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OPTISCHER RESONATOR FÜR HOHLRAUM-ABKLING-SPEKTROSKOPIE MIT PRISMENRETROREFLEKTOREN - Dokument DE69828896T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69828896T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001025430
Titel OPTISCHER RESONATOR FÜR HOHLRAUM-ABKLING-SPEKTROSKOPIE MIT PRISMENRETROREFLEKTOREN
Anmelder The Trustees of Princeton University, Princeton, N.J., US
Erfinder LEHMANN, K., Kevin, Lawrenceville, US;
RABINOWITZ, Paul, Bridgewater, US
Vertreter Bittner und Kollegen, 85049 Ingolstadt
DE-Aktenzeichen 69828896
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.09.1998
EP-Aktenzeichen 989485396
WO-Anmeldetag 25.09.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/20062
WO-Veröffentlichungsnummer 0099020996
WO-Veröffentlichungsdatum 29.04.1999
EP-Offenlegungsdatum 09.08.2000
EP date of grant 02.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse G01N 21/39(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G01N 21/03(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      G02B 5/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft im Wesentlichen Absorptions-Spektroskopie und ist insbesondere auf die Verwendung eines stabilen, optischen Hochfinesse-Resonators zur Hohlraum-Abkling-Spektroskopie gerichtet, der Brewsterwinkel-Prismen-Retroreflektoren beinhaltet.

Hintergrund der Erfindung

Nun wird auf die Zeichnung Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszeichen sich überall auf gleiche Elemente beziehen, wobei 1 das elektromagnetische Spektrum auf einer logarithmischen Skala zeigt. Die Spektroskopie-Wissenschaft erforscht Spektren. Im Gegensatz zu wissenschaftlichen Gebieten, die sich mit anderen Teilen des Spektrums befassen, umfasst die Optik sichtbares und nahezu sichtbares Licht – einen sehr schmalen Teil des vorhandenen Spektrums, der sich wellenlängenmäßig von etwa 1 mm bis etwa 1 nm erstreckt. Nahezu sichtbares Licht beinhaltet Farben, die röter als rot sind (Infrarot) und Farben, die violetter als violett sind (Ultraviolett). Der Bereich erstreckt sich gerade weit genug auf jede Seite des sichtbaren Bereichs, dass das Licht noch mittels der meisten, aus den üblichen Materialien gefertigten Linsen und Spiegel gehandhabt werden kann. Die Wellenlängenabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Materialien muss oft beachtet werden.

Absorptionstyp-Spektroskopie bietet hohe Sensitivität, Ansprechzeiten in der Größenordnung von Mikrosekunden, Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, und begrenzte Interferenz von anderen molekularen Spezies als denen, die gerade erforscht werden. Verschiedene molekulare Spezies, aber insbesondere einfache Moleküle wie Wasser, können durch Absorptions-Spektroskopie nachgewiesen oder identifiziert werden. Somit stellt die Absorptions-Spektroskopie ein allgemeines Verfahren zum Nachweis wichtiger Spurenstoffe bereit. In der Gasphase sind die Empfindlichkeit und Selektivität dieses Verfahrens optimiert, da die Spezies ihre Absorptionsstärke in einem Satz scharfer Spektrallinien konzentriert haben. Die schmalen Linien in dem Spektrum können zur Unterscheidung von den meisten interferierenden Spezies verwendet werden.

In vielen industriellen Verfahren muss die Konzentration von Spurenstoffen in fließenden Gasströmen mit einem hohen Grad an Geschwindigkeit und Genauigkeit gemessen und analysiert werden. Eine solche Messung und Analyse ist erforderlich, da die Konzentration an Verunreinigungen hinsichtlich der Qualität des Endprodukts oftmals entscheidend ist. Gase wie N2, O2, H2, Ar, und He werden zum Beispiel zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet, und das Vorliegen von Verunreinigungen wie Wasser in solchen Gasen – sogar auf einem Niveau von Teilen auf eine Milliarde (ppb) – ist schädigend und reduziert die Ausbeute an betriebsfähigen Schaltkreisen. Daher ist die relativ hohe Sensitivität, mit der Wasser spektroskopisch angezeigt werden kann, für die Hersteller von hochreinen Gasen, wie sie in der Halbleiterindustrie verwendet werden, bedeutsam. Verschiedene Verunreinigungen müssen in anderen industriellen Anwendungen detektiert werden.

Die Spektroskopie hat ein Detektions-Niveau von Teilen auf eine Million (ppm) für Wasser in hochreinen Gasen erlangt. Detektionsempfindlichkeiten auf dem ppb-Niveau sind in einigen Fällen erreichbar. Entsprechend wurden verschiedene spektroskopische Verfahren auf solche Anwendungen angewandt, wie das Anzeigen des Wassergehalts in Gasen, inklusive: Absorptionsmessungen in herkömmlichen Zellen mit langer Weglänge, fotoakustische Spektroskopie, Frequenzmodulations-Spektroskopie, und Intra-Hohlraum-Laser-Absorptionsspektroskopie. Diese Verfahren weisen verschiedene, im U.S.-Patent Nr. 5,528,040, für Lehmann, erörterte Merkmale auf, wodurch diese Verfahren schwierig anzuwenden und für industrielle Anwendungen unpraktisch sind. Daher sind sie größtenteils auf Untersuchungen im Labor beschränkt worden.

Im Gegensatz dazu ist die Hohlraum-Abkling-Spektroskopie (CRDS) eine bedeutende spektroskopische Technik geworden, mit Anwendungen in Wissenschaft, industrieller Verfahrenssteuerung, und atmosphärischer Spurengasdetektion. CRDS wurde als eine Technik zur Messung optischer Absorption demonstriert, die im Bereich niedrigen Absorptionsmaßes, in dem herkömmliche Verfahren unzureichende Empfindlichkeit aufweisen, überragend ist. CRDS macht sich die Halbwertzeit von Photonen in einem optischen Hochfinesse-Resonator zunutze als die wahrnehmbare Absorptionsempfindlichkeit.

Typischerweise besteht der Resonator aus einem Paar nominal äquivalenter, dielektrischer Schmalband-Spiegel mit ultrahohem Reflexionsvermögen, die entsprechend konfiguriert sind, um einen stabilen optischen Resonator zu bilden. Durch einen Spiegel wird ein Laserimpuls in den Resonator abgegeben, um eine Halbwertzeit festzustellen, die abhängt von der Umlauftransitzeit der Photonen, der Länge des Resonators, dem Absorptionsquerschnitt und der Anzahldichte der Stoffe, und einem Zählfaktor für Resonatoreigenverluste (die größtenteils durch das Frequenz-abhängige Spiegelreflexionsvermögen, wenn Beugungsverluste unwesentlich sind, entstehen). Die Festlegung der optischen Absorption wird daher von der konventionellen Leistungsverhältnismessung zu einer Messung der Abklingzeit umgewandelt. Die Höchstempfindlichkeit der CRDS wird durch die Größenordnung der Resonatoreigenverluste bestimmt, die durch Techniken wie dem Feinschleifen minimiert werden können, was die Herstellung von Optiken mit ultrageringen Verlusten gestattet.

Gegenwärtig ist die CRDS auf spektroskopische Bereiche begrenzt, bei denen dielektrische Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen benutzt werden können. Dies hat die Brauchbarkeit des Verfahrens in vielen der ultravioletten und infraroten Bereiche begrenzt, da Spiegel mit genügend hohem Reflexionsvermögen derzeit nicht erhältlich sind. Sogar in Bereichen, in denen geeignete dielektrische Spiegel erhältlich sind, gestattet jedes Spiegelset nur den Betrieb über einen schmalen Wellenlängenbereich, typischerweise einen Teilbereich von wenigen Prozent. Des Weiteren erfordert die Konstruktion vieler dielektrischer Spiegel die Verwendung von Materialien, die sich mit der Zeit verschlechtern, insbesondere, wenn sie Umgebungen mit chemisch bedingter Korrosion ausgesetzt werden. Weil diese derzeitigen Begrenzungen die Verwendung von CRDS in vielen potentiellen Anwendungen einschränken oder verhindern, besteht eine klar erkennbare Notwendigkeit, hinsichtlich der Resonatorkonstruktion den bestehenden Stand der Technik zu verbessern.

Der Artikel von A. Pipino et al., „Flüchtige Wellen-Hohlraum-Abkling-Spektroskopie mit einem Totalreflexions-Minihohlraum", Rev. Sci. Instrum. 68(8) (Aug. 1997), stellt einen Ansatz für eine verbesserte Resonatorkonstruktion dar. Der Ansatz verwendet einen monolithischen Totalreflexions-(TIR)Ringresonator von regelmäßiger polygonaler Geometrie (z.B. Quadrat oder Achteck) mit mindestens einer konvexen Facette, um Stabilität zu verleihen. Ein Lichtimpuls wird total durch ein erstes, außerhalb und in der Nähe des Resonators befindliches Prisma reflektiert, wodurch eine flüchtige Welle erzeugt wird, die in den Resonator eintritt und während der Photonentunnelung die stabilen Modi des Resonators erregt. Das Absorptionsspektrum des Materials, welches an den total reflektierenden Flächen des Resonators angeordnet ist, erhält man durch die mittlere Lebensdauer eines Photons in dem monolithischen Resonator, welche hergeleitet wird aus der Zeitabhängigkeit des Signals, das von einem Detektor empfangen wird durch Entkoppeln mit einem zweiten Prisma (ebenfalls ein total reflektierendes, sich außerhalb, jedoch in der Nähe des Resonators, befindliches Prisma). Somit tritt optische Strahlung in den Resonator ein und aus durch Photonentunnelung, was eine präzise Steuerung des Input- und Output-Koppelns gestattet. Eine Miniatur-Resonator-Realisierung von CRDS-Ergebnissen und der TIR-Ring-Resonator erstrecken das CRDS-Konzept auf die Spektroskopie kondensierten Materials. Der Breitbandcharakter von TIR umgeht die Begrenzung auf schmale Bandbreiten, die durch dielektrische Spiegel in herkömmlicher Gasphasen-CRDS auferlegt ist. Die Arbeit von A. Pipino et al. ist nur auf TIR-Spektroskopie anwendbar, die an sich auf kurze Gesamtabsorptionsweglängen begrenzt ist, und somit auf starke Absorptionskräfte. Im Gegensatz hierzu stellt die vorliegende Erfindung lange Absorptionsweglängen bereit und gestattet somit die Detektion von schwachen Absorptionskräften.

Es ist auch möglich, einen Resonator aus zwei Brewsterwinkel-Dachprismen mit gekreuzten Achsen zu bauen, wie in Gould et al., „Gekreuztes Dachprismen-Interferometer", Appl. Opt., Band 1, 533-34 (1962), beschrieben. Der Vorteil dieses Resonators ist der, dass er hinsichtlich jeder kleinen Winkelabweichung der Prismen ausgerichtet bleibt. Der Nachteil liegt darin, dass der Brewsterwinkel eines der Prismen baulich festgelegt werden muss, d.h., der Brewsterwinkel kann nicht hinsichtlich der Wellenlänge durch Rotation des Prismas eingestellt werden. Es gibt Anwendungen (z.B. bei speziellen Wellenlängen), wo die robuste Ausrichtung eines solchen Resonators so wünschenswert ist, dass der Verlust der Fähigkeit, den Brewsterwinkel einzustellen, toleriert werden kann. Die Unfähigkeit, den Brewsterwinkel einzustellen, begrenzt jedoch seine Anwendung. Des Weiteren ist der bei Gould et al. beschriebene Resonator nicht optisch stabil, und kann daher nicht dazu verwendet werden, hinsichtlich Diffraktion einen Resonator mit geringen Verlusten zu produzieren.

Die US 4,161,436 offenbart einen Lichtverstärkungsapparat und die Verwendung von optischen Elementen im Brewsterwinkel zum Zwecke der Polarisation und Reduzierung von Verlusten beim Passieren eines Lichtstrahls entlang eines Wegs.

Um die Nachteile der bekannten Ansätze bezüglich verbesserten Resonatorbaus zu überwinden, wird ein neuer Hochfinesse-Resonator (oder optischer Resonator) für CRDS bereitgestellt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die herkömmlichen dielektrischen Spiegel durch Brewsterwinkel-Prismaretroreflektoren zu ersetzen, wodurch ein verbesserter Resonator bereitgestellt wird. Eine damit verbundene Aufgabe besteht darin, die Begrenzung auf eine schmale Bandbreite bei herkömmlichen dielektrischen, in der CRDS verwendeten Spiegeln zu umgehen. Eine andere damit verbundene Aufgabe besteht in der Erweiterung der Anzahl potentieller Anwendungen für CRDS.

Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Resonator bereitzustellen, der Materialien enthält, die sich mit der Zeit nicht merklich verschlechtern, sogar in Umgebungen mit chemisch bedingter Korrosion. Eine zusätzliche Aufgabe besteht in der Ermöglichung des „Tunings" (der Einstellung), oder Ausrichtung, des Resonators durch Drehen der Prismen des Resonators. Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein innovatives CRDS-Resonator-Design bereitzustellen, das einen geringen Eigenenergieverlust und ein wohldefiniertes Verhältnis zwischen Photonen-Abklingzeit und Absorption erreicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Um diese oder andere Aufgaben zu bewältigen, und hinsichtlich ihrer Zwecke, stellt die vorliegende Erfindung einen stabilen Resonator für eine Hohlraum-Abkling-Spektroskopie-Zelle mit einer optischen Achse bereit, wie in Anspruch 1 beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert. Der Resonator beinhaltet zwei Brewsterwinkel-Retroreflektorprismen, wobei jedes eine Vielzahl von Totalreflexionsflächen aufweist. Die Prismen sind in Ausrichtung entlang der optischen Achse des Resonators angeordnet. Eines oder beide der Prismen kann bzw. können unabhängig voneinander gedreht werden, so dass Lichtstrahlen in eine Fläche des Prismas eintreten und aus dieser austreten unter annähernd einem Brewsterwinkel zur Normalen der Prismenfläche. Dieses Merkmal hält die Ausrichtung zwischen den Prismen aufrecht und erlaubt die Einstellung bzw. das „Tunen" des Resonators. Eine der Totalreflexionsflächen von mindestens einem der Prismen ist eine gekrümmte Fläche (entweder eine eingeschliffene gekrümmte Fläche oder eine Fläche, die ihre Krümmung durch Hinzufügen einer plankonvexen Linse an die Oberfläche durch optisches Kontaktieren oder Kleben erhalten hat). In einer bevorzugten Ausführungsform weist jedes der Prismen einen Spitzenwinkel von etwa 135° minus Brewsterwinkel, einen zweiten Winkel von etwa 90°, und einen dritten Winkel von etwa 135° minus zweimal Brewsterwinkel auf.

Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung für die Erfindung beispielhaft, jedoch nicht einschränkend, sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist am besten durch die folgende detaillierte Beschreibung zu verstehen, wenn sie in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung gelesen wird. Es wird betont, dass gemäß allgemeiner Praxis die verschiedenen Merkmale der Zeichnung nicht maßstabsgetreu sind. Im Gegenteil, die Abmessungen der verschiedenen Merkmale sind aus Gründen der Klarheit willkürlich erweitert oder reduziert. In der Zeichnung sind die folgenden Figuren enthalten:

1 zeigt das elektromagnetische Spektrum auf einer logarithmischen Skala;

2 zeigt Totalreflexion in einem Prisma;

3 zeigt die Lichtabweichung, wenn dieses durch ein Prisma tritt;

4 zeigt, wie ein Winkelreflektor (Retroreflektor) Licht exakt in seiner ursprünglichen Richtung zurückreflektiert;

5 zeigt einen unpolarisierten, auf eine Glasfläche treffenden Lichtstrahl;

6 ist eine Seitenansicht einer Linse, wobei die Seitenansicht Meridionalstrahlen zeigt und abbildet, wie ein sich außerhalb der Achse befindliches Objekt einem Astigmatismuseffekt unterliegt;

7 ist eine Draufsicht auf die in 6 gezeigte Linse, wobei die Draufsicht sagittale Strahlen zeigt und abbildet, wie ein sich außerhalb der Achse befindliches Objekt einem Astigmatismuseffekt unterliegt;

8 veranschaulicht den verbesserten Resonator für CRDS, welcher zwei Brewsterwinkel-Retroreflektorprismen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;

9A ist eine Draufsicht des bevorzugten Prismas, das in dem in 8 gezeigten Resonator verwendet wird;

9B ist eine Rückansicht des Prismas aus 9A;

10 zeigt, wie Strahlen einfallenden Lichts in das Prisma, welches gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, annähernd im Brewsterwinkel zur Normalen der Prismenfläche (mit Winkeln, die für ein aus Quarzglas gefertigtes Prisma berechnet sind) ein- und austreten;

11 zeigt eine der Totalreflexionsflächen auf einem Prismenboden mit einer Krümmung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

12 zeigt eine plankonvexe Linse gemäß der vorliegenden Erfindung, die in optischem Kontakt mit einer Prismenfläche steht oder an diese geklebt ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Nachfolgend wird eine einleitende Zusammenfassung der wesentlichen Prinzipien moderner Optik, die für die vorliegende Erfindung relevant sind, präsentiert. Die Zusammenfassung dient dazu, den Kontext für ein vollständiges Verständnis der Erfindung bereitzustellen. Der Fachmann kann mit dem nächsten Abschnitt fortfahren.

I. Allgemeine Prinzipien

Wenn Licht von einem ersten Medium in ein optisch dichteres zweites Medium eintritt, wird das Licht zur Normalen hin gebrochen. Licht, das von einem dichten Medium in ein dünnes Medium eintritt, wird von der Normalen weg gebrochen. Es gibt einen Winkel, der Grenzwinkel oder kritischer Winkel genannt wird, &THgr;c, so dass für alle Einfallswinkel, die größer sind, als dieser Winkel, das gesamte Licht reflektiert und keines durchgelassen wird. Dieser Effekt wird Totalreflexion (TIR) genannt und tritt innerhalb eines Materials auf, das optisch dichter ist als das Material außerhalb der Begrenzung.

Ein Prisma ist ein Typ einer brechenden und reflektierenden Einrichtung. Wie in 2 gezeigt, ist ein Prisma 10 ein Keil optischen Materials, das abhängig vom Einfallswinkel Licht entweder brechen oder vollständig reflektieren kann. Das in 2 gezeigte 45°-Glasprisma ist besonders nützlich, da einfallendes Licht 12, das normal an einer Seite eintritt, vollständig auf der anderen Seite hinausreflektiert wird, wobei es die Richtung um 90° geändert hat. Totalreflexion tritt auf, weil das Licht in einem Winkel von 45° auf die innere Fläche trifft, welcher größer ist als der Grenz- bzw. kritische Winkel von etwa 41° für Glas. Die Linie „N" stellt eine Linie dar, die die Normale (Senkrechte) zu einer Fläche darstellt.

Lichtenergie, die auf eine äußere Fläche des Prismas 10 in einem Winkel trifft, gezeigt in 3, wird teilweise gebrochen, wird teilweise durch eine innere Fläche reflektiert, und wird nochmals gebrochen, wenn es als austretendes Licht 14 wieder erscheint. Es ist von seiner ursprünglichen Richtung abgewichen, um in einem neuen Winkel wieder auszutreten. Das allgemeine Resultat besteht darin, dass das Licht teilweise zurück in die Richtung geworfen wird, aus der es kam. Die Abweichung hängt vom Brechungsindex des Prismas ab, dem Einfallswinkel, und vom Winkel im Scheitelpunkt des Prismas. Für eine symmetrische Anordnung von ein- und ausfallendem Licht, 12 bzw. 14, stellt der Abweichungawinkel ein Minimum dar. Komplexere Prismen verwenden Reflexionen zur Durchführung komplexer Änderungen bezüglich Bildlage. Zum Beispiel weist das Winkelprisma 10 aus 4 die geometrische Eigenschaft auf, Licht exakt in die Richtung zurückzusenden, aus der es kam (d.h., das Licht zurückzustrahlen).

Wie bei jeder elektromagnetischen Strahlung geht die elektromagnetische Theorie auch bei Licht von einer transversalen Welle aus: Die Richtungen der schwingenden elektrischen und magnetischen Vektoren verlaufen in rechten Winkeln zur Richtung der Ausbreitung (anstatt parallel dazu zu verlaufen, wie bei einer Longitudinalwelle). Die transversale Welle weist außerdem die Eigenschaft auf, dass die Schwingungen des elektrischen Vektors parallel zueinander verlaufen in Bezug auf alle Punkte in der Welle (d.h., die Welle ist ausgerichtet, oder polarisiert). Tatsächlich kann inkohärentes, in eine gegebene Richtung ausgebreitetes Licht (kein Laser-Licht) aus kurzen unabhängigen Wellengruppen, deren Schwingungsebenen zufällig um die Ausbreitungsrichtung herum ausgerichtet sind, bestehen. Ein solches Licht, obwohl transversal, ist unpolarisiert. Licht kann teilweise oder vollständig durch Reflexion polarisiert werden.

5 zeigt unpolarisiertes einfallendes Licht 12, das sich durch Luft bewegt und auf eine Glasfläche 16 fällt. Das Glas weist einen Brechungsindex n von 1,5 auf. Der elektrische Vektor für jede Wellengruppe in dem Licht kann in zwei Komponenten aufgelöst werden. Eine Komponente verläuft senkrecht zur Einfallsebene, welche die Ebene aus 5 ist, und die andere liegt in der Einfallsebene. Die erste, durch die Punkte dargestellte Komponente ist die S-Polarisationskomponente (vom deutschen Wort „senkrecht"). Die zweite, durch die Pfeile dargestellte Komponente ist die P-Polarisationskomponente (für parallel). Im Durchschnitt weisen diese beiden Komponenten für vollständig unpolarisiertes Licht die gleiche Amplitude auf.

Für Glas oder andere dielektrische Materialien gibt es einen speziellen Einfallswinkel, Polarisationswinkel genannt (auch Brewsterwinkel &THgr;B genannt, weil er experimentell von David Brewster entdeckt wurde), bei dem der Reflexionskoeffizient für die P-Polarisationkomponente Null beträgt. Somit wird das vom Glas reflektierte Licht 18, obwohl von geringer Intensität, eben polarisiert, wobei seine Schwingungsebene in rechten Winkeln zur Einfallsebene verläuft. Die P-Polarisationskomponente beim Polarisationswinkel wird vollständig im Brechungswinkel &THgr;r gebrochen; die S-Polarisationskomponente wird nur teilweise gebrochen. Somit wird das durchgelassene Licht 20, welches von hoher Intensität ist, nur teilweise polarisiert.

Da Licht eine Welle ist, verschwindet es auf der anderen Seite einer Begrenzung, wo es Totalreflexion gibt, nicht abrupt. Eine gedämpfte, sich nicht fortpflanzende Form der Welle streut zurück und erscheint entlang der Abgrenzung als eine „flüchtige Welle". Diese flüchtige Welle kann in eine sich fortpflanzende Welle umgewandelt werden, wenn eine andere Fläche sehr nah an die Grenzfläche herangebracht wird, im Bereich einiger Wellenlängen. Dieses Verfahren wird „frustrierte Totalreflexion" genannt.

Hinsichtlich ihrer Reaktion auf Licht sind Materialien oftmals optisch anisotrop. In solchen Materialien ist das Verhalten hinsichtlich der drei unabhängigen, in dem Material möglichen Richtungen verschieden; im Gegensatz hierzu zeigen isotrope Materialien keine Richtungsvorlieben. Zum Zwecke dieser Offenbarung werden Materialien in Betracht gezogen, die ein identisches Verhalten in zwei der drei Richtungen aufweisen. Die dritte (eindeutige) Richtung wird als optische Achse bezeichnet. Bei diesen Materialien, als einachsig bekannt, kann zum Zwecke der Lichtausbreitung in jeder Richtung, außer entlang der optischen Achse, das Licht in zwei unterschiedliche Wellen mit eindeutigen Polarisationen aufgelöst werden; wobei bei einer das elektrische Feld in rechten Winkeln zu der optischen Achse (der gewöhnlichen Welle), und die andere mit einer Komponente des elektrischen Felds parallel zu der optischen Achse (der außergewöhnlichen Welle) ausgerichtet ist. Diese Wellen unterschiedlicher Polarisation brechen sich in dem Medium unterschiedlich, mit unterschiedlichen Brechungsindizes und daher verschiedenen Geschwindigkeiten, was eine physikalische Trennung des Lichts verursacht und als Doppelbrechung oder Birefringenz bezeichnet wird. Licht, das sich entlang der optischen Achse bewegt, wird immer in rechten Winkeln zu der Achse polarisiert und ist ausschließlich eine gewöhnliche Welle. In dem allgemeineren Fall, mit unterschiedlichem Lichtansprechverhalten in den drei räumlichen Richtungen (zweiachsige Systeme), tritt – obwohl in der Analyse komplexer – eine ähnliche Doppelbrechung auf. Herkömmliche doppelbrechende Materialien beinhalten Kalzit, kristallines Quarz und Saphir.

Eine Linse 26 (oder 22 in 6 und 7) bildet jeden Objektpunkt 28 in einen Bildpunkt 30 ab. Beim Astigmatismus kommen die Strahlen von außerhalb der Achse liegenden Objektpunkten an unterschiedlichen Brennpunkten an. Man beachte die Strahlen 32 von der Oberseite des in Seitenansicht in 6 gezeigten Objekts. Die Strahlen 32 befinden sich in einer meridionalen Ebene und treten asymmetrisch durch die Linse 26. In der Draufsicht der in

7 gezeigten Linse 26 befindet sich inzwischen ein anderer Strahlensatz 34 von demselben Punkt aus in einer sagittalen Ebene und trifft die Linse 26 symmetrisch. Die Brennpunkte sind hinsichtlich der beiden Ebenen der Strahlen getrennt, wobei sich der Brennpunkt für die sagittalen Strahlen 34 in größerem Abstand zur Linse 26 befindet als der für die meridionalen Strahlen 32.

Ein einfacher Weg, auf Astigmatismus zu testen, besteht darin, ein Testmuster aus Punkten zu verwenden. In den beiden unterschiedlichen Brennebenen, meridional und sagittal, wird es zwei unterschiedlich verschwommene Bilder des Musters geben. In der meridionalen Brennebene verschwimmen die Punkte tangential, während in der sagittalen Brennebene die Punkte radial verschwimmen und kleine Pfeile bilden („sagitta" ist das lateinische Wort für Pfeile), die in Richtung der Achse zeigen. Dieser Astigmatismus tritt bei sphärisch symmetrischen Linsen auf. Bei dem Verfahren sind diese Effekte nur zu sehen, wenn die Linse frei von anderen Aberrationen wie sphärischer Aberration und Koma ist. Sphärische Aberration führt zu Randstrahlen, die näher zur Linse hin fokussiert sind als axiale Strahlen; Koma ist eine Aberration, bei der schräge Strahlen unterschiedliche Brennpunkte aufweisen, abhängig davon, an welchem Teil der Linse sie durchgetreten sind.

II. Der Resonator der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt einen verbesserten Resonator 100 für die CRDS bereit, basierend auf der Verwendung zweier Brewsterwinkel-Retroreflektorprismen 50, 52, die aus einem qualitativ hochwertigen optischen Material hergestellt sind. 8 ist eine schematische Zeichnung der Prismen 50, 52; der optischen Achse 54; und des erwarteten optischen Wegs innerhalb jedes Prismas 50, 52. Der polarisierende oder Brewsterwinkel &THgr;B ist in Relation zum Prisma 50 gezeigt. Die spezifischen Winkel von 8 sind unter der Annahme gezeichnet, dass die Prismen 50, 52 aus Quarzglas hergestellt sind, obwohl (wie nachfolgend erläutert) an Stelle dessen andere Materialien verwendet werden könnten. Einfallendes Licht 12 und austretendes Licht 14 werden als Input in das bzw. Output aus dem Prisma 52 veranschaulicht. Der resonante optische Strahl erfährt zwei Totalreflexionen ohne Verlust in jedem Prisma 50, 52 bei etwa 45°, einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel für geschmolzenen Quarz und die meisten anderen herkömmlichen Materialien für optische Prismen.

Optische Resonatorverluste werden im Wesentlichen verursacht durch (1) Streuung aufgrund von Fehlern und Schmutz auf den Flächen der Prismen 50, 52; (2) verbleibende Doppelbrechung in dem optischen Material, entweder aufgrund von Verformung oder Ausrichtungsfehlern der optischen Achse des Prismengrundmatierals; (3) Ausrichtungsfehler bezüglich der Parallelität der verbindenden Flächen der Prismen 50, 52; (4) Abweichung vom Brewsterwinkel; und (5) interner optischer Durchlässigkeitsverlust in den Prismengrundmaterialien aufgrund von Absorption oder Streuung. Die Prismen 50, 52 können so konstruiert werden, dass sie über einen weiten Bereich des optischen Spektrums einen geringen Verlust (d.h. weniger als 0,01 % pro Hin- und Rückweg) bereitstellen. Zusätzlich sind einige der wünschenswertesten Materialien zur Verwendung als Prismerigrundmaterialien, welche Quarzglas, Saphir und Diamant beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, Materialien, die extrem hart und weitgehend chemisch träge sind, was dem Problem aggressiver Umgebungen begegnet.

Somit wird der Resonator 100 für die CRDS, der aus solchen Prismen 50, 52 konstruiert ist, dem Bereich der Anwendbarkeit der CRDS sehr entsprechen und diesen erweitern.

III. Das Prismadesign der vorliegenden Erfindung

Das bevorzugte Design der Prismen 50, 52 ist in den 9A und 9B veranschaulicht. Beispielsweise weist das Prisma 50 eine erste Fläche 1, eine zweite Fläche 2, eine dritte Fläche 3 und eine vierte Fläche 4 auf. 9A ist eine Draufsicht des Prismas 50 und zeigt die bevorzugten Längenabmessungen der Fläche 1 (25,8 mm), Fläche 2 (15 mm), und Fläche 3 (19 mm). 9B ist eine Rückansicht des Prismas 50 und zeigt die bevorzugten Höhenabmessungen der Flächen 2, 3 und 4 (12,5 mm) und die bevorzugte Breite der Flächen 3 und 4 in Kombination (25,4 m).

Für Prismen, die aus einem Material mit einem Brechungsindex „n" in Relation zu dem umgebenden Medium (d.h., n = n2 ÷ n1, wobei n2 der Brechungsindex des Prismas ist und n1 der Brechungsindex des das Prisma umgebenden Mediums ist – typischerweise Luft mit n1 = 1) konstruiert sind, ist der Brewsterwinkel &THgr;B durch den Arkustangens von n gegeben. Der wert von n für das in den 9A und 9B gezeigte Beispielprisma 50 beträgt etwa 1,4607; &THgr;B beträgt etwa 55°36'. Das Prisma 50 weist eine Designmitte von etwa 0,532 &mgr;m auf. Der Spitzenwinkel des Prismas 50 (&THgr;1) entspricht 135° – &THgr;B und beträgt in der bevorzugten Ausführungsform etwa 79°24'. Der Winkel &THgr;2 beträgt vorzugsweise etwa 90°. Der Winkel &THgr;3 entspricht 180° – 2 &THgr;B und beträgt in der bevorzugten Ausführungsform etwa 68°48'.

10 zeigt, dass Strahlen einfallenden Lichts 12 in das Prisma 50 eintreten, und als Strahlen austretenden Lichts 14 das Prisma verlassen, nahezu im Brewsterwinkel (innerhalb einer geringen Abweichung, &dgr;) zur Normalen „N" von Fläche 1. Dies führt zu geringem, aber gesteuertem Reflexionsverlust für optische Strahlung mit P-Polarisation in Bezug auf die Brewsterwinkelfläche. Der Wert von n für das Beispielprisma 50, das in 10 gezeigt ist, beträgt ungefähr 1,45047; &THgr;B beträgt etwa 55°25'. Das Prisma 50 weist eine Designmitte von 1 &mgr;m auf. Jegliche optische Strahlung in der S-Polarisation wird rapide gedämpft aufgrund großen Reflexionsverlusts. Das Symbol „&ohgr;" charakterisiert die Größe des durch den Lichtstrahl erzeugten Flecks; es kommt zu einer unbedeutenden „Verstümmelung" des Strahls. Die Fleckengröße für die Mode kleinster Ordnung kann aus der Theorie für standardmäßige optische Resonatoren berechnet werden. Für das in 10 veranschaulichte Prisma 50 beträgt der Spitzenwinkel (&THgr;1) vorzugsweise etwa 79°35' (oder 79,58°). Der Winkel &THgr;2 beträgt vorzugsweise etwa 90°. Der Winkel &THgr;3 beträgt etwa 69°10' (oder 69,17°).

IV. Konstruktionsmaterial

Die Wahl des optimalen Materials zur Verwendung bei der Konstruktion der Prismen 50, 52 wird von der speziellen Anwendung abhängen. Um das Schleifen der Flächen hinsichtlich der erforderlichen Toleranzen zu ermöglichen, wird ein „hartes" und chemisch stabiles Grundmaterial benötigt. Ebenfalls wünschenswert ist ein Material, welches sowohl geringe Absorption als auch geringen Streuungsverlust über den interessierenden Spektrumsbereich aufweist. Obwohl vier Grundmaterialien als geeignet bekannt sind, nämlich Quarzglas, Saphir, Kalziumfluorid und Diamant, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese speziellen Materialien begrenzt.

Quarzglas ist ein exzellentes Material, das auf breiter Front in der optischen Industrie zur Konstruktion von optischen Präzisionskomponenten verwendet wird. Über einen breiten Wellenlängenbereich weist es einen geringen Absorptionsverlust auf. Da es ein Glas ist, weist Quarzglas jedoch auf molekularem Level eine eingefrorene Unordnung auf, die zu merklichem Raleigh-Streuungsverlust führt, insbesondere im ultravioletten Bereich.

Einzelne Kristall-Saphir-Grundmaterialien sind erhältlich und können ebenfalls gemäß präziser Spezifikation verarbeitet werden. Saphir weist einen weiteren Spektralbereich hinsichtlich Absorptionsverlust auf als Quarzglas; die qualitativ hochwertigsten Muster weisen einen fast unbedeutenden Streuungsverlust durch den sichtbaren und in den nahezu ultravioletten Bereich hinein auf. Saphir ist ein doppelbrechendes Material und, um übermäßigen Verlust aufgrund von Polarisationsdrehung innerhalb der Resonatoroptik zu verhindern, muss die einzige optische Achse entlang der Achse ausgerichtet werden, die senkrecht zu der Ebene in 9A steht. Dies kann innerhalb des erforderlichen Toleranzbereichs durchgeführt werden. Die natürliche Doppelbrechungseigenschaft von Saphir ist vorteilhaft, da das Material weniger anfällig für Verluste durch Belastungsdoppelbrechung ist, wobei diese Verluste typischerweise das Ergebnis mangelhafter mechanischer Montage der Prismen sind.

Saphir ist wahrscheinlich für die meisten Anwendungen das Material der Wahl. Kalziumfluorid ist wahrscheinlich das Material der Wahl für einen großen Teil des infraroten Bereichs, wo sowohl Quarzglas als auch Saphir einen zu hohen Absorptionsverlust aufweisen. Diamant würde in vielerlei Hinsicht das ideale Grundmaterial darstellen, abgesehen von den hohen Kosten für Material und Verarbeitung.

V. Abstimmung

Die Verwendung von „Dach"-Retroreflektoren macht eine optische Resonatorprismen-Ausrichtung unempfindlich gegenüber leichter Drehung der Prismen um die Dachlinie herum und sorgt für eine robustere Ausrichtung. Solch ein Resonator kann unter Verwendung von Brewsterwinkel-Dachprismen mit gekreuzten Achsen konstruiert werden. Der Vorteil dieses Resonators besteht darin, dass er hinsichtlich jeder kleinen Winkelabweichung der Prismen ausgerichtet bleibt. Der Nachteil ist, dass der Brewsterwinkel eines der Prismen durch Konstruktion festgelegt werden muss, d.h., er kann nicht durch Drehung des Prismas um die Dachachse „getunt" bzw. abgestimmt werden. Der Resonator 100 der vorliegenden Erfindung vermeidet diesen Nachteil.

Resonatoren können durch einen Qualitätsfaktor Q charakterisiert werden, der definiert wird durch die gespeicherte Energie geteilt durch den Energieverlust pro Zyklus. Resonatoren mit höheren „Q"-Werten konservieren Energie besser und führen somit zu höherer Empfindlichkeit bei der Hohlraum-Abkling-Spektroskopie. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden der bzw. das Resonator „Q" und die Kopplung durch Neigen der Prismen 50, 52 zum Anpassen des Reflexionsverlustniveaus gesteuert. Der Reflexionsverlust pro Fläche ist bestimmt durch die Fresnel'schen Beziehungen und beträgt ungefähr 10–4&Dgr;&THgr;2, wobei &Dgr;&THgr; die Abweichung vom Brewsterwinkel in Grad darstellt.

Lichtstrahlen treffen innerhalb des Prismas zweimal auf, auf die Flächen 2 und 3, und verlassen dann das Prisma 50, 52 durch die Fläche 1 hindurch. Wenn der Winkel &THgr;2 so konstruiert ist, dass er 90° beträgt, werden die Input-Strahlen oder das einfallende Licht 12 und die Output-Strahlen oder das austretende Licht 14 des Prismas 50, 52 parallel sein, sie werden jedoch verschoben sein, falls sie sich innerhalb der Fläche von 9A befinden. Die Einfallswinkel sowohl der Strahlen des einfallenden Lichts 12 als auch der Strahlen des austretenden Lichts 14 sind gleich, und können durch Drehung des Prismas um die zur Ebene in 9A normalen Achse abgestimmt werden. Es versteht sich, dass die Prismen 50, 52 so ausgerichtet sind, dass die Dachlinien, die die 90°-Winkel bilden, normal zur Ebene von 9A verlaufen. Wenn das Prisma 50, 52 gedreht wird, wird der Einfallswinkel für die Innenreflexionen um den gleichen Winkel auf einer Fläche zunehmen, und um einen gleichen Betrag auf der anderen abnehmen. Um diese beiden Totalreflexionswinkel ungefähr anzugleichen, sollte der Spitzenwinkel des Prismas (&THgr;1) so konstruiert sein, dass er gleich 135° – &THgr;B ist.

Für aus geschmolzenem Quarz gefertigte Prismen variiert der Brewsterwinkel von 55,5 – 57,1°, da die Wellenlänge von nahezu Infrarot bis zum Einsetzen bzw. Beginn des Vakuumultraviolett (200 nm) variiert, während der Grenzwinkel von 43,4° bis 40,31° variiert. Als ein Ergebnis kann ein Prismenpaar 50, 52 so ausgelegt werden, dass Totalreflexion bereitgestellt wird, während ermöglicht wird, dass die Neigung den Brewsterwinkel über diesen Wellenlängenbereich erreicht. Durch Auswahl des Winkels &THgr;3 so, dass er gleich 180° – 2&THgr;B ist, wird sich ein durch Reflexion von Fläche 1 in den Resonator gekoppelter optischer Strahl durch den Kristall fortpflanzen und auch durch Fläche 4 austreten mit einem Einfallswinkel nahe dem Brewsterwinkel. Dies wird den Betrag der Lichtenergie reduzieren, die innerhalb des Prismas reflektiert wird, was eine Quelle unerwünschter Streulichtenergie darstellen könnte.

VI. Stabilitätssteuerung

Der optische Resonator 100 ist aus einem Prismenpaar 50, 52 gebildet, welche als Retroreflektoren wirken. Um einen stabilen optischen Resonator 100 zu schaffen, und somit die Brechung des optischen Strahls, wenn er vor- und zurückverläuft, zu steuern, ist mindestens eine der Totalreflexionsflächen auf einem Prisma mit einer Krümmung ausgeführt. Solch eine gekrümmte Fläche 60 ist in Fläche 2 des Prismas 50 in 11 gezeigt.

Um den sowohl durch die Brewsterwinkelfläche und Reflexion von der gekrümmten Fläche nahe 45° erzeugten Astigmatismus zu korrigieren, muss die tangentiale Krümmung der gekrümmten Fläche 60 2n22f und die sagittale Krümmung (d.h. die Krümmung in der ebenen Fläche normal zu der aus 11) √2f betragen, wobei f die gewünschte effektive Brennweite der gekrümmten Fläche 60 ist. Die Brennweite f ist so ausgewählt, dass sie ungefähr der Trennungsdistanz zwischen den beiden Prismen 50, 52 entspricht, welche bei der bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 1 Meter liegt, um einen annähernd halben oder gefalteten konfokalen Resonator 100 zu bilden.

Solch ein astigmatisch kompensierter Resonator 100 wird stabile Resonanzzustände, die zylindrisch symmetrisch sind, aufweisen, was das Design der zu den Resonanzzuständen passenden Optiken vereinfacht, die zur Kopplung der Strahlung in den optischen Resonator 100 verwendet werden. Es versteht sich, dass die Konstruktion eines solchen Prismas 50 schwierig sein kann, da es einen Schleifvorgang und das Zentrieren einer astigmatischen Linse von präziser Krümmung auf eine der Prismenflächen erfordert. Eine einfache sphärische Fläche, die in eine Prismenfläche eingeschliffen ist, so wie Fläche 2, kann mit einer ausgewählten Krümmung verwendet werden, um Strahlen mit sagittaler Abweichung von der optischen Achse 54 des Resonators Stabilität zu verleihen. Das Vorhandensein eines fokusierenden Elements innerhalb des Resonators 100 kompensiert auch kleine Fehler in den hergestellten Winkeln und der Positionierung der Prismen 50, 52, wobei Stabilität trotz kleiner Abweichungen von der optischen Achse 54 aufrecht erhalten und der Verlust gering gehalten werden. In letzterem Fall werden die Resonatoreigenmodi nicht zylindrisch symmetrisch sein.

Alternativ kann, wie in 12 gezeigt, die Herstellung des Prismas 50 durch Durchführen eines Zweischrittverfahrens vereinfacht werden. Zuerst wird das Prisma 50 mit ausschließlich planen Flächen 1, 2, 3 und 4 hergestellt. Dann wird eine plankonvexe Linse 70 aus demselben Material wie das Prisma 50 und mit dem passenden Astigmatismus gefertigt. Die plane Fläche der Linse 70 wird optisch mit einer Prismenfläche (z.B. Fläche 2) in Kontakt gebracht. Beim optischen Kontaktieren verschwindet die Grenzfläche zwischen den Komponenten, wodurch Verluste eliminiert werden und eine optische Leistung bereitgestellt wird, die einer monolithischen (oder integralen, oder einteiligen) Struktur gleichkommt. Beim Arbeiten mit nahezu infraroten und sichtbaren Wellenlängen kann die Linse 70 mit einem zum Index passenden optischen Zement 80 an die Fläche 2 des Prismas 50 geklebt werden, was ein viel einfacheres Verfahren darstellt als das optische Kontaktieren.


Anspruch[de]
  1. Stabiler Resonator (100) für Hohlraum-Abkling-Spektroskopie mit einer optischen Achse (54), wobei der Resonator umfasst:

    ein erstes Brewsterwinkel-Retroreflektorprisma (50) mit mehreren Totalreflektionsflächen (1, 2, 3, 4);

    ein zweites Brewsterwinkel-Retroreflektorprisma (52) mit mehreren Totalreflektionsflächen (1, 2, 3, 4), das zu dem ersten Prisma längs der optischen Achse (54) des Resonators ausgerichtet ist;

    Mitteln zum Drehen von zumindest einem der Prismen (50, 52), so dass Strahlung in einer Fläche des Prismas eintritt und aus dieser austritt unter annährend einem Brewsterwinkel zur normalen der Prismenfläche, wodurch die Ausrichtung der Prismen beibehalten und der Resonator abgestimmt wird; und

    wobei zumindest eine der Totalreflektionsflächen auf einem Prisma (50) mit einer Krümmung (60) ausgestaltet ist.
  2. Resonator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend Mitteln zum Drehen beider Prismen (50, 52).
  3. Resonator gemäß Anspruch 1, wobei die Prismen (50, 52) geformt sind aus einem der Materialien Quarzglas, Saphir, Diamant oder Kalziumfluorid.
  4. Resonator gemäß Anspruch 1, wobei jedes der Prismen (50, 52) einen Spitzenwinkel von etwa 135° minus Brewsterwinkel, einen zweiten Winkel von etwa 90°, und einen dritten Winkel von etwa 180° minus zweimal Brewsterwinkel aufweist.
  5. Resonator gemäß Anspruch 1, wobei die tangentiale Krümmung der gekrümmten Oberfläche (60) 2n2v2 f und die sagittale Krümmung der gekrümmten Oberfläche (60) v2 f ist, wobei f die effektive Brennweite der gekrümmten Oberfläche (60) und n der Brechungsindex des Prismas (50) ist.
  6. Resonator gemäß Anspruch 1, umfassend eine Linse aus dem gleichen Material wie das erste Prisma und mit einer ebenen Fläche und einer konvexen Fläche (70), wobei sich die ebene Fläche der Linse mit einer der Totalreflektionsflächen des ersten Prismas in Eingriff befindet.
  7. Resonator gemäß Anspruch 6, wobei die Linse die im Eingriff stehende Totalreflektionsfläche des ersten Prismas optisch berührt.
  8. Resonator gemäß Anspruch 6, weiterhin umfassend ein optisches Bindemittel (80), welches die Linse an die im Eingriff stehende Totalreflektionsfläche des ersten Prismas klebt.
  9. Resonator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend Mittel zum Koppeln der Strahlung in und aus dem Resonator, wobei die Mittel frustrierte Totalreflektion verwenden.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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