CN103207161A - 具有激光反馈优化的基于激光的腔增强光学吸收气体分析仪 - Google Patents
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Abstract
提供一种具有激光反馈优化的基于激光的腔增强光学吸收气体分析仪。一种用于在长期稳定性和可再现性得到改进的情况下测量痕量气体的光学反馈辅助腔增强吸收光谱系统和方法，包括与包含气体介质的光学谐振腔相耦合的激光器，该谐振腔具有至少两个腔镜和多个光学谐振腔模式。该激光器发射连续波激光，其中激光器的平均光学频率在频率范围上可调，并且激光器响应于从腔出射的光学反馈光。腔镜中至少一个的透射率被选择成使得入射到激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值，以致确保激光器的光学频率的频率保持间隔范围小于腔的自由光谱范围。
Description
技术领域
本发明一般地涉及痕量气体(trace gas)检测以及更具体地涉及腔增强吸收光谱(cavity enhance absorption spectroscopy，CEAS)系统和测量痕量气体的方法。
背景技术
在腔增强吸收光谱系统和方法中，激光器的辐射进入谐振腔中，并且腔内的光强被观测。激光器的光学频率可被周期性地扫描。如果为了清楚起见，假定激光线宽比谐振腔的共振宽度小得多，当激光频率与腔模式发射峰一致时，谐振腔内的光强反映总体腔损耗，并且只要已知入射强度和腔参数，则可以定量地确定总体腔损耗。总体腔损耗是腔内镜损耗和由腔内存在的气体混合物吸收引起的损耗之和。腔内镜损耗越低，或等效地，每个镜的反射率越高，则能被检测到的腔内气体混合物的吸收越小。通过反射率很高的镜，激光线宽会变得与腔共振宽度相比过大，从而限制了腔能够达到的气体混合物吸收增强。这可以通过使用来自腔的光学反馈和对来自腔的光学反馈敏感或有响应的激光器来缩小激光线宽以获得帮助。在扫描期间用这种激光器，由于激光频率接近腔模式之一的频率，该激光器锁定到该模式。所谓激光器锁定到模式，这意味着激光线宽变得比谐振模式宽度小得多，并且不管未锁定激光器的频率扫描范围是否可能较大，在锁定条件下，激光器的光学频率仅仅会在谐振峰内发生变化。由于激光器频率扫描继续，激光器会失去锁定到当前腔模式并且重新锁定到下一接近的腔模式。由于光学反馈的影响，扫描期间的激光器光学频率本质上取得与在光学频率上等距的腔模式峰相对应的多个离散值。因而被分析气体的离散吸收光谱可通过连续耦合到扫描范围内的整个一组腔模式来获得，并且痕量气体浓度可从吸收光谱导出。该使用光学反馈的腔增强光学吸收光谱系统和方法的子类，被称为光学反馈腔增强吸收光谱(OF CEAS)。
在OF CEAS中，从谐振腔到激光器的光学反馈的强度必须在一定限度内，否则不可能在激光器扫描时提供可再现的扫描-扫描模式耦合。在已知的OF CEAS系统和方法中，复杂光学组件用于此目的，例如法拉第隔离器、可变光学衰减器、或偏振旋转器。不良的干涉效应、温度漂移和老化漂移可能由系统的这些组件产生。获得光学吸收测量的高稳定性和高可再现性成为主要难题。
因此需要提供能克服上述或其他难题的OF CEAS系统和方法。尤其是，在保持到腔内每个模式的可再现扫描-扫描连续耦合(sequentialcoupling)而不错过模式的同时，能够达到吸收测量的高稳定性和可再现性。
发明内容
本发明提供光学反馈辅助腔增强吸收光谱系统以及具有改进的长期稳定性和可再现性的用于测量痕量气体的方法。
本发明的实施例有利地能够在不错过多个腔模式中任何一个的情况下实现腔模式上的激光器频率扫描，同时在激光器和腔之间的路径上不设置用于控制光学反馈强度的附加光学元件的情况下提供对腔内气体混合物光学吸收的测量。在先前的系统中，附加光学部件用于帮助确保不会错过模式。在本发明的实施例中，激光器可再现地锁定到激光器可调频率范围内的任何光学谐振腔模式，而没有先前系统中存在的额外复杂性，以及更重要地，没有由这些附加元件引起的不稳定性和混乱。
为了减少复杂性以及获得连续耦合，例如，当光学锁定范围不大于腔FSR(自由光谱范围)时，光学反馈强度保持在阈值以下。在特定实施例中，这是通过三种不同方法中的一个来实现的，即通过以下方法1)或2)或其组合3)中的一个：
1)对于第一种方法，腔的总往返损耗被选择以提供所需的设备灵敏度，然而镜的透射或透射率被选择或设置为提供阈值以下的光学反馈强度，从该镜处产生来自腔的反馈光。
2)对于第二种方法，在使用具有固有线性偏振输出发射的激光器和具有两组相互正交的线性偏振模式的腔的情形中，激光器以如下方式进行定向：其输出偏振相对于正交偏振腔模式组成非零度角。角度的值被设置成为每组模式提供阈值以下的光学反馈强度。
在特定实施例中，例如如果光学反馈强度在激光和腔本征偏振之间相互取向角的整个范围内在阈值以上，第二种方法与第一种方法相结合，即耦合镜的透射被设置成为两个模式组提供阈值以下的光学反馈强度。当激光与腔模式偏振之间成非零度角时，该激光器可被锁定到两组正交偏振腔模式。两种不同偏振的模式损耗是不同的并且由镜涂层的设计(例如多层镜涂层)来确定。
第二种方法提供几个附加优点，例如：
-正交偏振模式间的损耗差异可被用作腔增强吸收测量的内在标准；
-正交偏振模式组间的相同损耗差异在强光谱线饱和时通过使用低损耗模式组测量弱光谱线来提供更宽的动态范围，但是强光谱线可通过使用高损耗模式组来测量；
-在正交偏振模式组之间模式频率的现有差异导致更高的光谱分辨率。
在特定实施例中，提供一种使用包含气体混合物的谐振光学腔检测痕量气体系统和方法，该腔具有两个或更多镜并且能够通过改变腔的光学长度来进行频率扫描。能够进行频率扫描的激光器或其他光源通过腔镜之一(例如耦合镜)耦合到腔。当激光频率接近腔模式之一的频率时，激光器开始将腔填充到该模式。当激光频率与腔模式发射峰一致时，谐振腔内的光学强度反映整体腔损耗。整体谐振腔损耗是腔镜损耗和由被分析的气体混合物的吸收引起的损耗之和。对从腔入射到激光器的光反馈强度的控制使能够可再现锁定到激光器可调频率范围内任一光学谐振腔模式。
根据本发明的一个方面，提供一种检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的系统。该系统典型地包括包含该介质并具有至少两个腔镜的谐振光学腔，其中腔镜之一是腔耦合镜，并且该腔具有多个光学谐振腔模式，并且该系统还包括发射连续波激光的激光器，其中该激光器能被扫描，由此激光器的平均光学频率在一频率范围上可调，以及其中该激光器响应于来自腔的光学反馈光。该系统还典型地包括配置成通过腔耦合镜将激光耦合到腔的模式匹配光学器件，以及配置成测量在腔内循环的光的腔内光功率的强度并产生表示在腔内循环的光的腔内光功率的信号的检测器。该腔典型地设计成其中至少两个腔镜的透射率被选择或设置成入射到激光器的光学反馈光强度低于阈值强度值，以确保激光器光学频率的频率保持间隔范围小于腔的自由光谱范围。例如，有利地避免使用独立的光学反馈强度调整元件，所有镜的透射率(即，表示从腔穿过镜的光量的度量)，并且尤其是反馈光返回到激光器所穿过的镜的透射率被选择为到激光器的光反馈强度低于阈值。这通常意味着提供反馈到激光器的镜的透射率应该比其他镜的透射率低得多。例如，为了有利地使系统达到和具有三个反射率相同的镜并包括独立光学反馈强度调整元件的系统(在本示例中称为“系统1”)相同的加强，腔往返损耗可与系统1的腔往返损耗相等(但是没有使用这种调整元件)；腔往返损耗因子是腔镜反射率的自然对数之和，所以可以通过选择4*ln(R)＝ln(R1)+2*ln(R2)+ln(R3)来使得两个腔相等，上式中R是系统1的镜反射率，并且对于V腔的实施例，R1是一个末端镜的反射率，R2是耦合镜(提供反馈到激光器)的反射率，以及R3是另一个末端镜的反射率。
根据本发明的另一个方面，提供一种检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的系统。该系统典型地包括包含该介质并具有至少两个腔镜的谐振光学腔，其中腔镜之一是腔耦合镜，并且该腔具有多个光学谐振腔模式，其中该腔具有两组相互正交的线性偏振腔模式，并且该系统还包括发射连续波激光的激光器，其中该激光器具有线性偏振输出，其中该激光器能被扫描，由此激光器的平均光学频率在一频率范围上可调，以及其中该激光器响应于来自腔的光学反馈光。该系统还典型地包括配置成通过腔耦合镜将激光耦合到腔的模式匹配光学器件，以及配置成测量在腔内循环的光的腔内光功率的强度并且产生表示在腔内循环的光的腔内光功率的信号的检测器。在一个实施例中，激光器相对于腔的取向被选择为：激光器的输出偏振相对于腔模式偏振成非零度角，由此入射到激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值，以确保锁定到具有在激光器的所述频率范围内的频率的多个光学谐振腔模式中的一个或多个。在某些方面，激光器相对于腔的取向是可调的，这样激光器的输出偏振相对于腔模式的偏振成非零度角，使得入射到激光器上的光学反馈光的强度低于阈值强度值。在某些方面，该系统包括用于调整激光器位置和/或取向的装置，以调整输出偏振相对于腔模式偏振的角度。
根据本发明的另一方面，提供一种检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的系统。该系统典型地包括包含该介质并具有至少两个腔镜的谐振光学腔，其中腔镜之一是腔耦合镜，并且该腔具有多个光学谐振腔模式，并且该系统还包括发射连续波激光的激光器，其中该激光器能被扫描由此激光器的平均光学频率在一频率范围上可调，以及其中该激光器响应于来自腔的光学反馈光。该系统还典型地包括配置成通过腔耦合镜将激光耦合到腔的模式匹配光学器件，以及配置成测量在腔内循环的光的腔内光功率的强度并产生表示在腔内循环的光的腔内光功率的信号的检测器。在一个实施例中，激光输出耦合器的透射率被选择为入射到激光器或活性激光介质上的反馈光的强度低于阈值强度值以确保锁定到具有在激光器的所述频率范围内的频率的多个光学谐振腔模式中的一个或多个。
根据又一方面，提供一种检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的系统。该系统典型地包括包含该介质并具有至少两个腔镜的谐振光学腔，其中腔镜之一是腔耦合镜，并且该腔具有多个光学谐振腔模式，其中该腔具有两组相互正交的线性偏振腔模式，并且该系统还包括发射连续波激光的激光器，其中该激光器具有线性偏振输出，其中该激光器能被扫描由此激光器的平均光学频率在一频率范围上可调，以及其中该激光器响应于来自腔的光学反馈光。该系统还典型地包括配置成通过腔耦合镜将激光耦合到腔的模式匹配光学器件，以及配置成测量在腔内循环的光的腔内光功率的强度并产生表示在腔内循环的光的腔内光功率的信号的检测器。在一个实施例中，通过选择激光器相对于腔的取向从而激光器的输出偏振相对于腔模式偏振成非零度角和/或选择至少两个腔镜的反射率，入射到激光器上的光学反馈光的强度被控制到阈值强度值以下，该阈值强度值确保锁定到具有在激光器的所述频率范围内的频率的多个光学谐振腔模式中的一个或多个。
在某些方面，激光器包括半导体二极管激光器。在某些方面，光学反馈光从腔耦合镜入射到激光器上。在某些方面，腔耦合镜的反射率大于其他腔镜(多个腔镜)的反射率。
在多个实施例中，由于激光器的平均光学频率在频率范围内连续调整(扫描)，激光器有利地锁定到连续腔模式而不会错过任何腔模式。激光器能够可再现地锁定到激光器可调频率范围内的任何光学谐振腔模式。
在某些方面，多个实施例中的腔可以具有包含3个或更多腔镜的环形腔结构、包含两个腔镜的线性腔结构或包含3个腔镜的V形腔结构。
在多个实施例的某些方面，提供一种调整光学反馈光相位的装置。在多个实施例的某些方面，提供一种调整光学反馈光强度的装置。这些装置可包括，例如，在激光器和腔之间沿反馈光路径定位的光学衰减器元件。
参考本说明书的其余部分，包括附图和权利要求，将认识到本发明的其它特征和优点。本发明的进一步的特征和优点以及本发明各实施例的结构和操作在下文中将参考附图详细描述。在附图中，类似的附图标记表示相同或功能上相似的元件。
附图说明
图1示出根据一个实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统。
图2和3示出根据另一实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统200，其中偏振取向的选择或调整被用于控制到激光光源的光学反馈强度。
图4示出V形腔的腔镜的反射率关系，其确定了到激光光源的反馈强度。
图5示出根据又一实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统。
图6示出根据再一实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统。
图7示出根据另一实施例的具有V形腔配置的CEAS系统。
具体实施方式
本发明提供用于测量痕量气体的腔增强吸收光谱系统和方法，其具有改进的扫描-扫描模式耦合效率和改进的光学反馈控制。
本发明的实施例提供简单、精确和可靠的用于检测痕量气体的腔增强吸收光谱系统和方法，该系统和方法相对于基于相似原理的现有系统和方法具有改进的精确性和稳定性。这些是部分地通过从激光器和腔部件之间的光路上去除可能引起光学干涉效果、温度和/或老化漂移等的元件并且增加或加强剩余部件的特征以在无需被去除的元件的情况下提供改进的器件操作，来实现的。例如，本文公开的CEAS系统的实施例有利地不要求或不需要例如设置在激光器和腔之间路径上的任何可置位(settable)衰减器，或衰减或控制激光器-腔耦合率的其他元件。
图1示出根据一个实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统100。如所示的，CEAS系统100包括发射连续波相干光(例如连续波激光)的光源1、光学腔4及两个检测器，检测器8和检测器9。如所示的，腔4是由腔耦合镜5和镜6、7限定的V形腔。可认识到，腔可以是具有两个或更多镜的线性腔，或具有三个或更多镜的环形腔，或具有三个或更多镜的其他任何结构的腔。封装或外壳(未示出)为腔4提供气密密封，以允许对外壳和腔4内的环境进行控制。一个或更多光学部件2被配置和安排成便于将来自光源1的激光经由腔耦合镜5引导到光学腔4并且确保激光器与腔的模式匹配。在图1示出的实施例中，分束元件3被定位和对准成允许由光源1发射或产生的基本上所有入射光12入射到腔耦合镜5上。入射光束12的部分由元件3引导(例如反射或折射)到检测器8上。在此实施例中，腔耦合镜5相对于光束12以一角度设置，尽管其可以垂直于光束12。入射光12的部分经由镜5进入腔4。依赖于入射光12的频率和腔4的光学长度(例如，从镜7到镜5到镜6的光学长度)，在腔内循环的光18可建立并在由腔的光学长度限定的一个或多个腔模式下共振。腔4内在镜7、5和6之间循环的腔内光18的部分通过镜5出射或逃逸并入射到元件3上。元件3允许部分20返回到光源1。
在某些方面，光源1包括对光学反馈敏感或有响应的激光器或其他相干光源。一种有用的激光器是半导体二极管激光器，其对来自腔(例如，来自在当前配置中的耦合镜5)入射到激光器的光20的光学反馈敏感。通常，有用的激光光源可包括二极管激光器、量子级联激光器和固态激光器、任何外腔激光器等等。镜5、6和7的反射率(或透射率)选择限定光束20的强度以及因此提供给激光器501的光学反馈强度(例如参见图4)。通过设置或控制光学反馈强度，激光器可耦合到在激光器扫描范围内的任何腔模式。
光源1也优选是可以频率扫描的，由此激光器的平均光学频率在一频率范围内可调。这可通过已知方式来实现，例如，通过调整施加到二极管激光器上的电流和/或调整激光器介质的温度。在某些方面，腔4也能够进行频率扫描，例如通过改变或调整腔的光学长度，由此腔谐振峰的光学频率在一频率范围内可调。腔光学长度的调整可包括调整或调制一个或更多腔镜的相对位置，调整腔4内的介质压强(pressure)或本领域技术人员熟知的其他方式。
在某些实施例中，CEAS系统10是对检测腔4内存在的气体混合物中的痕量气体有用的。当由光源1发射的光12的频率接近腔模式之一的频率时，进入腔4的光12开始将腔填充到该模式。当光12的光频率与腔模式透射峰一致时，在谐振腔内循环的光18的强度反映了整体腔损耗。整体腔损耗是腔镜损耗和由存在于腔内的气体混合物的一种或更多种成分的吸收引起的损耗之和。基于在被分析气体中存在吸收成分时的腔损耗和在参考气体中不存在吸收成分时的腔损耗之间的差异，来确定分析物吸收(例如，由一种或多种气体成分的吸收引起的吸收损耗)。
图2和3示出根据另一实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统200，其中偏振取向的选择和调整用于控制到激光光源的光学反馈强度。CEAS系统200的工作原理与CEAS系统100的类似，包括操作V形腔结构204，其中腔镜205是腔耦合镜。这里，如图所示，光源201具有固有的线性偏振发射，并且腔具有两组相互正交的线性偏振模式。在图2中，入射激光束212的偏振与腔模式的偏振一致。在图3中，入射激光束212的偏振与腔模式的偏振不一致，由此到激光器201的光学反馈强度减弱。在此实施例中，提供旋转入射激光212的偏振的装置，用于设置、控制或调整到激光器201的光学反馈强度。在某些方面，该装置包括物理地旋转激光器以使输出偏振旋转的与激光器耦合的机械元件或支持激光器的平台。例如，如果光束212的偏振矢量相对于腔模式的偏振旋转α角，腔内功率与cos(α)成比例，并且被引导返回激光器201的光220的强度也和cos(α)成比例，然而，耦合到激光模式的反馈光的强度与cos2(α)成比例。应该注意，在腔与激光器之间不需要使用衰减器，因为腔和激光器的相互取向影响腔耦合率。
图4示出对于V形腔(图4a)和用于线性腔(图4b)，到激光器的反馈强度相关于腔镜反射率的关系。为了简洁，腔内的任何镜上吸收损耗被忽略。一般地，需要腔耦合镜的反射率(R)大于或显著大于其他腔镜的反射率(R1)。或者，换言之，需要腔耦合镜的透射率(T＝1-R)小于或显著小于其他腔镜的透射率(T1)。图4也示出两种配置：a)其中反馈光从腔出射所采用的镜与输入镜相同(图4a)；以及b)输入和输出镜不同。输入和反馈镜不同的第二种配置对于OFCEAS和PAS应用是有利的，因为这种配置典型地提供更大的腔内功率。下面参考图7讨论对控制和操纵输出/反馈光束有用的配置。
图5示出根据又一实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统500。CEAS系统500的工作原理与CEAS系统100的类似，包括V形腔结构504，腔镜505是腔耦合镜。在此配置中，腔耦合镜505被定位以及定向为由光源501产生的入射光束512在撞击区域处相对于由镜面505限定的平面成角度地入射到镜505上。镜505可垂直于光束512定向。检测器509检测从镜507出射的光，并且产生表示腔504内循环光的腔内光功率的信号。智能模块(未示出)接收并处理检测器输出信号。这里，激光器501的激光输出耦合器503使其透射率被设置或者调整，以控制与激光器501或激光介质522相互影响的反馈光强度，例如来提供阈值以下的光反馈强度。激光器501包括具有输出耦合器的任何激光器，例如，外腔激光器。
图6示出根据再一实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统600，该系统允许使用相同腔进行光-声光谱(PAS)和直接吸收光谱测量。CEAS系统600的工作原理与CEAS系统100的相似，包括V形腔结构604，腔镜605是腔耦合镜。腔耦合镜605被定位成由光源601产生的入射光束612在撞击区域处相对于由镜面605限定的平面成角度地入射到镜605上。镜605可垂直于光束612定向。检测器609检测从镜607出射的光，并且产生表示腔604内循环光的腔内光功率的信号。在此实施例中，检测器608被定位在腔内(例如，在腔壳体结构内)来检测填充光学腔604的气体混合物对腔内光功率的、采用声学信号形式的响应。2010年3月2日提交的美国专利申请No.12/660,614提供光-声光谱、有用的光-声传感器和光-声测量技术和参数的细节，其全部内容通过引用整体结合于此。智能模块(未示出)接收和处理检测器输出信号，并且提供表示PAS和/或CEAS测量的输出信号。
在某些实施例中，提供围绕光学腔组织单向光路的装置。例如，这样的安排可以包括一个或更多光学隔离器，光学隔离器防止光在反方向上从腔传播到光源。在某些实施例中，提供用以调整反馈光强度的装置。例如，图7示出根据这种实施例的腔增强吸收光谱(CEAS)系统700。CEAS系统700的工作原理与CEAS系统100的相似，例如，包括V形腔结构704，腔镜705是腔耦合镜。腔耦合镜705被定位成由激光二极管光源701产生的入射光束712在撞击区域处相对于由镜705限定的平面成角度地入射到镜705上，这样光被反射到光电检测器708。可选的分束元件703引导入射光束712的部分到可选检测器710。在此实施例中，光电检测器709被定位成接收和检测腔704内在镜705、706和707之间往返循环的腔内光718中经由镜706出射或逃逸的部分。与CEAS 100的工作类似，光电检测器710检测并产生表示入射到腔耦合镜705的激光712的强度的信号，检测器708检测并产生表示由腔耦合镜705反射的激光强度的信号，并且检测器709检测并产生表示腔704内循环的光的腔内光功率的信号。智能模块(未示出)接收三个检测器的输出信号并处理这些信号来生成或产生输出信号。
图7中也示出用于增强对光学反馈的控制(特别是对到光源701的光学反馈的控制)的附加元件。如所示的，从腔镜707出射的光穿过相位计(phasor)720并通过分束元件713返回光源701。提供光学隔离器718和719来完全地阻挡在相反方向上传播的光。例如，光学隔离器元件719阻挡从镜705向光源701返回的光(例如，从腔经由镜705反射的光或逃逸的光)，并且光学隔离器元件718防止从相位计720返回的光(例如，在相反路径上穿过相位计720的由相位计720反射的光或由分束器713反射的光源光)入射到镜707上。对腔镜反射率(例如R1、R2、和R3)的选择限定了提供到光源701的光学反馈强度。相位计720的使用有利地允许对从腔704提供到光源701的光学反馈进行相位控制。可以认识到，用于引导光束和控制反馈强度的相似结构和/或功能可应用到线性腔和环形腔。
这里使用的，在关于激光光源的光学反馈中使用的术语“阈值强度值”或“阈值”旨在表示光学反馈强度，在该光学反馈强度之上，激光会锁定到腔的一个FSR(自由光谱范围)的腔模式。两个示例示出在光学反馈强度在阈值之上时的条件：1)当针对多于一个的FSR对腔模式进行扫描但激光器继续锁定在同一腔模式时；2)当激光器的电流或温度被调整以使得激光器频率被扫描时，以及当不受光学反馈干扰的情况下针对一个以上的腔FSR对激光器频率进行扫描，而在(高)光学反馈存在的情况下，激光器继续锁定到同一腔模式时。如上所述，需要能够避免以上情形的腔增强吸收系统和方法，并且由于激光波长被扫描而没有错过任何腔模式，上述实施例确实有利地确保激光器锁定到连续腔模式。
尽管已通过示例并根据特定实施例描述了本发明，但可理解本发明不限于所公开的实施例。相反，它旨在涵盖对本领域技术人员而言显见的各种修改和类似安排。因此，所附权利要求书的范围应与最宽泛的解释一致，以便包含所有这样的修改和类似的安排。
Claims (30)
1.一种检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的系统，所述系统包括：
包含所述介质并具有至少两个腔镜的光学谐振腔，所述腔镜之一是腔耦合镜，所述腔具有多个光学谐振腔模式；
发射连续波激光的激光器，其中所述激光器能够被扫描，由此所述激光器的平均光学频率在频率范围上可调，并且其中所述激光器响应于从所述腔出射的光学反馈光；
配置为通过所述腔耦合镜将激光耦合到所述腔的模式匹配光学器件；以及
配置为测量在所述腔内循环的光的腔内光功率强度并产生表示在所述腔内循环的光的腔内光功率的信号的检测器；
其中，所述腔镜中的至少一个的透射率被选择成使得入射到所述激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值，以确保所述激光器的光学频率的频率保持间隔范围小于所述腔的自由光谱范围。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述腔具有从以下构成的组中选择的配置：具有三个或更多腔镜的环形腔、具有两个或更多腔镜的线性腔、以及具有三个腔镜的V形腔。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括结合到所述光学腔内的声学传感器，所述声学传感器用于测量由所述腔内气态或液态介质产生的光-声信号。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括用于调整所述激光器的平均光学频率以便在腔谐振峰上扫描所述激光器的平均光学频率的装置。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述腔能够被扫描，由此腔谐振模式峰的光学频率在频率范围上可调。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，进一步包括用于控制所述腔镜中之一的位置以便扫描腔谐振模式峰的光学频率的装置。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器具有线性偏振输出，并且所述腔具有两组相互正交的线性偏振模式。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述激光器相对于所述腔的取向是可调的，因而所述激光器的输出偏振相对于腔模式偏振成非零度角，使得入射到所述激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述非零度角被选择以便为每组模式提供低于阈值的光学反馈强度。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，由于所述激光器的平均光学频率在所述频率范围上连续调整(扫描)，所述激光器锁定到连续的腔模式。
11.一种检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的系统，所述系统包括：
包含所述介质并具有至少两个腔镜的光学谐振腔，所述腔镜之一是腔耦合镜，所述腔具有多个光学谐振腔模式，其中所述腔具有两组相互正交的线性偏振腔模式；
发射连续波激光的激光器，其中所述激光器具有线性偏振输出，其中所述激光器能够被扫描，由此所述激光器的平均光学频率在频率范围上可调，并且其中所述激光器响应于从所述腔出射的光学反馈光；
配置为通过所述腔耦合镜将激光耦合到所述腔的模式匹配光学器件；以及
配置为测量在所述腔内循环的光的腔内光功率强度并产生表示在所述腔内循环的光的腔内光功率的信号的检测器；
其中所述激光器相对于所述腔的取向被选择，使得所述激光器的输出偏振相对于所述腔模式的偏振成非零度角，从而入射到所述激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值，以确保所述激光器的光学频率的频率保持间隔范围小于所述腔的自由光谱范围。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述腔具有从以下构成的组中选择的配置：具有三个或更多腔镜的环形腔、具有两个或更多腔镜的线性腔、以及具有三个腔镜的V形腔。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括第一检测器，所述第一检测器配置为测量在所述腔内循环的光的腔内光功率强度并产生表示在所述腔内循环的光的腔内光功率的信号。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括用于调整所述激光器的平均光学频率以便在腔谐振峰上扫描所述激光器的平均光学频率的装置。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述腔能够被扫描，由此腔谐振模式峰的光学频率在频率范围上可调。
16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，由于所述激光器的平均光学频率在所述频率范围上连续调整(扫描)，所述激光器锁定到连续的腔模式。
17.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述激光器相对于所述腔的取向是可调的，因而所述激光的输出偏振相对于腔模式的偏振成非零度角，使得入射到所述激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述非零度角被选择以便为每组模式提供低于阈值的光学反馈强度。
19.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括结合到所述光学腔内的声学传感器，所述声学传感器用于测量由所述腔内气态或液态介质产生的光-声信号。
20.一种检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的系统，所述系统包括：
包含所述介质并具有至少两个腔镜的光学谐振腔，所述腔镜之一是腔耦合镜，所述腔具有多个光学谐振腔模式；
发射连续波激光的激光器，其中所述激光器能够被扫描，由此所述激光器的平均光学频率在频率范围上可调，并且其中所述激光器响应于从所述腔出射的光学反馈光；
配置为通过所述腔耦合镜将激光耦合到所述腔的模式匹配光学器件；以及
配置为测量在所述腔内循环的光的腔内光功率强度并产生表示在所述腔内循环的光的腔内光功率的信号的检测器；
其中，激光输出耦合器的透射率被选择为使得入射到所述激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值，以确保所述激光器的光学频率的频率保持间隔范围小于所述腔的自由光谱范围。
21.一种用于检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的方法，所述方法使用发射连续波激光的激光器和包含所述介质并具有至少两个腔镜的光学谐振腔，所述腔镜之一是腔耦合镜，其中所述激光器响应于从所述腔出射的光学反馈光，并且其中所述激光器的平均光学频率在频率范围上可调，所述方法包括：
使用模式匹配光学器件通过所述腔耦合镜将激光耦合到所述腔，所述腔具有多个光学谐振腔模式；
调整所述激光器的平均光学频率以便在所述光学谐振腔模式的一个或多个上扫描所述激光器的平均光学频率，所述光学谐振腔模式具有在所述激光器的所述频率范围内的频率；
选择所述腔镜中至少一个的透射率，使得入射到所述激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值，以确保所述激光器的光学频率的频率保持间隔范围小于所述腔的自由光谱范围；以及
测量所述腔内循环的光的腔内光功率强度并且产生表示所述腔内循环的光的腔内光功率的信号。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述腔具有从以下构成的组中选择的配置：具有三个或更多腔镜的环形腔、具有两个或更多腔镜的线性腔、以及具有三个腔镜的V形腔。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述激光器具有线性偏振输出，以及其中所述腔具有两组相互正交的线性偏振模式，所述方法进一步包括调整所述激光器相对于所述腔的取向以使得所述激光器的输出偏振相对于所述腔模式的偏振成非零度角。
24.一种用于检测气态或液态介质中存在的一种或多种待分析物种类的方法，所述方法使用发射连续波激光的激光器和包含所述介质并具有至少两个腔镜的光学谐振，所述腔镜之一是腔耦合镜，其中所述激光器响应于从所述腔出射的光学反馈光，其中所述激光器具有线性偏振输出，并且其中所述激光器的平均光学频率在频率范围上可调，所述方法包括：
使用模式匹配光学器件通过所述腔耦合镜将激光耦合到所述腔，所述腔具有多个光学谐振腔模式，并且所述腔具有两组相互正交的线性偏振腔模式；
调整所述激光器的平均光学频率以便在所述光学谐振腔模式的一个或多个上扫描所述激光器的平均光学频率，所述光学谐振腔模式具有在所述激光器的所述频率范围内的频率；
调整所述激光器相对于所述腔的取向以使得所述激光器的输出偏振相对于所述腔模式的偏振成非零度角，以使得入射到所述激光器上的光学反馈光强度低于阈值强度值，以确保所述激光器的光学频率的频率保持间隔范围小于所述腔的自由光谱范围；以及
测量所述腔内循环的光的腔内光功率强度并且产生表示所述腔内循环的光的腔内光功率的信号。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述腔具有从以下构成的组中选择的配置：具有三个或更多腔镜的环形腔、具有两个或更多腔镜的线性腔、以及具有三个腔镜的V形腔。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述非零度角被选择成为每组腔模式提供低于阈值的光学反馈强度。
27.如权利要求1所述的系统，其特征在于，由于所述激光器的平均光学频率在所述激光器的所述频率范围上进行扫描，连续锁定到所述多个光学谐振腔模式，所述光学谐振腔模式具有在所述激光器的所述频率范围内的频率。
28.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括用于调整光学反馈光的强度的装置。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，用于调整的装置包括沿光学反馈光路径设置在所述激光器和所述腔之间的光学衰减器元件。
30.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括用于调整光学反馈光的相位的装置。
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