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Dokumentenidentifikation DE60112659T2 18.05.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001163498
Titel MODEN-ANPASSUNG FÜR "CAVITY-RING-DOWN"-SPEKTROSKOPIE IN EINER AUF RETROREFLEKTOREN MIT BREWSTERWINKELN BASIERENDEN KAVITÄT
Anmelder The Trustees of Princeton University, Princeton, N.J., US
Erfinder LEHMANN, K., Kevin, Lawrenceville, US;
RABINOWITZ, Paul, Bridgewater, US
Vertreter Bittner & Partner, 85049 Ingolstadt
DE-Aktenzeichen 60112659
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.01.2001
EP-Aktenzeichen 019427095
WO-Anmeldetag 18.01.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/01482
WO-Veröffentlichungsnummer 0001053785
WO-Veröffentlichungsdatum 26.07.2001
EP-Offenlegungsdatum 19.12.2001
EP date of grant 17.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.05.2006
IPC-Hauptklasse G01J 3/42(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01N 21/31(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft allgemein die Absorptionsspektroskopie, und ist insbesondere auf verbesserte Modusanpassung für Ring-Down-Hohlraumspektroskopie gerichtet, die Brewster-Winkel-Retroreflektorprismen enthält.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Nun stellt in Bezug auf die Zeichnung, worin durchgehend gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen, 1 das elektromagnetische Spektrum auf logarithmischer Skala dar. Die Wissenschaft der Spektroskopie untersucht Spektren. Im Gegensatz zu Wissenschaften, die sich mit anderen Teilen des Spektrums befassen, beinhaltet die Optik insbesondere sichtbares und nahezu sichtbares Licht – einen sehr engen Teil des verfügbaren Spektrums, der sich in der Wellenlänge von etwa 1 mm bis etwa 1 nm erstreckt. Nahezu sichtbares Licht enthält Farben, die roter sind als rot (infrarot), und Farben, die violetter sind als violett (ultraviolett). Der Bereich erstreckt sich gerade weit genug zu jeder Seite der Sichtbarkeit, so dass das Licht mit den meisten Linsen und Spiegeln, die aus gewöhnlichen Materialien hergestellt sind, noch immer gehandhabt werden kann. Die Wellenlängenabhängigkeit der optischen Eigenschaften der Materialien muss häufig berücksichtigt werden.

Absorptionsspektroskopie bietet eine hohe Empfindlichkeit, Ansprechzeiten in der Größenordnung von Mikrosekunden, Störungsunempfindlichkeit und begrenzte Wechselwirkung mit anderen Molekülspecies als der untersuchten Species. Verschiedene Molekülspecies, aber insbesondere einfache Moleküle wie etwa Wasser, können durch Absorptionsspektroskopie detektiert oder identifiziert werden. Daher bietet die Absorptionsspektroskopie ein allgemeines Verfahren zur Erfassung wichtiger Spurenspecies. In der Gasphase wird die Empfindlichkeit und Selektivität dieses Verfahrens optimiert, weil sich die Absorptionsstärke der Species in einem Satz scharfer Spektrallinien konzentriert. Die schmalen Linien in dem Spektrum können dazu verwendet werden, sie gegenüber den meisten wechselwirkenden Species zu unterscheiden.

In vielen industriellen Prozessen muss die Konzentration von Spurenspecies in fließenden Gasströmen mit einem hohen Grad an Geschwindigkeit und Genauigkeit gemessen und analysiert werden. Eine solche Messung und Analyse ist erforderlich, weil die Konzentration von Verunreinigungen häufig für die Qualität des Endprodukts kritisch ist. Gase, wie etwa N2, O2, H2, Ar und He werden z.B. zur Herstellung integrierter Schaltungen verwendet, und das Vorhandensein von Verunreinigungen in diesen Gasen, wie etwa Wasser – sogar im Niveau von Teilen pro Milliarde (ppb) – ist beeinträchtigend und reduziert die Ausbeute betriebsfähiger Schaltungen. Daher ist die relativ hohe Empfindlichkeit, mit dem Wasser spektroskopisch überwacht werden kann, für die Herstellung hochreiner Gase, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden, wichtig. In anderen industriellen Anwendungen müssen verschiedene Verunreinigungen detektiert werden.

Die Spektroskopie hat eine Detektion im Niveau von Teilen pro Million (ppm) für Wasser in hochreinen Gasen erreicht. Erfassungsempfindlichkeiten im ppb-Pegel sind in einigen Fällen erreichbar. Dementsprechend sind verschiedene spektroskopische Methoden auf solche Anwendungen angewendet worden, wie Überwachung des Wassergehalts in Gasen, einschließlich: Absorptionsmessungen in herkömmlichen Zellen mit langer Weglänge, fotoakustischer Spektroskopie, Frequenzmodulations-Spektroskopie und Im-Hohlraum-Laser-Spektroskopie. Diese Methoden haben verschiedene Merkmale, wie sie im US-Patent Nr. 5,528,040, ausgegeben an Lehmann, diskutiert sind, die sie für industrielle Anwendungen schwer anwendbar und unpraktisch machen. Sie waren daher weitgehend auf Laboruntersuchung beschränkt.

Im Gegensatz hierzu ist die Ring-Down-Hohlraum-Spektroskopie (CRDS) eine wichtige spektroskopische Technik mit Anwendungen in Wissenschaft, industrieller Prozesssteuerung und Atmosphären-Spurengasdetektion geworden. CRDS ist als eine Technik zur optischen Absorption aufgezeigt worden, die im Niedrig-Absorbanz-Bereich überragend ist, wo herkömmliche Methoden eine ungenügende Empfindlichkeit haben. CRDS verwendet die mittlere Lebensdauer von Photonen in einem hochfeinen optischen Resonator als absorptionsempfindliche Beobachtungsgröße.

Typischerweise ist der Resonator aus einem Paar nominell äquivalenter, schmalbandiger, ultrahoch reflektierender dielektrischer Spiegel gebildet, die angenähert zur Bildung eines stabilen optischen Resonators konfiguriert sind. Ein Laserpuls wird in den Resonator durch einen Spiegel geworfen, der eine mittlere Lebensdauer erfährt, die abhängig ist von der Photonenumlauf-Übergangszeit, der Länge des Resonators, des Absorptionsquerschnitts und der Dichtezahl der Spezies, sowie einem Faktor, der intrinsische Resonatorverluste berücksichtigt (die stark von den frequenzabhängigen Spiegelreflektivitäten herrühren, wenn Beugungsverluste vernachlässigbar sind). Die Bestimmung der optischen Absorption wird daher von der herkömmlichen Leistungsverhältnismessung zu einer Messung der Abklingzeit umgewandelt. Die letztendliche Empfindlichkeit des CRDS wird durch die Höhe der intrinsischen Resonatorverluste bestimmt, die mit Techniken minimiert werden können, wie etwa Superpolieren, was die Herstellung von Optik mit ultraniedrigem Verlust gestattet.

Gegenwärtig ist CRDS auf spektroskopische Bereiche beschränkt, wo hochreflektive dielektrische Spiegel verwendet werden können. Dies hat die Nutzbarkeit des Verfahrens in vielen der Ultraviolett- und Infrarotbereiche signifikant eingeschränkt, weil Spiegel mit ausreichend hoher Reflektivität gegenwärtig nicht zur Verfügung stehen. Sogar in Bereichen, wo geeignete dielektrische Spiegel zur Verfügung stehen, erlaubt jeder Satz von Spiegeln nur den Betrieb über einen kleinen Bereich von Wellenlängen, typischerweise einen Bruchteilsbereich weniger Prozent. Ferner erfordert die Konstruktion vieler dielektrischer Spiegel die Verwendung von Materialien, die über die Zeit altern, insbesondere wenn sie chemisch korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind. Weil diese gegenwärtigen Einschränkungen die Verwendung von CRDS in vielen potentiellen Anwendungen beschränken oder verhindern, gibt es einen klar erkannten Bedarf danach, den gegenwärtigen Stand der Technik in Bezug auf die Resonatorkonstruktion zu verbessern.

Der Artikel von A. Pipino et al, "Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity", Rev. Sci. Instrum. 68 (8) (Aug. 1997), präsentiert einen Ansatz einer verbesserten Resonatorkonstruktion. Der Ansatz verwendet einen monolithischen total innen reflektierenden (TIR) Ringresonator mit regelmäßiger polygonaler Geometrie (z.B. quadratisch und achteckig), mit zumindest einer konvexen Facette, um Stabilität einzubringen. Ein Lichtpuls wird durch ein erstes Prisma total reflektiert, das außerhalb und in der Nähe des Resonators angeordnet ist, um eine gedämpfte Welle zu erzeugen, die in den Resonator eintritt und die stabilen Modi des Resonators durch Photonentunnelbildung anregt. Das Absorptionsspektrum des auf den total reflektierenden Oberflächen des Resonators angeordneten Stoffs erhält man aus der mittleren Lebensdauer eines Photons im monolithischen Resonator, die aus der Zeitabhängigkeit des an einem Detektor empfangenen Signals durch Auskopplung mit einem zweiten Prisma extrahiert wird (auch ein total reflektierendes Prisma, das außerhalb, aber in der Nähe des Resonators angeordnet ist). Somit tritt die optische Strahlung in den Resonator durch Photonentunnelbildung ein und verlässt diesen, was eine präzise Steuerung von Eingangs- und Ausgangskopplung gestattet. Es ergibt sich eine Miniatur-Resonatorrealisierung von CRDS, und der TIR-Ringresonator erweitert das CRDS-Konzept auf Spektroskopie von kondensierten Stoffen. Die Breitbandeigenschaften von TIR umgeht die Einschränkung enger Bandbreite, die durch dielektrische Spiegel in herkömmlichen Gasphasen-CRDS erzeugt wird. Die Arbeit von A. Pipino et al ist nur auf die TIR-Spektroskopie anwendbar, die intrinsisch auf kurze Gesamtabsorptionsweglängen begrenzt ist, und somit auf kräftige Absorptionsstärken. Im Gegensatz hierzu bietet die vorliegende Erfindung lange Absorptionsweglängen und erlaubt die Detektion schwacher Absorptionsstärken.

Auch möglich ist es, einen Resonator aus zwei Brewster-Winkel-Dachprismen mit gekreuzten Achsen aufzubauen, wie in Gould et al, "Crossed Roof Prism Interferometer", Appl. Opt., Vol. 1, 533–34 (1962) beschrieben. Der Vorteil dieses Resonators ist, dass er für etwaige kleine Winkelabweichungen der Prismen ausgerichtet bleibt. Der Nachteil ist, dass der Brewster-Winkel eines der Prismen durch die Konstruktion festgelegt sein muss, d.h. der Brewster-Winkel kann nicht durch Drehung des Prismas auf die Wellenlänge eingestellt werden. Es gibt Anwendungen (z.B. bei spezifischen Wellenlängen), wo die robuste Ausrichtung eines solchen Resonators insofern erwünscht ist, dass der Verlust der Fähigkeit, den Brewster-Winkel abzustimmen, toleriert werden kann. Die Unfähigkeit, den Brewster-Winkel einzustellen, beschränkt jedoch die Anwendung. Ferner ist der in Gould et al beschriebene Resonator optisch nicht stabil und kann, wegen der Beugung, nicht zur Herstellung eines verlustarmen Resonators verwendet werden.

Zur Überwindung der Nachteile der bekannten Ansätze für eine verbesserte Resonatorkonstruktion wird ein neuer hochfeiner Resonator (oder optischer Resonator) für CRDS bereitgestellt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die herkömmlichen dielektrischen Spiegel durch Brewster-Winkel-Retroreflektorprismen zu ersetzen, um hierdurch einen verbesserten Resonator bereitzustellen. Eine diesbezogene Aufgabe ist es, die Einschränkung enger Bandbreite herkömmlicher dielektrischer Spiegel, die in CRDS verwendet werden, zu umgehen. Eine andere diesbezogene Aufgabe ist es, die Vielzahl potentieller Anwendungen für CRDS zu erweitern.

Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Resonator bereitzustellen, der Materialien enthält, die auch in chemisch korrosiven Umgebungen über die Zeit nicht signifikant altern. Eine zusätzliche Aufgabe ist es, eine "Einstellung" oder Ausrichtung des Resonators durch Drehen der Prismen des Resonators zu ermöglichen. Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine innovative CRDS-Resonatorkonstruktion bereitzustellen, die einen niedrigen intrinsischen Energieverlust und eine gut definierte Beziehung zwischen Photonenabklingzeit und Absorption erreicht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben, und im Hinblick auf deren Zwecke, sieht die vorliegende Erfindung einen stabilen Resonator für eine Ring-Down-Hohlraumspektroskopiezelle vor, die alle in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält. Der Resonator enthält zwei Brewster-Winkel-Retroreflektorprismen, die jeweils eine Mehrzahl von Total-Innenreflexionsoberflächen aufweisen. Die Prismen sind in Ausrichtung entlang der optischen Achse des Resonators angeordnet. Eines oder beide der Prismen können unabhängig gedreht werden, so dass Lichtstrahlen in eine Oberfläche des Prismas nahe am Brewster-Winkel zur Normalen der Prismaoberfläche eintreten und diese verlassen. Dieses Merkmal behält die Ausrichtung zwischen den Prismen bei und erlaubt eine Einstellung des Resonators. Eine der Total-Innenreflexionsoberflächen zumindest eines der Prismen kann eine gekrümmte Oberfläche aufweisen (entweder eine geschliffene und polierte gekrümmte Oberfläche oder eine Oberfläche, die durch Hinzufügung, durch optisches Kontaktieren oder Kleben, einer plan-konvexen Linse auf die Oberfläche gekrümmt ist). Alternativ kann eine Linse in einem Arm des Resonators zentriert und mit dem Brewster-Winkel in Bezug auf die optische Achse des Resonators gekippt sein. In einer bevorzugten Ausführung hat jedes der Prismen einen Scheitelwinkel von etwa 135° minus Brewster-Winkel, einen zweiten Winkel von etwa 90° und einen dritten Winkel von etwa 180° minus dem Zweifachen des Brewster-Winkels.

Abhängige Ansprüche definieren zusätzliche Ausführungen.

Es versteht sich, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung die Beispiele der Erfindung sind, aber diese nicht einschränken.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung versteht sich am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn man sie in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung liest. Es wird herausgestellt, dass gemäß allgemeiner Praxis die verschiedenen Merkmale der Zeichnung nicht im Maßstab sind. Hingegen sind Dimensionen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit willkürlich erweitert oder verkleinert. In der Zeichnung sind die folgenden Figuren enthalten:

1 stellt das elektromagnetische Spektrum auf logarithmischer Skala dar;

2 stellt die Total-Innenreflexion im Prisma dar;

3 stellt die Ablenkung von Licht dar, wenn es durch ein Prisma hindurchtritt;

4 stellt dar, wie ein Eckreflektor (Retroreflektor) Licht exakt in seine ursprüngliche Richtung zurückbringt;

5 stellt einen nicht polarisierten Lichtstrahl dar, der auf eine Glasoberfläche fällt;

6 ist eine Seitenansicht einer Linse, die meridionale Strahlen zeigt, und darstellt, wie ein achsenfernes Objekt einem Astigmatismus unterliegt;

7 ist eine Draufsicht der in 6 gezeigten Linse, die sagittale Strahlen zeigt und darstellt, wie ein achsenfernes Objekt einem Astigmatismus unterliegt;

8 stellt den verbesserten Resonator für CRDS unter Verwendung zweier Brewster-Winkel-Retroreflektorprismen gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

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

9B ist eine Rückansicht des Prismas von 9A;

10 zeigt, wie Lichteinfallstrahlen das Prisma, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, nahe am Brewster-Winkel zur Normalen der Prismaoberfläche eintreten und diese verlassen (mit Winkeln, die für ein aus geschmolzenem Silika hergestelltes Prisma berechnet sind);

11 zeigt eine der Totalreflexions- bzw. Gesamt-Innenreflexionsoberflächen an einem Prisma, das mit einer Krümmung geschliffen ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;

12 zeigt eine plan-konvexe Linse, die eine Prismenoberfläche optisch kontaktiert oder darauf geklebt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;

13 stellt eine Linse dar, die in einem Arm des Ringresonators zentriert ist, und mit dem Brewster-Winkel in Bezug auf die optische Achse gekippt ist, gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung;

14 stellt einen achsenfernen sphärischen Spiegel dar, der Strahlung in den Ringresonator koppelt, gemäß einer noch anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung;

15 stellt eine achsenferne sphärische Linse und eine reflektive Oberfläche dar, die Strahlung in den Ringresonator koppelt, gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; und

16 stellt eine sphärische Linse dar, die die Strahlung direkt in den Ringresonator koppelt, gemäß einer noch anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Unmittelbar nachfolgend wird eine einführende Zusammenfassung der allgemeinen Prinzipien moderner Optik angegeben, die für die vorliegende Erfindung relevant ist. Die Zusammenfassung dient dazu, einen Kontext zum kompletten Verständnis der Erfindung vorzusehen. Fachkundige mögen zum nächsten Abschnitt weitergehen.

I. Allgemeine Prinzipien

Wenn Licht von dem ersten Medium zu einem optisch dichteren zweiten Medium geht, wird das Licht zur Normalen hin gebrochen. Licht, das sich von einem dichten Medium einem dünneren Medium annähert, wird von der Normalen weg gebrochen. Es gibt einen Winkel &thgr;c, kritischer Winkel genannt, so dass für alle Einfallswinkel, die größer sind als dieser Winkel, das gesamte Licht reflektiert und keines durchgelassen wird. Dieser Effekt wird totale Innenreflexion (TIR) genannt und tritt an der Innenseite eines Materials auf, das optisch dichter ist als das Material außerhalb der Grenze.

Ein Prisma ist ein Typ einer brechenden und reflektierenden Vorrichtung. Wie in 2 gezeigt, ist ein Prisma 10 ein Keil aus optischem Material, das Licht entweder brechen oder total reflektieren kann, in Abhängigkeit vom Einfallswinkel. Das in 2 gezeigte 45°-Glasprisma ist besonders nützlich, weil einfallendes Licht 12, das normal zur einen Fläche eintritt, aus der anderen Fläche heraus total reflektiert wird, mit einer Richtungsänderung um 90°. Die Totalreflexion tritt auf, weil das Licht mit 45° auf die Innenoberfläche trifft, was größer ist als der kritische Winkel von etwa 41° für Glas. Die Linie "N" repräsentiert eine Linie, die normal (orthogonal) zu einer Oberfläche ist.

Lichtenergie, die auf eine Außenoberfläche des Prismas 10 mit einem Winkel fällt, wie in 3 gezeigt, wird teilweise gebrochen, teilweise durch irgendeine Innenoberfläche reflektiert, und erneut gebrochen, wenn es als austretendes Licht 14 austritt. Es ist von seiner ursprünglichen Richtung abgewichen, so dass es mit einem neuen Winkel austritt. Das allgemeine Ergebnis ist, dass das Licht teilweise in der Richtung zurückgelenkt wird, aus der es gekommen ist. Die Abweichung hängt vom Brechungsindex des Prismas, dem Einfallswinkel und dem Winkel im Scheitel des Prismas ab. Für eine symmetrische Anordnung des einfallenden und austretenden Lichts 12 bzw. 14 ist der Ablenkwinkel minimal. Kompliziertere Prismen verwenden Reflexionen, um komplizierte Änderungen in der Bildorientierung durchzuführen. Zum Beispiel hat das Eckwürfelprisma 10 von 4 die geometrische Eigenschaft, das Licht exakt in die Richtung zu schicken, aus der es kam (d.h. das Licht "retrozureflektieren").

Wie alle elektromagnetische Strahlung sagt die elektromagnetische Theorie, dass Licht eine Transversalwelle ist: Die Richtungen der schwingenden elektrischen und magnetischen Vektoren sind rechtwinklig zur Fortpflanzungsrichtung (anstatt parallel hierzu, wie in einer Longitudinalwelle). Die Transversalwelle hat auch die Eigenschaft, dass die Schwingungen des elektrischen Vektors für alle Punkte der Welle parallel zueinander sind (das heißt, die Welle ist orientiert oder polarisiert). In Wirklichkeit kann inkohärentes (Nicht-Laser-) Licht, das sich in einer gegebenen Richtung fortpflanzt, aus kurzen, unabhängigen Wellenzügen bestehen, deren Schwingungsebenen um die Fortpflanzungsrichtung herum zufällig orientiert sind. Solches Licht ist, obwohl transversal, nicht polarisiert. Licht kann durch Reflexion teilweise oder vollständig polarisiert werden.

5 zeigt nicht polarisiertes einfallendes Licht 12, das sich in Luft fortpflanzt und auf eine Glasoberfläche 16 fällt. Das Glas hat einen Brechungsindex n von 1,5. Der elektrische Vektor für jeden Wellenzug in dem Licht kann in zwei Komponenten aufgelöst werden. Eine Komponente ist orthogonal zu der Einfallsebene, die die Ebene von 5 ist, und die andere liegt in der Einfallsebene. Die erste Komponente, mit Punkten dargestellt, ist die S-Polarisationskomponente (aus dem Deutschen "senkrecht", was orthogonal bedeutet). Die zweite Komponente, durch Pfeile dargestellt, ist die P-Polarisationskomponente (für parallel). Im Durchschnitt haben, für vollständig unpolarisiertes Licht, diese zwei Komponenten eine gleiche Amplitude.

Für Glas oder andere dielektrische Materialien gibt es einen bestimmten Einfallswinkel, genannt der Polarisationswinkel (auch Brewster-Winkel &thgr;B genannt, weil er von David Brewster experimentell gefunden wurde), bei dem der Reflexionskoeffizient für die P-Polarisationskomponente null ist. Somit ist das von dem Glas 18 reflektierte Licht, obwohl von geringer Intensität, plan-polarisiert, wobei seine Schwingungsebene rechtwinklig zur Einfallsebene ist. Die P-Polarisationskomponente am Polarisationswinkel wird mit dem Brechungwinkel &thgr;r vollständig gebrochen; die S-Polarisationskomponente wird nur teilweise gebrochen. Daher wird das durchgelassene Licht 20, das eine hohe Intensität hat, nur teilweise polarisiert.

Weil Licht eine Welle ist, verschwindet es nicht abrupt an der anderen Seite einer Grenze dort, wo Totalreflexion vorliegt. Eine gedämpfte, sich nicht fortpflanzende Form der Welle tritt entlang der Grenze aus und verschwindet als "gedämpfte Welle". Diese gedämpfte Welle kann in eine fortpflanzende Welle umgewandelt werden, wenn eine andere Oberfläche sehr nahe an die Grenze gebracht wird, innerhalb weniger Wellenlängen. Dieser Prozess wird "gescheiterte totale Innenreflexion" genannt.

Materialien sind, in ihrer Reaktion auf Licht, häufig optisch anisotrop. Die Reaktion ist in solchen Materialien für die im Material möglichen drei unabhängigen Richtungen unterschiedlich; im Gegensatz hierzu zeigen isotrope Materialien keine Richtungspräferenz. Zum Zwecke dieser Offenbarung werden Materialien betrachtet, die eine identische Reaktion in zwei der drei Richtungen haben. Die dritte (einzige) Richtung wird als die optische Achse bezeichnet. In diesen Materialien, bekannt als uniaxial, kann für Licht, das sich in irgendeine Richtung außer entlang der optischen Achse fortpflanzt, das Licht in zwei bestimmte Wellen mit eindeutigen Polarisationen aufgelöst werden; eine, deren elektrisches Feld rechtwinklig zur optischen Achse orientiert ist (die gewöhnliche Welle), und die andere mit einer Komponente des elektrischen Felds, die parallel zur optischen Achse ist (die außergewöhnliche Welle). Diese Wellen unterschiedlicher Polarisation brechen in dem Medium unterschiedlich, mit unterschiedlichen Brechungsindizes, daher unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was eine Zunahme der physikalischen Trennung des Lichts ergibt und als Doppelbrechung oder Birefringenz bezeichnet wird. Licht, das sich entlang der optischen Achse fortpflanzt, ist immer rechtwinklig zur Achse polarisiert und ist ausschließlich eine gewöhnliche Welle. Im allgemeineren Fall, bei unterschiedlicher Antwort des Lichts in den drei räumlichen Richtungen (biaxialen Systemen), tritt, obwohl es in der Analyse komplizierter ist, eine ähnliche Doppelbrechung auf. Übliche doppelbrechende Materialien umfassen Kalzit, kristallinen Quarz und Saphir.

Eine Linse 26 (die entlang der Achse 24 angeordnet ist, die in den 6 und 7 gezeigt ist) bildet jeden Objektpunkt 28 in einem Bildpunkt 30 ab. Bei Astigmatismus kommen die Strahlen von achsenfernen Objektpunkten an unterschiedlichen Brennpunkten an. Man betrachte die Strahlen 32 von der Oberseite des Objekts, das in 6 in Seitenansicht gezeigt ist. Die Strahlen 32 befinden sich in einer meridionalen Ebene und laufen durch die Linse 26 asymmetrisch. Unterdessen befindet sich, in der in 7 gezeigten Draufsicht der Linse 26, ein anderer Satz von Strahlen 34 vom gleichen Punkt in einer sagittalen Ebene und trifft symmetrisch auf die Linse 26. Die Brennpunkte sind für die zwei Strahlenebenen getrennt, wobei der Brennpunkt für die sagittalen Strahlen 34 mit einem weiteren Abstand von der Linse 26 angeordnet ist als für die meridionalen Strahlen 32.

Ein einfacher Weg zur Prüfung auf Astigmatismus ist die Verwendung eines aus Punkten gemachten Testmusters. In den zwei unterschiedlichen Brennebenen, meridional und sagittal, gibt es zwei unterschiedliche Verzerrungen der Bilder des Musters. In der meridionalen Brennebene verzerren sich die Punkte tangential, während in der sagittalen Brennebene die Punkte radial verzerrt werden und kleine Pfeile bilden ("sagitta" ist lateinisch für Pfeile), die zur Achse hinzeigen. Dieser Astigmatismus tritt für sphärisch symmetrische Linsen auf. Diese Effekte können durch diese Methode nur dann gesehen werden, wenn die Linse frei von anderen Aberrationen ist, wie etwa sphärischen oder Koma. Sphärische Aberration resultiert in marginalen Strahlen, die näher zur Linse fokussiert sind als axiale Strahlen; Koma ist eine Aberration, wo schräge Strahlen unterschiedliche Brennpunkte in Abhängigkeit davon haben, durch welchen Teil der Linse sie hindurchtreten.

II. Der Resonator der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung gibt einen verbesserten Resonator 100 für CRDS an, das auf der Verwendung zweier Brewster-Winkel-Retroreflektorprismen 50, 52 beruht, die aus hochwertigem optischem Material hergestellt sind. 8 ist eine schematische Zeichnung von Prismen 50, 52, optischer Achse 54 und des erwarteten optischen Wegs innerhalb jedes Prismas 50, 52. Die Polarisation oder der Brewster-Winkel &thgr;B ist relativ zum Prisma 50 gezeigt. Die spezifischen Winkel von 8 sind unter der Annahme gezeichnet, dass die Prismen 50, 52 aus geschmolzenem Silika hergestellt sind, obwohl (wie unten diskutiert wird) stattdessen auch andere Materialien verwendet werden könnten. Einfallendes Licht 12 und austretendes Licht 14 sind so dargestellt, dass sie jeweils in das Prisma 52 hineingehen und aus diesem austreten. Der resonante optische Strahl unterliegt zwei Total-Innenreflexionen, ohne Verlust in jedem Prisma 50, 52 bei etwa 45°, einem Winkel, der größer ist als der kritische Winkel für geschmolzenes Quarz und die meisten anderen üblichen optischen Prismamaterialien.

Optische Resonanzverluste werden prinzipiell hervorgerufen durch (1) Streuen aufgrund von Ungenauigkeiten und Schmutz auf den Oberflächen der Prismen 50, 52; (2) Restdoppelbrechung in dem optischen Material aufgrund entweder Verspannung oder Fehlausrichtung der optischen Achse des Prismasubstratmaterials; (3) Fehlausrichtung aus Parallelität der Kopplungsoberflächen der Prismen 50, 52; (4) Abweichung vom Brewster-Winkel; und (5) internen optischen Transmissionsverlust der Prismasubstrate aufgrund von Absorption oder Streuung. Die Prismen 50, 52 können so aufgebaut werden, dass sie über einen weiten Bereich des optischen Spektrums geringen Verlust zeigen (d.h. weniger als 0,01 % pro Umlauf). Zusätzlich sind die am meisten gewünschten Materialien zur Verwendung als Prismasubstrate, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf geschmolzenes Silika, Saphir und Diamant, sowie Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG), Materialien, die extrem hart und weitgehend chemisch inert sind, wobei sie auf das Problem feindlicher Umgebungen adressiert sind. Somit wird der aus diesen Prismen 50, 52 aufgebaute Resonator 100 für CRDS den Anwendungsbereich von CRDS erfüllen und stark erweitern.

III. Die Prismakonstruktion der vorliegenden Erfindung

Die bevorzugte Konstruktion der Prismen 50, 52 ist in den 9A und 9B dargestellt. Man nehme als Beispiel, dass das Prisma 52 eine erste Oberfläche 1, eine zweite Oberfläche 2, eine dritte Oberfläche 3 und eine vierte Oberfläche 4 hat. 9A ist eine Draufsicht des Prismas 52 und zeigt die bevorzugten Längendimensionen der Oberfläche 1 (25,8 mm), Oberfläche 2 (15 mm) und Oberfläche 3 (19 mm). 9B ist eine Rückansicht des Prismas 52 und zeigt die bevorzugten Höhendimensionen der Oberflächen 2, 3 und 4 (12,5 mm) und die bevorzugte Breite der Oberflächen 3 und 4 in Kombination (25,4 mm).

Für Prismen, die aus Material mit einem Brechungsindex "n" relativ zum Umgebungsmedium aufgebaut sind (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), ist der Brewster-Winkel &thgr;B durch die Bogentangente von n gegeben. Der Wert von n für das in 9A und 9B gezeigte Beispielsprisma 52 beträgt etwa 1,4607; &thgr;B beträgt etwa 55°36'. Das Prisma 52 hat eine konstruktive Mitte von etwa 0,532 &mgr;m. Der Scheitelwinkel des Prismas 52 (&thgr;1) ist gleich 135° –&thgr;B eingestellt, und beträgt in der bevorzugten Ausführung etwa 79°24'. Der Winkel &thgr;2 beträgt bevorzugt etwa 90°. Der Winkel &thgr;3 ist auf gleich 180° – 2&thgr;8 eingestellt und beträgt in der bevorzugten Ausführung etwa 68°48'.

10 zeigt, dass Strahlen des einfallenden Lichts 12 in das Prisma 52 eintreten und als austretendes Licht 14 nahezu mit Brewster-Winkel (mit einer kleinen Abweichung &dgr;) zur Normalen "N" der Oberfläche 1 verlassen. Dies resultiert in einem kleinen, jedoch kontrollierten Reflexionsverlust für optische Strahlung mit P-Polarisation in Bezug auf die Brewster-Winkeloberfläche. Der Wert von n für das in 10 gezeigte Beispielsprisma 52 beträgt angenähert 1,45047; &thgr;B beträgt etwa 55°25'. Das Prisma 52 hat eine konstruktive Mitte von 1 &mgr;m. Jede optische Strahlung in der S-Polarisation wird aufgrund des starken Reflexionsverlusts schnell gedämpft. Das Symbol "&ohgr;" kennzeichnet die Größe des Punkts, der durch den Lichtstrahl erzeugt wird; es tritt ein vernachlässigbares "clipping" des Strahls auf. Die Punktgröße für den Modus niedrigster Ordnung kann aus der optischen Standard-Resonator-Theorie errechnet werden. Für das in 10 dargestellte Prisma 52 beträgt der Scheitelwinkel (&thgr;1) bevorzugt etwa 79°35' (oder 79,58°). Der Winkel &thgr;2 beträgt bevorzugt etwa 90°. Der Winkel &thgr;3 ist gleich etwa 69°10' (oder 69,17°) eingestellt.

IV. Konstruktionsmaterial

Die Wahl des optimalen Materials zur Verwendung in der Konstruktion der Prismen 50, 52 ist von der jeweiligen Anwendung abhängig. Um das Polieren der Oberflächen auf die erforderlichen Toleranzen zu gestatten, ist ein "hartes" und chemisch stabiles Substratmaterial erforderlich. Auch wünschenswert ist ein Material, das sowohl eine geringe Absorption als auch einen geringen Streuverlust über den interessierenden spektralen Bereich hat. Obwohl bekanntermaßen fünf Substratmaterialien geeignet sind, nämlich geschmolzenes Silika, Saphir, Calciumfluorid, Diamant und Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezifischen Materialien beschränkt.

Geschmolzenes Silika ist ein ausgezeichnetes Material, was in der optischen Industrie für die Konstruktion von optischen Präzisionskomponenten weithin verwendet wird. Es hat einen niedrigen Absorptionsverlust über einen weiten Bereich von Wellenlängen. Weil es jedoch ein Glas ist, hat geschmolzenes Silika eine erstarrte Unordnung auf molekularem Niveau, was zu einem signifikanten Rayleigh-Streuverlust führt, insbesondere im ultravioletten Bereich.

Einkristall-Saphir-Substrate stehen zur Verfügung und können auch für Präzisionsspezifikationen hergestellt werden. Saphir hat einen weiteren Spektralbereich bei geringem Absorptionsverlust als geschmolzenes Silika; die hochwertigsten Muster haben über den gesamten sichtbaren Bereich und in den nahen ultravioletten Bereich hinein die am weitesten zu vernachlässigende Streuung. Saphir ist ein doppelbrechendes Material, und, um einen übermäßigen Verlust aufgrund von Polarisationsrotation innerhalb der Resonatoroptik zu verhindern, muss die einzige optische Achse entlang der Achse orthogonal zu der Ebene in 9A orientiert werden. Dies kann mit der erforderlichen Toleranz erfolgen. Die natürliche doppelbrechende Eigenschaft von Saphir ist vorteilhaft, weil das Material weniger empfindlich auf Verluste aus Spannungsdoppelbrechung ist, die typischerweise das Ergebnis nicht perfekter mechanischer Montage der Prismen sind.

Für die meisten Anwendungen ist Saphir wahrscheinlich das Material der Wahl. Diamant wäre in vielerlei Hinsicht das ideale Substratmaterial, außer wegen der hohen Kosten des Materials und der Bearbeitung.

V. Einstellung

Die Verwendung von "Dach"-Retroreflektoren führt zu einer optischen Prismenresonatorausrichtung, die auf eine geringe Rotation der Prismen um die Dachlinie herum unempfindlich ist und für eine robustere Ausrichtung sorgt. Ein solcher Resonator kann unter Verwendung von Brewster-Winkel-Dachprismen mit gekreuzten Achsen aufgebaut werden. Der Vorteil dieses Resonators ist, dass er für eine etwaige kleine Winkelabweichung der Prismen ausgerichtet bleibt. Der Nachteil ist, dass der Brewster-Winkel eines der Prismen konstruktiv festgelegt werden muss, d.h. er kann durch Drehung der Prismen um die Dachachse herum nicht "eingestellt" werden. Der Resonator 100 der vorliegenden Erfindung vermeidet diesen Nachteil.

Resonatoren können durch einen Qualitätsfaktor Q gekennzeichnet werden, der definiert ist als die gespeicherte Energie, geteilt durch den Energieverlust pro Zyklus. Resonatoren mit höheren "Q"-Werten speichern besser Energie und führen daher zu einer höheren Empfindlichkeit in der Hohlraum-Ring-Down-Spektroskopie. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden der Resonator "Q" und die Kopplung durch Kippen der Prismen 50, 52 gesteuert, um den Pegel des Reflexionverlusts einzustellen. Der Reflexionverlust pro Oberfläche wird durch die Fresnel-Beziehungen bestimmt und beträgt angenähert 10–4 &dgr; &thgr;2, wobei &dgr; &thgr; die Abweichung vom Brewster-Winkel in Graden ist.

Lichtstrahlen unterliegen an den Prismenoberflächen 2 und 3 zwei internen Sprüngen und verlassen dann das Prisma 50, 52 durch Transmission an der Oberfläche 1. Wenn der Winkel &thgr;2 auf 90° konstruiert ist, sind die eingehenden Strahlen oder das einfallende Licht 12 und die ausgehenden Strahlen oder das austretende Licht 14 der Prismen 50, 52 parallel, aber versetzt, wenn sie in der Ebene von 9A enthalten sind. Die Einfallswinkel sowohl der einfallenden Lichtstrahlen 12 als auch der austretenden Lichtstrahlen 14 sind gleich und können durch Drehung des Prismas um die Achse "R" normal zur Ebene in 9A eingestellt werden. Ein Ansatz, einen Mechanismus zum Drehen des Prismas vorzusehen, ist im allgemeinen Sinn in 3 und in Spalte 7, Zeilen 1430 des US-Patents Nr. 5,483,343, ausgegeben an Rockwell, offenbart. Es versteht sich, dass die Prismen 50, 52 so ausgerichtet worden sind, dass die die 90°-Winkel bildenden Dachlinien normal zur Ebene von 9A sind. Wenn das Prisma 50, 52 gedreht wird, nimmt der Einfallswinkel für die inneren Reflexionen um den gleichen Winkel an einer Oberfläche zu und nimmt um einen gleichen Betrag an der anderen ab. Um diese zwei Innenreflexionswinkel angenähert gleich zu machen, sollte der Scheitelwinkel des Prismas (&thgr;1) so aufgebaut sein, dass er gleich 135° – &thgr;B ist.

Für aus geschmolzenem Quarz hergestellte Prismen variiert der Brewster-Winkel von 55,5 – 57,1°, wenn die Wellenlänge vom nahen Infrarot zum Beginn des Vakuum-Ultraviolett (200 nm) verändert wird, während der kritische Winkel von 43,4° auf 40,31° geändert wird. Im Ergebnis kann ein Paar von Prismen 50, 52 so konstruiert werden, um für eine totale Innenreflexion zu sorgen, während die Kippung erlaubt wird, um den Brewster-Winkel über diesen Wellenlängenbereich zu erreichen. Durch Auswahl des Winkels &thgr;3 gleich 180° – 2&thgr;B pflanzt sich der optische Strahl, der durch Reflexion von der Oberfläche 1 in den Resonator eingekoppelt wird, durch das Kristall fort und verlässt es durch die Oberfläche 4 mit einem Einfallswinkel nahe dem Brewster-Winkel. Dies reduziert die Menge von Lichtenergie, die innerhalb des Prismas reflektiert wird, was eine Quelle ungewünschter Streulichtenergie sein könnte.

VI. Stabilitätssteuerung

Der optische Resonator 100 ist aus einem Prismenpaar 50, 52 gebildet, die als Retroreflektoren wirken. Um einen stabilen optischen Resonator 100 zu bilden und somit die Beugung des optischen Strahls zu steuern, wenn dieser vor- und zurückspringt, ist zumindest eine der Total-Innenreflexionsoberflächen an einem Prisma mit einer Krümmung ausgebildet. Eine solche gekrümmte Oberfläche 60 ist in der Oberfläche 2 des Prismas 50 in 11 gezeigt.

Um den Astigmatismus zu korrigieren, der durch sowohl die Brewster-Winkel-Oberfläche als auch Reflexion von der gekrümmten Oberfläche nahe 45° erzeugt wird, muss die Tangentialkrümmung der gekrümmten Oberfläche 60 2n2√2 f sein, und die sagittale Krümmung (d.h. die Krümmung in der Ebene orthogonal zu jener von 11) muss √2 f sein, wobei f die gewünschte effektive Brennweite der gekrümmten Oberfläche 60 ist. Die Brennweite f ist so ausgewählt, dass sie angenähert gleich dem Trennungsabstand zwischen den zwei Prismen 50, 52 ist, der in der bevorzugten Ausführung in der Größenordnung von 1 Meter liegt, um einen nahezu halb oder geknickten konfokalen Resonator 100 zu bilden.

Ein solcher astigmatisch kompensierter Resonator 100 hat stabile Resonanzmodi, die zylindrisch symmetrisch sind, was die Konstruktion der Modusanpassungsoptiken 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, weil es eine Politur und Zentrierung einer astigmatischen Linse präziser Krümmung auf eine der Prismenoberflächen erfordert. Eine einfache sphärische Oberfläche, die in eine Prismenoberfläche, wie etwa die Oberfläche 2, geschliffen ist, kann mit einer Krümmung verwendet werden, die so ausgewählt ist, dass sie Strahlen mit einer sagittalen Abweichung von der optischen Achse 54 des Resonators Stabilität gibt. Das Vorhandensein eines Fokussierelements innerhalb des Resonators 100 kompensiert auch kleine Fehler bei hergestellten Winkeln und der Positionierung der Prismen 50, 52, hält Stabilität und geringen Verlust trotz kleiner Abweichungen der optischen Achse 54. Im letzteren Fall sind die Resonator-Eigen-Modi nicht zylindrisch symmetrisch.

Alternativ kann, wie in 12 gezeigt, die Herstellung des Prismas 50 vereinfacht werden, indem man einem Zwei-Stufen-Prozess folgt. Zuerst wird das Prisma 50 mit rein ebenen Oberflächen 1, 2, 3 und 4 hergestellt. Dann wird eine plan-konvexe Linse 70 aus dem gleichen Material wie das Prisma 50 und mit geeignetem Astigmatismus hergestellt. Die plane Oberfläche der Linse 70 wird mit einer Prismenoberfläche (z.B. Oberfläche 2) optisch in Kontakt gebracht. Wenn der optische Kontakt hergestellt ist, verschwindet die Grenze zwischen den Komponenten, was Verluste beseitigt und für eine optische Leistung sorgt, die einer monolithischen (oder integralen oder einstückigen) Struktur äquivalent ist. Wenn man mit nahen infraroten und sichtbaren Wellenlängen arbeitet, kann die Linse 70 auf die Oberfläche 2 des Prismas 50 mit einem indexpassenden optischen Zement 80 geklebt werden, was ein viel einfacherer Prozess ist als optisches Kontaktieren.

Eine zusätzliche Variante ist, wie in 13 gezeigt, die Linse vollständig vom Körper jedes Prismas 50, 52 zu trennen. In diesem Fall wird die astigmatische Linse 90 im einen Arm des Ringresonators 100 zentriert und mit dem Brewster-Winkel in Bezug auf die optische Achse 54 gekippt, was keine Reflexionverluste hervorruft. Die sagittale und die tangentiale Krümmung sind so angeordnet, dass sie den Astigmatismus kompensieren, während für eine geeignete Krümmung zur optischen Stabilität gesorgt wird. Wie unten beschrieben, ist die Kopplung von einer der zwei planen Oberflächen 1, 2 oder 3 der Prismen 50, 52 vorgesehen.

In der ersten Ausführung bildet ein Paar rechtwinkliger Prismen mit Brewster-Winkel-Begrenzung die Reflexionsoptik des Resonators 100. Es versteht sich, dass mit wenigen Ausnahmen die Modi des Resonators räumlich elliptisch sind. Dies ist das Ergebnis des Astigmatismus, der durch die Transmission durch die Brewster-Winkel-Oberflächen eingeführt wird, und auch der Reflexion bei nicht normalem Einfall von der gekrümmten, total reflektierenden Oberfläche, die dazu benutzt wird, für eine optische Stabilität des Resonators zu sorgen. In der Ausführung von 8 ist eine astigmatische Krümmung 60 (in 11 gezeigt) in die Korrekturoberfläche des Prismas 50 hineinpoliert, um den Astigmatismus zu kompensieren und die Modi zirkulär zu machen. Dies wird gemacht, um die Kopplungseffizienz zu verbessern und die Instabilitäten in der Ring-Down-Rate des Resonators zu reduzieren, wenn er mit Lasern verwendet wird, die kreisförmige Strahlenprofile haben. Es ist jedoch teuer, einen vorgeschriebenen Astigmatismus in eine Prismenoberfläche mit der Genauigkeit hineinzupolieren, die zur Anpassung an ein Kreisprofil des Resonators notwendig ist. Ein Ansatz, obwohl relativ teuer, ist es, ein Teleskop mit astigmatischen Linsen zu verwenden, um dieses Problem zu lösen.

Ein kostengünstigerer und flexibler Ansatz zur Lösung des Kopplungsproblems ist in der Hauptausführung gezeigt, die in 14 gezeigt wird. Man betrachte die Ausführung mit dem Resonator 100, der so aufgebaut ist, dass er eine sphärische Krümmung 60 aufweist, die in eine der Innenreflexionsoberflächen des Prismas 50 poliert ist. Weil der Astigmatismus entsteht, der erzeugt wird, wenn Strahlen auf die sphärische Oberfläche mit oder nahe einem 45°-Einfallswinkel treffen, wird die minimale Punktgröße &ohgr;Ot für tangentiale Strahlen (jene in der Ebene der Figur) kleiner als jene für sagittale Strahlen (jene orthogonal zur Ebene) &ohgr;Os. Die exakten Werte für die tangentialen und sagittalen Punktgrößen können für den Resonator mittels der ABCD-Matrix errechnet werden, die z.B. in Lasers, von A. Siegmann, Seite 820, Gleichungen 14, 15, University Science Books, Sausalito, CA, 1986, beschrieben ist.

Weil die Winkelspreizung des Resonatormodus, entweder beim Verlassen oder Eintritt in den Resonator, größer für die tangentialen Strahlen ist, die eine kleinere Punktgröße an der Resonator-Taille 94 haben als die sagittalen Strahlen, wächst der Strahl schneller in der tangentialen Richtung. Die Resonator-Taille 94 ist eine Ebene, die der Mitte des Prismas 52 näher angeordnet ist als alle anderen ebenen Oberflächen, und stellt die optische Mitte des Resonators 100 dar, wie in 14 gezeigt. Als Ergebnis dieser Differenzzunahme ist die Punktgröße für die zwei Strahlensätze gleich, und der Strahl wird an einem bestimmten Punkt außerhalb des Resonators 100 kreisförmig. Der Ort des Punkts ist im Hinblick auf die Resonatorparameter berechenbar, insbesondere der Rayleigh-Bereiche der sagittalen und tangentialen Strahlen des Resonatormodus. In 14 ist, für den hereinkommenden Strahl 12, aufgezeigt, dass die Resonator-Taille 94 mit einem Abstand hinter der Oberfläche 1 angeordnet ist, die den einkommenden Strahl 12 in den Resonator 100 hinein reflektiert. Im Ergebnis gibt es eine effektive Eingangstaille 96 außerhalb des Resonators mit einem gleichen optischen Abstand von der Oberfläche 1, wie dies für die Resonator-Taille gilt.

Der Abstand von der effektiven Eingangstaille 96 zum Eintrittspunkt 102 beruht auf dem optischen Abstand von der Resonator-Taille 94 zu dem Eintrittspunkt 102. Dieser optische Abstand ist der physikalische Abstand von der Resonator-Taille 94 zum Eintrittspunkt 102, multipliziert mit dem Brechungsindex des Prismas 52. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der optische Abstand von der Resonator-Taille 94 zum Eintrittspunkt 102 angenähert gleich dem physikalischen Abstand von der effektiven Eingangstaille 96 zu dem Eintrittspunkt 102. Dies ist so, weil der Resonator 100 in der Luft ist, wo der Brechungsindex einheitlich ist. Wenn der Resonator 100 in einem anderen Medium als Luft ist, wäre der optische Abstand zwischen der effektiven Eingangstaille 96 zu dem Eintrittspunkt 102 vom Brechungsindex des Mediums abhängig. In diesem Fall wäre der optische Abstand zwischen der effektiven Eingangstaille 96 zum Eingangspunkt 102 angenähert gleich dem optischen Abstand zwischen der Resonator-Taille 94 und dem Eintrittspunkt 102.

Aus 14 ist auch klar, dass der Eingang und der Ausgang ausgetauscht werden könnten, mit einer entsprechenden Positionsänderung des astigmatischen optischen Elements 92. Zusätzlich könnte man das Prisma 50 mit der gekrümmten Oberfläche 60 als Kopplungsprisma verwenden. Dies würde erfordern, das astigmatische optische Element 92 näher an den Resonator 100 zu bringen, weil das Prisma 50 mit der gekrümmten Seite 60 weiter von der Resonator-Taille weg ist. Dies kann für eine kompaktere Konstruktion erwünscht sein.

Um die Position 96 zu errechnen, an der die Punkte gleich sind, verwenden wir die folgenden Gleichungen, die die Fortpflanzung von Gauss'schen Strahlen mit der paraxialen Annäherung beschreiben: Der Rayleigh-Bereich z0 ist durch die Gleichung (1) gegeben: z0 = &pgr;&ohgr;02 / &lgr;(1) wobei wo die minimale Punktgröße an der Resonator-Taille 94 ist (die Punktgröße ist der Strahlenradius, bei dem das optische Feld auf 1/e seines Spitzenwerts für den Modus niedrigster Ordnung fällt), und &lgr; ist die Wellenlänge des Lichts. Das Quadrat der Punktgröße an jeder anderen Position des Fortpflanzungsmodus ist durch Gleichung (2) gegeben: &ohgr;2 = &ohgr;02[1 + (z/z0)2],(2) wobei z der von der Taille gemessene Abstand ist. Und schließlich ist der Krümmungsradius r des optischen Felds mit Abstand z von der Taille durch Gleichung (3) gegeben: r = z0(z/z0 + z0/z),(3)

Wenn wir nun die Gleichung (2) für sowohl die sagittalen als auch tangentialen Strahlen anwenden und eine Gleichheit erfordern, erhalten wir Gleichung (4): &ohgr;20s[1 + (z/z0s)2] = &ohgr;20t[1 + (z/z0t)2],(4)

Wenn man Gleichung (1) in (4) für die Werte von z0t und z0S einsetzt, erhalten wir Gleichung (5) für den Abstand zc, gemessen von der Taille, für gleiche Punktgröße (kreisförmiger Strahl): zc = &pgr;&ohgr;0s&ohgr;0t / &lgr;,(5) zc ist gleich dem Rayleigh-Bereich für einen Strahl mit einer Punktgröße, die der geometrische Mittelwert der tangentialen und sagittalen Punktgröße ist.

Der zweite Schritt ist es, eine Linse oder einen Spiegel 92 mit optischer Kraft an der Position gleicher Punktgröße anzuordnen und dann den Einfallswinkel &thgr; einzustellen, um den modalen Astigmatismus zu kompensieren. Um den Kompensationseffekt der Linse oder des Spiegels zu verstehen, können wir uns einen kreisförmigen Strahl vorstellen, der in den Resonator eintritt und astigmatisch gemacht wird, zur Anpassung an den Resonatormodus, oder umgekehrt den astigmatischen Modus betrachten, der den Resonator verlässt und in einen kreisförmigen Gauss'schen Modus umgewandelt wird. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass der Strahl den Resonator verlässt, aber es sollte sich verstehen, dass das Ergebnis gleichermaßen aufs Umgekehrte anwendbar ist. Für unsere Zwecke fordern wir, dass das optische Element derart wirkt, dass sie einen gleichen Krümmungsradius für tangentiale und sagittale Strahlen des austretenden Strahls erzeugen. Dies stellt sicher, dass der Modus vom Punkt aus kreisförmig bleibt, vorausgesetzt, dass in dem Weg keine zusätzlichen astigmatischen Elemente vorhanden sind. Die weitere Modusanpassung an eine andersartige Punktgröße und Krümmung kann leicht an dem kreisförmigen Strahl mittels Teleskopen oder anderen Mitteln erreicht werden, die dem Fachmann zugänglich sind. Die einfache Linsenformel für nicht normalen Einfall auf eine Linse oder einen Spiegel für tangentiale und sagittale Strahlen ist jeweils durch die Gleichungen (6) und (7) gegeben: 1/ret = 1/rit – 1/fcos&thgr;,(6) und 1/res = 1/ris – cos&thgr;/f,(7) wobei ret und res die Krümmungsradien der austretenden tangentialen und sagittalen Strahlen sind, rit und ris die Einfalls-Krümmungsradien sind, f die Brennweite der Linse oder des Spiegels ist und &thgr; der Einfallswinkel ist. Ein positiver Wert für f bezeichnet eine fokussierende Linse oder einen solchen Spiegel. Ein sich erweiternder Strahl in der Fortpflanzungsrichtung hat einen positiven Krümmungsradius, während ein konvergierender Strahl einen negativen Krümmungsradius hat. Wenn wir aus Gleichung (3) die Werte für die Einfalls-Krümmungsradien in Gleichung (6) und (7) einsetzen und diese gleichsetzen, erhalten wir Gleichung (8) für den Wert von f und &thgr;, was gleiche Austrittskrümmungsradien erzeugt, und daher einen kreisförmigen Strahl. Wir sind jedoch für eine physikalische Lösung auf Winkelbereiche 0 ≤ &thgr; ≤ 90° beschränkt, was bedeutet, dass 0 ≤ cos&thgr; ≤ 1. cos2&thgr; + fcos&thgr;(&ohgr;20s – &ohgr;20t )/[zc(&ohgr;20s + &ohgr;20t)] – 1 = 0(8)

Ersetzt man das Verhältnis &ohgr;0s/&ohgr;0t durch &agr;, einen Wert, der immer größer ist als eine Einheit, kann die quadratische Gleichung in Gleichung (9) umgeschrieben werden: cos2&thgr; + fcos&thgr;(&agr;2 – 1)/zc(&agr;2 + 1) – 1 = 0,(9)

Die allgemeine Lösung der quadratischen Gleichung (9) ist durch Gleichung (10) gegeben:

Die Terme innerhalb der Wurzel sind immer positiv, weil sie gleich dem Quadrat realer Zahlen sind. Für positive Werte von f ist es leicht zu sehen, dass es für jede Größe von feine eindeutige Lösung für cos&thgr; gibt, die durch 0 und +1 begrenzt ist, und daher ein Einfallswinkel existiert, der der Gleichung genügt und einen kreisförmigen Strahl erzeugt. Für negative Werte von f gibt es keinen Winkel &thgr;, der funktioniert. Wenn man es jedoch so will, um den Strahl aus der Ebene herauszureflektieren, d.i. zum Beispiel in 14 den Spiegel 92 so zu drehen, dass der Strahl aus dem Papier heraus reflektiert wird, dann müssen die sagittalen und tangentialen Brennweiten des Spiegels ausgetauscht werden, und ein Spiegel mit negativer Brennweite kann dazu verwendet werden, einen kreisförmigen Strahl zu erzeugen.

Um eine streifige Einfallsreflexion oder Transmission zu vermeiden und möglicherweise über eine paraxiale Annäherung hinauszugehen, sollten für die Linse oder den Spiegel 92 keine extremen Brennweiten, entweder kurz oder lang, angewendet werden. In dieser Hinsicht ist in der bevorzugten Ausführung der Einfallswinkel &thgr; kleiner als etwa 60°, und eine angenäherte Brennweite für den Spiegel oder die Linse 92 wird so gewählt, dass sie der Bedingung genügt.

Nun ist in Bezug auf 15 eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In 15 ist eine sphärische Linse 200, die mit einem Winkel &thgr; zum Eingangsstrahl 12 gekippt ist, in den Eingangsstrahl 12 eingesetzt. Um den Eingangsstrahl 12 angenähert parallel zur optischen Achse 54 zu halten, lenkt ein Reflektor 202, wie etwa ein Spiegel, den Eingangsstrahl 12 noch einmal um, nachdem er durch die sphärische Linse 200 hindurchgetreten ist, so dass der Eingangsstrahl 12 zum Prisma 52 des Resonators 100 ausgerichtet wird. In dieser Ausführung wird der Abstand zc von der sphärischen Linse 200 zur effektiven Taille 96 gemessen. Ferner ist der Winkel des Reflektors 202 irrelevant und kann irgendein Winkel sein, der erlaubt, dass der Eingangsstrahl 12 auf eine Reflexionsoberfläche des Reflektors 202 fällt. Anzumerken ist, dass der Reflektor 202 nicht erforderlich ist und weggelassen werden kann. In diesem Fall wird die sphärische Linse 200 direkt in dem Weg des Eingangsstrahls 12 angeordnet, wie in 16 gezeigt.

Die Strahlung kann in den Resonator 100 in einem zweier Wege gekoppelt werden. Eine frustrierte totale Innenreflexion kann an einer der flachen inneren reflektierenden Oberflächen 2 oder 3 verwendet werden – oder das Prisma 50, 52 kann vom Brewster-Winkel leicht weggekippt werden – um für eine Kopplung von der Oberfläche 1 weg zu sorgen. Die zweite Methode ist technisch leichter, erzeugt jedoch den doppelten Verlust für einen gegebenen Kopplungsparameter. Der Resonator 100 bildet einen Ring und hat keine stehenden Wellen, wenn in ihn Licht in einer Richtung eingekoppelt wird. Wenn eine Prismaoberfläche um dessen Dachachse von dem Brewster-Winkel weggedreht wird, um ein Kopplungsmittel vorzusehen, ist demzufolge der Ausgang von der gleichen Oberfläche räumlich vom Eingang getrennt, was eine leichtere Trennung eines schwachen Ausgangsstrahls aus dem intensiven Eingang erlaubt.

Die Verwendung eines Ringresonators 100 hat bestimmte zusätzliche Vorteile, weil er den Pegel der optischen Strahlungsrückkopplung zur Quelle stark reduziert. Diese Rückkopplung kann den Quellenlaser potentiell destabilisieren, was die Verwendung von hochpräzisen optischen Isolatoren erfordert, die selbst eine begrenzte spektrale Bandbreite haben und dem gesamten System Komplexität und Kosten zufügen. Der Resonator 100 gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt das erste Mal, dass ein Breitband-CRDS-Resonator aufgebaut wird. Der Resonator 100 wird sowohl wissenschaftliche als auch kommerzielle Anwendungen für CRDS-Spektroskopie deutlich erweitern. Die breite spektrale Bandbreite des verbesserten CRDS-Resonators erlaubt eine Entwicklung von Mehrfachspezies-Sensoren.

Obwohl die Erfindung hierin in Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungen dargestellt und beschrieben ist, besteht, nichtsdestoweniger, nicht die Absicht, sie auf die gezeigten Details einzuschränken.


Anspruch[de]
  1. Astigmatischer Resonator (100) für eine Ring-Down-Hohlraumspektroskopiezelle, umfassend:

    eine Lichtquelle zum Abgeben von Strahlung mit einer Mittel-Wellenlänge &lgr;; wobei eine optische Achse durch die Richtung eines Strahlungsstrahls definiert ist, der von der Lichtquelle abgegeben würde;

    ein erstes Brewster-Winkel-Retroreflektorprisma (50), das eine Mehrzahl von Total-Innenreflektionsoberflächen aufweist, wobei eine der Total-Innenreflektionsoberflächen eine gekrümmte Oberfläche (60) ist;

    ein zweites Brewster-Winkel-Retroreflektorprisma (52), das eine Mehrzahl von Total-Innenreflektionsoberflächen aufweist und in Ausrichtung mit dem ersten Prisma (50) entlang der optischen Achse des Resonators angeordnet ist; und

    ein optisches Element (92) mit einer Brennweite f zur Kopplung und Modusanpassung der Strahlung in eines der ersten und zweiten Prismen, wobei das optische Element mit einem Abstand zc vor der Taillenstelle für gleiche Punktgröße (96) der auf den Resonator fallenden Strahlung ist, wobei die sagittale Punktgröße an der Resonator-Taillenposition (94) &ohgr;0s ist und die tangentiale Punktgröße an der Resonator-Taillenposition (94) &ohgr;0t ist, wobei das optische Element mit einem Winkel &thgr; relativ zur optischen Achse angeordnet ist, wobei
    wobei &agr; ist &ohgr;0s/&ohgr;0t,

    und zc = &pgr;&ohgr;0s&ohgr;0t/&lgr;

    wobei der Resonator derart angeordnet ist, dass die Strahlung nur einmal durch das optische Element hindurchtritt oder von diesem reflektiert wird.
  2. Resonator gemäß Anspruch 1, worin das optische Element eine astigmatische Eigenschaft hat.
  3. Resonator gemäß Anspruch 2, worin das optische Element eine Linse und/oder ein Spiegel ist, wobei die Strahlung auf eine Oberfläche des optischen Elements fällt.
  4. Resonator gemäß Anspruch 3, worin das optische Element eine positive Brennweite hat.
  5. Resonator gemäß Anspruch 2, worin das optische Element eine Linse oder ein Spiegel mit einer negativen Brennweite ist, wobei die Strahlung von der Lichtquelle direkt auf eine Oberfläche des optischen Elements fällt.
  6. Resonator gemäß Anspruch 5, worin das optische Element aus einer durch die optische Achse des Resonators bestimmten Ebene herausgekippt ist.
  7. Resonator gemäß Anspruch 1, worin die reflektierte Strahlung an der Position des optischen Elements, die einen Abstand zc von der Taillenstelle für gleiche Punktgröße (96) der Modus-angepassten Eingangsstrahlung zu dem Resonator hat, einen kreisförmigen Querschnitt hat.
  8. Resonator gemäß Anspruch 1, worin jedes der Prismen einen Scheitelwinkel von etwa 135° minus dem Brewster-Winkel, einen zweiten Winkel von etwa 90° und einen dritten Winkel von etwa 180° minus dem Zweifachen des Brewster-Winkels aufweist.
  9. Resonator gemäß Anspruch 1, worin die Taillenstelle für gleiche Punktgröße (96) der Eingangsstrahlung entlang einer Achse der Eingangsstrahlung zwischen dem zweiten Brewster-Winkel-Retroreflektorprisma und dem optischen Element liegt, und das zweite Brewster-Winkel-Retroreflektorprisma eine Eintrittsstelle für die Strahlung und in dem Hohlraum eine Taillenstelle (94) enthält, worin ein optischer Abstand zwischen der Eintrittsstelle und der in dem Hohlraum liegenden Taillenstelle (94) angenähert gleich einem Abstand zwischen der Eintrittsstelle und der Taillenstelle für gleiche Punktgröße (96) der Eingangsstrahlung ist.
  10. Resonator gemäß Anspruch 1, worin das erste Brewster-Winkel-Retroreflektorprisma aufweist:

    (a) einen Scheitelwinkel von etwa 135° minus dem Brewster-Winkel,

    (b) einen zweiten Winkel von etwa 90°, und

    (c) einen dritten Winkel von etwa 180° minus dem Zweifachen des Brewster-Winkels.
  11. Resonator gemäß Anspruch 10, worin zumindest eines der Prismen drehbar ist.
  12. Resonator gemäß Anspruch 10, worin das Kopplungsmittel eine Fokussierlinse oder ein Spiegel ist, die bzw. der mit einem vorbestimmten Abstand vom ersten oder zweiten Prisma angeordnet ist.
  13. Resonator gemäß Anspruch 10, worin das Kopplungsmittel einen ersten Astigmatismus hat, der einen zweiten Astigmatismus des Resonators kompensiert.
  14. Resonator gemäß Anspruch 13, worin das Kopplungsmittel eine Fokussierlinse und/oder ein Spiegel ist, die bzw. der mit einem vorbestimmten Abstand vom ersten oder zweiten Prisma angeordnet ist.
  15. Resonator gemäß Anspruch 14, worin das Kopplungsmittel eine positive Brennweite hat.
  16. Resonator gemäß Anspruch 13, worin das Kopplungsmittel ein Spiegel mit einer negativen Brennweite ist, wobei die Strahlung auf die Oberfläche des Spiegels fällt.
  17. Resonator gemäß Anspruch 16, worin der Spiegel aus einer durch die optische Achse des Resonators bestimmten Ebene herausgekippt ist.
  18. Resonator gemäß Anspruch 10, worin die gekrümmte Oberfläche eine Kugelform hat.
  19. Resonator gemäß Anspruch 1, worin die Lichtquelle ein Laser ist.
  20. Resonator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Prismen aus einem von verschmolzenem Silicium, Saphir, Diamant, Calciumfluorid oder Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) aufgebaut sind.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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