[發明專利]用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置及其探測方法

無效

• 申請號: 201310730388.6
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103712961A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 陳堅;肖剛;吳周令
• 申請（專利權）人: 合肥知常光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63;G01N21/01
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 金凱

技術領域

本發明涉及光電探測技術領域，具體是一種用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置及其探測方法。

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背景技術

平衡光電探測（Balanced?photo?detection）是一種具有很高信噪比的光電探測技術，其基本原理如圖1所示，將兩個相同的光電探測器相連，輸出信號是這兩個光電探測器所產生的光電流的差值。在使用該技術時，通常是首先通過適當調節照射到各個光電探測器上的光強，以使得這兩個光電探測器上所產生的光電流互相抵消，達到“平衡”，即有效的直流輸出信號為零，直到所要測量的信號會引起其中一路或是兩路光發生變化，在平衡光電探測器上產生一個有效的“凈”信號。

這樣的探測結構可以抑制所使用的測量光源本身的噪聲，在需要從強直流背景信號中測量出相當弱的調制的交流信號的應用中，有助于提高測量能力。在諸多的平衡光電探測器的應用中，為達到好的探測效果，需要在初始時使探測器處于“平衡”狀態，即探測器的有效的直流輸出信號為零，并且在整個探測過程中始終保持這種“平衡”狀態。但是，在實際檢測過程中，由于很多外界因素的影響，比如探測光源本身的波動、外界環境的變化等，會導致這種平衡狀態被破壞，從而影響探測的穩定性和可靠性。因此，在很多檢測應用中，需要經常通過人工調節來保持探測器的“平衡”狀態，這樣大大增加了探測過程的復雜性，不利于這類探測技術的推廣應用。

光熱技術（Photo?thermal?technique）因為其高靈敏度、高分辨率、非接觸式等特點，常被用來對各類材料的光熱特性、特別是透明光學材料的微弱吸收特性進行分析和檢測。

光熱技術一般多采用激光作為光源，因此有時也稱為激光誘導光熱技術（Laser-induced?photo?thermal?technique），該技術的基本原理是：用一束較強的激光（通常稱為“泵浦光”）去照射待測材料，材料會因吸收光能量而導致局部溫度升高，激發光熱效應，引起諸如折射率變化、產生熱形變等現象；再用另一束較弱的激光（通常稱為“探測光”）經過泵浦光在材料上的照射區域，由于泵浦光而引起的光熱效應，探測光束的光束特性會發生相應的變化，通過對這種變化的檢測來實現對光熱效應的檢測，而光熱效應與材料本身的吸收特性是相關的，因此通過對光熱效應的檢測可以獲得材料的吸收特性。常見的有光熱偏轉技術，即光熱效應引起探測光傳播方向發生變化；光熱透鏡技術，即光熱效應引起探測光產生新增的會聚或發散，類似增加了一個“透鏡”。

在光熱檢測中，光熱效應所引起的探測光束特性的變化量通常都比較小，探測過程是需要從一個較強的背景信號（即探測光束）中去測量一個較弱的變化量。這個較弱的變化量往往比外界噪聲和背景信號本身的波動噪聲還低，因此對其進行準確測量是一個很大的挑戰。為解決這個問題，常采用一個交流弱信號檢測裝置來探測目標信號，即對泵浦光進行周期性調制，并以該調制信號作為交流弱信號檢測單元的參考信號。采用這種方法，大大抑制了外部的干擾噪聲。但是，該方法在應用中還存在問題，并未有效消除背景信號本身的噪聲，此外，為保證進行光熱測量時具有足夠的檢測靈敏度，往往采用穩定性很高的探測激光器，這類激光器價格昂貴，不利于光熱技術的推廣應用。

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發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠實現自動調平衡的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置及其探測方法，有效改善光熱檢測的信噪比，提高光熱檢測的靈敏度。??

本發明的技術方案為：

一種用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，包括平衡光電探測器、探測光分光裝置、探測光功率調整裝置、直流信號采集處理裝置、自動控制電路和交流弱信號檢測裝置；所述探測光分光裝置設置在探測光源的輸出光路上，用于將探測光源輸出的探測光束分為兩束，其中一束經過被測樣品后照射到平衡光電探測器的一個探頭上，另一束經過探測光功率調整裝置后照射到平衡光電探測器的另一個探頭上；所述平衡光電探測器的輸出端分別與直流信號采集處理裝置和交流弱信號檢測裝置的輸入端連接，直流信號采集處理裝置的輸出端與自動控制電路的輸入端連接，所述自動控制電路的輸出端與探測光功率調整裝置的輸入端連接。

所述的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，所述直流信號采集處理裝置包括信號采集器、濾波器、增益放大器、模數轉換器和數據處理器。

所述的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置，所述交流弱信號檢測裝置具體為鎖相放大器。

所述的用于光熱檢測的自動平衡光電探測裝置的探測方法，包括以下步驟：