利用腔内激光光谱测量技术对气体中污染物的超灵敏检测

                          技术领域

一般来说，本发明涉及对气体中污染物的检测，更具体地说，本发明涉及利用通常称为腔内激光光谱学(ILS)的激光技术对于气体分子、原子、原子团和/或离子的高灵敏度检测。

                        发明背景技术

众所周知，在制备用于微电子工业的高质量半导体材料(例如硅膜)的过程中，必须控制污染物的含量。而且人们也熟知，如果不能成功地控制污染物，由于所得到的产品通常无法用于其应有的用途，结果导致重要资源的损失。

一般来说，用于硅膜制造的原材料基本由气体，通常称之为“主体材料”(例如氮气或氩气)或“特殊材料”(例如氯化氢、溴化氢、三氯化硼)构成。设计用于制备半导体材料的制造设备能否正常工作，主要依赖于原材料气体的纯度，以及在向反应室输送气体的过程中和在材料处理过程中保持气体纯度的气体处理能力。对于这种原材料气体纯度的有效控制(即监测和防止在气体中含有高含量的污染物)是必须的。

存在于用来制备(例如化学汽相淀积或“CVD”)和处理(掺杂和浸蚀)半导体材料的主体气体和特殊气体中的许多分子、原子、原子团和各种离子组分都可以被视为“污染物”。这些污染物能够使制备的半导体材料品质下降或降低制备半导体材料的效率。

控制和/或消除这些污染物的第一步是对作为原材料的主体气体和特殊气体进行污染物检测。尽管人们认识到这一点，但是迄今为止仍然缺乏实用的方法。这主要是由于似乎永远在提高的竞争工业标准所形成的局势造成的。具体地说，由于微电子器件的尺寸在缩小而其性能指标却在增强，因此提高了对于气体纯度(即不含微污染物)的要求。

在这种背景下，很显然，以下这些测量技术指标对于检测装置的效能是十分重要的：(1)绝对检测灵敏度，通常称之为样品中气体分子总数分比(例如百万分之一或百万背景分子中污染物分子数)；(2)在有其它组分污染物存在的情况下测量一种污染物浓度的组分选择性或能力；(3)得到所需要的信噪比的测量速率；(4)监测非反应气体和反应气体中污染物含量的能力；(5)能够测量的气体浓度的线性和动态范围。

现有技术中用于污染物检测(例如水)的装置采用多种测量技术。例如，现有技术中检测水蒸气的装置采用导电率、电化学、直接吸收光谱学、和大气压离子化质量光谱学(APIMS)测量技术。但是，这些方法中的每一种都不能满足上述的这些要求。

特别是，直接吸收光谱测量通常是使光从一个外部光源通过样品，并测量由于样品中的分子、原子、原子团和/或离子的吸收所引起的光强的减少。检测灵敏度主要依赖于两个较大数值的差值(从外部光源发出的光通过样品之前的光强度和在它通过样品之后的光强度)。这限制了检测的灵敏度，使得直接吸收方法通常被认为是一种低灵敏度测量方法。

在本发明的范围内，公开了采用激光技术，特别是腔内激光光谱学(ILS)装置作为检测装置(传感器)，以非常高的灵敏度检测气体组分(污染物)。在这个应用方面，激光技术在气体组分(污染物)检测，特别是水蒸气检测方面比已知的各种方法具有明显的优点。

在采用激光技术检测气体组分(污染物)的常规应用中，激光产生的辐射用于激发激光器外的气体样品以产生次级信号(例如电离或荧光信号)。或者，可以测量激光经过一个气体样品之后的，相对于激光初始强度重整化的强度(即吸收)。

大约二十年前，首次发明了另一种检测方法，即腔内激光光谱学检测方法，这种方法采用激光器本身作为一个检测装置；例如参见G.Atkinson，A.Laufer，M.Kurylo，“利用腔内染料激光技术检测自由原子团”，59，化学物理杂志，1973年7月1日。

腔内激光光谱学(ILS)结合了常规的吸收光谱学和通常与其它激光技术诸如激光导致的荧光(LIF)和多光子电离(MPI)光谱学相关的高检测灵敏度的优点。ILS基于与在一个多模式均匀增宽激光器的光谐振腔内存在的气体组分(例如原子、分子、原子团，或离子)的吸收相关的腔内损失。这些腔内吸收损失通过多模式激光器的正常模式动态特性与在激光介质中产生的增益(即增益介质)竞争。传统上，ILS研究主要是使用染料激光器，因为它们的多模式特性满足有效模式竞争所需的条件，并且它们较宽的可调谐度提供了对于多种不同的气体组分的光谱分析途径。有些ILS实验是采用多模式、可调谐固体激光介质诸如色心和Ti：蓝宝石进行的，例如参见D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，“采用Ti：蓝宝石激光器的腔内吸收光谱测量”，光学通讯，77，(1990)，385-89。

ILS已经成功地用于在因需要高灵敏度而已预先排除了吸收光谱测量方法的实验条件下检测稳定的和不稳定的气体组分。例如，ILS已经被用于检验在诸如低温冷冻室、等离子体放电管、光解和热解反应室以及超音速膨胀气流等环境中的气体样品。ILS还用于通过分析吸收线状谱取得定量吸收信息(例如线性吸收强度和碰撞增宽系数)这些应用中的一些在G.Atkinson，“腔内激光光谱学”，SPIEConf.，Soc.Opt.Eng.1637(1992)中给予了介绍。

但是，现有技术中实施ILS的方法虽然适合用于实验室设备，但是不适用于商业销售的设备。实现商业化的障碍，如上所简述的，主要是由于要求这种检测装置大小合适、价格相对便宜，并且性能可靠。实验室所用的设备组分不能满足这些要求。

此外，在能够应用ILS检测的市售设备中，气体样品可能包含在一个非理想的环境中。特别是在工业应用中，气体样品都是包含在腐蚀性气体中的。例如，在制造半导体器件的过程中，能够在有腐蚀性气体(例如氯化氢)存在的情况下检测污染物(例如水蒸气)的有无是及其有用的。

在D.Gilmore，P.Cvijin，G.Atkinson，所写的论文“利用多模式Cr⁴⁺：YAG激光器在1.38-1.55微米光谱区域的腔内激光光谱学”光学通讯，103(1993)370-74中介绍了在实验室中关于使用ILS技术利用Cr⁴⁺：YAG激光器检测氮气中的少量水蒸气的可能性的研究工作。所使用的试验设备满足工作性能的演示，但是对于实施本发明设想的商业应用，例如检测在一种腐蚀性气体如氯化氢(HCl)中的水蒸气是不适用的。

根据本发明的各个方面，本发明以在商业上具有竞争力的成本提供了对使用者来说便利的，即比较简单的检测系统，它具有直接吸收技术的优点，但又显著地提高了检测灵敏度，能够检测反应样品或不反应样品中，特别是在腐蚀性样品中的气体组分。从这方面讲，本发明满足了长期以来对于在市售设备中以高灵敏度检测在反应样品和不反应样品中，特别是在腐蚀性气体系统中的污染物的方法和装置的需求。

                         发明概要

根据本发明提供了一种用于检测在一种气体样品中气体组分存在的气体检测系统。该检测系统包括：

(a)一个激光器共振腔；

(b)一块置于其中的掺杂离子晶体；

(c)一台位于所说激光器腔外侧的泵浦激光器，其输出光激发所说的离子掺杂晶体，从而从激光器腔产生输出激光束；和

(d)一个用于在激光器腔中盛装气体样品的容器，掺杂离子晶体产生的输出光束在从激光器腔出射之前通过所说的气体样品。

此外，提供了一种检测在包含腐蚀性气体的气体样品中气体组分存在的方法。该方法包括以下步骤：

(a)选择一个光谱区域，其中(i)气体组分具有至少一个吸收特征和(ii)腐蚀性气体基本不具有吸收特征；

(b)提供一台其中包括激光器腔和一种增益介质的激光器，增益介质所输出的光的波长分布至少一部分处于所选择的光谱区域；

(c)提供一个气体样品盒，该样品盒具有对于在所选择光谱区域中的光透明的窗口，使得光束能够透过所说的气体样品容器；

(d)将气体样品盒插入激光器中，使得从增益介质产生的输出光在从激光器腔输出之前通过所说气体样品；

(e)将盛装在气体样品盒中的包含腐蚀性气体的气体样品插入，使得从增益介质产生的输出光通过所说气体样品，所说气体样品密封在所说气体样品盒中使得腐蚀性气体不会与激光器发生接触；和

(f)将从激光器腔出射的输出光束导向到一个检测装置系统以确定在所说气体样品中气体组分的存在和/或浓度。

本发明的ILS气体检测系统可取的是包括一台用于提供启动ILS激光器所需的光学激发的泵浦激光器，一台在所检测的组分发生吸收的波长区域内工作的多模式ILS激光器，一个放置在所说ILS激光器的光学共振腔内的气体样品盒，该气体样品盒中可能含有腐蚀性气体，一个能够光谱解析所说ILS激光器的输出光谱的波长色散谱仪，一个能够测量所说ILS激光器输出的波长解析强度的检测装置，和一个能够从所说检测装置读取信号并将其转换成可以由计算机处理的电信号的电路。该ILS气体检测系统还包括一个设计用于周期地中断泵浦激光光束强度以及ILS激光器输出的斩光、脉冲，或调制装置。

根据本发明的各个方面，利用ILS技术光学检测浓度低于一个吉分比(ppb)(10⁹分之一)到低于一个太分比(ppt)(10¹²分之一)的污染物。在腐蚀性气体中，可以检测浓度低于一个百万分比(ppm)到低于一个ppb的污染物。为了检测氯化氢中的水蒸气，最好使用一个带有掺杂离子晶体介质和在1300nm到1500nm光谱区域工作的固体激光器作为检测装置。包含气体污染物组分(例如水蒸气)和腐蚀性气体(例如氯化氢)的气体样品被放入激光器的光学共振腔中(在反射表面或镜面之间)活性介质的一侧上。这里所介绍的激光介质包括Cr⁴⁺：YAG和Cr⁴⁺：LuAG，但是其它增益介质如其它具有多个纵向和横向共振腔模式的掺杂离子晶体也可以采用。同样也可以应用别的激光器系统。例如，一个带有掺杂离子晶体的、由二极管激光器泵浦的固体激光器可以用于光学系统中进行ILS检测。

                          附图简介

下面结合附图介绍本发明的优选实施例，其中相同的标号表示相同的元件。应当理解，除非专门指出，本说明书中的附图并不是按照实际比例绘制的。

图1A和图1B为本发明的污染物检测系统的示意性方框图；图1A表示基本结构，图1B表示在图2所示的实施例中采用的结构；

图2为本发明的污染物检测系统的实施例的更详细的示意性透视图；

图3A-3C示意性表示简化的激光器以及从这些装置中得到的光谱输出图(强度对波长)；

图4为ILS检测腔的示意性透视图，其中包括在图2中所示的检测腔元件，某些元件是以局部剖面图形式表示的；

图5为一个实例的ILS激光器晶体支撑架和用于与图2所示的污染物检测系统相连的热穴的透视图；

图6为一个光束成形组件的实施例的放大透视图，所说组件包括一个可以方便地用于与图2所示的污染物检测系统相连的斩光元件；

图7为在氮气和氯化氢气体中在1420-1434nm波长范围内水的吸收光谱图的一个实例；

图8为在氮气和氯化氢气体中在1420-1434nm波长范围内水的ILS吸收光谱图；

图9为利用渗透管/体积膨胀技术测得的水吸收强度对水浓度的关系图；

图10为采用一个在线净化器测得的在1420-1430nm范围内的水吸收强度对水浓度的关系图。

                      优选实施例的描述

现在详细介绍本发明的最佳实施例，这些实施例表现了发明人实施本发明的最好方式。其它可以应用的实施例也予以简单介绍。

如前文简述的，本发明的主题特别适合与半导体器件的制造相结合，因此，本发明的优选实施例将在这方面予以介绍。但是，应当认识到，这些描述并不是对本发明的用途或应用的限制，而仅仅是充分地描述一个优选的实施例。

从这方面讲，本发明特别适用于检测污染物。这里使用的污染物一词指得是可能存在于气体材料，如用于制造硅膜的气体材料中，即输入管线中的分子、原子、原子团和离子组分。或者，污染物一词也指气体材料本身，例如当本发明的检测装置用于确定一条管线(例如氯化氢管线)的气体材料是否已被净化。

根据本发明的一个优选实施例并参照图1A，气体(污染物)检测系统10相应地包括一个泵浦激光系统A，一个ILS激光器和相应的检测腔B，一个光谱仪C，和一个检测装置以及相应的电路(例如计算机、数字电路等)D。更具体地说，参照图1B和图2，泵浦激光系统A相应地包括一台泵浦激光器100，一套光束成形光路组件200和一套光束调制组件300；激光器和检测腔B相应地包括一套腔组件400和一台ILS激光器500；光谱仪C相应地包括一套光谱仪组件600；以及，检测装置D相应地包括一套检测装置组件700和一个计算机系统800。正如本文将要详细描述的，气体检测系统10宜于检测可能包含在气体样品中的气体组分(污染物)。一般来说，泵浦激光器驱动系统A比较可取地将ILS激光器500泵浦到或接近阈值以使激光束通过气体样品并由此能够测得气体样品的光谱。这个光谱是采用检测装置/计算机系统D测得的，在控制下，这个系统能够以高灵敏度可靠而准确地确定可能包含在气体样品中的气体组分(污染物)的存在和浓度。

参照图3A-3C，为了更清楚完整地解释本发明的优选实施例的科学原理，示意性表示了腔内激光光谱测量(ILS)的基本原理。如我们所知，按照最简单的形式，激光器可以描述成包含一个在其中产生光学增益的增益介质，和一个其中包括光学元件如镜面的谐振腔。在增益介质和构成激光器腔(例如谐振腔)的光学元件中都可能发生光的损失。特别参照图3A，一台激光器按照其最简单的形式可以示意性地表示为包括一个增益介质1A，在其周围分别设置了镜面2A和3A以构成一个激光器腔5。镜面2A和3A通常经过涂覆使其表面在宽光谱范围内具有高反射率。例如，镜面2A上的镜面涂层可以是全反射的，而镜面3A上的镜面涂层可以是部分反射的，从而允许从激光器腔5中逸出一部分光。在镜面2A和3A的反射表面之间放置增益介质1A的空间区域构成了激光器谐振腔或内腔，在本发明中称其为所谓的“内腔区域”。

激光器输出的光强度(I)可以由增益介质1A工作的波长区域(λ)和谐振腔元件(例如镜面2A和3A)的反射率确定。通常这个输出是宽带，没有尖锐、清晰的光谱峰值，如图3A中光谱图3A中光强度I与波长λ对应的曲线图所示。

通过选择不同的光学元件构成激光器腔5，可以改变或“调谐”激光器的光谱输出。例如，参照附图3B，经过调谐的谐振腔可以用一个衍射光栅2B取代图3A中所示的全反射镜2A。所以如图所示，激光器包括衍射光栅2B，镜面3B，和设置在其间的增益介质1B。通常，从这种调谐激光器得到的光谱输出是窄带的，并且表现为其波长处于由增益介质1A和镜面2A和3A(图10A)构成的激光器的原始输出的范围内。例如，在光谱图3B中示意性表示的光强度(I)对波长(λ)的关系图就展示了这样一个变窄的输出光谱。

通过在光谐振腔(例如内腔)中放入处于基态或激发态的气体分子、原子、原子团、和/或离子也能够改变激光器的输出。参见图3C，这样构成的激光器可以包括一个全反射镜2C，一个部分反射镜3C，以及一个增益介质1C和放置在其间的一个内腔光吸收器4。在这种情况下，内腔光吸收器4可以由某种气体组分构成(例如包含污染物的样品)。内腔气体组分对于激光器输出的影响可以观察到。例如在光谱图3C中表示了这样一种装置的光强度对应于波长的曲线图。光谱图3C表示盛装在内腔光吸收器中的气体组分的吸收光谱。光谱图3所示清晰的吸收特征谱线来源于激光器增益必须与之竞争的内腔中气体组分造成的光损失。

因此，内腔组分的吸收光谱会出现在激光器的光谱输出中。特别是，在较强的内腔吸收特征谱线有效地与谐振腔的增益特性竞争的波长处，激光器输出的光强度减弱得更多。结果，如图所示，可以观察光谱图3C所示的具有一定结构的激光器输出，而不是如光谱图3A所示的相对平滑连续的输出。如图3C所示，光强度(I)的降低是由于腔内气体组分的吸收造成的，即吸收特征越强，激光输出强度的降低越多。根据本发明，通过采用一个腔内光吸收器的腔内激光测量装置测得的吸收光谱可以用于对某些气体组分的高灵敏度检测。已经发现通过各种气体组分各自的吸收光谱(特征)可以唯一地识别各种气体组分，因此可以可靠地用于识别某些气体组分(污染物)。

本发明人已经发现通过采用ILS技术在当激光器系统趋近阈值时自然出现的增益与损失之间的竞争开始之前或在此过程中在激光器谐振腔中放入吸收组分(气体成分)提高了检测灵敏度。考虑到与腔内吸收器相关的光损失变成激光器中增益与损失之间竞争的一部分的事实，即使是由于弱的吸收跃迁和/或特别小的吸收物浓度造成的微弱的吸收在增益/损失竞争过程中也会显著地放大。结果，这种竞争会清楚地反映在ILS信号的输出中(参见光谱图3C)。因此，利用这个原理，可以使用ILS技术检测弱吸收和/或极低的吸收物浓度。

ILS检测方法与其它采用激光器的光谱检测方法明显不同。如上所述，用于光谱分析的激光器的输出通常在气体组分中激发，然后监测发生的次级现象。或者，使激光器的输出通过一种气体组分，利用对于激光器输出中选定波长的吸收特征识别气体。在任何一种情况下，激光器的工作都是与被测量的气体组分分开并且不受其影响的。

但是，利用ILS检测，激光器的工作直接受到气体组分的影响。按照这种方式，ILS激光器500本身即充当了一个检测装置。特别是，ILS激光器500从激光器腔5出射的输出中包含了与气体组分有关的光谱信息。这种工作模式是ILS检测和ILS激光器所特有的。

因此，ILS激光器500与常规的激光器明显不同并且具有区别于常规激光器的工作特性。例如，那些产生光损失的吸收组分是有意地放入ILS激光器500的激光器腔5中的。这些吸收组分对ILS激光器500的工作产生影响并改变它的输出。

而且，与应用于常规用途中的激光器不同，ILS激光器500在阈值以上但是接近阈值工作(例如在阈值功率的10％范围内)。但是接近阈值工作常常使得ILS激光器500的输出不稳定。因此，可能需要用于稳定ILS激光器500输出的辅助技术。

相比之下，常规的激光器通常工作在阈值之上以使输出值达到最大。但是，使输出值最大并不是ILS激光器500的目的。故而，在ILS检测中可以使用那些不能有效地和/或不能产生高输出功率的激光介质，尽管这些激光介质对于大部分其它激光器来说不是可取的。ILS激光器500的目的不是产生激光，而是监测在激光器腔5中发生的光损失。如上所述，激光器腔内部的模式竞争使得能够以增强的灵敏度检测到在ILS激光器中发生的这类光损失。

由于ILS检测相对于常规的光谱分析技术具有增强的灵敏度，来自具有微弱吸收和/或极小吸收物浓度的背景气体的干扰将变得十分明显，即使这种干扰对于其它常规光谱分析技术来说是可以忽略的。

运用ILS技术进行气体检测可以使用多种激光器系统实现。(如本文所使用的含义，激光器系统包括ILS激光器500和泵浦激光器100两者)这些激光器系统每个都具有一些对于极高检测灵敏度需要的共同特性。现有技术已经发现三个这样的特性。首先，这些激光系统在发出激光的能量阈值附近表现出多模式工作特性。其二，这些激光系统具有的波宽相对于被监测的气体组分或污染物(即分子、原子、原子团、和/或离子)的吸收特征谱线足够宽。第三，这些激光系统能够保持稳定的强度和波长。

应当理解存在许多具有不同物理和光学特性的ILS激光系统满足上述的实现极高检测灵敏度的标准。这些激光系统的不同的物理和光学特性相对于进行ILS测量的实验条件(例如数据采集时间)还各有长处。此外，这些不同的物理和光学特性可能影响到下列因素中的一个或多个：(1)能够被检测的气体组分或污染物(即分子、原子、原子团、和/或离子)；(2)能够被测量的各种气体组分的各自的浓度；和(3)能够实施检测的样品的实际类型。后者的实例包括样品的总压力、样品大小、和盛装样品的环境。

在这些基本原理的基础上，在本发明中，本发明人发明了一种具有商业价值的污染物检测系统10，这种系统对于可能包含腐蚀性气体(即能够与ILS激光器500的构成元件发生反应的气体)的气体样品中的污染物具有提高的检测性能。

现在参照附图1A和图2，并根据本发明的一个优选实施例，一种气体检测系统10可取地包括激光器驱动装置100和其中包括ILS激光器500的一个ILS检测腔组件400。光谱仪组件600和检测装置/计算机系统700、800可取地与ILS500的输出光学耦合，由此对吸收光谱进行相应地控制，使得能够对气体组分(污染物)的存在和/浓度进行高灵敏度检测。

ILS激光器工作在适合于检测包含在气体样品中的污染物(例如水蒸气)的波长范围或光谱区域中。在这个光谱区域中可以得到显著的吸收光谱。由于对于气相光谱分析的研究已经十分深入，所以有大量的文献可以教导如何能够唯一地识别各种气体组分。

应当理解，通过选择适合的测量吸收的光谱窗口可以利用ILS检测方法在有腐蚀性气体(例如氯化氢)存在的情况下监测某一种气体组分(例如水蒸气)。特别是，必须确定一个光谱区域，在其中(i)污染物或气体组分具有至少一个吸收特征谱线和(ii)腐蚀性气体基本不具有产生干扰的吸收特征谱线。这里所说的产生干扰的吸收特征谱线指得是与用于识别气体组分的吸收特征谱线相重叠，从而影响了在气体组分与腐蚀性气体之间的检测选择性。在气体组分的吸收区域存在许多这样的光谱窗口(在这些窗口中腐蚀性气体没有吸收或只有微弱的吸收)。由于在这些光谱窗口中腐蚀性气体的吸收是及其微弱的(如果可测量的话)，工作在这些波长下的ILS检测装置100可以没有干扰地检测气体组分。找到一个存在这样的光谱窗口的波长区域(为了避免产生干扰的光谱信号)可能需要很多的努力。特别是，用于测量气体中光吸收的ILS检测法的检测灵敏度的提高意味着即使是来自只有很微弱的吸收和/或及极小的吸收物浓度的背景气体的干扰也可能是明显的；即使这种干扰对于常规光谱分析技术是可以忽略的。此外，ILS激光器500在存在特殊光谱特征的一个具体的光谱区域中的操作也需要作出相当的努力。

尽管如此，仍然可以预期唯一地识别一种具体的气体组分的光谱。因此，能够实现对所检测的气体组分的甄别。但是这些光谱窗口的存在可能只在高光谱分辨率下才是明显的。因而需要足够的光谱分辨率以区分彼此接近的吸收特征谱线。

此外还应当理解，一个具体的光谱窗口的波长位置和宽度主要依赖于具体的气体组分和具体的腐蚀性气体。例如，为了检测氯化氢中的水蒸气，可以从大约1420至1434nm之间的波长区域中选择一个光谱区域。或者，可以从大约1433至1440nm之间的波长区域中选择一个光谱区域。

因此，ILS激光器500的输出光的波长分布必须有一部分处于所选择的光谱区域内。

为了驱动ILS激光器500，气体检测系统10需要一个输出具有足够能量和处于适合的波长范围内的辐射的泵浦源，从而在其阈值或略大于其阈值点光学激发ILS激光器。在这点上，ILS激光器工作结果使得激光介质中的增益超过总的光损失，是十分重要的，这里所说的光损失包括与增益介质、镜面、和非镜面腔内光学元件有关的光损失，以及在光学谐振腔中的所有气体组分的吸收产生的光损失。此外，可取的是激光器500以多个纵向模式工作，即具有宽的波长范围。通常，产生激光反应所需的带宽在大约2nm与大约15nm之间。虽然ILS激光器也可以在一个以上的横向谐振模式下工作，但这并不需要。根据本发明的一个优选实施例，所说的激光器驱动装置包括一个光泵浦激光器100。可取的是，泵浦激光器100的光学参数(例如平均功率密度、峰值功率密度、发散直径和光束直径)与ILS激光器500的光学特性要求很好地匹配。正如可以理解的，要做到这一点，需要确定在一定体积内和在距该泵浦激光器100给定距离内经过特定的时间能够产生多少光子。一般来说，根据本发明，是根据已知的理论和量子方程确定这些参数的，从而可以适当地选择泵浦激光器100以使其与ILS激光器500的光学特性很好地匹配。

虽然在本发明中可以利用其它驱动装置，但是可取的是应当在泵浦激光器的工作波长及其光学参数的基础上选择一个泵浦激光器100，使得它能够用于独立地激发ILS激光器500。如在下文中将要详细描述的，在泵浦激光器100不能有效地独立驱动(例如泵浦)ILS激光器500的情况下，可以使用光束调整光学系统，例如光束成形组件200。但是激光器100发射的辐射与包含在ILS激光器500中的ILS增益介质的泵浦要求(例如模体积)较好地匹配的情况下，则未必需要这类光束调整光学系统。

根据本发明的一个实施例，泵浦激光器100包括一个工作波长为λ_p的激光器，(在这种情况下这是一台固体晶体激光器，即一台Nd：YAG激光器，工作波长约为1064nm，输出功率大于2.8瓦特，具有TEM₀₀横向模式结构)。可取的是从泵浦激光器100传播的光束E具有一线性偏振分量，并垂直于传播平面旋转。最好是泵浦激光器100的输出光束(光束E)的发散在小于0.5毫拉德(mrad)的量级，而且光束直径在小于5毫米的量级。特别优选的泵浦激光器100为Spectra Physics ofMountain View，CA公司制造的T20-1054C型激光器。如下文中将要完整地描述的，采用这种泵浦激光器100通常需要使用光束成形光学系统组件200。

应当理解，驱动装置100可以包括任何适合的光学泵浦源，相干的或非相干的、连续的或脉冲的，只要适于激发ILS激光器500即可。因此，即使根据前面所述的优选实施例，泵浦源100也是以常规方式工作，并且发射在所需频带上和具有所需带宽的辐射。例如，泵浦激光器100可以包括一个二极管激光器。但是使用二极管激光器作为泵浦激光器100，通常需要使用光束成形光学系统组件200。

继续参照附图2，在最简单的情况下，ILS激光器500包括一个由各个镜面501、503、505之间的整个光路长度限定的光谐振腔。

但是，在使用系统10检测包含在不与激光器本身的元件(例如，增益介质或晶体、镜面、机械安装件，以及类似部件)发生化学反应的样品中的气体(污染物)的情况下，谐振腔可以由镜面501、503和505之间的区域限定。在这样一种情况下，气体样品区域(即气体样品放置的区域)包括镜面501、503和505之间的区域(除了激光器晶体507)。

然而，对于包含腐蚀性气体，即能够与激光器的一种或多种部件发生化学反应的气体的气体样品，需要将气体样品区域与这些部件(例如，增益介质、镜面等)分隔开。根据本发明的一个优选实施例，可以采用一个分隔样品系统400A将样品与激光器部件隔离开。

参照图2和图4，根据本发明的优选实施例，样品系统400A可取地包括一个气体样品盒406，该容器适当地保持在一个气体样品盒支撑架407上。在气体样品盒406的顶端分别装有容器窗口404和405，以提供光进入容器中样品的通道。窗口404和405还适合于密封盒体406。如在下面将要详细讨论的，适宜安装系统400A的区域是经过象散补偿的。经过象散补偿，窗口404和405不构成“活性”光学元件，即只具有传输功能而不会显著地改变或扰动ILS激光束的输出。一根导入管408和一根导出管409与气体盒406动态联接。

参照图4，采用连通器408和409是为了确保提供气体样品进出气体(污染物)样品盒系统400A的有效通道。因此，本发明的气体检测系统10能够连续监测处于包括高压在内的变化压力下的流动气体。特别是，使用气体样品盒能够使ILS激光器500在测量具有与大气压力或与ILS激光器产生激光所需压力不同(即较高或较低)的压力的气体时能够正常工作。没有这样一个气体样品盒体406，在检测具有与调整ILS激光器500所需压力不同的压力的气体样品时难以实现激光的产生。因此，采用气体样品盒406使得ILS激光器500在检测具有超过大气压或压力大于ILS激光器500产生激光所需压力的气体样品时能够稳定工作。或者，气体样品也可以具有小于大气压或压力小于ILS激光器产生激光所需压力(例如当在气体样品容器中存在真空时)。此外，气体样品容器406使得ILS激光器500在检测具有波动压力的气体样品时能够稳定工作。

可取的是，盒体406由一个大小为10到90毫米的不锈钢体构成。根据本发明的一个特别优选的实施例，样品系统400A具有一个直径为大约八分之一英寸量级的开口(即在容器406上的开口)。较可取的是，盒体406上的开口对称地位于气体样品容器406的中央位置。可取的是，将盒体406上开口的直径选择为大于输入光束的直径，以便容易实现对于气体样品系统400A的光学准直调整。

窗口404和405的厚度最好经过选择，以避免可能对利用气体检测系统10得到的ILS吸收光谱的质量产生干扰的干涉效应的发生。根据这一点，用于构成窗口404和405的材料最好选择那些在ILS激光器工作的波长区域，例如1350到1550纳米(nm)范围内吸收损失最小的材料。例如窗口404和405可以用光学材料，如可从Research ElectroOptics of Boulder，CO公司购得的Infrasil^TM制成，这是一种高度抛光的材料。窗口404和405可取的是按照布鲁斯特角取向，从而可以进一步减少在窗口表面上的反射损失。

采用这种结构，气体样品盒406就可以允许光束H通过要进行分析的气体样品。适当选择连通器408和409以及配管，以提供便利的调整条件，如在不明显改变阈值泵浦条件的情况下，在ILS激光器500中重新改变和/或准直窗口404、405在光路中的位置。在使用系统400A的情况下，谐振腔可取的是由镜面501、503和505(包括激光器晶体507和窗口404、405之间的区域以及构成样品系统400A的窗口404和405本身)之间的物理长度所限定。但是，在样品不与激光器部件发生化学反应的情况下，样品容器名义上可以分别由镜面501、503和505之间的区域限定，(除了激光晶体507)。

可以理解，完全地除去或消除检测腔400中任何被检测气体(污染物)是十分必要的，因为这样做可以使利用气体检测系统10对包含在系统400A中的气体样品内的那些气体(污染物)的数量和存在进行检测得到的样品的吸收光谱是准确的。根据本发明的一个优选实施例，检测腔400是一个密封容器，既可以从中滤净待检测的气体(污染物)，也可以抽真空排除待检测的气体(污染物)，或者将其中气体(污染物)的含量降低到样品系统400A中待检测气体的含量以下。如下进一步详述的，通过例如抽气，可以实现连续地除去污染物。

参照图2和图4，根据本发明的一个优选实施例，ILS检测腔400(除了样品系统400A)可取地包括一个容器底座401和可拆卸的顶盖410。窗口402、403分别以适当方式位于腔体401的壁上相对于其间限定的光谐振腔适当的位置。容器底座401和顶盖410可取的是由不锈钢或铝制成。顶盖410采用任何适宜采用抽真空、滤清和/或进一步排除其中的污染物处理的常规技术固定在腔体401上。例如，垫圈410A或其它适合的结合密封器件的方法(例如机械辅助部件、金属焊封、粘胶，以及没有表示出的类似物)都可以用于此目的。可取的是，在检测装置传送到使用者之前，底座401和顶盖410就以相对防干扰的形式有效地加以密封。

为了滤清或抽真空检测腔400，设置了一根用于真空泵浦和/或滤清用的导入管411以及用于真空泵浦和/或滤清的导出管412。

在容器的壁401上设置有窗口402、403，从而提供了进出ILS检测腔的光通道。可取的是，窗口402上带有大约1000到1100nm，最好为1064nm量级的防反射(AR)涂层。另一方面，可取的是窗403为一个不带防反射涂层的光学窗口。窗口402经过专门设计对于波长λ_p，在此为1064nm的光具有最大的透射率。同样，窗403经过专门设计，对于在ILS激光器500的工作波长范围的光(例如1350nm到大约1550nm)具有最大的透射率。

更具体地说，减少在检测腔400(除了样品系统400A)中的气体到可接受的水平的方法可以包括对带有顶盖410的可密封的容器401进行滤清或抽真空，使得其中气体(污染物)的含量低于样品系统内的气体样品中的待检测气体(污染物)的含量。可以理解，当检测腔中气体浓度(1)与气体样品盒中气体浓度(2)的比值等于谐振腔的长度(1)(即镜面501与镜面505之间的长度)与在气体容器中穿过的ILS激光束的长度(2)的比值时，由检测腔400中气体产生的光损失与气体样品容器中的气体样品产生的光损失将是可比较的。

在污染物含水蒸气的情况下，需要将检测腔中水蒸气的含量减少到低于样品中包含的水蒸气的含量。根据本发明，可以得到小于10ppt(在腐蚀性气体中1ppb)的检测水平。虽然在本发明中可以采用任何已知的或在今后提出的从检测腔400(不包括样品系统400A)中去除污染物(例如水)的方法，但是可取的是，将检测腔400适当密封，并充入惰性气体，如氮气。在某些情况下，可能需要进一步将检测腔400抽真空，从而形成将其中包含的所有污染物都排除的真空环境。此外，在抽真空的同时加热检测腔400也是有用的。如果在连续抽真空的过程中首先加热或“烘烤”检测腔400，然后将其冷却能够达到更高的真空度。根据本发明的另一个方面，在检测腔400中还可以使用一种吸收体(未示出)以进一步清除检测腔中的水蒸气。对于本领域技术人员来说应当理解，可以使用能够连续吸收水分的一种吸收体(例如一种分子海绵)以便将检测腔中水(污染物)的含量降低到在气体样品盒406中待检测的水浓度以下(例如小于10ppt)。

可取的是通过将一条气体管线与连通器408、409相连并将气体输入样品系统400A可以使气体样品输送到系统400A中。

如上所简述的，ILS检测装置500适合于以光学方法检测包含在放置于检测腔400中的气体样品中的气体组分(污染物、例如水蒸气)。根据本发明，ILS激光器500包括装载在一个晶体支撑架508上的一块晶体(增益介质)507。晶体507适宜地装载在晶体支撑架508上以使晶体507也相对于入射光束放置在最佳位置。如前所述，利用泵浦激光器100或采用光束成形组件200可以将入射光束适当成形，使得入射光束F与ILS增益介质(例如晶体507)的模体积较好地匹配。

通常，ILS激光器500具有适合的结构，使得腔内区域中的激光光束在通过，例如包含在系统400A中的气体样品的区域中基本平行(即经过象散补偿的)。虽然为此目的可以采用各种光学结构，但是已经发现这些镜面结构是特别适用的。这种结构使得可以对ILS激光光束进行准确的象散补偿，进而可以同时满足在产生激光阈值下泵浦ILS激光器500和产生在通过如包含在系统400A中的气体样品时基本平行的激光光束所需的光学条件。

根据本发明的这个方面，为了实现这个目的采用了相应镜面501、505和一个折叠式反射镜503。镜面501可取的是由具有防反射涂层、最佳中心波长约为λ_p，例如在大约1000和1100nm之间，最好为1064nm的一个光学镜面构成。镜面501也可以具有在ILS激光器500工作的所需光谱区域(例如大约1350到1550nm)有效地产生约99.8％到100％反射率的涂层。可取的是镜面501由一个凹面镜构成。例如，镜面501可以具有大约10厘米的曲率半径(ROC)和大约1.0到1.3厘米的直径。可取的是镜面503由一个具有与镜面501相似结构和相似反射涂层的折叠式反射镜构成。根据本发明的一个优选方面，镜面503具有适于在所需光谱区域(例如大约1350到1550nm)实现大约99.8％到100％反射率的涂层。

可取的是镜面505由一个平面镜(ROC≈∞)构成。参照图2，镜面505的一侧，即朝向镜面503的一侧具有在ILS激光器500产生激光所需的光谱范围，例如在1350至1550nm范围内的反射涂层。镜面505的另一侧505B最好没有涂层。

可取的是，镜面505的表面加工成彼此之间成大约0.5到3.0度，最好为约1.0度角的若干尖劈形状。本发明人已经发现以这种方式将表面制成尖劈形可以使导致干涉效应的不希望的反射达到最小。

安装件502、503和506能够进行机械调整以准直检测腔400中的ILS内腔的光路。例如，本发明人已经发现，在镜面501和505相对于入射光束准直成0°，同时镜面503相对于入射光束准直成大约12.5°角时，ILS激光器500的效率达到最佳。

通过对镜面501、503和505合适的设计、布置和构造，光束H在镜面503和505之间的区域中是基本平行的(即平行光)。因此，可以将样品系统400A插入腔内区域而不会对ILS激光器500的工作性能产生明显有害的影响。但是，应当理解，ILS激光器500中任何反射表面(例如镜面和窗口)之间的距离必须使得在ILS激光器内不会产生任何干涉效应。如果反射表面之间的距离等于可与ILS激光器晶体507工作波长比较的波长的整数倍就会产生干涉图形。

如上所述，ILS激光器晶体507最好工作在适于检测包含在气体样品中的污染物(例如水蒸气)的一个波长范围内，在这个波长范围内可以得到清晰的吸收光谱。如前面提到的，激光器晶体507通常表现出多模式激光系统的特性。可以理解，激光器晶体507的输出的模间隔需要足够小以准确地体现气体样品的吸收特征谱线。激光器晶体507产生的光通常具有大约450兆赫兹(MHz)到大约550兆赫兹，可取的是大约500兆赫兹的模间隔，从而保证了吸收带光谱的准确重复。虽然在本发明中可以采用任何晶体，但是对于本发明(例如检测氯化氢中的水蒸气)，Cr⁴⁺：YAG或Cr⁴⁺：镥(Lu)AG激光晶体是最佳的。此外，可以使用其它Cr⁴⁺离子的基质晶体，也可以将其它离子掺杂到这些基质晶体中以代替Cr⁴⁺。本发明人已经发现在柘榴石主晶(例如YAG或LuAG)中的Cr⁴⁺系统的低增益率可以使采用大约10至30毫米长、5毫米直径的晶体的激光器很好地工作。可取的是，在这种柘榴石主晶中掺杂浓度在大约0.10％到0.30％的范围内。一种特别优选的激光器增益介质507由一块以布鲁斯特角切割的Cr⁴⁺：YAG或Cr⁴⁺：LuAG晶体构成以使反射损失最小。更具体地说，已经发现长度为23到27毫米、掺杂浓度为0.15％、并且以布鲁斯特角切割的Cr⁴⁺：YAG晶体对于本发明的气体检测系统是特别适合的。

目前可用的激光晶体虽然发光效率提高了，但是由它们引起的光损失也很大。这些光损失转变成热。根据本发明，晶体507最好是以能够有效地消散在工作中产生的热量的方式安装。但是，应当理解，随着新的晶体的开发，激光晶体507的发光效率不断提高，对于散热装置的需求将会减少，或者从某种意义上讲，光损失将会足够小以使得对散热的要求无需存在。但是，采用目前可以使用的晶体507，ILS激光器系统500最好还是包括一个散热系统500A。

继续参照图2，并同时参照图5，散热系统500A与支撑架508和晶体507(在图5中未示出)相连接。如在图5中清楚表示的，支撑架508可取的是由适当放置的一个两部分支撑架构成以便在机械上支撑激光晶体507。散热系统500A可取的是包括一个铜散热台座510、一个热电冷却器509、和一个热电传感器511。此外，在检测腔400的壳体401上(见图4)设置了一个电温度接口512。带有台座510、冷却器509、和传感器511的支撑架508用于使晶体507相对于ILS激光器500的其它光学元件光学准直，还能够控制晶体的热特性。

根据本发明的优选方面，散热系统500A与晶体507直接产生物理接触。由于光束F的光激发引起的、晶体507正常工作所产生的热量通过光束F的光激发被有效地从晶体507导出，从而保持相对恒定的晶体工作温度。可取的是，支撑架508由铜/铝制成，与冷却器509和散热台座510直接相连。可取的是散热底座510包括一个位于检测腔400的壳体401中的铜散热件，以便将产生的过热从晶体507中散掉。传感器511测量支撑架508、冷却器509、底座510和晶体507的温度以保持最佳的工作温度。根据本发明的这一方面，实现了对晶体507的热控制，从而不再需要对气体检测系统10的工作造成不必要的影响和使之复杂化的冷却液体。

ILS激光系统500经过适当设置，使得激发晶体507的光束和从镜面503反射的光束之间的夹角为20°至30°，更可取的是23°到27°，最好为25°。这束光(光束H)是导向样品系统400A的。

从ILS激光器500输出的光束G在通过样品系统400A之后被导向光谱仪组件600。如图2所示，通过使用恰当安装在镜面支撑架602中的一个折叠式反射镜601，可以实现这种光束导向。可取的是镜面601由一个其上带有对于ILS激光器500工作的光谱区域(例如1350到1550nm)具有全反射性的涂层的平面镜构成。

可以理解，ILS激光器500输出的光也可以通过一根光纤传输到远处以进行光谱分析。特别是，可以将光束G耦合到一根光纤或一束光纤中。从而在ILS激光器的输出光通过气体组分之后，被传输到位于远处的光谱分析组件600中。在适当的条件下，已经证明这种光纤传输不会使光谱数据发生改变。

继续参照图2，光谱仪组件600包括用于解析相干光束光谱，具体地说，就是分析所检测的样品中的污染物的吸收光谱的色散光栅。可取的是，光谱仪组件600的光谱色散本领足够大以清楚地解析这些污染物的吸收特征谱线，从而能够识别每种污染物的“特征”和定量测定污染物的浓度。尽管根据本发明，任何已知的或在今后提出的光谱仪都可以被使用，但是可取的是，光谱仪600包括两个衍射光栅组件600A和600B，与一个光束扩展组件600C和一个聚焦透镜组件600D连接在一起工作。可取的是光谱扩展组件600C包括借助于支撑件604和606恰当安装在气体检测系统10中的透镜603和605。可取的是透镜603为一个负透镜，透镜605为一个准直透镜；每个透镜上涂有中心波长在被检测的样品中污染物的吸收光谱内，例如在大约1000nm至1500nm之间，最好为1400nm的防反射涂层。

衍射光栅组件600A和600B分别包括安装在各个衍射光栅支撑件608和610上的衍射光栅607和609。可以理解，支撑件608和610使得衍射光栅607、609可以在光谱仪组件600中进行调整

可取的是聚焦透镜组件600D包括一个透镜611，其上涂有中心波长在ILS激光器500工作波长，例如在大约1000nm至1500nm之间，最好为1400nm的的防反射涂层。透镜611将光谱仪600的输出光聚焦到多通道阵列检测器701上。

ILS激光器500工作的光谱区域是由光谱组件600形成的，并且在空间上分布于多通道阵列检测器701在一个安装支架702上安装的平面。一个包含驱动该多通道检测器701和从中读取信息所需的控制和定时电路的电路板703与之相连接。因此，利用气体检测系统10能够得到需要识别的特定污染物的完全光谱色散的吸收光谱。污染物的特定吸收特征谱线的位置和相对强度可以用于唯一地识别检测气体(污染物)以及定量地检测所检测的气体(污染物)的含量。

检测器701可以由，例如一个具有间隔为100微米的256象素的InGaAs多通道阵列检测器构成。可取的是由多通道检测器701检测的光信号在各个检测器元件(象素)中被转换成电信号，其后这些信号由电路板703传输到一个模数转换器(A/D)801中。转换器801通过一个BNC接插件和屏蔽电缆704与电路板相连，从而确保准确地传输信息。数据经过如此转换后，被输入一台计算机802，计算机通过一定程序将电信号转换成光谱信息，即识别一种具体的气体(污染物)和气体(污染物)浓度的光谱特征。

或者，可以将已经通过被监测的气体组分的ILS激光器的输出光导入具有至少一个色散光学元件(例如衍射光栅607和609)的光谱仪组件600中，这些光学元件可以按照波长进行扫描。然后可以将光谱仪组件600的输出导向一个单通道检测器。在通过光谱仪组件600的光线通过设置在该单通道检测器前面的一个适合的孔径(例如一条狭缝)时，通过扫描色散光学元件可以得到激光器腔5内的气体组分的光谱特征。通过光谱仪组件600的光，即光谱仪组件600的输出光的强度在扫描色散光学元件时被记录下来。

现在参见图2，如前所述，当泵浦激光器100使得ILS激光器在其阈值处或在该阈值附近工作时，气体检测系统10检测ILS激光器工作的光谱解析区域。在驱动装置100的光学特征与ILS激光器500的光学特征比较匹配的情况下，不需要另外调整驱动装置的输出。但是，在驱动装置100产生的、传输到增益介质(即晶体507)的泵浦辐射的体积与必须在ILS激光器500的增益介质中光学激发的体积不一致的情况下，可以使用光束调整系统200以便于进行体积匹配。在最简单的形式下，可取的是，光束调整系统200包括一个光学望远镜，它通过将所需的光子强度聚焦到ILS激光器的增益介质的正确位置和体积中而使传输到ILS激光器的辐射达到最佳。具体地说，光束调整系统200用于改变驱动装置100的泵浦辐射以满足ILS激光器500的要求。

根据本发明，光束调整系统200可以包括一个光束扩展望远镜。具体地说，在泵浦激光器100由优选的光谱物理二极管泵浦固体晶体激光器构成和ILS晶体507由Cr⁴⁺：YAG或Cr⁴⁺：LuAG晶体构成的情况下，可能需要对泵浦激光器的输出进行光束扩展。

如图6所示，光束调整系统200可以包括一组透镜和调节孔。特别是，设置了一个框架201，其上包括若干分别设置有可变孔径装置202和205的直立壁。虽然可以采用任何适合改变激光器100的输出光(即光束E)进出系统200的开口孔径的器件，但是可取的是，器件202和205由常规的孔径调整器件构成。系统200最好还包括一个聚焦透镜203和一个准直透镜204。可取的是，透镜203包括一个聚焦透镜，透镜204包括一个准直透镜，两者之上都涂有中心波长λ_p在大约1000到1100nm之间，最好在1064nm的防反射涂层。如图6所示，透镜203和205恰当地固定在框架210上以将它们分别对准光束E。

继续参照附图2，在某些应用中，可能需要将入射光束适当地聚焦到ILS激光器500的激光增益介质(例如掺杂离子的晶体或玻璃)507中。根据本发明的优选方面，可以在激光器透镜支架207中方便地安装一个聚焦透镜206，使得聚焦透镜位于光束F的光路中适当的位置。根据本发明的特别优选的方面，可取的是，聚焦透镜206包括一个光学聚焦透镜，其上涂有中心波长λ_p在大约1000到1100nm之间，最好在1064nm的防反射涂层。可取的是，聚焦透镜206可以是平凸结构或凸凸结构。

本领域技术人员可以理解，利用气体检测系统10测得的定量信息的质量至少部分依赖于ILS激光器500的稳定操作。在本发明中，激光器500的稳定性主要依赖于如何可重复地使ILS激光器500达到阈值。可取的是，泵浦激光器100在阈值附近泵浦ILS激光器500，在阈值附近可以得到最大的灵敏度。但是，并不是所有的驱动装置都能够连续地稳定工作。此外，连续工作需要相当的努力以维持ILS激光器500的幅值和波长稳定性，但是这可能造成成本提高，因而又削弱了这种气体检测系统10的商业竞争力。

作为使ILS激光器500连续工作的另一种方式，并根据本发明的一个优选实施例，ILS激光器以“脉冲模式”或“断续模式”工作。如在本申请中所使用的含义，术语“脉冲模式”和“断续模式”指的是使ILS激光器500(离子掺杂晶体)重复地受到泵浦辐射的照射，从而使ILS激光器反复开关的方式。断续模式相应于使泵浦辐射以固定频率和固定的(常常是对称的)工作循环周期在零强度与一个固定的强度之间变换。相反，脉冲模式相应于使泵浦辐射以可能是变化的、并且通常是不对称的工作循环在零强度与一个非零强度(不需要固定)之间变化。(或者，可以调制泵浦辐射，使得泵浦光束的强度不达到零强度，但是在至少两个使ILS激光器在阈值上下交替变化的强度量值之间变动。)

通过以断续模式或脉冲模式工作，可以以保持商业可行性的方式实现ILS激光器500进行定量光谱和浓度测量所需的稳定工作。这种强度调制(例如中断)可以通过使用，尤其是，可机械操作的斩光器、声光调制器、快门，和诸如此类的器件。

或者，可以调制泵浦激光器100的输出光强度，而不是对输出光束(光束E)另行斩光。特别是，如果泵浦激光器100是一个二极管激光器，可以调制二极管激光器的电源功率，以交替得到大于或小于使ILS激光器500产生激光的电压的电压。因而，ILS激光器500可以被开启或关闭。

虽然根据本发明任何已知的或以后提到的产生断续模式或脉冲模式的方法都可以采用，但是可取的是通过使用调制组件300实现这些模式。

根据本发明的这一方面，利用一个能够周期地阻挡和通过泵浦激光光束E的翻转调制器301周期地阻挡光束E进入ILS激光器500。具体地说，如图6所示，调制器301由一个机械斩光器构成。机械斩光器301放置在合适的位置，使得光束E在到达ILS激光器500之前被加以调制。虽然调制器301可以同样便利地放置在光束调整系统200的前面或后面，但是根据本发明的一个优选实施例，斩光器放置在光束调整系统200内的焦点处比较可取。或者，可以将斩光器301放置在泵浦激光器100的前面。如图2清楚表示的，斩光器301安装在光束调整系统200的框架201中。

应当理解，斩光器301可以用任何能够周期地阻挡或调制泵浦激光器光束的器件，例如机械的、或电光的器件代替。如前所述，根据本发明，从泵浦激光器100中发出的泵浦辐射的强度必须低于使ILS激光器500达到阈值所需强度，所以不需要达到零值。但是，还应当理解，泵浦激光器100传送到ILS激光器500中的总的泵浦光能量(即完全的强度)在每个调制周期中必须保持恒定。

在脉冲模式或断续模式下，包含吸收信息的ILS激光器500的输出都可以被周期性地采样。再参见附图2，根据本发明的一个优选实施例，调制组件300包括调制器301(包括适合的电路)和调制器304(也包括适合的电路)。调制器301调制从泵浦激光器100和透镜203的输出光束E的强度，而调制器304调制ILS激光器500从检测腔400出射的输出光束，从而周期地对ILS激光器的输出进行采样。可取的是，调制器301交替地阻挡到达ILS激光器500的增益介质(例如晶体507)的泵浦光束E，而调制器304交替地阻挡从检测腔400出射的ILS激光器光束，使之不进入光谱仪组件600和检测器组件700。

可取的是，斩光器301在一个开位置和一个关位置之间翻转。可取的是，斩光器301由通过一个适合的电接口302与斩光器相连的斩光器驱动装置303驱动。当驱动装置303使斩光器301转动到开位置时，光束E进入ILS激光器500，从而使ILS激光器500达到激活的阈值之上。ILS激光器500连续工作直到驱动装置303使斩光器301转动到关位置，在这个位置斩光器301有效地阻挡泵浦光束E进入ILS激光器。

从检测腔400出射的ILS激光器输出光被导向调制器304。根据本发明的各个方面，调制器304由一个声光调制器构成。但是，应当理解，其它可以应用的器件，例如其它机械操作的斩光器，或甚至快门也适用于此目的。如上面所讨论的，为了从ILS激光器500的输出光束中取得定量信息，调制器304周期地从ILS激光器输出光束中所包含的包含在具体样品中的污染物(例如气体组分)的吸收数据中采样。(可以理解，还可以不使用调制器304，而是交替开关检测器组件700以周期地从ILS激光器的输出中采样，下面将对此进行更详细的讨论。)

虽然调制器的具体形式是可以变化的，但是使用调制能够在ILS激光器500中产生可重复的、有效的光路长度。换句话说，通过改变激光发生时间(t_g)，即在ILS激光器500中可以产生腔内模式竞争的时间周期，可以控制和选择内谐振腔中有效吸收路径长度以实现ILS气体检测器10的最佳定量应用方式。

可取的是，对于泵浦激光器100的输出光束的调制与调制器件304同步进行，从而能够以按时间分辨的方式从ILS激光器500的输出中获取定量信息。通过使泵浦光束E经过斩光器301可以有效地将泵浦辐射E周期地传送到ILS激光器500。周期地传送辐射使ILS激光器500交替地位于阈值之上和阈值之下。在发生时间t_g之后当ILS激光器500达到其阈值时，ILS激光器500的输出光束被调制器304折射到光谱仪组件600和检测器组件700的入口以进行检测。但是，ILS激光器500的输出光G束仅仅在由调制器件301和304同步调制所确定的一个很短的时间间隔里被折射到光谱仪组件600和检测器组件700中。调制器301和304的同步确保了在一个精确限定的时间间隔(t_g)里对ILS激光器500的辐射进行采样。

调制器301和304的同步可以利用多种常规方法，例如通过与气体检测系统10可操作地连接的计算机802控制的一个数字电路(未示出)的电控制方法来实现。通常，调制器301和304的同步适合于形成小于300到500微秒量级，可取的是小于10到100微秒量级，最好是小于1微秒量级的发生时间(t_g)。这种同步使得调制组件300允许泵浦激光器100的输出光束在调制器304关闭时可以不间断地通过。泵浦激光器100的输出没有被调制组件300中断之时与调制器304打开时之间的时间间隔由t_g确定。

通过使泵浦激光器100的输出脉冲化就可以不使用调制器304而改变发生时间t_g。如上所述，脉冲化相当于使泵浦辐射在一个可能变化的工作循环周期中在零强度与一个非零强度值(不需要是一个固定值)之间改变，从而使ILS激光器500交替地在阈值上下变化。由此，ILS激光器500关闭和打开。通过改变泵浦激光器100的工作循环可以改变ILS激光器500发出激光的时间，特别是，泵浦激光器将ILS激光器泵浦到阈值的时间。因此，发生时间(t_g)，即在ILS激光器500中可以发生腔内模式竞争的时间周期，发生了变化。在这种情况下，检测器组件700保持连续的工作状态，从检测腔400出射的ILS激光器输出光束可以连续地进入光谱仪组件600和检测器组件。

但是，如上所述，在每个调制周期内从泵浦激光器100传送到ILS激光器500的总的泵浦光能量或总的强度必须保持恒定，即使在这个过程中ILS激光器的输出光束发生变化。为了维持恒定的总泵浦光能量，在t_g将要改变的每个不同的调制周期中调节泵浦光束的强度值。因此，泵浦光束的强度和二极管泵浦激光器100将ILS激光器500泵浦到阈值的时间都被改变以形成不同的发生时间。

利用一个“脉冲发生器”在外部控制泵浦光束的传输可以使泵浦激光器100的输出脉冲化。或者，如果泵浦激光器100是一台二极管激光器，可以通过改变供给二极管激光器的电源功率调控二极管泵浦激光器的输出强度。(如上所述，可以调控供给二极管激光器100的电源功率以交替地得到恰好高于或低于使ILS激光器500产生激光的电压的电压值。)

因此，本发明的气体检测系统10可以具有下列结构中的任何一种，这些结构中的每一种都能够改变发生时间：

(1)可以用一个外部斩光器(例如斩光器301)遮挡泵浦激光器100的输出，并使检测器700连续地保持工作状态，用一个脉冲发生器(例如调制器304)控制ILS激光器500的输出光束的传输，以便能够周期性地采样；

(2)可以用一个外部斩光器(例如斩光器301)遮挡泵浦激光器100的输出，并周期地打开和关闭检测器700，以便能够周期性地从ILS激光器500的输出中采样；

(3)可以用一个外部脉冲发生器使泵浦激光器100的输出脉冲化，并使检测器700连续地保持工作状态，利用从泵浦激光器输出的使ILS激光器产生激光的脉冲宽度控制ILS激光器500的输出光束与气体组分之间相互作用的持续时间；

(4)在泵浦激光器100是一台二极管激光器的情况下，可以通过改变二极管激光器的电源功率使二极管激光器的输出脉冲化，利用使ILS激光器产生激光的二极管激光器输出的脉冲宽度控制ILS激光器500的输出光束与气体组分之间相互作用的持续时间；

(5)在泵浦激光器100是一台二极管激光器的情况下，可以通过改变二极管激光器的电源功率截止二极管激光器的输出，并且可以使检测器700连续地处于工作状态，利用一个脉冲发生器(例如调制器304)控制ILS激光器500的输出向检测器的传输，以便能够周期地采样；和

(6)在泵浦激光器100是一台二极管激光器的情况下，可以通过改变二极管激光器的电源功率截止二极管激光器的输出，可以周期地开关检测器700，以便能够周期地对ILS激光器500的输出采样。

在如上所述的本发明的气体检测系统10的实施例中，ILS激光器500具有一个形成于三个镜面(即镜面501、503和505)之间的激光腔5，其中镜面503是一个折叠式反射镜。如上所述，三个镜面被设计成这种结构是为了在镜面503与505之间的区域中形成象散补偿的或基本平行的光束。

或者，本发明的气体检测系统10可以包括一个具有简化的激光腔5的ILS激光器500。在本发明的这个变型实施例中，激光腔5不具有色散补偿的功能。相反，激光腔5可以形成在两个镜面之间，从而具有基本线性的结构，这种结构不具有象散补偿的功能。但是，本发明的这个变型实施例所采用的线性激光腔设计能够构成一个更小、更简单的气体检测系统10。所以，本发明的气体检测系统的这个实施例与上述的实施例相比成本较低，操作也更容易。此外，本发明的这个基于线性激光腔的变型实施例可以根据许多实际用途的需要制作得更加坚固或在机械方面更加稳定。

“线性激光腔”指得是与仅仅形成在两个镜面之间的激光器等价的激光腔5。在这种最简单的形式中，线性激光腔由一个形成在一个第一镜面和一个第二镜面之间的激光腔5构成。可以理解，可以采用任何数量的辅助平面镜以控制(即改变路径)从第一镜面到第二镜面行进的光束。但是，这些辅助镜面的使用并不改变光束在激光腔5内的形状(第一镜面与第二镜面之间的距离不改变)。因此，在激光器的激光腔5中加入辅助平面镜不影响激光器的工作，而仅仅是改变激光器物理构成的方式。所以，形成在第一镜面与第二镜面之间的激光腔5，其间包括辅助平面镜，与仅仅形成在第一镜面与第二镜面之间的激光腔是等价的；去掉辅助平面镜既不改变光束的形状，也不改变激光束的工作方式。但是，采用这种辅助平面镜可以将激光腔5安装到受到空间限制的外壳中。

因此，本申请已经公开了一种利用气体检测系统10检测在包含腐蚀性气体的一种气体样品中的污染物的存在和浓度的装置。根据本发明的一个优选实施例，还要公开一种高灵敏度检测方法。这种方法包括下列步骤：将样品腔400中的气体(污染物)的含量降低到可接受的水平，将待检测的气体样品放入样品系统400A中，在阈值处或在阈值附近工作的泵浦ILS激光器500，周期地对ILS激光器的输出采样，可取的是借助于调制组件300，利用光谱仪组件600和检测器组件700测量样品中的气体(污染物)的吸收光谱，利用计算机/软件系统800分析吸收光谱以识别气体组分(污染物)并确定其在样品中的浓度。

用于检测在包含腐蚀性气体的样品中的气体组分的存在的方法要求选择特殊的光谱区域，使得在该光谱区域中(i)气体组分具有至少一个吸收特征谱线，并且(ii)腐蚀性气体没有产生显著干扰的吸收特征谱线。(如上所述，产生干扰的吸收特征谱线是指与用于识别气体组分的吸收特征谱线重叠，从而影响了气体组分与腐蚀性气体之间的检测选择性的吸收特征谱线。)根据本发明的方法，提供了一种激光器，该激光器包括一个激光腔5和一个增益介质507，该增益介质输出光的波长分布中至少有一部分处于所选择的光谱区域内。ILS激光器500包含在样品腔400中。此外，还提供了一个气体样品盒406，该容器具有对于在所选择光谱区域内的光透明，从而使得光束能够通过该气体样品容器的窗口404和405。将气体样品盒406插入ILS激光器500中使得增益介质507的输出光束在从激光腔5出射之前通过气体样品。将样品腔400中的气体(污染物)含量减少到可接受的水平。将待检测的气体样品放入气体样品盒406中。在阈值处或在阈值附近泵浦ILS激光器500，并对ILS激光器500的光输出周期地采样，可取的是借助于调制组件300。利用光谱仪组件600和检测器组件700测量样品中的气体(污染物)的吸收光谱。运用计算机/软件系统800分析吸收光谱以识别气体组分(污染物)和确定其在样品中的浓度。

更具体地说，将样品腔400(除了气体样品盒406)中的气体(污染物)含量降低到可接受的水平包括将可用顶盖410密封的容器401滤清或抽真空，使得气体(污染物)含量低于气体样品容器中气体样品所包含的气体的含量。如前面所讨论的，其它用于降低气体(污染物)含量的机构也可以采用，只要它们能够将气体(污染物)含量降低到可接受的水平。可取的是，容器底座401用顶盖410密封，并将包含在其中的污染物有效地清除(或减少到可接受的水平)。可取的是，在装置到达使用者之前就采用相对防篡改方式将底座401和顶盖410有效地密封。

通过将气体管线与连通器408、409相连，并将气体输入气体样品容器中可以使样品与气体样品盒406保持较好的流通关系(例如当样品中包含一种腐蚀性气体或反应性气体时)。

更具体地说，在阈值处或在阈值附近泵浦ILS激光器500包括选择正确的泵浦激光器100的功率、利用光束调整光路系统200和透镜206在激光晶体507上的聚焦条件，以及利用调制系统300的调制条件。根据本发明检测气体组分的方法还包括在阈值处或在阈值附近但是大于阈值处驱动ILS激光器500。根据本发明，驱动装置100适合地泵浦ILS激光器500。在需要的情况下，利用光束成形组件200将泵浦光束E适当成形以满足ILS激光器500的光学要求。此外，在气体检测系统10以脉冲模式或断续模式工作的情况下，如上所述，调制组件，特别是，调制器301可以周期地中断泵浦光束E，从而阻止光束E到达ILS激光器500。从调制器301和光束成形组件200中输出的光束F被适合地导向ILS激光器500。

根据这种方法，当光束F从设置在密封容器壁401上的窗口402进入检测腔400时，光束F被导向ILS激光器500。当光束F通过窗口402到达聚焦透镜206时，可以对光束F进行进一步的聚焦和引导，其中聚焦透镜206适合地聚焦光束F并引导其通过镜面501。光束F在阈值处或在阈值附近适合地泵浦晶体507，镜面503和505将输出光束适合地导向气体样品盒406中的气体样品。然后出射光束，其中包含气体(污染物)样品的吸收数据，通过适合地设置在密封容器壁401上的窗口403从气体检测腔400射出。

使用调制器304，可取的是与调制器301同步，可以使ILS激光器500在脉冲模式或断续模式下工作，所说调制器对ILS激光器的输出光束周期地采样，并将所得到的经过采样的输出传输到光谱仪组件600和检测器组件700中。或者，在泵浦激光器100由一个二极管激光器构成的情况下，可以与调制器304同步地调制供给二极管激光器的电源功率。可取的是，镜面601将经过采样的ILS激光器的输出光束G导向光谱仪组件600和检测器组件700。或者，不使用调制器304，而是可以通过开关检测器组件700对ILS激光器500的输出进行采样。

根据本发明用于检测气体样品的方法还包括分析所采样的ILS激光器500的输出光束G。可取的是，光谱仪组件600进行光谱解析，检测器组件700适当地分析从ILS激光器500采样的光束G。光谱仪组件600利用光束扩展组件600C，衍射组件600A、600B和聚焦组件600D将ILS激光器500的输出光束G进行适当的光谱分色。从光谱仪组件600出射的经过光谱解析的ILS吸收数据经过适当的空间分布由包括，例如多通道检测器701的检测器组件700进行检测。

可以理解，本发明的气体检测系统10和方法可以用于得到在一种腐蚀性气体或反应性气体，如氯化氢，或者非腐蚀性气体，如氮气中的污染物，如水蒸气在多种波长区域上的吸收光谱。特别是，图7和图8表示了利用气体检测系统10可以得到水蒸气在各种环境(腐蚀性气体中或非腐蚀性气体中)下的特征谱线。具体地说，图7表示氯化氢中的水(曲线900)和氮气中的水(曲线902)在大约1433-1440nm光谱区域中的经过重整化的激光强度/吸收对波长的关系图，而图8类似地表示氯化氢中的水(曲线904)和氮气中的水(曲线906)在大约1420-1434nm光谱区域中的经过重整化的激光强度/吸收对波长的关系图。图7和图8中显示的光谱是利用光谱仪组件600和通过测量二极管701的输出得到的。可以理解，每个所示的数据点是经过多次测量得出的。

在图7和图8所示的关系图中表示的数据表明利用本发明的方法可以成功地检测出氯化氢中的水成分。此外，水的吸收光谱与测量是否在氯化氢或氮气中进行无关而完全相同这一观测结果表明不存在氯化氢的光谱干扰，即使它是以极高的浓度存在(例如一个大气压的总压力)。

根据强度与浓度的关系，在得到污染物气体例如水蒸气的特征谱线时，可以容易地得出包含在样品中的污染物的浓度。根据本发明，计算机802可以适当地编程以分析数据，并提供有关包含在样品中的污染物的存在和/或浓度的输出指示。在图9和图10表示了利用本发明得到的水的吸收强度对氮气中水的浓度的关系图。图9和图10中所示的氮气中水的净化分别利用渗透装置和在线净化器完成。

(可以理解在光谱中找到的吸收特征谱线必须进行标定。由于腔内激光光谱测量方法比现有技术的方法具有提高的灵敏度，过去无法测量出的弱的跃迁利用本发明的气体检测系统10第一次变成可以测量的。在这种情况下，这些弱的跃迁可以用于识别光谱特征谱线和确定气体组分的存在。这种弱的跃迁还可以利用气体检测系统10标定，从而可以利用与这些弱跃迁相应的吸收特征谱线的强度确定气体组分的浓度。)

虽然本发明在上面被描述成用于得到在腐蚀性气体如氯化氢中的污染物如水蒸气的吸收光谱，但是对于本领域的技术人员来说很显然，本发明也可以用于其它适合的污染物和腐蚀性或反应性气体。适合应用本发明的腐蚀性气体的实例包括，但是并不限于，下列的气体：N₂O、NO、NO₂、HONO、HNO₂、SO、SO₃、H₂SO₄、Cl₂、ClO、Cl₂O₂、HOCl、PH₃、OCS、HI、HF、HBr、BCl₃、NF₃、BCl₂、BCl、SO₂、BF₃、Br₂、I₂、F₂、O₃、AsH₃、NH₃、SiH₄、B₂H₄、HNO₃、HCN、HNC、H₂S、COF₂、CH_4-xX_x，其中X为F或Cl，x等于1到4。并不是说本申请中所公开的腐蚀性或反应性气体，包括上面所罗列的，就是所有的气体；相反，根据具体的应用的需要还可以使用其它的腐蚀性或反应性气体。例如，腐蚀性气体可以包括其它用于制造半导体器件的腐蚀性气体。此外，可以理解，腐蚀性气体可以包括任何数量的腐蚀性气体，诸如上面所列举的那些的组合物。还应当理解，待检测的气体组分可以包括，但不限于，上面所列举的一种或多种腐蚀性气体。

本领域的技术人员可以理解，利用本发明可以得到的检测灵敏度一般超过利用现有技术装置可以得到的检测灵敏度。此外，气体检测系统10可以在线使用，随时得到有关包含在特定腐蚀性气体样品中的污染物的存在和浓度的接近实时的测量结果，从而避免了许多与使用现有技术装置相关的缺点。特别是，本发明的方法提供了以在现有技术中不可能达到的检测水平就地快速地检测包含腐蚀性气体的气体样品中的水蒸气的手段。

应当理解，前面的描述涉及本发明的优选实施例，但是本发明并不限于这里所述的具体形式。在不脱离如所附的权利要求书所述的本发明范围的前提下，对于本申请中所提出的各种元件的设计和排列结构可以作出各种改变。此外，气体检测系统10的应用以及ILS气体检测器的位置，例如在半导体制造设备中，可以根据需要加以变化。例如，在ILS检测腔400中各种元件的具体位置以及气体检测系统10本身的具体位置可以改变，只要它们的结构和位置能够以容易重复的方式使ILS激光器被光激发。对于本发明的设计、排列结构、以及应用的现在所知的或今后被本领域技术人员所提出的这些和其它改进都包括在所提出的权利要求书中。