CN109061783A - 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪 - Google Patents

光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪 Download PDF

Info

Publication number
CN109061783A
CN109061783A CN201810911586.5A CN201810911586A CN109061783A CN 109061783 A CN109061783 A CN 109061783A CN 201810911586 A CN201810911586 A CN 201810911586A CN 109061783 A CN109061783 A CN 109061783A
Authority
CN
China
Prior art keywords
face
optical
light
reflecting prism
optical path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810911586.5A
Other languages
English (en)
Inventor
邓文平
赵辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SUZHOU PUDAO OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Original Assignee
SUZHOU PUDAO OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SUZHOU PUDAO OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd filed Critical SUZHOU PUDAO OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority to CN201810911586.5A priority Critical patent/CN109061783A/zh
Publication of CN109061783A publication Critical patent/CN109061783A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0389—Windows
    • G01N2021/0396—Oblique incidence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/15—Preventing contamination of the components of the optical system or obstruction of the light path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry

Abstract

本申请公开一种光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪。所述光学谐振腔具有样品测量区域，所述反射棱镜包括用于接收穿过所述样品测量区域的光线的第一面、用于向所述样品测量区域发出光线的第二面、位于所述第一面与所述第二面之间的第三面；所述第三面用于将接收自所述第一面的光线全反射至所述第二面。本申请所提供的光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪能够有利于光学谐振腔的反射棱镜小型化，进而利于降低光线的材质吸收损耗。

Description

光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪
技术领域
本申请涉及光谱学领域，尤其涉及一种光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪。
背景技术
光谱学学科研究的是光谱。与关注频率的其他部分学科不同的是，光谱学专门研究可见光和近可见光——一个可以获得的光谱范围中很窄的一部分，该光谱的波长范围在约1毫米至1纳米之间。近可见光包括比红外线和紫外线。这个范围在可见光波段两侧都有足够远的延伸，但大部分由普通材料制成的透镜和反射镜仍对该光波段有效，必须经常考虑到材料的光学性能是依赖于光波长的。
吸收式光谱学可以探测或识别各种不同的分子类型，尤其是简单分子类型，比如水。同时，光谱测量仪提供了高灵敏度、微秒量级的响应时间、抗干扰能力，以及有限的来自除所研究物质种类以外的其他分子种类的干扰。因此，吸收式光谱作为一种探测重要微/痕量物质类别的通用方法。在气体状态下，由于物质的吸收能力能够集中于一组尖锐的光谱线上，使得这种技术的灵敏度和选择性均发挥到最佳状态。光谱中这种尖锐的光谱线可以用来与绝大多数的干扰物质进行区分。
在许多生产过程中，对流动气流中微量物质的浓度进行迅速、准确的测量和分析是十分必要的，因为污染物的浓度往往至关重要地影响成品的质量。例如，氮气N2、氧气O2、氢气H2、氩气Ar、氦气He用来制造集成电路，存在于这些气体中的杂质，比如水，即使只有十亿分之(ppb)几的含量水平也是有害的，它会减少集成电路合格品产量。因此，在需要高纯气体的半导体工业中，较高的灵敏度对生产者来说是非常重要的，借助于光谱学的高灵敏度性能能检测出水分杂质。在其它工业生产过程中，也有必要对各种各样的杂质进行检测。
光谱学可以在高纯气体中检测含量为百万分之(ppm)几的水份，在某些情况下，还能够获得十亿分之几(ppb)的检测灵敏度水平。因此，已有数种光谱学方法被用于监测气体含水量，包括：传统长通路元件[long optical path cells]的吸收测定、光声光谱学、频率调制光谱学以及内腔激光吸收光谱学。但是，如莱曼(Lehmann)在美国专利号5,528,040的专利中所述，这些光谱方法具有多种特性，这使得它们在实际工业应用中是不切实际的和难以使用的。因此，它们在很大程度上仅限于实验室研究。
然而，回路衰减光谱技术(CRDS，cavity ring-down spectroscopy)已成为一种重要的光谱技术被应用于科学研究、工业生产控制、大气微/痕量气体监测。作为光吸收测定技术，已证实CRDS优于在低吸光度状态下灵敏度不很理想的传统方法。CRDS把高精密光学谐振腔中的光子平均寿命作为吸收灵敏度的可观测量。
一般地，光学谐振腔由一对名义上相同的、窄带的、超高反射性介电反射镜形成，经适当配置形成一个稳定的光学光学谐振腔。一个激光脉冲通过一个反射镜射入光学谐振腔以经历一个平均寿命时间，该平均寿命决定于光子往返渡越时间(transit time)、光学谐振腔长度、吸收横截面和物质的浓度数量、内部光学谐振腔耗损因子(主要产生于当衍射损耗可忽略不计时，来自取决于频率的反射镜的反射率)。因此光吸收的测定由传统的功率比测量转化成了时间衰减测量。CRDS的最终灵敏度由光学谐振腔内部的损耗量值决定，使用诸如精细抛光的技术生产的超低损耗光学器件可以使这个耗损值减至最小。
由于目前尚不能制造出具有足够高反射率的反射镜，因此在应用高反射率介电反射镜的光谱领域内，CRDS的应用还有局限，这就大大限制了该方法在大部分红外线的、紫外线领域的使用。即使在有适当反射率的介电反射镜的领域，每组反射镜也只能在小波长范围内有效，一般仅几个百分点的波长范围片段。而且，许多介电反射镜的制造需要使用一些材料，这些材料会随时间而变质，尤其是当暴露在化学腐蚀环境中时。这都限制或阻止了CRDS的许多潜在应用。
为解决上述问题，专利号为“CN1397006A”名称为“基于布儒斯特角棱镜反射器回路衰减空腔光谱仪匹配模式”的专利文件中记载了一种光学谐振腔，该光学谐振腔包括带有一组全反射面的第一布儒斯特角反射棱镜，其中一个全反射面为曲面；带有一组全反射面的第二布儒斯特角反射棱镜，该棱镜与第一反射棱镜沿着谐振腔光轴准直排列成一条直线；以及用来把光辐射耦合进入第一或第二棱镜两者之一中的光学元件。
但是，上述光学谐振腔在使用过程中的光路为双光路闭环，光学谐振腔的反射棱镜中的入射面同时也作为出射面，为防止光路重叠，因此该光学谐振腔的反射棱镜的几何尺寸受限于此而难以将装置小型化，造成光线在穿过反射棱镜时被反射棱镜的吸收损耗较大，影响整个光谱仪的测量灵敏度。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本申请提供一种光学谐振腔用反射棱镜、光学谐振腔和光谱测量仪，以能够有利于光学谐振腔的反射棱镜小型化，进而利于降低光线的材质吸收损耗。
为达到上述目的，本申请提供一种光学谐振腔用反射棱镜，所述光学谐振腔具有样品测量区域，所述反射棱镜包括用于接收穿过所述样品测量区域的光线的第一面、用于向所述样品测量区域发出光线的第二面、位于所述第一面与所述第二面之间的第三面；所述第三面用于将接收自所述第一面的光线全反射至所述第二面。
作为一种优选的实施方式，所述第一面及所述第二面为布儒斯特面，所述第三面为全内反射面。
作为一种优选的实施方式，所述反射棱镜的至少一个面为曲面。
为达到上述目的，本申请还提供一种光学谐振腔，其能接收和发出光线，并能将接收到的光线在内部传播，所述光学谐振腔包括：
光学元件，所述光学元件包括至少一个如上任一所述的反射棱镜；
所述光学谐振腔具有样品测量区域，所述样品测量区域能容置有待测样品。
作为一种优选的实施方式，所述光学元件能形成闭合光路。
作为一种优选的实施方式，所述光学元件至少为三个。
作为一种优选的实施方式，每个所述光学元件均为所述反射棱镜。
作为一种优选的实施方式，所有所述反射棱镜包括第一反射棱镜、第二反射棱镜以及第三反射棱镜；所述第一反射棱镜的第二面与所述第二反射棱镜的第一面通过第一光路连接，所述第三反射棱镜的第二面与所述第一反射棱镜的第一面通过第二光路连接，所述第二反射棱镜的第二面与所述第三反射棱镜的第一面通过第三光路连接；所述第一光路与所述第二光路之间的夹角、所述第二光路与所述第三光路之间的夹角以及所述第三光路与所述第一光路之间的夹角均大于其中，θB为布儒斯特角。
作为一种优选的实施方式，每个所述反射棱镜中，所述第三面与所述第二面的夹角等于所述第三面与所述第一面的夹角，等于0.5倍的所述第一光路与所述第二光路的夹角加上θB。
作为一种优选的实施方式，还包括：匹配光学元件，所述匹配光学元件能将光源的光学模式与光学谐振腔的光学模式相匹配。
作为一种优选的实施方式，至少一个所述光学元件能够旋转和/或平移。
为达到上述目的，本申请还提供一种光谱测量仪，其特征在于，包括：如上实施方式任一所述的光学谐振腔。
通过以上描述可以看出，本申请所提供的所述光学谐振腔用反射棱镜通过设有用于在光学谐振腔中接收光线的所述第一面以及用于在光学谐振腔中发出光线的第二面，且所述第一面与所述第二面为相互独立的不同面，进而可以保证光线在反射棱镜的面上仅留有单个光斑，这就使得所述反射棱镜的边长仅需要大于单个光斑的大小即可满足要求，所以本申请所提供的光学谐振腔用反射棱镜能够有利于光学谐振腔的反射棱镜小型化，进而利于降低光线的材质吸收损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是高斯光束沿Z轴传播示意图；
图2是复参数为q的高斯光束示意图；
图3是一种由两个反射镜组成的两镜光学谐振腔示意图；
图4是一种光学谐振腔中的折叠腔示意图；
图5是图4所示折叠腔的等效多元件直腔示意图；
图6是一种光学谐振腔中的环形腔示意图；
图7是图6所示环形腔的等效多元件直腔示意图；
图8是一种平行平面腔示意图；
图9是非偏振入射光线在空气中入射到玻璃表面的示意图；
图10是本申请一个实施方式所提供的反射棱镜示意图；
图11是本申请一个实施方式所提供具有曲面的反射棱镜示意图；
图12是本申请另一个实施方式所提供的具有曲面的反射棱镜示意图；
图13是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
图14是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
图15是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
图16是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
图17是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
图18是本申请一个实施方式所提供的光学元件的光路上设有透镜的示意图；
图19是本申请一个实施方式所提供的光学元件设有反射镜的示意图；
图20是本申请一个实施方式所提供的光谱测量仪模块示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
一、一般原理
下面将给出与本发明有关的光学的一般原理的综述导论。此综述导论将提供一个背景知识，以便对本发明有一个完整的理解。
A：高斯光束
高斯光束是亥姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以很好的描述基模激光光束的性质。图1中给出了高斯光束沿z轴传播的示意图。
式(1.1)给出了高斯光束在空间传播的规律。
其中，R(z)、ω(z)、Ψ的表达式如下所示：
R(z)＝Z0(z/Z0+Z0/z) (1.3)
Ψ＝tan-1(z/Z0) (1.4)
式(1.2)表示了高斯光束的束宽，式(1.3)表示了高斯光束的等相面曲率半径，式(1.4)表示了高斯光束的相位因子，其中
高斯光束由R(z)、ω(z)、z中的任意两个即可确定，一般用复参数q表示高斯光束，如式(1.5)所示。
高斯光束复参数q通过变换矩阵的光学系统的变换遵守ABCD定律：
如图2所示，如果复参数为q1的高斯光束顺次通过变换矩阵为：
的光学系统后变为复参数为q的高斯光束，此时ABCD定律亦成立，但其中ABCD为下面矩阵M的诸元：
M＝Mn…M2M1 (1.8)
B：光学谐振腔
稳定的光学谐振腔是指可使高斯光束的复参数q在传播一个周期后(往返一周或环绕一周)满足自再现条件，即q＝q(T)或腔内存在着高斯分布的自再现模。所以光学谐振腔具有两个特点：1、谐振腔的尺寸远大于光波的波长；2、一般为开腔。
以下给出了根据ABCD定律计算常见光学谐振腔的稳定性条件的计算方法。需要说明的是，ABCD定律并不是唯一的计算方法，例如也可用解析的方法进行计算。
1、简单的两镜谐振腔
图3所表示的是由两个反射镜组成的谐振腔，在稳定腔内存在的高斯光束只能是自再现的，即要求高斯光束在腔内往返传输一周后等于它自身。
如图3所示，以镜1为参考，往返一周矩阵为，其中
设q1为镜1上的初始高斯光束的复参数，经过往返传输一周后的复参数为q，稳定腔的自再现条件要求，q＝q1。
由ABCD定律
得到：
结合(1.5)式，式(1.11)中±号的选取应保证使为负值，即保证束宽平方为正值。
其中：
将(1.9)、(1.12)代入(1.11)得到：
R1＝ρ1 (1.14)
为使式(1.13)保持为正值，需满足式(1.15)
0<g1g2<1 (1.15)
其中，所述公式(1.15)即为简单的两镜谐振腔的稳定性条件。
2、折叠腔
如图4所示当使用反射镜将光路折叠后，就构成折叠腔。折叠腔可以展开为多元件直腔来进行分析。例如，以镜S1为参考，图4所示的三镜折叠腔可以展开为图5所示的薄透镜序列。这样，上述计算两镜谐振腔的中所使用的方法可用来计算折叠腔的稳定性条件，其区别只是ABCD矩阵的诸元不同。
3、环形腔
如图6所示，腔内光束沿以多边形闭合光路传输的腔称为环形腔。在高斯光束近似下，稳定环形腔内能够存在的光束q参数应当满足环绕一周自再现条件，计算中对环形腔应当使用环绕矩阵。
分别取镜1、2、3、4为参考面，将环形腔展开为周期性薄透镜序列，设以镜i为参考，环绕矩阵为
则：稳定条件为|A+D|<2；镜i处基模高斯光束束宽为镜i处高斯光束等相位曲率半径为分臂上的束腰宽度为以镜i为参考束腰位置为
例如，以镜S1为参考，行波(设为沿镜S1→S2→S3→S4→S1方向)的等效周期性薄透镜序列如图7所示，由此得到环绕矩阵(1.16)
由此可得出环形腔的稳定性条件及高斯光束的相关参数。
C：激光的模式、模式匹配、谐振条件
激光的模式定义为光学谐振腔内电磁场可能存在的本征态，不同的模式对应不同的场分布和谐振频率，模可以分为纵模和横模。通常把由整数n所表征的腔内纵向的稳定场分布称为纵模。同时，与电磁场传播方向垂直的面内也存在着稳定的场分布，此为横模。不同的横模对应于不同的横向稳定光场分布和频率。
模式匹配是指光束的模式与谐振腔的模式需满足匹配条件，即耦合到光学谐振腔的光束的腰斑半径及位置与谐振腔的腰斑半径及位置完全重合。
谐振条件：以图8所示的平行平面腔为例，为了能在腔内形成稳定的振荡，要求光波因干涉得到加强。干涉的条件是光波在腔内沿轴线方向往返一周产生的相位差为2π的整数倍：由光程差和相位差的关系得：得到L＝q(λq/2)(光腔的驻波条件)，用频率表示为νq＝(c/2L)q，此式称为谐振条件，νq为谐振频率。
D：全反射
全反射：光线从第一媒质射向光学密度更大的第二种媒质时，光线会朝靠近法线方向折射。从光密媒质射入光疏媒质的光线则远离法线方向折射。这里存在一个角，称为临界角β，因此，对于所有的入射角大于这个临界角的情况，所有的光线都将反射，而不发生折射。这种效应称为全内反射，并且这个效应发生在光学密度比界面外部大的材料内部。
E：布儒斯特定律
布儒斯特定律：图9描述了非偏振入射光线12在空气中入射到玻璃表面16。玻璃的折射率n一般为1.5。光线中每一个波列的电场矢量可分解为两个分量：一个分量与图中入射平面垂直，另一个分量位于入射平面内。第一个分量，这里用黑点表示，为S偏振分量(源于德语senkrecht，意为垂直)；第二个分量，用箭头表示，为P(平行)偏振分量。平均来说，对于完全非偏振光线，这两个分量的振幅是相等的。
对于玻璃或其他介电材料，有一个特殊入射角，称为偏振角(由David.Brewster在实验中发现，因此也称为布儒斯特角θB)，这个角度对P偏振分量的反射系数为0。因此，从玻璃表面反射的光线18，尽管光强度低，但属于平面偏振光，它的振动面垂直于第一面。在偏振角处的P偏振分量以角度θr全部折射；S偏振分量只发生部分折射。由图9可以看出光线20是部分偏振光。
F：反射棱镜
棱镜是一种折射和反射类型的装置。把一个或多个第三面做在同一块玻璃上的光学零件叫做反射棱镜。如常见的直角棱镜、等腰棱镜、角锥棱镜、立方棱镜等。
二、本申请的光学谐振腔用反射棱镜、光学元件及其光学谐振腔和光谱测量仪
请参阅图10，为本申请一个实施方式所提供的一种光学谐振腔用反射棱镜102，其用于形成所述光学谐振腔100，所述光学谐振腔100具有测量区域103，所述反射棱镜102具有用于接收穿过所述测量区域103的光线的第一面1021、用于向所述测量区域103发出光线的第二面1023、位于所述第一面1021与所述第二面1023之间的第三面1022，所述第三面1022用于将接收自所述第一面1021的光线全反射至所述第二面1023。
所述反射棱镜102可以形成所述光学谐振腔100，具体地，所述反射棱镜102用于在所述光学谐振腔100内形成闭合光路101。在测定样品过程中，把光源发出的光线入射进光学谐振腔，在光学谐振腔内传播一周后光线会部分出射，此时可以定义为一次出射事件。与出射光相对应的光线再次传播一周，而后再次部分出射，定义为二次出射事件。如果一次出射事件和二次出射事件的出射光的出射位置和方向名义上完全重合，则说明满足该入射条件的光在谐振腔内形成了闭合光路101。
可以以图13所示为例，在图13中，从外部发射过来的入射光(P偏振光)以近布儒斯特角入射至第一反射棱镜P的第二面1023，该第二面1023所反射的光以布儒斯特角入射至第二反射棱镜102，在第二反射棱镜M的内部经过全反射后以布儒斯特角出射，透射光以同样的规律在第三反射棱镜102传播，从第三反射棱镜N透射的光线101以近布儒斯特角入射至第一反射棱镜P的第一面1021，该第一面1021将一部分光线反射出去，另一部分光线透射，此为一次出射事件的信号。该部分透射的光线继续在反射棱镜102内部及之间传播，直至从第三反射棱镜N再次以近布儒斯特角入射至第一反射棱镜P的第一面1021，同样的，该第一面1021将一部分光线反射出去，另一部分光线透射，此为二次出射事件的信号，其余类推，如果二次出射的信号和一次出射的信号在第一面1021上的位置和方向上相同，则说明满足该入射条件的光在光学谐振腔内形成了闭合光路。在不考虑介质的吸收损耗、菲涅尔损耗、散射损耗、衍射损耗等的情况下，理论上光可以完成无限次的往复循环过程，实际中由于各种损耗的存在，循环的次数是有限的。同时，在图13中也可以看出，围成闭合光路101的光线包括穿过测量区域103的光线以及在所述反射棱镜102内传播的光线。
所述反射棱镜102可以设置于用于容纳待测样品的测量区域103的边界上，进而保证位于由所述反射棱镜102发出的光线可以穿过所述待测样品并被所述待测样品吸收。所述光线可以采用P偏振光。进行测量工作时，光线在闭合光路101中传播至所述反射棱镜102时，所述第一面1021接收来自闭合光路101中其他光学元件的光线后将光线通过折射并发送至当前反射棱镜102的所述第三面1022以完成入射工作，然后该第三面1022将光线反射给当前棱镜的所述第二面1023以完成反射工作，该第二面1023接收来自所述第三面1022的光线并将光线折射后发送给闭合光路101中的其他光学元件。当所述反射棱镜102为多个时，每个反射棱镜102顺次完成入射工作、反射工作、出射工作直至可以将光线形成稳定的闭合光路101。
通过以上描述可以看出，本实施方式所提供的所述光学谐振腔用反射棱镜102通过设有用于在闭合光路101中接收光线的所述第一面1021以及用于在闭合光路101中发出光线的第二面1023，且所述第一面1021与所述第二面1023为相互独立的不同面，进而可以保证光线在反射棱镜102的面上仅留有单个光斑，这就使得所述反射棱镜102的边长仅需要大于单个光斑的大小即可满足要求，所以本实施方式所提供的光学谐振腔用反射棱镜102能够有利于光学谐振腔100的反射棱镜102小型化，进而利于降低光线的材质吸收损耗。
本实施方式中，所述反射棱镜102用于形成所述闭合光路101，所述闭合光路101由光线在光学谐振腔100中的光学元件之间经多次反射、折射而形成，位于闭合光路101中的光线穿过待测样品时能被待测样品吸收。形成所述闭合光路101的光学元件可以有多种组合，具体的，例如所述光学元件可以包括所述反射棱镜102以及其他种类的反射棱镜102；或者所述光学元件也可以包括有反射镜与所述反射棱镜102；或者所述光学元件仅包括有多个所述反射棱镜102，本申请并不以此为限。需要指出的是，所述反射棱镜102仅为形成所述闭合光路101的光学元件中的部分元件，即本实施方式所提供的所述反射棱镜102可以为形成所述闭合光路101的光学元件中的一个元件，也可以为形成所述闭合光路101的光学元件的多个元件，当然，所述反射棱镜102在数量为三个以上时，所有所述反射棱镜102就可以使光线形成所述闭合光路101。
所述反射棱镜102形成整体可以为横截面为三角形的三角棱镜，为便于装置的小型化以及与其他光学元件的装配，所述反射棱镜102整体也可以为横截面为梯形的棱台。每个所述反射棱镜102上具有三个互相独立的面为所述第一面1021、所述第三面1022、所述第二面1023。其中，所述第一面1021与所述第二面1023可以相对设置，所述第三面1022可以位于所述第一面1021与所述第二面1023之间。
当然，单个所述反射棱镜102也可以为不规则形状的棱镜，其上的多个面可以承担单个所述第一面1021、所述第二面1023、所述第三面1022的作用，这同样可以为本申请的一个实施方式。需要指出的是，所述反射棱镜102的数量为多个时，每个所述反射棱镜102的外形可以相同也可以不同，只需每个所述反射棱镜102与其他所述反射棱镜102能够将光线组成闭合光路101即可，本申请并不以此为限制。
请参阅图13，所述反射棱镜102位于光学谐振腔100中测量区域103的边界，所述测量区域103可以设置有待测样品，所述测量区域至少包括所述闭合光路中的光线穿过的区域，进而保证光线有效穿过待测样品。所述待测样品可以为固体、气体、液体，也可以为液晶、生物组织。所述反射棱镜102置于所述测量区域103边界时，所述反射棱镜102会存在与待测样品相接触的面。具体的，例如所述第一面1021由于需要光线穿过待测样品后进入所述第一面1021，所以所述第一面1021需要与所述待测样品直接接触，同样的，所述第二面1023也需要与所述待测样品进行接触。在所述反射棱镜102为横截面为梯形的棱台时，所述反射棱镜102存在一个不参与光学作用的面，该面同样置于所述待测样品之中。
本实施方式中，所述反射棱镜102的制造材料可为玻璃，目前已知适用的材料有：熔凝石英、蓝宝石、氟化钙、金刚石、钇铝石榴石(YAG)、氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化铪(HfO2)等，当然，所述反射棱镜102的制造材料也可以为其他在光波频率范围内为透明的介质，本申请并不以此为限。由于上述种类材料具有化学惰性，该类材料制作的反射棱镜102置于在进行测量工作时，其第二面1023、第一面1021不会被测量区域103内的待测样品以及待测样品所含杂质所破坏。或者，所述第二面1023以及所述第一面1021也可以附着有对待测样品以及待测样品中的杂质具有化学惰性的材料。
本实施方式中，所述第一面1021用于在闭合光路101中接收光线并将其折射至当前反射棱镜102的所述第三面1022。在不参与到向闭合光路101外发出光线的工作时，在所述反射棱镜102中，每个所述第一面1021所接收的光线的入射角均可以为布儒斯特角。为保证所述第一面1021的透光率，所述第一面1021上可以镀设有高透膜，进而进一步降低光线的损耗，同时减少杂散光的出现。在参与到向闭合光路101外发出光线工作时，所述第一面1021所接收的光线的入射角需为非布儒斯特角，即θB+δ，δ≠0。所述光线由所述第一面1021发出后可以进入探测器，通过分析该光线即可得出待测样品的物化性质。较佳的，所述第一面1021可以为布儒斯特面，即光线入射至该第一面1021的入射角为布儒斯特角或近布儒斯特角，在入射角为近布儒斯特角时，δ接近于0。
所述第二面1023用于接收来自当前反射棱镜102的第三面1022的光线并将其折射发出至闭合光路101中的其他光学元件。在不参与到从闭合光路101外接收光线的工作时，在所述反射棱镜102中，每个所述第二面1023所接收的光线经折射发出后所呈角度可以均为布儒斯特角。为保证所述第二面1023的透光率，所述第二面1023上可以镀设有高透膜，进而进一步降低光线的损耗，同时减少杂散光的出现。在参与到从闭合光路101外接收光线的工作时，所述第二面1023上其从光源接收的光线的入射角为非布儒斯特角，即θB+δ，δ≠0。所述从光源接收的光线经所述第二面1023的反射光线与所述第二面1023所折射发出的光线光路重合。较佳的，所述第二面1023可以为布儒斯特面，即光线入射至该第二面1023的入射角为布儒斯特角或近布儒斯特角，在入射角为近布儒斯特角时，δ接近于0。
本实施方式中，所述第三面1022用于接收来自所述第一面1021的光线并将其全反射给所述第二面1023。为降低光线在反射过程中的损耗，所述第三面1022可以为全内反射面。较佳的，所述第三面1022可以为镀设有内反射膜，进而最大程度的降低光线在传播过程中的损耗。当然，所述第三面的数量并不固定，其可以为一个也可以为多个。
以图13所示为例，在所述反射棱镜102中，所述第三面1022可以远离所述检测区域，即远离待测样品；所述第二面1023、所述第一面1021以及未参与光学作用的面可以与待测样品直接接触。通过此种设置，所述第三面1022不会受到待测样品以及待测样品中的杂质影响，如此，本实施方式所提供的光学谐振腔100的环境适应能力可以得到较大程度的提升。
本实施方式中，所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面可以为曲面。较佳的，所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面可以为曲面。所述曲面可以保证光线所形成的闭合光路101更加稳定。为了进一步校正光线在闭合光路101内斜入射时导致的像散，所述曲面的曲率和光线之间需要满足消像散条件。当然，作为一种优选的实施方式，也可以以如图13所示为基础，所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面可以为平面或不为曲面。
具体的，如图11所示，所述曲面可以为将所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面通过光学加工形成。所述光学加工可以为对所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面进行物理加工，例如打磨、抛光等。可以以图11为例将所述第三面1022加工成曲面。
进一步的，如图12所示，所述曲面还可以为通过折射率系数相匹配的光学胶合剂将透镜70与所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面胶合形成。所述光学胶合剂的折射率系数可以约等于所述曲面的折射率。所述透镜70与所述反射棱镜102的折射率可以相同，也可以不同，本申请并不以此为限。
此外，所述曲面还可以为将透镜70与所述第一面、所述第二面以及所述第三面中的至少一个面通过光学接触形成。所述光学接触为将透镜70的一面及所述第一面、所述第二面以及所述第三面中的至少一个面打磨光滑，然后将两者挤压接触，进而通过分子之间的吸力将所述透镜70与所述反射棱镜102接合。
请继续参阅图10，在本实施方式中，所述反射棱镜102的面上还可以具有发出部1025和接收部1024，所述发出部1025用于向探测器发出光线；所述接收部1024用于从光源接收光线。本实施方式中，所述接收部1024可以从光源接收光线以维持闭合光路101的形成，具体的，例如光线由光源发出入射至所述接收部1024。所述接收部1024位于所述反射棱镜102的一个面上，其可以为所接收光线与其所在面的接触处。所述接收部1024的大小取决于所接收光线在其所在面上所形成的光斑大小，当然，所述接收部1024的大小不小于所接收光线在其所在面上所形成的光斑大小即可。
所述发出部1025可以向探测器发出光线至探测器，探测器通过接收该光线进行计算来得出待测样品的物化性质。所述发出部1025位于所述反射棱镜102的一个面上，其可以为所发出光线与其所在面的接触处。所述发出部1025的大小取决于所发出光线在其所在面上所形成的光斑大小，当然，所述发出部1025的大小不小于所发出光线在其所在面上所形成的光斑大小即可。
需要指出的是，所述接收部1024与所述发出部1025为不重合的两个部分，进而防止光源与探测器位置重叠。同时，在实际使用中考虑到光路是可逆的，所述接收部1024和所述发出部1025的位置可以互换，此时将光源与探测器的位置对调即可。当然，在本实施方式中，所述接收部1024和所述发出部1025可以位于所述反射棱镜102的不同面上。由于所述接收部1024与所述发出部1025位于不同面上，光源与探测器的位置可以灵活设置，进而便于制造和装配。
进一步的，所述接收部1024可以位于所述第二面1023上，所述发出部1025可以位于所述第一面1021上。可以看出，具有所述接收部1024的所述第二面1023可以从光源接收光线并将该光线反射出去，还可以接收来自所述第三面1022的光线并将其折射出去。具有所述接收部1024的所述第二面1023的折射位置可以与所述接收部1024位置重合，进而将该第二面1023的反射光线与折射光线的光路重合，便于光线形成所述闭合光路101。同样的，具有所述发出部1025的所述第一面1021可以接收来自其他光学元件的光线并将该光线部分向探测器发出，同时将该光线部分折射至所述第三面1022以形成闭合光路101。
请参阅图13，本申请一个实施方式还提供一种光学谐振腔100，其能接收和发出光线，并能将接收到的光线在内部传播，所述光学谐振腔包括：光学元件，所述光学元件包括至少一个如上任一实施方式所述的反射棱镜102；接收部1024，其用于从光源接收光线；发出部1025，其用于向探测器发出光线；所述接收部1024和所述发出部1025位于所述光学元件的面上。
所述光学元件可以设置于用于容纳待测样品的测量区域103的边界上，进而保证位于两个所述光学元件之间的光线可以穿过所述待测样品并被所述待测样品吸收。所述入射光线可以采用P偏振光。进行测量工作时，光线由光源发出经所述接收部1024接收进入所述光学谐振腔100。光线在所述光学元件之间传播至所述反射棱镜102时，所述光学元件将光线反射至所述反射棱镜102的所述第一面1021，该第一面1021将光线通过折射并发送至当前反射棱镜102的所述第三面1022以完成入射工作，然后该第三面1022将光线反射给当前棱镜的所述第二面1023以完成反射工作，该第二面1023将光线折射后发送给下一光学元件的第一面1021以完成出射工作。每个光学元件顺次完成入射工作、反射工作、出射工作直至将光线形成稳定的闭合光路101。光线在所述光学元件之间传播时由所述发出部1025将光线向探测器发出，即发出出射光线。所述探测器接收所述出射光线，经过计算以得出所述待测样品的成分。
本实施方式中，所述光学元件能将光线形成闭合光路101，优选的闭合光路处于谐振状态的，进而增加光线在所述光学谐振腔100内的光程。处于谐振状态的闭合光路101中，光线能够在其中来回反射从而提供稳定的光能反馈。所述光学元件的数量为多个，其分布于所述测量区域103的边界，所述光学元件可以仅包含有所述反射棱镜102，组成棱镜型光学谐振腔100；也可以如图14及图17所示的包含有反射镜以及所述反射棱镜102，组成混合型光学谐振腔100；还可以包含有其他种类的反射棱镜102以及所述反射棱镜102。本申请并不以此为限，只需通过所述光学元件能保证光线形成闭合光路101即可。当然，在本申请中可以以所述光学元件仅包含所述反射棱镜102作为一种优选的方案。
本实施方式中，所述光学元件包含有至少一个所述反射棱镜102。所述反射棱镜102的数量可以不作限制，所述反射棱镜102为单个时，所述反射棱镜102可以与其他种类反射棱镜或反射镜相配合以将光线形成闭合光路101；所述反射棱镜102为多个时，所述反射棱镜102之间即可将光线形成闭合光路101，无须与其他种类反射棱镜102或反射镜配合。当然，在所述反射棱镜102为多个的情况下，依然可以与其他种类反射棱镜102或反射镜配合使用，本申请并不以此为限。本实施方式中，所述接收部1024可以从光源接收光线以维持闭合光路101的形成，具体的，例如光线由光源发出入射至所述接收部1024。所述接收部1024位于所述光学元件的一个面上，其可以为所接收光线与其所在面的接触处。所述接收部1024的大小取决于所接收光线在其所在面上所形成的光斑大小，当然，所述接收部1024的大小不小于所接收光线在其所在面上所形成的光斑大小即可。
所述发出部1025可以向探测器发出光线，探测器通过接收该光线进行计算来得出待测样品的物化性质。所述发出部1025位于所述光学元件的一个面上，其可以为所发出光线与其所在面的接触处。所述发出部1025的大小取决于所发出光线在其所在面上所形成的光斑大小，当然，所述发出部1025的大小不小于所发出光线在其所在面上所形成的光斑大小即可。
所述接收部1024与所述发出部1025可以位于所述光学元件的同一面上可以位于不同面上，需要指出的是，所述接收部1024与所述发出部1025为不重合的两个部分，进而防止光源与探测器位置重叠。当然，在本实施方式中，可以以所述接收部1024和所述发出部1025可以位于所述光学元件的两个面上为优选的方案。在该优选的方案中，由于所述接收部1024与所述发出部1025位于不同面上，光源与探测器的位置可以灵活设置，进而便于制造和装配。
进一步的，所述接收部1024可以设在所有所述反射棱镜102中的一个所述第二面1023上，所述发出部1025可以设在所有所述反射棱镜102的一个所述第一面1021上。可以看出，具有所述接收部1024的所述第二面1023可以从光源接收光线并将该光线反射出去，还可以接收来自当前反射棱镜102的第三面1022的光线并将其折射出去。具有所述接收部1024的所述第二面1023的折射位置可以与所述接收部1024位置重合，进而将该第二面1023的反射光线与折射光线的光路重合，便于光线形成闭合光路101。同样的，具有所述发出部1025的所述第一面1021可以接收来自其他光学元件的光线并将该光线部分向探测器发出，同时将该光线部分折射至所述第三面1022以形成闭合光路101。
本实施方式中，所述光学元件可以为至少三个且每个均为所述反射棱镜102，进而可以使得具有所述接收部1024的所述第二面1023与具有所述发出部1025的所述第一面1021可以位于同一所述反射棱镜102上，也可以位于不同的所述反射棱镜102上，使得光源和探测器的位置可以灵活设置。在本实施方式中，光线通过所有所述反射棱镜102即可形成闭合光路101。所述反射棱镜102可以为非直线排布，再结合同一所述反射棱镜102中所述第三面1022与所述第二面1023为不同面，进而光线在所述反射棱镜102组成的闭合光路101中为单光路闭合传播，保证每个反射棱镜102的一个面只需承担入射工作或出射工作，其上仅存在一个入射光斑或出射光斑，使得该面的大小只需不小于所述入射光斑或出射光斑大小即可满足使用要求。
需要指出的是，考虑到光学元件集成度较高，所有所述反射棱镜102可以一体设计成型，但若其所行使的依然为多个所述反射棱镜102的作用时，依然为本申请所保护的方案。
本实施方式中，所述第一面1021用于接收来自其他光学元件的第二面1023的光线并将其折射至当前反射棱镜102的所述第三面1022。除去具有所述发出部1025的第一面1021外，在所有所述反射棱镜102中，每个所述第一面1021所接收的光线的入射角均可以为布儒斯特角。为保证所述第一面1021的透光率，所述第一面1021上可以镀设有高透膜，进而进一步降低光线的损耗，同时减少杂散光的出现。具有所述发出部1025的所述第一面1021其向探测器发出的光线的入射角需为非布儒斯特角，即θB+δ，δ≠0。所述出射光线由所述第一面1021发出后进入探测器，通过分析所述出射光线即可得出待测样品的物化性质。较佳的，所述第一面1021可以为布儒斯特面，即光线入射至该第一面1021的入射角为布儒斯特角或近布儒斯特角，在入射角为近布儒斯特角时，δ接近于0。
所述第二面1023用于接收来自当前反射棱镜102的第三面1022的光线并将其折射发出其他光学元件的第一面1021。除去具有所述接收部1024的第二面1023外，在所有所述反射棱镜102中，每个所述第二面1023所接收的光线经折射发出后所呈角度可以均为布儒斯特角。为保证所述第二面1023的透光率，所述第二面1023上可以镀设有高透膜，进而进一步降低光线的损耗，同时减少杂散光的出现。具有所述接收部1024的所述第二面1023上其从光源接收的光线的入射角为非布儒斯特角，即θB+δ，δ≠0。所述入射光线经所述第二面1023的反射光线与所述第二面1023所折射发出的光线光路重合。较佳的，所述第二面1023可以为布儒斯特面，即光线入射至该第二面1023的入射角为布儒斯特角或近布儒斯特角，在入射角为近布儒斯特角时，δ接近于0。
需要指出的是，具有所述接收部1024的所述第二面1023以及具有所述发出部1025的所述第一面1021可以为不同反射棱镜102的不同表面，也可以为同一反射棱镜102的不同表面，本申请并不以此为限。当然，为降低使用过程中调试的复杂程度，可以具有所述接收部1024的所述第二面1023以及具有所述发出部1025的所述第一面1021为同一反射棱镜102的不同表面作为优选的实施方式。
本实施方式中，所述第三面1022用于接收来自所述第一面1021的光线并将其全反射给所述第二面1023。为降低光线在反射过程中的损耗，所述第三面1022可以为全内反射面。较佳的，所述第三面1022可以镀设有内反射膜，进而最大程度的降低光线在传播过程中的损耗。
以图13所示的光学谐振腔100为例，在所述反射棱镜102中，所述第三面1022远离所述检测区域，即远离待测样品；所述第二面1023、所述第一面1021以及未参与光学作用的表面与待测样品直接接触。通过此种设置，所述第三面1022不会受到待测样品以及待测样品中的杂质影响，如此，本实施方式所提供的光学谐振腔100的环境适应能力可以得到较大程度的提升。
请继续参阅图13，在本申请一种较佳的实施方式中，在所述光学谐振腔100中，所述光学元件可以包括有第一反射棱镜P、第二反射棱镜M以及第三反射棱镜N，通过所述第一反射棱镜P、所述第二反射棱镜M及所述第三反射棱镜N即可将光线形成闭合光路101。其中，在所述第一反射棱镜P上，所述第二面1023上具有所述接收部1024以从光源接收光线，所述第一面1021具有所述发出部1025以向探测器发出光线。
所述第一反射棱镜P的第二面1023与所述第二反射棱镜M的第一面1021通过第一光路L1连接，即光线由所述第一反射棱镜P的第二面1023发出后沿所述第一光路L1到达所述第二反射棱镜M的第一面1021。所述第三反射棱镜N的第二面1023与所述第一反射棱镜P的第二面1023通过第二光路L2连接，即光线由所述第三反射棱镜N的第二面1023发出后沿所述第二光路L2到达所述第一反射棱镜P的第二面1023。所述第二反射棱镜M的第二面1023与所述第三反射棱镜N的第一面1021通过第三光路L3连接，即光线由所述第二反射棱镜M的第二面1023发出后沿所述第三光路L3到达所述第三反射棱镜N的第一面1021。
在本实施方式中，所述第一光路L1与所述第二光路L2之间的夹角、所述第二光路L2与所述第三光路L3之间的夹角以及所述第三光路L3与所述第一光路L1之间的夹角均大于其中，θB为布儒斯特角。较佳的，每个所述反射棱镜中，所述第三面1022与所述第二面1023的夹角等于所述第三面1022与所述第一面1021的夹角，等于0.5倍的所述第一光路L1与所述第二光路的夹角L2加上θB。
所述第一反射棱镜P的第一面1021及第二面1023的最短边长取决于光斑大小，具体点，举例为边ab的长度至少应大于入射到边ab上的入射光斑的大小。特别需要说明的是，在所述第一反射棱镜P中边ad未承担光学作用，但考虑到边ab反射来杂散光等问题时，边ad所在面的角度可设置为布儒斯特角，以减少杂散光。
所述第一光路L1、所述第二光路L2、所述第三光路L3的长度可根据实际需要通过平移所述反射棱镜102调整，所述反射棱镜102的相对位置关系需满足上述公式即可。如对于在不强调光学谐振腔100大小的场合，所述第一光路L1、所述第二光路L2、所述第三光路L3的长度可设置为例如10厘米至100厘米；当对测量区域的大小有要求时，特别是要求尽可能的小时，所述第一光路L1、所述第二光路L2、所述第三光路L3的长度可设置为例如为毫米量级，甚至更小。
在一个具体的实施方式中，所述第一光路L1、所述第二光路L2、所述第三光路L3的延长线所形成的三角形可以为等边三角形，所述反射棱镜102材料的折射率n≈1.52，所述第一反射棱镜P、所述第二反射棱镜M、所述第三反射棱镜N的形状可以完全相同。考虑到实际设计和加工中会出现一定的偏差，∠cba＝∠dcb≈86.66°即，所述第三面1022与所述第二面1023的夹角近似为86.66度。
在一个可行的实施方式中，所述第一光路L1、所述第二光路L2、所述第三光路L3的延长线所形成的三角形可以为等腰三角形且所述第一光路L1、所述第二光路L2为所述等腰三角形的腰，所述反射棱镜102材料的折射率n≈1.52。虑到实际设计和加工中会出现一定的偏差，所述第一反射棱镜P中，∠cba＝∠dcb≈79.98°，即所述第三面1022与其所述第二面1023的夹角近似等于79.98度。所述第二反射棱镜M及所述第三反射棱镜N中，所述第三面1022与所述第二面1023的夹角近似等于90度。当然，所述第二反射棱镜M与所述第三反射棱镜N的形状可以相同。在本实施例中，所述第二反射棱镜M及所述第三反射棱镜N均可以为横截面为矩形的反射棱镜，非常便于设计和加工，有效增强了所述反射棱镜102的设计自由度。
在另一个可行的实施方式中，所述第一光路L1、所述第二光路L2、所述第三光路L3的延长线所形成的三角形可以为等腰三角形且所述第一光路L1、所述第二光路L2为所述等腰三角形的腰，所述反射棱镜102材料的折射率n≈1.52。虑到实际设计和加工中会出现一定的偏差，在所述第一反射棱镜P中，∠cba＝∠dcb≈90度，即所述第三面1022与其所述第二面1023的夹角近似等于90度。在所述第二反射棱镜M及所述第三反射棱镜N中，所述第三面1022与所述第二面1023的夹角近似等于84.98度。当然，所述第二反射棱镜M与所述第三反射棱镜N的形状可以相同。在本实施例中，所述第一反射棱镜P可以为横截面为矩形的反射棱镜，非常便于设计和加工，有效增强了所述反射棱镜102的设计自由度。
请参阅图15、图16、图17，在一个具体的实施方式中，所述光学元件可以包含有四个所述反射棱镜，所有所述反射棱镜可以形成所述闭合光路。具体的，四个所述反射棱镜可以形成如图15所示的“口”字形闭合光路或者如图17所示的“Z”字形回路。此外，四个所述反射棱镜还可以形成如图16所示的“8”字形闭合光路。
需要指出的是，所述反射棱镜102的形状和数量并不限于上述几个举例性质的实施方式，所述三个反射棱镜同样可以形成如图14所示的“V”字形闭合光路，。所以所属领域技术人员在本申请技术精髓的启示下，还可能做出其它变更，但只要其实现的功能和效果与本申请相同或相似，均应涵盖于本申请保护范围内。
还需要指出的是，所述光学元件可以仅包含有一个所述反射棱镜102。此时，所述反射棱镜102整体可以为缺口圆环形状。所述反射棱镜102的缺口处可以为所述测量区域，所述缺口处的两个圆面为所述第一面1021和所述第二面1023；所述反射棱镜102的整个侧表面为所述第三面1022，进而保证在所述闭合光路中光线由所述第一面1021和所述第二面1023中的一面入射至所述反射棱镜102内并在所述第三面1022上发生多次反射后再由所述所述第一面1021和所述第二面1023中的一面发出。
本实施方式中，使用所述光学元件形成的光学谐振腔100的品质因素可用Q值来表示，定义为每周期内存储能量除以损耗的能量。Q值越高，光学谐振腔100存储能量的性能就越好，于是空腔光学谐振腔的灵敏度就越高。根据本申请以上描述，在所述光学元件中，所述光学元件能够旋转和/或平移，进而通过旋转和/或平移所述第一反射棱镜P调整反射损耗从而可对Q值和耦合进行控制。每一个玻璃表面的反射损耗取决于菲涅尔定律，损耗值约为10-4δθ2，δθ为偏离布儒斯特角的大小。同时，通过所述光学元件的平移可以调控相邻两个光学元件之间的距离，进而调节所述第一光路L1、第二光路L2以及第三光路L3的长度。
本实施方式中，为使所述光学谐振腔100所形成的闭合光路101保持稳定，控制光线在反射面所形成的衍射，可以设置所述光学元件中至少一个所述反射棱镜102的一个面应为曲面，即所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面为曲面。为了进一步校正光束斜入射时导致的像散，曲面的曲率和光束之间需满足消像散条件，参考应用光学的知识及借助光学设计软件可以解出所述曲面的曲率。
具体的，如图11所示，所述曲面可以为将所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面通过光学加工形成。所述光学加工可以为对所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面进行物理加工，例如打磨、抛光等。进一步的，如图12所示，所述曲面还可以为通过折射率系数相匹配的光学胶合剂将透镜70与所述第一面1021、所述第二面1023以及所述第三面1022中的至少一个面胶合形成。所述光学胶合剂的折射率系数可以约等于所述曲面的折射率。所述透镜70与所述反射棱镜102的折射率可以相同，也可以不同，本申请并不以此为限。
此外，所述曲面也可以为将透镜70与所述第一面、所述第二面以及所述第三面中的至少一个面通过光学接触形成。所述光学接触为将透镜70的一面及所述第一面、所述第二面以及所述第三面中的至少一个面打磨光滑，然后将两者挤压接触，进而通过分子之间的吸力将所述透镜70与所述反射棱镜102接合。
为了更进一步的提高耦合效率，减少光束在光学谐振腔100的损耗，光束的模式与光学谐振腔100的模式需满足匹配条件，即耦合到光学光学谐振腔100的光线的腰斑半径及位置与光学谐振腔100的腰斑半径及位置完全重合。模式匹配的条件可用采用上述一般原理中记载的ABCD矩阵来计算。
请参阅图18、图19，在一个较佳的实施例中，所述光学谐振腔100可以包括匹配光学元件，所述匹配光学元件能将光线与光学谐振腔100的模式匹配。具体的，所述匹配光学元件位于测量区域103和/或用于将光源发出的光辐射(所述光辐射以倏逝波方式耦合入或耦合出光学谐振腔，或者以倏逝波方式与被测量样品接触)耦合至所述接收部1024，所述匹配光学件包括至少一个透镜80和/或至少一个反射镜90。所述匹配光学元件具有至少一个非平面，所述非平面包括：球面、柱面、椭球面、抛物面、自由曲面中的至少一种。
所述透镜80可以位于所述第一光路L1、所述第二光路L2以及所述第三光路L3中的一个光路或多个光路上。所述透镜80的数量可以为一个也可以为多个，且，所述匹配透镜80可以位于光路上的任意位置。
所述反射镜90将光辐射耦合至所述接收部1024。所述反射镜90能将光源发出的光线与光学谐振腔100的模式匹配。所述反射镜90能将光线以近布儒斯特角入射至所述接收部1024。所述反射镜90可以设于光源与所述接收部1024之间。
需要指出的是，上述几个实施方式仅为将光束的模式设置与光学谐振腔的模式满足匹配条件的举例性质的实施方式，所属领域技术人员在本申请技术精髓的启示下，还可能做出其它变更，但只要其实现的功能和效果与本申请相同或相似，均应涵盖于本申请保护范围内。
请参阅图20，本申请一个实施方式还提供一种光谱测量仪，包括：如上实施方式所述的光学谐振腔100。
本发明的所用的测量方法为光学方法，包括但不限于：吸收光谱、拉曼光谱、散射谱、荧光、光声光谱、激发谱、傅立叶变换光谱、光频梳等光谱分析方法。
所述光谱测量仪可以包括腔衰荡光谱测量仪以及腔增强光谱测量仪，所述光学谐振腔100可以较好的应用于腔衰荡光谱测量仪以及腔增强光谱测量仪中，也可以应用于光声、拉曼、散射、激发、荧光等领域中。所述光谱测量仪可以包括光源控制模块200、光源模块201、外光路调整模块202、所述光学谐振腔100、光学谐振腔监测模块203、光学谐振腔控制模块208、样品预处理模块204、光电探测模块205、数据采集和处理模块206、数据和图像输出模块207。需要特别说明的是，图17中所示的各测量模块可根据实际测量需求进行适当的增加或减少，如待测样品不需要预处理时，样品预处理模块204可以省略。
所述光源控制模块200用于控制光源模块201的打开或关闭、频率调制、电流调谐、温度调谐等功能。
所述光源模块201根据探测技术和使用要求的不同可以有不同的形式，包括但不限于激光光源、宽带光源、不同频率激光光源的组合，激光光源和宽带光源的组合等。
所述外光路调整模块202用于改变光的偏振性质、光束的发散角、光场的能量分布等，并反馈信号给光源控制模块200，所述外光路调整模块202包括但不限于起偏装置、光学耦合、切光装置等。
所述光学谐振腔100为光学延迟系统，用于增加光的传播路径、增加光程，提高系统测量灵敏度，所述光学谐振腔100包括但不限于多次反射室、光学谐振腔等。所述光学谐振腔100包括有如上所述的光学元件。
所述光学谐振腔监测模块203用于监控反射腔101的工作状态、故障告警、在线实时标定光学谐振腔100的等效吸收光程，并提供监测信号给光学谐振腔控制模块208。
所述光学谐振腔控制模块208用于根据光学谐振腔监测模块203提供的监测信号在线实时校正光学谐振腔100内光学器件的相对位置关系，光学谐振腔控制模块208包括但不限于至少一块PZT或其他具有平移旋转功能的机械结构或装置或其组合来实现，从而改变光学谐振腔100光学器件的相对位置关系。
所述样品预处理模块204用于对待测样品进行预处理，所述样品预处理模块204包括但不限于加热待测样品、滤除样品中的水分、滤除样品中与测量无关的其他杂质、滤除粉尘等；
所述光电探测模块205用于接收和探测光学谐振腔100输出的光信号，并将光信号转化成电信号，进行信号的滤波、放大、模数转换等处理。
所述数据采集和处理模块206采集转化后的光电数字信号，并进行平均、浓度计算等光谱信号处理。
所述数据和图像输出模块207用于输出样品的光谱线、分子光谱吸收强度、浓度值等数据和图像信息。需要说明的是，所述数据和图像输出模块207的设置是为了显示元素浓度等信息，其形式和结构不受限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.一种光学谐振腔用反射棱镜，所述光学谐振腔具有样品测量区域，其特征在于：所述反射棱镜包括用于接收穿过所述样品测量区域的光线的第一面、用于向所述样品测量区域发出光线的第二面、位于所述第一面与所述第二面之间的第三面；所述第三面用于将接收自所述第一面的光线全反射至所述第二面。
2.如权利要求1所述的反射棱镜，其特征在于：所述第一面及所述第二面为布儒斯特面，所述第三面为全内反射面。
3.如权利要求1所述的反射棱镜，其特征在于：所述反射棱镜的至少一个面为曲面。
4.一种光学谐振腔，其能接收和发出光线，并能将接收到的光线在内部传播，其特征在于，所述光学谐振腔包括：
光学元件，所述光学元件包括至少一个如权利要求1至3任一所述的反射棱镜；
所述光学谐振腔具有样品测量区域，所述样品测量区域能容置有待测样品。
5.如权利要求4所述的光学谐振腔，其特征在于：所述光学元件能形成闭合光路。
6.如权利要求4或5所述的光学谐振腔，其特征在于：所述光学元件至少为三个。
7.如权利要求6所述的光学谐振腔，其特征在于：每个所述光学元件均为所述反射棱镜。
8.如权利要求7所述的光学谐振腔，其特征在于：所有所述反射棱镜包括第一反射棱镜、第二反射棱镜以及第三反射棱镜；所述第一反射棱镜的第二面与所述第二反射棱镜的第一面通过第一光路连接，所述第三反射棱镜的第二面与所述第一反射棱镜的第一面通过第二光路连接，所述第二反射棱镜的第二面与所述第三反射棱镜的第一面通过第三光路连接；所述第一光路与所述第二光路之间的夹角、所述第二光路与所述第三光路之间的夹角以及所述第三光路与所述第一光路之间的夹角均大于其中，θB为布儒斯特角。
9.如权利要求8所述的光学谐振腔，其特征在于：每个所述反射棱镜中，所述第三面与所述第二面的夹角等于所述第三面与所述第一面的夹角，等于0.5倍的所述第一光路与所述第二光路的夹角加上θB。
10.如权利要求4所述的光学谐振腔，其特征在于，还包括：匹配光学元件，所述匹配光学元件能将光源的光学模式与光学谐振腔的光学模式相匹配。
11.如权利要求4所述的光学谐振腔，其特征在于：至少一个所述光学元件能够旋转和/或平移。
12.一种光谱测量仪，其特征在于，包括：如权利要求4至11任一所述的光学谐振腔。
CN201810911586.5A 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪 Pending CN109061783A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810911586.5A CN109061783A (zh) 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510862675.1A CN105334556A (zh) 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪
CN201810911586.5A CN109061783A (zh) 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510862675.1A Division CN105334556A (zh) 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109061783A true CN109061783A (zh) 2018-12-21

Family

ID=55285194

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810911586.5A Pending CN109061783A (zh) 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪
CN201510862675.1A Pending CN105334556A (zh) 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510862675.1A Pending CN105334556A (zh) 2015-12-01 2015-12-01 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20180356569A1 (zh)
CN (2) CN109061783A (zh)
WO (1) WO2017092613A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113156557A (zh) * 2021-04-30 2021-07-23 浙江光珀智能科技有限公司 一种光学面罩及光学系统

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109061783A (zh) * 2015-12-01 2018-12-21 苏州谱道光电科技有限公司 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪
CN107132644A (zh) * 2016-02-29 2017-09-05 西安诺瓦电子科技有限公司 图像检测装置及光学腔
CN107132645A (zh) * 2016-02-29 2017-09-05 西安诺瓦电子科技有限公司 图像检测装置及光学腔
WO2018216386A1 (ja) * 2017-05-25 2018-11-29 富士フイルム株式会社 色分解光学系、撮像ユニット及び撮像装置
US11594859B2 (en) 2017-07-18 2023-02-28 Sony Corporation Light emitting element and light emitting element array
CN108169923B (zh) * 2017-12-21 2021-01-26 冯杰 一种光源偏振器
CN109142244A (zh) * 2018-06-22 2019-01-04 山东建筑大学 一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器
FR3090904B1 (fr) * 2018-12-19 2021-02-19 Office National Detudes Rech Aerospatiales Composant optique monolithique a plusieurs voies
WO2020253957A1 (en) * 2019-06-19 2020-12-24 Max-Planck-Gesellschaft Zurförderung Der Wissenschaften E. V. Optical resonator device with crossed cavities for optically trapping atoms, and applications thereof in an optical atomic clock, a quantum simulator or a quantum computer
CN110441242A (zh) * 2019-08-14 2019-11-12 郑州大学 基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法
EP3936842A1 (en) * 2020-07-06 2022-01-12 Imec VZW Light transmission system for delivering light to a raman spectrometer
CN111982478B (zh) * 2020-09-01 2022-12-27 中国人民解放军国防科技大学 一种激光器孔道管路光学衍射损耗测量方法及装置
CN114549412A (zh) * 2022-01-17 2022-05-27 湖南视比特机器人有限公司 检测工件质量的方法、装置和系统
CN115826112B (zh) * 2023-01-18 2023-05-05 安徽华创鸿度光电科技有限公司 一种超快固体激光器用棱镜的设计方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1375959A (en) * 1972-07-17 1974-12-04 Rockwell International Corp Ring laser with stray magnetic field compensation
CN1397006A (zh) * 2000-01-20 2003-02-12 普林斯顿大学理事会 基于布儒斯特角棱镜反射器回路衰减空腔光谱仪匹配模式
CN101566558A (zh) * 2007-06-28 2009-10-28 霍尼韦尔国际公司 具有正交输入的光谐振腔系统
US20090323055A1 (en) * 2008-06-25 2009-12-31 Honeywell International Inc. Crds brewster gas cell
CN105043996A (zh) * 2014-04-29 2015-11-11 邓文平 光谱仪的光谱测量方法
CN205176310U (zh) * 2015-12-01 2016-04-20 苏州谱道光电科技有限公司 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3752586A (en) * 1969-08-04 1973-08-14 North American Rockwell Minimizing frequency locking in ring laser gyroscopes
DE3123518A1 (de) * 1981-06-13 1982-12-30 Teldix Gmbh, 6900 Heidelberg Laser-drehgeschwindigkeitsmesser
US5437840A (en) * 1994-04-15 1995-08-01 Hewlett-Packard Company Apparatus for intracavity sensing of macroscopic properties of chemicals
US5973864A (en) * 1997-10-21 1999-10-26 Trustees Of Princeton University High-finesse optical resonator for cavity ring-down spectroscopy based upon Brewster's angle prism retroreflectors
FR2796211B1 (fr) * 1999-07-09 2001-10-12 Thomson Csf Cavite optique instable pour faisceau laser
US7507976B2 (en) * 2006-05-31 2009-03-24 Asml Netherlands B.V. Lithographic apparatus, beam delivery systems, prisms and device manufacturing method
US7612885B2 (en) * 2006-12-22 2009-11-03 Honeywell International Inc Spectroscopy method and apparatus for detecting low concentration gases
US20100014094A1 (en) * 2008-07-21 2010-01-21 Cole Barrett E Distributed gas detection
US9207121B2 (en) * 2013-09-11 2015-12-08 Tiger Optics, Llc Cavity-enhanced frequency comb spectroscopy system employing a prism cavity
CN109061783A (zh) * 2015-12-01 2018-12-21 苏州谱道光电科技有限公司 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1375959A (en) * 1972-07-17 1974-12-04 Rockwell International Corp Ring laser with stray magnetic field compensation
CN1397006A (zh) * 2000-01-20 2003-02-12 普林斯顿大学理事会 基于布儒斯特角棱镜反射器回路衰减空腔光谱仪匹配模式
CN101566558A (zh) * 2007-06-28 2009-10-28 霍尼韦尔国际公司 具有正交输入的光谐振腔系统
US20090323055A1 (en) * 2008-06-25 2009-12-31 Honeywell International Inc. Crds brewster gas cell
CN105043996A (zh) * 2014-04-29 2015-11-11 邓文平 光谱仪的光谱测量方法
CN205176310U (zh) * 2015-12-01 2016-04-20 苏州谱道光电科技有限公司 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113156557A (zh) * 2021-04-30 2021-07-23 浙江光珀智能科技有限公司 一种光学面罩及光学系统

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017092613A1 (zh) 2017-06-08
US20180356569A1 (en) 2018-12-13
CN105334556A (zh) 2016-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109061783A (zh) 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪
JP4195551B2 (ja) プリズム逆反射体を用いた空洞リングダウン分光法用の光学共振器
CN105403178B (zh) 膜厚度测量装置和膜厚度测量方法
KR100812431B1 (ko) 브루스터각 프리즘 역행반사기에 근거한 공동 링다운 분광법을 위한 향상된 모드 매칭 및 이를 이용한 공진기
US8605282B2 (en) Method and apparatus for high precision spectroscopy
US5986768A (en) Intra-cavity total reflection for high sensitivity measurement of optical properties
CN205176310U (zh) 光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪
Hamilton et al. Optical feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy (OF-CEAS) in a ring cavity
CN105445195A (zh) 样品测量池
WO2016095816A1 (zh) 样品测量池
Lehmann et al. An introduction to cavity ring-down spectroscopy
CN205212168U (zh) 光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪
CN204314209U (zh) 样品测量池
US6172824B1 (en) Low loss prism retroreflectors for relative index of refraction less than the square root of 2
WO2017092614A1 (zh) 光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪
Lehmann et al. Brewster angle prism retroreflectors for cavity enhanced spectroscopy
US20050238078A1 (en) Optical resonator produced by optical contacting to join optical elements and use thereof, for example, for chemical and biochemical detection in liquids
CN207976162U (zh) 光纤法布里珀罗传感器及测试装置
CN106290247B (zh) 基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置及方法
CN109443704B (zh) 一种相位增强的光学强度检测方法和系统
Glushko THZ transmission resonances in metalized and defect photonic structures for precise optical monitoring
Pipino Evanescent-wave cavity ring-down spectroscopy: a new platform for thin-film chemical sensors
DAMANY Phenomenological description of optical properties of solids and methods of determination of optical constants
Erwin MACIAK et al. AN OPTICAL SENSOR BASED ON LAYERED FABRY-PEROT INTERFEROMETER FOR MEASURE OF GASENOUS Hl IN VARIOUS MEDIA
JPS62502563A (ja) 干渉偏光屈折計

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181221

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication