓調制器，經脈沖電壓調制器進行電壓放大后變換為脈沖V、脈沖IV，輸入至脈沖電流產生器作為其控制信號；此時，脈沖電流產生器接收到增強電源輸出的電流VI，發出脈沖增強電流VII，該電流與常規電源提供的常規穩態電流VIII經電流合并器疊加后，提供增強脈沖電流Viv給發光器，使之發出增強的脈沖光束。
[0013]所述脈沖信號I1、脈沖信號III為脈寬相同的同步方波脈沖信號。
[0014]所述脈沖光束的脈沖重復頻率等于脈沖信號I的頻率。
[0015]所述脈沖光束強度由脈沖IV和脈沖V的電壓差調控。
[0016]本發明具有以下有益效果及優點:
[0017]1.本發明作為光譜實驗裝置中的探測或者激發光源，可以有效地增強光譜信號的信噪比，同時避免了長時間光照射導致的樣品損毀。
[0018]2.本發明的各組成部分可以由成熟的電子元器件搭建組成，因此其耐用性較高，僅需更換易耗品，例如發光體等，就可以維護其正常使用，其發光強度和持續時間可以方便地調諧。
[0019]3.本發明的發光時間受到外界觸發信號的調控，便于與其它光學、電子和機械裝置配合使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的結構原理示意圖；
[0021]圖2是本發明實施例所發出的增強脈沖白光強度隨著時間的變化圖；
[0022]其中:1-1脈沖寬度調制器，1-2脈沖電壓調制器，2-1增強電源，2-2脈沖電流產生器，2-3常規電源，2-4電流合并器，3發光器。

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0024]如圖1所示，本發明包括脈沖寬度調制器1-1、脈沖電壓調制器1-2與脈沖電流產生器2-2順序連接；增強電源2-1、脈沖電流產生器2-2、電流合并器2-4與發光器3順序連接；常規電源2-3、電流合并器2-4與發光器3順序連接。
[0025]具有一定時間寬度的TTL信號I作為外觸發源，經由脈沖寬度調制器1-1調控其脈沖寬度后，同步輸出具有一定時間寬度的信號I1、III，將其輸入脈沖電壓調制器1-2分別進行脈沖電壓放大，轉換為信號V、IV。
[0026]增強電源2-1用于為脈沖電流產生器2-2提供增強的電能，為脈沖電流產生器2-2提供電流VI，信號V、IV的脈沖時間寬度控制脈沖電流產生器2-2輸出電流的時間長短，信號V、VI的相對電壓差控制脈沖電流產生器2-2輸出電流的強弱，脈沖電流產生器2-2輸出電流VII通過電流合并器2-4后成為電流VIV的脈沖增強組成部分。
[0027]常規電源2-3提供常規電流VIII，通過電流合并器2_4后成為電流VIV的常規穩態組成部分。
[0028]電流VIV為發光器3提供電流，發光器3可以承受短時間的瞬時強電流供電而不被損壞，其發光強度隨著電流的增大而增大，發光特性由其自身發光材料決定，其配備了良好的散熱冷卻系統。本發明輸出的光脈沖的時間寬度在1nm?Is的范圍內可調，脈沖發光的瞬時電功率在I?10000W范圍內可調。
[0029]使用步驟主要包括:開啟常規電源2-3，為發光器3提供穩態常規電源，使其發光；開啟增強電源2-1、脈沖寬度調制器1-1、脈沖電壓調制器1-2、脈沖電流產生器2-2以及電流合并器2-4，設定它們的工作參數，使它們處于待機狀態；連接外觸發TTL信號I，發光器3在信號I上升沿觸發時刻發出增強的脈沖光束；使用完畢后，逐一關閉上述元件的電源完成關機操作。
[0030]在本實施例所使用的發光器3為除臭氧短弧氙燈。常規電源2-3開啟后為發光器3提供了啟動電壓和穩態常規電流以維持該發光器的常態發光。輸入信號I的重復頻率為3Hz的TTL信號，高電壓5V，時間長度為10us，脈沖寬度調制器1-1主要元件為單穩態觸發器，芯片型號:CD4098，設定其工作模式為上升沿觸發且同相輸出，選用可調諧電阻和電容作為其定時元件，調整電阻和電容大小以設定輸出2路脈沖信號I1、III的時間寬度約6ms，脈沖電壓調制器1-2主要元件為運算放大器，芯片型號:AD713JN，該芯片具有2套獨立的輸入和輸出端口，為其配備兩組，每組2個且可調變電阻比的電阻芯片，設定第一組電阻放大比約為7，設定第二組電阻放大比約為8，信號I1、III經過1-2電壓放大之后，新產生的兩路信號為IV和V，經過實際測量，其高電壓分別變為約35V和40V，信號其它參數性質不變，脈沖電流產生器2-2的主要元件為快速功率場效應管，其芯片型號:IXFN420N10T，該芯片具有四個端口，分別標記為漏極D、柵極G以及2個相互聯通的源極S1,使用額定功率600W，48V和12.5A的電源為33mF的電容充電，電容帶電極連接D，另一極接地，此處電容的作用類似于大型電能存儲倉庫，信號IV連接源極S1，信號V連接柵極G，源極S2為脈沖電流產生器2-2的輸出端，輸出6ms寬度約40A的脈沖電流VII，常規電源2_3提供的信號VIII為17V、25A的穩態電流源，電流合并器2_4是由快速恢復二極管構成，芯片型號為:DSE12X101-06A，該芯片具有2組獨立的輸入和輸出端口，信號VII和VIII分別連接芯片的兩組輸入端口，兩個輸出端口用粗銅導線短接使VII和VIII經過電流合并器2-4線性疊加后形成電流源信號VIV，發光器3為氙燈光源，型號為:0SRAM XB0450W/0FR,電流源信號VIV為發光器3提供電能，使其發光，該器件發光為200?900nm的準連續白光光譜。
[0031]TTL信號I作為3Hz外觸發源，輸入給脈沖寬度調制器1_1，按照需求，由其調控脈沖寬度到達合適的數值后輸出相同的兩路信號I1、III，其分別輸入給脈沖電壓調制器1-2進行不同比例的電壓放大后，變換為V、IV，此雙信號同時用于調控脈沖電流產生器2-2，增強電源2-1為脈沖電流產生器2-2提供電流能量VI，當信號V、IV調控脈沖電流產生器2-2到達合適狀態時，本實施例壓差范圍為:-30?30V，脈沖電流產生器2-2發出脈沖增強電流VII，該電流與常規電源2-3提供的常規穩態電流VIII通過電流合并器2-4并聯后，一起給發光器3提供增強脈沖電流VIV，使之發出脈沖增強的光束。光脈沖持續的時間長度等于信號I1、III高電壓持續的時間寬度，光脈沖強度由信號IV和V的電壓差的數值大小調控。
[0032]本技術方案中所使用的常規電源2-3是配合發光器3所使用的標準規格電源，其作用是為發光體提供穩態的常規電能輸入，可根據發光器3的具體需求選擇是否開啟常規電源2-3，當發光器3需要常規穩態電源提供穩態的啟動電壓以維持其正常啟動狀態時，則需要開啟常規電源2-3，這種情況所使用的發光器3多為氣態發光介質，例如氙燈或者氪燈，當發光器3不需要常規穩態電源提供穩態的啟動電壓以維持其正常啟動狀態時，則可關閉常規電源2-3。
[0033]本技術方案中所使用的增強電源2-1可為發光器3提供具備一定時間寬度t的脈沖式增強電流，使發光器3在t的時間內發出增強的光束。
[0034]本技術方案中所使用的電流合并器2-4的輸入端分別連接常規電源2-3和增強電源2-1，兩者提供的電流并聯后輸出電流供給發光器3。當兩路電源分別提供電流并聯供電時，雙電源之間的相互干擾會導致電源的不穩定甚至損毀，該電流合并器2-4可以僅允許電流單方向從輸入端流向輸出端，反向電流無法通過，器件的這種特性有效避免了雙電源供電的相互干擾。需要指出的是，可以通過合理地增大增強電源2-1的輸出能力或者并聯更多的增強電源2-1以實現更強功率的光脈沖輸出。
[0035]本技術方案中所使用的發光器3需要有較好的散熱功能，一般情況下配備了風扇降溫裝置。
[0036]本裝置的使用方法包含如下步驟:
[0037](—)開啟常規電源2-3，其提供的穩態電流通過電流合并器2-4為發光器3供電，使之處于穩定發光工作狀態；
[0038](二)開啟增強電源2-1為脈沖電流產生器2-2供電，使其處于待機狀態；
[0039](三)開啟脈沖寬度調制器1-1和脈沖電壓調制器1-2，并根據實際需求設置兩者的工作參數，隨后使其處于待機狀態；
[0040](四)將具有一定時間寬度h的TTL信號I連接脈沖寬度調制器1-1的輸入端；
[0041](五)發光器3會同步于信號I的上升沿時刻發出增強的脈沖光束，發光重復頻率等于信號I的頻率，脈沖發光時間長度可由脈沖寬度調制器1-1調控，脈沖發光強度由脈沖電壓調制器1-2調控；
[0042](六)使用完畢，首先斷開信號I的輸入，隨后逐一關閉其它各部件的供電，結束本次使用。
[0043]為了更好地說明該發明所輸出的光脈沖特性，我們將發光器3發出的光束通過電控的機械快門(型號=Uniblitz VS25S2ZM1R3)后，使用光電二極管(型號=HamamatruS5973-01)測量機械快門開啟時的透過光強度，輸出的光強度信號使用數字示波器(型號:Tektronics TDS3054B)進行觀測。圖2展示了光強隨著時間的變化曲線，在時間Oms的時刻機械快門開啟，此時僅有常規電源(2-3 )為發光器(3 )供電，其發光強度在0.02附近，在時間為4ms的時刻，信號I的上升沿觸發了脈沖電流產生器(2-2)，使其產生額外的約40A電流施加在發光器(3 )上，此時，發光強度約0.05左右，瞬時電功率約1100W，時間持續長度約6ms，在時間為1ms的時刻，脈沖增強的發光模式結束，光強重新降低到0.02附近，在時間為18ms的時刻，機械快門關閉，透過快門的光強變為O。
[0044]本增強脈沖型光源裝置可靠且穩定，可以有效地增強瞬態吸收光譜的信噪比，同時避免連續光照射的熱效應所帶來的樣品熱損傷。發光時間由外界觸發信號控制，這使得本器件可以很好地與其它光學和電學元件整合在一起。
【權利要求】
1.一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，其特征在于:脈沖寬度調制器(1-1)、脈沖電壓調制器(1-2)、脈沖電流產生器(2-2)、電流合并器(2-4)與發光器(3)順序連接，增強電源(2-1)與脈沖電流產生器(2-2)連接，電流合并器(2-4)與常規電源(2-3)連接。
2.根據權利要求1所述的一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，其特征在于:所述發光器(3)為氣態或固態發光介質的光源。
3.根據權利要求1所述的一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，其特征在于:所述增強電源(2-1)為一個或多個，用于為脈沖電流產生器(2-2)提供電流。
4.根據權利要求1所述的一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，其特征在于:所述脈沖電壓調制器(1-2 )有兩對輸入、輸出端。
5.根據權利要求1所述的一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源裝置，其特征在于:所述脈沖電流產生器(2-2)采用一個或多個場效應管，每個場效應管的漏極與所述增強電源(2-1)輸出端連接。
6.一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源實現方法，其特征在于包括如下步驟: 脈沖寬度調制器(1-1)將外部觸發源的TTL信號I轉換成脈沖信號II和III輸入給脈沖電壓調制器(1-2 )，經脈沖電壓調制器(1-2 )進行電壓放大后變換為脈沖V、脈沖IV，輸入至脈沖電流產生器(2-2)作為其控制信號；此時，脈沖電流產生器(2-2)接收到增強電源(2-1)輸出的電流VI，發出脈沖增強電流VII，該電流與常規電源(2-3)提供的常規穩態電流VIII經電流合并器(2-4)疊加后，提供增強脈沖電流VIV給發光器(3)，使之發出增強的脈沖光束。
7.根據權利要求6所述的一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源實現方法，其特征在于:所述脈沖信號I1、脈沖信號III為脈寬相同的同步方波脈沖信號。
8.根據權利要求6所述的一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源實現方法，其特征在于:所述脈沖光束的脈沖重復頻率等于脈沖信號I的頻率。
9.根據權利要求6所述的一種用于光譜測量中的增強脈沖型光源實現方法，其特征在于:所述脈沖光束強度由脈沖IV和脈沖V的電壓差調控。
【文檔編號】G01J3/10GK104457982SQ201310425875
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2013年9月17日
【發明者】徐大力, 韓克利, 劉建勇, 楊陽, 劉本康 申請人:中國科學院大連化學物理研究所