基于布儒斯特角棱镜反射器回路衰减空腔光谱仪匹配模式制造技术

一种用于具有一个光轴的回路衰减空腔光谱仪的稳定谐振器。该谐振器包括两个布儒斯特角反射棱镜，每个棱镜均有多个全反射面，至少一个棱镜的其中一个全反射面是一个曲面（磨砂抛光面或通过光学接触或胶合把一个平凸透镜附着于棱镜表面）。棱镜沿着谐振腔的光轴准直排列成一条直线。一个球面反射镜或透镜，倾斜离开光束正入射方向以产生预期的散偏效果，并把光辐射匹配耦合进入谐振腔内部。一个或全部两个棱镜是可以旋转的，以便光线按相对于棱镜表面法线接近布儒斯特角的方向射入或离开棱镜的一个表面。这个特性既保持了棱镜之间的准直，又保证能够调节谐振器。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及吸收式光谱仪，特别是涉及使用布儒斯特角棱镜反射器的适用于回路衰减空腔光谱仪的模式。
技术介绍
现在参照附图，其中相同的附图标记自始至终是指相同的元件，图1描述了一个位于对数尺度上的电磁波谱。光谱学研究光谱。与有关光谱学的其它研究相比，光学专门研究可见光和近可见光——一个可以获得的光谱范围中很窄的一部分，该可得的光谱的波长范围在约1毫米至1纳米之间。近可见光包括比红光更红(redder)的光(红外线)和比紫光更紫(more violet)的光(紫外线)。这个范围在可见光波段两侧都有足够远的延伸，但大部分由普通材料制成的透镜和反射镜仍对该光波段有效。必须经常考虑到材料的光学性能是依赖于光波长的。吸收式光谱仪具有高光敏度，其响应时间为微秒量级，并且它具有抗破坏性，除了正在研究的物质以外其它各种种类分子的有限干扰。吸收式光谱学可以探测或识别各种不同的分子类型，尤其是简单分子类型，比如水。因此，吸收式光谱提供了一种探测重要微量物质类别的通用方法。在气体状态下，由于物质的吸收能力集中于一组尖(窄)光谱线，使得这种技术的灵敏度和选择性均发挥到最佳状态。光谱窄线可以用来区分识别大多数干扰物质。在许多生产过程中，对流动气流中微量物质的浓度进行迅速、准确的测量和分析是十分必要的，因为污染物的浓度往往至关重要地影响成品的质量。例如，氮气N2、氧气O2、氢气H2、氩气Ar、氦气He用来制造集成电路，存在于这些气体中的杂质，比如水，即使只有十亿分之(ppb)几的含量水平也是有害的，它会减少集成电路合格品产量。因此，在需要高纯气体的半导体工业中，较高的灵敏度对生产者来说是非常重要的，借助于光谱学的高灵敏度性能能检测出水分杂质。在其它工业生产过程中，也有必要对各种各样的杂质进行检测。光谱学可以在高纯气体中检测含量为百万分之(ppm)几的水份，在某些情况下，还能够获得十亿分之几(ppb)的检测灵敏度水平。因此，已有数种光谱学方法被用于监测气体含水量，包括传统长通路元件的吸收测定、声光光谱学、频率调制光谱学以及内腔激光吸收光谱学。但是，如莱曼(Lehmann)在美国专利号5,528,040的专利中所述，这些光谱方法具有多种特性，这使得它们在实际工业应用中是不切实际的和难以使用的。因此，它们在很大程度上仅限于实验室研究。然而，空腔回路衰减光谱(CRDS，cavity ring-down spectroscopy)已成为一种重要的光谱技术被应用于科学研究、工业生产控制、大气微量气体监测。作为光吸收测定技术，已证实CRDS优于在低吸光度状态下灵敏度不很理想的传统方法。CRDS把高精密光学谐振腔中的光子平均寿命作为吸收灵敏度的可观测量。一般地，谐振器由一对名义上相同的、窄带的、超高反射性介电反射镜形成，经适当配置形成一个稳定的光学谐振器。一个激光脉冲通过一个反射镜射入谐振器以经历一个平均寿命时间，该平均寿命决定于光子往返渡越时间(transit time)、谐振器长度、吸收横截面和物质的浓度数量、内部谐振器耗损因子(主要产生于当衍射损耗可忽略不计时，来自取决于频率的反射镜的反射率)。因此光吸收的测定由传统的功率比测量转化成了时间衰减测量。CRDS的最终灵敏度由谐振器内部的损耗量值决定，使用诸如精细抛光的技术生产的超低损耗光学器件可以使这个耗损值减至最小。由于目前尚不能制造出具有足够高反射率的反射镜，因此，在应用高反射率介电反射镜的光谱领域内，CRDS的应用还有局限，这大大限制了该方法在大部分红外线、紫外线领域的使用。即使在有适当反射率的介电反射镜的领域，每组反射镜也只能在小波长范围内有效，一般仅几个百分点的波长范围片段。而且，许多介电反射镜的制造需要使用一些材料，这些材料会随时间而变质，尤其是当暴露在化学腐蚀环境中时。这都限制或阻止了CRDS的许多潜在应用，很明显，目前谐振器的制造工艺急待提高。A.彼彼诺(A.Pipino)等人的文章“带有一个全反射微型空腔的损耗波空腔回路衰减光谱。”1997年8月，阐述了一种改进的谐振器构造方法。这种方法使用了单块集成的、正多边几何形(如正方形、八边形)的全反射(TIR)回路谐振器，至少应有一个凸面以保证稳定性。一个光脉冲被邻近谐振器的外设第一棱镜全反射，产生的损耗波进入谐振器，通过光子隧道激发谐振器的稳定模式。位于谐振腔全反射表面附近的物质的吸收光谱可以从单块集成的谐振腔中的光子的平均寿命中获得，该平均寿命时间取决于检测器通过与另一个棱镜外部耦合接收到的信号的时间(还是一个设置在谐振器空腔附近的外设全反射棱镜)。因此，光辐射通过光子隧道进出谐振腔，该光子隧道对输入、输出耦合进行精确的控制。这样，CRDS微型谐振器得以实现，TIR环频谐振器将CRDS的适用概念延伸至稠密物质光谱学。TIR的宽频特性克服了在传统气相CRDS中由非传导性反射镜造成的窄带宽的限制。但是，A.彼彼诺(A.Pipino)等人的工作只适用于TIR光谱，这从本质上就局限于短的总吸收路径，于是也局限于大功率的吸收强度。比较而言，本专利技术具有长吸收路径，因而使探测微弱吸收强度成为可能。同样可以由两个轴向交叉的布儒斯特角屋脊棱镜设置一个谐振腔，如高德(Gould)等人的文章“交叉屋脊棱镜干涉器”————中所谈到的。其优点是对于棱镜的任何小的角度偏差它能保持对齐。这种谐振器的缺点在于其中一个棱镜的布儒斯特角必须由结构设定，也就是说布儒斯特角不能通过旋转棱镜对于波长调整。在一些应用中(例如在特定波长)，这种谐振器的鲁棒校准是足够理想的，以至于调整布儒斯特角时能力缺陷是可容忍的。然而，布儒斯特角的不能调整性也限制了它的应用。而且，高德(Gould)等人描述的谐振器具有光不恒定性，且由于衍射，它不能用于低损耗谐振器。
技术实现思路
为克服这些公知方法的缺陷，从而改进谐振器的构造，一种适用于CRDS的新型高精密谐振器(或光学谐振器)应运而生，本专利技术的一个目的是应用布儒斯特角棱镜反射器取代传统介电反射镜，从而使谐振器有所改进；一个相关的目的是消除在CRDS中使用的传统介电反射镜的狭带宽限制；另一个相关的目的是扩大CRDS的潜在应用类型范围。本专利技术还有另一个目的是提供一种谐振器，即使放置在化学腐蚀环境中，该谐振器的制作材料也不会随时间产生显著的变质；一个附加的目的是通过棱镜的转动，能够调试或校准谐振器；本专利技术另外还有一个目的是提供一个革新的CRDS谐振器设计，能获得低的内部能量损耗，并且在光子衰减时间和吸收之间有明确定义的关系。为实现这些及其它目的并达到预期效果，本专利技术提供一种稳定谐振器，用于具有一个光轴的回路衰减空腔光谱仪。该谐振器包括两个布儒斯特角反射棱镜，每个棱镜具体多个全反射面。棱镜沿着谐振器的光轴排列。一个或全部两个棱镜可以独立旋转，以便于光线可以在相对于棱镜表面法线接近布儒斯特角的方向射入和射出棱镜表面。这个特性既保持了棱镜的对准，又保证能够调节谐振器。至少一个棱镜的其中一个全反射面为曲面(或者是磨砂和抛光曲面，或者通过光学接触或胶合一个附加平凸透镜到它的表面，形成一个曲面)。或者，一个透镜中心位于谐振器的一条支路上，透镜以相对于谐振器光轴布儒斯特角倾斜。在优选实施例中，每个棱镜都有一个顶角约为135°减去布儒斯特角，第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于带有一个光轴的回路衰减空腔光谱仪单元的谐振器，该谐振器包括： 带有一组全反射面的第一布儒斯特角反射棱镜，其中一个全反射面为曲面； 带有一组全反射面的第二布儒斯特角反射棱镜，该棱镜与第一反射棱镜沿着谐振腔光轴准直排列成一条直线；以及 用来把光辐射耦合进入第一或第二棱镜两者之一中的光学元件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：凯文K莱曼，保罗拉比诺维茨，
申请(专利权)人：普林斯顿大学理事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]