光學(xué)諧振器用反射鏡及其光學(xué)諧振器和光譜測(cè)量?jī)x的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)?jiān)O(shè)及光譜學(xué)，尤其設(shè)及一種光學(xué)諧振器用反射鏡及其光學(xué)諧振器和光譜測(cè) 量?jī)x。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，空腔回路衰減光譜技術(shù)（C畑S，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、大氣微量氣體監(jiān)測(cè)。作為光吸收測(cè)定 技術(shù)，已證實(shí)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) 諧振器中的光子平均壽命作為吸收靈敏度的可觀測(cè)量。
[0003] -般地，光學(xué)諧振器由一對(duì)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(dāng)配置可W形成一個(gè)穩(wěn)定的光學(xué)諧振器。一個(gè)激光脈沖通過(guò)一個(gè)反射鏡射入諧振器W 經(jīng)歷一個(gè)平均壽命時(shí)間，該平均壽命決定于光子往返渡越時(shí)間（transit time)、諧振器長(zhǎng) 度、吸收橫截面和物質(zhì)的濃度數(shù)量、內(nèi)部諧振器耗損因子(主要產(chǎn)生于當(dāng)衍射損耗可忽略不 計(jì)時(shí)，來(lái)自取決于頻率的反射鏡的反射率）。因此光吸收的測(cè)定由傳統(tǒng)的功率比測(cè)量轉(zhuǎn)化成 了時(shí)間衰減測(cè)量。CRDS的最終靈敏度由諧振器內(nèi)部的損耗量值決定，使用諸如精細(xì)拋光的 技術(shù)生產(chǎn)的超低損耗光學(xué)器件可W使運(yùn)個(gè)耗損值減至最小。
[0004] 從現(xiàn)有資料來(lái)看，組成空腔回路衰減光譜吸收光譜儀的諧振器的長(zhǎng)度一般都在1 米W內(nèi)，典型的長(zhǎng)30厘米至70厘米，其吸收系數(shù)表達(dá)式為a(v) = <-i片-To^i)。因此，從吸收 系數(shù)表達(dá)式可W看出，使用基于由高反射率鏡片組成的諧振器可W具有很高的測(cè)量靈敏 度，一般在PPb量級(jí)甚至更高。
[000引在諧振器中，反射鏡的反射面鍛設(shè)有高反射膜層，進(jìn)而提高光線的反射率。所述高 反射膜層為金屬反射膜或介質(zhì)反射膜。若使用金屬反射膜，由于單層的金屬膜硬度較低，極 易被擦傷，因此，常在金屬膜上加鍛保護(hù)膜，且金屬反射膜本身就需經(jīng)多次鍛設(shè)而成，得到 的金屬反射膜一般包含多層膜層。類似地，當(dāng)使用介質(zhì)反射膜時(shí)，介質(zhì)反射膜一般也需要通 過(guò)多次鍛設(shè)而成，因此，得到的介質(zhì)反射膜也包含多層膜層。
[0006] 在實(shí)際使用中，基于反射鏡的諧振器，由于其高反射膜層是鍛在前表面的（即鏡片 鍛外反射膜)的，此時(shí)，反射鏡的反射面和接觸樣品的接觸面重合，即同為一個(gè)面，所W在實(shí) 際使用時(shí)該高反射膜層和諧振器中的樣品會(huì)直接接觸。
[0007] 無(wú)論是金屬反射膜還是介質(zhì)反射膜，由于各膜層之間的粘附性、膜層和基底材質(zhì) 之間的粘附性、W及膜層的致密性有限，當(dāng)將高反射膜層置于高溫、高濕、高粉塵、腐蝕性等 惡劣環(huán)境中時(shí)，環(huán)境中的氣體、水汽及雜質(zhì)容易進(jìn)入到高反射膜層的各個(gè)膜層之間W及高 反射膜層與玻璃基底的連接處，使得高反射膜層容易被破壞;另外，在高反射膜層的制備過(guò) 程中，一般會(huì)引入顆粒異物，所引入的顆粒異物會(huì)造成高反射膜層的缺陷，當(dāng)有膜層缺陷的 反射鏡置于惡劣環(huán)境中時(shí)，會(huì)加劇破壞作用，運(yùn)不僅使得高反射膜層的反射率降低，損失光 能，而且破壞過(guò)程脫落的膜層還可能會(huì)阻擋光路，進(jìn)一步降低光能的收集效率，甚至?xí)沟?玻璃在高反射膜層的應(yīng)力的作用下變形破裂。
[0008] 因此，基于反射鏡的諧振器在使用中其膜層容易被樣品W及樣品中的雜質(zhì)所破 壞，影響光譜測(cè)量工作的正常進(jìn)行。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)中，諧振器中使用鍛設(shè)外反射膜的反射鏡為一種沿用設(shè)計(jì)，運(yùn)是由于在 使用單片鍛設(shè)外反射膜的反射鏡進(jìn)行反射光線時(shí)光線無(wú)須進(jìn)入玻璃層(基底)而直接被外 反射膜反射，進(jìn)而具有損耗低、高反射率的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到運(yùn)一優(yōu)點(diǎn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員在設(shè)計(jì) 諧振器時(shí)直接沿用上述設(shè)計(jì)，而未考慮其他設(shè)計(jì)方案。
[0010] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N諧振器用反射鏡及其諧振器和光譜測(cè)量 儀，W能夠使反射鏡的膜層難W被樣品W及樣品中的雜質(zhì)所破壞。
[0011] 為達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)一種用于樣品測(cè)量的諧振器用反射鏡，該反射鏡包括：
[0012] 第一面，其具有反射區(qū)域;所述反射區(qū)域上鍛設(shè)有反射膜W用于將光線反射；
[0013] 至少一個(gè)第二面，其將所述反射區(qū)域與待測(cè)樣品隔離，W使所述反射膜不與待測(cè) 樣品接觸。
[0014] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述第一面與所述第二面沿著光路行進(jìn)方向前后設(shè) 置，被所述反射區(qū)域反射的光線經(jīng)所述第二面入射或出射。
[0015] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述光線W布儒斯特角出入射所述第二面。
[0016] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述反射鏡包括至少一個(gè)面為曲面。
[0017] 為達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)還提供一種光學(xué)諧振器，其能接收和發(fā)出光線，并能將接 收到的光線在其內(nèi)部傳播，所述光學(xué)諧振器包括：
[0018] 光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括至少一個(gè)如上任一實(shí)施方式所述的反射鏡。
[0019] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述光學(xué)元件至少為兩個(gè)，所有所述光學(xué)元件將光線 形成閉合光路。
[0020] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，每個(gè)所述光學(xué)元件均為所述反射鏡。
[0021] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，還包括:匹配光學(xué)件，所述匹配光學(xué)件能將光源光線與 光學(xué)諧振器的模式匹配。
[0022] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，至少一個(gè)所述光學(xué)元件能夠旋轉(zhuǎn)和/或平移。
[0023] 為達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)還提供一種光譜測(cè)量?jī)x，包括如上任一實(shí)施方式所述的 光學(xué)諧振器。
[0024] 通過(guò)W上描述可W看出，本申請(qǐng)所提供的所述諧振器用反射鏡通過(guò)設(shè)有將所述第 一面與待測(cè)樣品隔離的所述第二面，保證所述反射區(qū)域不會(huì)與待測(cè)樣品進(jìn)行接觸，進(jìn)而保 證所述反射區(qū)域上的反射膜不會(huì)與待測(cè)樣品接觸，使得待測(cè)樣品W及樣品中的雜質(zhì)難W進(jìn) 入到反射膜中，所W本申請(qǐng)所提供的諧振器用反射鏡能夠使反射鏡的膜層難W被樣品W及 樣品中的雜質(zhì)所破壞。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅 是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下， 還可W根據(jù)運(yùn)些附圖獲得其他的附圖。
[0026] 圖1是高斯光束沿巧由傳播示意圖；
[0027] 圖2是復(fù)參數(shù)為q的高斯光束示意圖；
[0028] 圖3是一種由兩個(gè)反射鏡組成的兩鏡諧振器示意圖；
[0029] 圖4是一種諧振器中的折疊腔示意圖；
[0030] 圖5是圖4所示折疊腔的等效多元件直腔示意圖；
[0031 ]圖6是一種諧振器中的環(huán)形腔示意圖；
[0032] 圖7是圖6所示環(huán)形腔的等效多元件直腔示意圖；
[0033] 圖8是一種平行平面腔示意圖；
[0034] 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；
[0035] 圖10是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的反射鏡示意圖；
[0036] 圖11是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的反射鏡示意圖；
[0037] 圖12是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的反射鏡示意圖；
[0038] 圖13是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0039] 圖14是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0040] 圖15是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0041 ]圖16是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0042] 圖17是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0043] 圖18是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0044] 圖19是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[004引圖20是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0046] 圖21是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的諧振器示意圖；
[0047] 圖22是本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式提供的光譜測(cè)量?jī)x模塊示意圖。
【具體實(shí)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(qǐng)中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請(qǐng)實(shí) 施例中的附圖，對(duì)本申請(qǐng)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例僅僅是本申請(qǐng)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實(shí)用新 型保護(hù)的范圍。
[0049] -、一般原理
[0050] 下面將給出與本實(shí)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(gè)背景知識(shí)，W便對(duì)本實(shí)用新型有一個(gè)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(gè)特解，它可W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。
(丄1)
[00巧]其中，R(Z)、CO (Z)、W的表達(dá)式如下所示：
[0056] W(二）=化、(1.2)
[0057] R(z)=Zo(z/Zo+Zo/z) (1.3)
[005引 W =l：an-i(z/Zo) (1.4)
[0059] 式（I. 2)表示了高斯光束的束寬，式（I.3)表示了高斯光束的等相面曲率半徑，式 (1.4)
[0060] 表示了高斯光束的相位因子，其中
[0061] 高斯光束由R(Z)、CO (z)、z中的任意兩個(gè)即可確定，一般用復(fù)參數(shù)q表示高斯光束， 如式(1.5)所示。
(1.5)
[0063]高斯光束復(fù)參數(shù)q通過(guò)變換矩陣
1的光學(xué)系統(tǒng)的變換遵守ABCD定律：
(L6)
[006引如圖2所示，如果復(fù)參數(shù)為qi的高斯光束順次通過(guò)變換矩陣為：
(1. 7)
[0067]的光學(xué)系統(tǒng)后變?yōu)閺?fù)參數(shù)為q的高斯光束，此時(shí)ABCD定律亦成立，但其中ABCD為下 面矩陣M的諸元：
[006 引 M=Mn...M2 化（1.8)
[0069] B:光學(xué)諧振腔
[0070] 穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔是指可使高斯光束的復(fù)參數(shù)q在傳播一個(gè)周期后(往返一周或 環(huán)繞一周)滿足自再現(xiàn)條件，即q = q(T)或腔內(nèi)存在著高斯分布的自再現(xiàn)模。所W光學(xué)諧振 腔具有兩個(gè)特點(diǎn)：1、諧振腔的尺寸遠(yuǎn)大于光波的波長(zhǎng);2、一般為開(kāi)腔。
[0071]