光學(xué)諧振腔用反射棱鏡及其光學(xué)諧振腔和光譜測量儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及光譜學(xué)領(lǐng)域,尤其涉及一種光學(xué)諧振腔用反射棱鏡及其光學(xué)諧振腔和 光譜測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜學(xué)學(xué)科研究的是光譜。與關(guān)注頻率的其他部分學(xué)科不同的是,光譜學(xué)專門研 究可見光和近可見光一一一個可以獲得的光譜范圍中很窄的一部分,該光譜的波長范圍在 約1毫米至1納米之間。近可見光包括比紅外線和紫外線。這個范圍在可見光波段兩側(cè)都有 足夠遠的延伸,但大部分由普通材料制成的透鏡和反射鏡仍對該光波段有效,必須經(jīng)常考 慮到材料的光學(xué)性能是依賴于光波長的。
[0003] 吸收式光譜學(xué)可以探測或識別各種不同的分子類型,尤其是簡單分子類型,比如 水。同時,光譜測量儀提供了高靈敏度、微秒量級的響應(yīng)時間、抗干擾能力,以及有限的來自 除所研究物質(zhì)種類以外的其他分子種類的干擾。因此,吸收式光譜作為一種探測重要微/痕 量物質(zhì)類別的通用方法。在氣體狀態(tài)下,由于物質(zhì)的吸收能力能夠集中于一組尖銳的光譜 線上,使得這種技術(shù)的靈敏度和選擇性均發(fā)揮到最佳狀態(tài)。光譜中這種尖銳的光譜線可以 用來與絕大多數(shù)的干擾物質(zhì)進行區(qū)分。
[0004] 在許多生產(chǎn)過程中,對流動氣流中微量物質(zhì)的濃度進行迅速、準確的測量和分析 是十分必要的,因為污染物的濃度往往至關(guān)重要地影響成品的質(zhì)量。例如,氮氣N 2、氧氣〇2、 氫氣H2、氬氣Ar、氦氣He用來制造集成電路,存在于這些氣體中的雜質(zhì),比如水,即使只有十 億分之(ppb)幾的含量水平也是有害的,它會減少集成電路合格品產(chǎn)量。因此,在需要高純 氣體的半導(dǎo)體工業(yè)中,較高的靈敏度對生產(chǎn)者來說是非常重要的,借助于光譜學(xué)的高靈敏 度性能能檢測出水分雜質(zhì)。在其它工業(yè)生產(chǎn)過程中,也有必要對各種各樣的雜質(zhì)進行檢測。
[0005] 光譜學(xué)可以在高純氣體中檢測含量為百萬分之(ppm)幾的水份,在某些情況下,還 能夠獲得十億分之幾(ppb)的檢測靈敏度水平。因此,已有數(shù)種光譜學(xué)方法被用于監(jiān)測氣體 含水量,包括:傳統(tǒng)長通路元件[long optical path cells]的吸收測定、光聲光譜學(xué)、頻率 調(diào)制光譜學(xué)以及內(nèi)腔激光吸收光譜學(xué)。但是,如萊曼(Lehmann)在美國專利號5,528,040的 專利中所述,這些光譜方法具有多種特性,這使得它們在實際工業(yè)應(yīng)用中是不切實際的和 難以使用的。因此,它們在很大程度上僅限于實驗室研究。
[0006] 然而,回路衰減光譜技術(shù)(CRDS,cavity ring-down spectroscopy)已成為一種重 要的光譜技術(shù)被應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)控制、大氣微/痕量氣體監(jiān)測。作為光吸收測定 技術(shù),已證實CRDS優(yōu)于在低吸光度狀態(tài)下靈敏度不很理想的傳統(tǒng)方法。CRDS把高精密光學(xué) 諧振腔中的光子平均壽命作為吸收靈敏度的可觀測量。
[0007] -般地,光學(xué)諧振腔由一對名義上相同的、窄帶的、超高反射性介電反射鏡形成, 經(jīng)適當配置形成一個穩(wěn)定的光學(xué)光學(xué)諧振腔。一個激光脈沖通過一個反射鏡射入光學(xué)諧振 腔以經(jīng)歷一個平均壽命時間,該平均壽命決定于光子往返渡越時間(transit time)、光學(xué) 諧振腔長度、吸收橫截面和物質(zhì)的濃度數(shù)量、內(nèi)部光學(xué)諧振腔耗損因子(主要產(chǎn)生于當衍射 損耗可忽略不計時,來自取決于頻率的反射鏡的反射率)。因此光吸收的測定由傳統(tǒng)的功率 比測量轉(zhuǎn)化成了時間衰減測量。CRDS的最終靈敏度由光學(xué)諧振腔內(nèi)部的損耗量值決定,使 用諸如精細拋光的技術(shù)生產(chǎn)的超低損耗光學(xué)器件可以使這個耗損值減至最小。
[0008] 由于目前尚不能制造出具有足夠高反射率的反射鏡,因此在應(yīng)用高反射率介電反 射鏡的光譜領(lǐng)域內(nèi),CRDS的應(yīng)用還有局限,這就大大限制了該方法在大部分紅外線的、紫外 線領(lǐng)域的使用。即使在有適當反射率的介電反射鏡的領(lǐng)域,每組反射鏡也只能在小波長范 圍內(nèi)有效,一般僅幾個百分點的波長范圍片段。而且,許多介電反射鏡的制造需要使用一些 材料,這些材料會隨時間而變質(zhì),尤其是當暴露在化學(xué)腐蝕環(huán)境中時。這都限制或阻止了 CRDS的許多潛在應(yīng)用。
[0009] 為解決上述問題,專利號為"CN1397006A"名稱為"基于布儒斯特角棱鏡反射器回 路衰減空腔光譜儀匹配模式"的專利文件中記載了一種光學(xué)諧振腔,該光學(xué)諧振腔包括帶 有一組全反射面的第一布儒斯特角反射棱鏡,其中一個全反射面為曲面;帶有一組全反射 面的第二布儒斯特角反射棱鏡,該棱鏡與第一反射棱鏡沿著諧振腔光軸準直排列成一條直 線;以及用來把光輻射耦合進入第一或第二棱鏡兩者之一中的光學(xué)元件。
[0010] 但是,上述光學(xué)諧振腔在使用過程中的光路為雙光路閉環(huán),光學(xué)諧振腔的反射棱 鏡中的入射面同時也作為出射面,為防止光路重疊,因此該光學(xué)諧振腔的反射棱鏡的幾何 尺寸受限于此而難以將裝置小型化,造成光線在穿過反射棱鏡時被反射棱鏡的吸收損耗較 大,影響整個光譜儀的測量靈敏度。 【實用新型內(nèi)容】
[0011] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足,本申請?zhí)峁┮环N光學(xué)諧振腔用反射棱鏡、光學(xué)諧振腔和光 譜測量儀,以能夠有利于光學(xué)諧振腔的反射棱鏡小型化,進而利于降低光線的材質(zhì)吸收損 耗。
[0012] 為達到上述目的,本申請?zhí)峁┮环N光學(xué)諧振腔用反射棱鏡,所述光學(xué)諧振腔具有 樣品測量區(qū)域,所述反射棱鏡包括用于接收穿過所述樣品測量區(qū)域的光線的第一面、用于 向所述樣品測量區(qū)域發(fā)出光線的第二面、位于所述第一面與所述第二面之間的第三面;所 述第三面用于將接收自所述第一面的光線全反射至所述第二面。
[0013] 作為一種優(yōu)選的實施方式,所述第一面及所述第二面為布儒斯特面,所述第三面 為全內(nèi)反射面。
[0014] 作為一種優(yōu)選的實施方式,所述反射棱鏡的至少一個面為曲面。
[0015] 為達到上述目的,本申請還提供一種光學(xué)諧振腔,其能接收和發(fā)出光線,并能將接 收到的光線在內(nèi)部傳播,所述光學(xué)諧振腔包括:
[0016] 光學(xué)元件,所述光學(xué)元件包括至少一個如上任一所述的反射棱鏡;
[0017]所述光學(xué)諧振腔具有樣品測量區(qū)域,所述樣品測量區(qū)域能容置有待測樣品。
[0018] 作為一種優(yōu)選的實施方式,所述光學(xué)元件能形成閉合光路。
[0019] 作為一種優(yōu)選的實施方式,所述光學(xué)元件至少為三個。
[0020] 作為一種優(yōu)選的實施方式,每個所述光學(xué)元件均為所述反射棱鏡。
[0021] 作為一種優(yōu)選的實施方式,所有所述反射棱鏡包括第一反射棱鏡、第二反射棱鏡 以及第三反射棱鏡;所述第一反射棱鏡的第二面與所述第二反射棱鏡的第一面通過第一光 路連接,所述第三反射棱鏡的第二面與所述第一反射棱鏡的第一面通過第二光路連接,所 述第二反射棱鏡的第二面與所述第三反射棱鏡的第一面通過第三光路連接;所述第一光路 與所述第二光路之間的夾角、所述第二光路與所述第三光路之間的夾角以及所述第三光路 與所述第一光路之間的夾角均大于2U/.V/.H丨(丨//?.)+ ?/.ν/.Η丨(丄(.v/./?(A)))-<9p,其中,ΘΒ為布儒 η 斯特角。
[0022] 作為一種優(yōu)選的實施方式,每個所述反射棱鏡中,所述第三面與所述第二面的夾 角等于所述第三面與所述第一面的夾角,等于〇 . 5倍的所述第一光路與所述第二光路的夾 角加上Θβ。
[0023] 作為一種優(yōu)選的實施方式,還包括:匹配光學(xué)元件,所述匹配光學(xué)元件能將光源的 光學(xué)模式與光學(xué)諧振腔的光學(xué)模式相匹配。
[0024] 作為一種優(yōu)選的實施方式,至少一個所述光學(xué)元件能夠旋轉(zhuǎn)和/或平移。
[0025] 為達到上述目的,本申請還提供一種光譜測量儀,其特征在于,包括:如上實施方 式任一所述的光學(xué)諧振腔。
[0026] 通過以上描述可以看出,本申請所提供的所述光學(xué)諧振腔用反射棱鏡通過設(shè)有用 于在光學(xué)諧振腔中接收光線的所述第一面以及用于在光學(xué)諧振腔中發(fā)出光線的第二面,且 所述第一面與所述第二面為相互獨立的不同面,進而可以保證光線在反射棱鏡的面上僅留 有單個光斑,這就使得所述反射棱鏡的邊長僅需要大于單個光斑的大小即可滿足要求,所 以本申請所提供的光學(xué)諧振腔用反射棱鏡能夠有利于光學(xué)諧振腔的反射棱鏡小型化,進而 利于降低光線的材質(zhì)吸收損耗。
【附圖說明】
[0027] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例,對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下, 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1是高斯光束沿Ζ軸傳播示意圖;
[0029] 圖2是復(fù)參數(shù)為q的高斯光束示意圖;
[0030] 圖3是一種由兩個反射鏡組成的兩鏡光學(xué)諧振腔示意圖;
[0031 ]圖4是一種光學(xué)諧振腔中的折疊腔示意圖;
[0032] 圖5是圖4所示折疊腔的等效多元件直腔示意圖;
[0033] 圖6是一種光學(xué)諧振腔中的環(huán)形腔示意圖;
[0034] 圖7是圖6所示環(huán)形腔的等效多元件直腔示意圖;
[0035]圖8是一種平行平面腔示意圖;
[0036]圖9是非偏振入射光線在空氣中入射到玻璃表面的示意圖;
[0037] 圖10是本申請一個實施方式所提供的反射棱鏡示意圖;
[0038] 圖11是本申請一個實施方式所提供具有曲面的反射棱鏡示意圖;
[0039] 圖12是本申請另一個實施方式所提供的具有曲面的反射棱鏡示意圖;
[0040] 圖13是本申請一個實施方式所提供的光學(xué)諧振腔示意圖;
[0041] 圖14是本申請一個實施方式所提供的光學(xué)諧振腔示意圖;
[0042] 圖15是本申請一個實施方式所提供的光學(xué)諧振腔示意圖;
[0043] 圖16是本申請一個實施方式所提供的光學(xué)諧振腔示意圖;
[0044] 圖17是本申請一個實施方式所提供的光學(xué)諧振腔示意圖;
[0045]圖18是本申請一個實施方式所提供的光學(xué)元件的光路上設(shè)有透鏡的示意圖;
[0046] 圖19是本申請一個實施方式所提供的光學(xué)元件設(shè)有反射鏡的示意圖;
[0047] 圖20是本申請一個實施方式所提供的光譜測量儀模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0048] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案,下面將結(jié)合本申請實 施例中的附圖,對本申請實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施 例僅僅是本申請一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例,本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例,都應(yīng)當屬于本實用新 型保護的范圍。
[0049] -、一般原理
[0050] 下面將給出與本實用新型有關(guān)的光學(xué)的一般原理的綜述導(dǎo)論。此綜述導(dǎo)論將提供 一個背景知識,以便對本實用新型有一個完整的理解。
[0051 ] A:高斯光束
[0052] 高斯光束是亥姆霍茲方程在緩變振幅近似下的一個特解,它可以很好的描述基模 激光光束的性質(zhì)。圖1中給出了高斯光束沿z軸傳播的示意圖。
[0053] 式(1.1)給出了高斯光束在空間傳播的規(guī)律。
[0054]
(1. 1)
[0055] 其中,以2)、《(2)、屯的表達式如下所示:
[0056]
(1, 2)
[0057] R(z)=Z〇(z/Z〇+Z〇/z) (1.3)
[0058] W=tan_1(z/Z〇) (1.4)
[0059] 式(1.2)表示了高斯光束的束寬,式(1.3)表示了高斯光束的等相面曲率半徑,式 (1.4)表示了高斯光束的相位因子,其畔
Λ.<