用于光譜設(shè)備的適應(yīng)性單元設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】一種可調(diào)光學(xué)單元組件，包括限定出腔的中空體和固定地附加在腔中的多個(gè)光學(xué)元件。第一致動(dòng)器被配置為向中空體的外表面施加足以使中空體的至少一部分彈性變形的力，使得多個(gè)光學(xué)元件中的第一和第二光學(xué)元件之間的距離和相對定向中的一個(gè)以響應(yīng)式改變。
【專利說明】用于光譜設(shè)備的適應(yīng)性單元設(shè)計(jì)
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求于2011年3月25日以Kevin K.Lehmann的名義提交的題為“CELLDESIGN FOR CAVITY RING-DOWN AND OTHER FORMS OF CAVITY ENHANCED SPECTROSCOPYAND RELATED METHOD THEREOF”、申請?zhí)枮?1/467，467的臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)，其轉(zhuǎn)讓給本申請的同一受讓人。本申請還要求于2011年12月12日以Kevin K.Lehmann的名義提交的題為 “CELL DESIGN FOR CAVITY RING-DOWN AND OTHER FORMS OF CAVITY ENHANCEDSPECT0SC0PY AND RELATED METHOD THEREOF”、申請?zhí)枮?61/569，527 的臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)，其轉(zhuǎn)讓給本申請的同一受讓人。這些申請中的每個(gè)都結(jié)合于此作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本申請總體上涉及光譜領(lǐng)域，并且更特別地，涉及用于光譜設(shè)備的適應(yīng)性單元設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]光學(xué)吸收是用以確定樣本的組成的方法，包括其化學(xué)成分及其各自的濃度。這在一系列情況下得到了應(yīng)用，包括化學(xué)處理控制、制造過程中雜質(zhì)的監(jiān)測和控制、監(jiān)測符合排放法規(guī)、監(jiān)測自然和擬物種的擴(kuò)散和化學(xué)歸趨、助燃診斷、醫(yī)療診斷以及生物醫(yī)學(xué)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種可調(diào)光學(xué)單元組件。該組件包括限定腔的中空體以及剛性地固定于腔中的多個(gè)光學(xué)元件。第一致動(dòng)器被配置為向中空體的外表面施加足以使中空體的至少一部分彈性變形的力，使得多個(gè)光學(xué)元件中的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件之間的距離和相對定向中的一個(gè)以響應(yīng)的方式被改變。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，組件包括光學(xué)單元設(shè)備。該光學(xué)單元設(shè)備包括中空管狀體，其包括光學(xué)單元設(shè)備的壁。管狀體具有縱向隔開的第一體端部和第二體端部，并且圍繞光學(xué)單元的縱軸限定出穿過其中的構(gòu)件管腔。第一端部構(gòu)件基本上是剛性的，并且附接到第一體端部，以限定第一光學(xué)單元端部。第一光學(xué)元件位于構(gòu)件管腔中，并且固定地附接到第一端部構(gòu)件。第二端部構(gòu)件基本上是剛性地，并且附接到第二體端部以限定出第二光學(xué)單元端部。第二光學(xué)元件位于光學(xué)單元中，并且固定地附接到第二端部構(gòu)件。第一致動(dòng)器安裝在構(gòu)件管腔外部，并且被配置為在基本上平行于縱軸的方向上向光學(xué)單元設(shè)備的外表面施加足以使光學(xué)單元設(shè)備的至少一部分彈性變形的力，使得第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件之間的縱向距離以響應(yīng)的方式被改變。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種檢測分析物濃度的方法。用產(chǎn)生具有基本固定波長的光的激光器激發(fā)光腔，光腔包括剛性體和附加到剛性體的第一和第二光學(xué)元件。剛性體至少在第一位置被彈性變形，以使激光和腔共振。檢測從腔發(fā)出的光。評估所檢測光，以確定分析物濃度。【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]通過參照附圖閱讀以下的說明書，對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，本發(fā)明的上述和其他特征將變得顯而易見，在附圖中:
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的沿著用于提供可調(diào)長度的光學(xué)單元設(shè)備的組件的縱軸的橫截面圖；
[0010]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的沿可調(diào)單元組件的一個(gè)實(shí)施方式的縱軸的橫截面圖；
[0011]圖3提供了沿圖2的組件的橫軸的橫截面圖；
[0012]圖4提供了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的沿可調(diào)單元組件的另一實(shí)施方式的橫軸的橫截面圖；
[0013]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的沿可調(diào)單元組件的另一實(shí)施方式的縱軸的橫截面圖；
[0014]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的可調(diào)單元組件的另一實(shí)施方式；
[0015]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的使用可調(diào)長度的單元的一個(gè)實(shí)例的光腔衰蕩光譜(⑶RS)系統(tǒng)；以及
[0016]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的用于確定分析物濃度的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0017]腔增強(qiáng)光譜涵蓋了使用低損耗光腔以允許對主要是氣態(tài)樣品的弱吸收的樣品進(jìn)行檢測的若干相關(guān)光譜技術(shù)。為了在受到加速或震動(dòng)的環(huán)境中在一個(gè)或多個(gè)便攜式儀器中使用這些技術(shù)，提供了一種保持構(gòu)成光腔的反射鏡或棱鏡的剛性對準(zhǔn)的單元設(shè)計(jì)。為了從窄帶寬激光器向這種腔中注入大量的光量，有必要使激光和腔共振。設(shè)置了允許調(diào)節(jié)剛性單元的長度以實(shí)現(xiàn)共振的可調(diào)單元，而不是調(diào)制激發(fā)激光的波長，其會(huì)在波長檢測中引入不確定性并且降低了測量的精確度。這可以適用于由兩個(gè)或多個(gè)高反射率反射鏡或棱鏡構(gòu)成的光腔。
[0018]該單元是單片的并且保持腔內(nèi)的任意光學(xué)元件的剛性對準(zhǔn)。使用一個(gè)或多個(gè)高分辨率和高力換能器來掃描由單元本體的彈性變形引起的單元長度。掃描的腔長度超過用于激發(fā)腔的光波長的二分之一，這確保了腔的至少一個(gè)TEMtltl模式將通過與激光的共振。該單元的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其在鎖頻激光Cw-CRDS技術(shù)中的使用，相比于可選的沿腔的自由光譜范圍(FSR)來掃描激光的頻率，這增加了測量的頻率精度。然而，可以理解，該單元可以用于其中期望高度剛性但是穩(wěn)定的光學(xué)校準(zhǔn)器的任何應(yīng)用。
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的沿用于提供長度可調(diào)光學(xué)單元設(shè)備20的組件10的縱軸的橫截面圖。光學(xué)單元設(shè)備20包括形成光學(xué)單元設(shè)備的壁的中空管狀體22。管狀體22具有縱向隔開的第一和第二體端部24和26，并且圍繞光學(xué)單元的縱軸而限定出穿過其中的構(gòu)件管腔(member lumen) 28。在一個(gè)實(shí)施方式中，管狀體22可以是由剛性金屬形成的固態(tài)圓柱形管，該剛性金屬具有足以承受相關(guān)光源(未示出)的幾個(gè)波長級的擴(kuò)張的彈性極限。例如，管狀體22可以由不銹鋼或殷鋼形成。
[0020]第一和第二端部構(gòu)件30和32分別附接到第一和第二體端部24和26，以限定相應(yīng)的第一光學(xué)單兀端部和第二光學(xué)單兀端部。第一端部構(gòu)件30和第二端部構(gòu)件32足夠硬，并且與管狀體22組合形成光學(xué)單元組件的基本密閉腔?？梢岳斫?，第一端部構(gòu)件30和第二端部構(gòu)件32中的每個(gè)都可以與管狀體22集成，或者是經(jīng)由適當(dāng)方法附接的分離物品以形成耐用的、基本密閉的密封。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一端部構(gòu)件30可以包括諸如Conflat
法蘭的真空法蘭。
[0021]第一光學(xué)元件34和第二光學(xué)元件36位于構(gòu)件管腔中，并且分別固定地附接到第一端部構(gòu)件30和第二端部構(gòu)件32。光學(xué)兀件34和36可以包括一個(gè)或多個(gè)反射鏡、分束器、棱鏡、透鏡或用于改變光束的方向、偏振、和相干性的任何其他部件。在一個(gè)實(shí)施方式中，光學(xué)元件34和36中的每個(gè)都是反射鏡，其具有由在與光源相關(guān)的頻率有高反射率的材料形成的至少一個(gè)表面或涂敷有該材料的至少一個(gè)表面。在一個(gè)實(shí)施方式中，該反射鏡可以是凹的并且被定位在附近的共焦布置中。為了使光學(xué)元件34和36即使在受到加速或震動(dòng)時(shí)也能保持其對準(zhǔn)，他們可以抵靠著其各自的端部構(gòu)件30和32的表面被壓縮。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，已經(jīng)確定，雖然光學(xué)單元設(shè)備有剛性，但是光學(xué)單元設(shè)備20有足夠的彈性，其可以將光學(xué)單元設(shè)備22拉伸足夠的量，以將光學(xué)元件34和36之間的距離改變用于檢測的光波長的至少一半的距離，允許單元與固定于感興趣的分析物的吸收線峰值上的激光進(jìn)行共振。為此，第一致動(dòng)器40可以安裝在構(gòu)件管腔的外部，并且被配置為向光學(xué)單元設(shè)備20的外表面上的位置施加足以使光學(xué)單元設(shè)備的至少一部分彈性變形的力，使得第一光學(xué)元件34和第二光學(xué)元件36之間的縱向距離作出響應(yīng)而改變。在一個(gè)實(shí)例中，第一致動(dòng)器40可以實(shí)施為壓電換能器。
[0023]致動(dòng)器40可以定位為施加拉伸管狀體22的力，增大光學(xué)元件34和36之間的距離。從所施加的力F、構(gòu)成管狀體22的材料的楊氏模量E、以及管狀體的橫截面面積A，計(jì)算光學(xué)兀件的位移AL:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種組件，包括: 光學(xué)單元設(shè)備，包括: 中空管狀體，包括所述光學(xué)單元設(shè)備的壁，所述管狀體具有縱向隔開的第一體端部和第二體端部并且圍繞所述光學(xué)單元的縱軸而限定出穿過所述管狀體的構(gòu)件管腔， 第一端部構(gòu)件，實(shí)質(zhì)上為剛性的并且附接到所述第一體端部以限定第一光學(xué)單元端部; 第一光學(xué)元件，位于所述構(gòu)件管腔中并且固定地附接到所述第一端部構(gòu)件； 第二端部構(gòu)件，實(shí)質(zhì)上為剛性的并且附接到所述第二體端部以限定第二光學(xué)單元端部；以及 第二光學(xué)元件，位于所述光學(xué)單元中并且固定地附接到所述第二端部構(gòu)件；以及 第一致動(dòng)器，安裝在所述構(gòu)件管腔的外部，并且被配置為在與所述縱軸基本上平行的方向，向所述光學(xué)單元設(shè)備的外表面施加足以使所述光學(xué)單元設(shè)備的至少一部分彈性變形的力，使得所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件之間的縱向距離以響應(yīng)方式而改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述第一致動(dòng)器被配置為在第一位置向所述光學(xué)單元設(shè)備施加力，所述組件進(jìn)一步包括第二致動(dòng)器，安裝在所述構(gòu)件管腔的外部并且被配置為在與所述第一位置不同的第二位置向所述光學(xué)單元設(shè)備施加力，使得能夠選擇性地改變所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件的相對定向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其中，所述構(gòu)件管腔是圓柱，并且所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器包括多個(gè)致動(dòng)器中的第一致動(dòng)器和第二致動(dòng)器，所述多個(gè)致動(dòng)器中的每個(gè)安裝到所述構(gòu)件管腔的外部，并且`被配置為在相關(guān)位置向所述光學(xué)單元設(shè)備施加力，所述多個(gè)致動(dòng)器的所述相關(guān)位置關(guān)于在由所述管狀構(gòu)件限定的所述圓柱的軸總共具有η倍的旋轉(zhuǎn)對稱性，其中，η是大于I的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述第一端部構(gòu)件和所述第二端部構(gòu)件中的每個(gè)在垂直于所述縱軸截取的所述管狀構(gòu)件的橫截面之外橫向延伸，所述第一致動(dòng)器固定地附接到橫向地定位于所述構(gòu)件管腔外部的所述第一端部構(gòu)件的一部分，并且被配置為向所述第二端部構(gòu)件施加力，以增大所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件之間的縱向距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組件，進(jìn)一步包括剛性桿，所述剛性桿附接到所述第一致動(dòng)器并且在所述第一致動(dòng)器和所述第二端部構(gòu)件之間縱向延伸，以在所述第一致動(dòng)器和所述第二端部構(gòu)件之間傳遞力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，所述光學(xué)單元設(shè)備進(jìn)一步包括中間件，所述中間件在所述第一端部構(gòu)件和所述第二端部構(gòu)件之間的點(diǎn)被剛性地附接到所述管狀體的外表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的組件，其中，所述第一致動(dòng)器附接到在所述第一端部構(gòu)件和所述中間件中所選擇的一個(gè)，并且被配置為在所述第一端部構(gòu)件和所述中間件中的另一個(gè)上施加力。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的組件，其中，所述中間件是第一中間件，并且所述光學(xué)單元設(shè)備進(jìn)一步包括在所述第一端部構(gòu)件和所述第二端部構(gòu)件之間剛性地附接到所述管狀體的外表面的第二中間件，所述第一致動(dòng)器安裝在所述第一中間件上并且被配置為向所述第二中間件施加力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，在所述管狀體的外表面上設(shè)置有腔，并且所述第一致動(dòng)器至少部分地安裝在所述腔中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述第一換能器是壓電換能器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件是第一反射鏡和第二反射鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述管狀體由不銹鋼和殷鋼中的一種形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，進(jìn)一步包括第二致動(dòng)器，所述第二致動(dòng)器與所述第一致動(dòng)器串聯(lián)布置，以使得所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器中的每個(gè)在所述外表面的相同位置施加力。
14.一種腔衰蕩光譜設(shè)備，包括: 權(quán)利要求1所述的組件； 激光器組件，被配置為向所述光學(xué)單元設(shè)備提供光； 系統(tǒng)控制，被配置為控制所述第一致動(dòng)器，以使得能夠在預(yù)定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)地選擇所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件之間的距離；以及 檢測器，被配置為檢測從所述光學(xué)單元設(shè)備發(fā)出的光，并且將表示所述發(fā)出的光的電信號提供給所述系統(tǒng)控制。
15.—種組件,包括: 限定腔的剛性中空體； 剛性地附加在所述腔中的多個(gè)光學(xué)元件；以及 第一致動(dòng)器，被配置為向所述中空體的外表面施加足以使所述中空體的至少一部分彈性變形的力，使得所述多個(gè)光學(xué)元件中的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件之間的距離和相對定向中的一個(gè)以響應(yīng)方式而改變。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的組件，其中，所述中空體由不銹鋼和殷鋼中的一種制成。
17.一種腔衰蕩光譜設(shè)備，包括: 權(quán)利要求15所述的組件； 激光器組件，被配置為向所述光學(xué)單元設(shè)備提供具有相關(guān)波長的光；以及系統(tǒng)控制，被配置為控制所述第一致動(dòng)器，以使得施加到所述中空體的所述外表面的力足以將所述中空體拉伸大于由所述激光器組件提供的光的相關(guān)波長的一半的量。
18.一種用于確定分析物濃度的方法，包括: 用產(chǎn)生具有基本固定波長的光的激光激發(fā)光腔，所述光腔包括剛性體以及附加到所述剛性體的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件； 至少在第一位置使所述剛性體彈性變形，以使所述激光和所述腔共振； 檢測從所述腔發(fā)出的光；以及 評估所檢測的光，以確定所述分析物的濃度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括至少在第一位置和第二位置彈性變形所述剛性體，以改變所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件的相對定向。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，至少在第一位置使所述剛性體彈性變形包括將所述剛性體拉伸所述基本固定波長的至少一半。
【文檔編號】G01N21/00GK103562704SQ201280025010
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月25日
【發(fā)明者】凱文·K·萊曼 申請人:弗吉尼亞大學(xué)專利基金委員會(huì)