CN109073544A - 长光程吸收池 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种长光程吸收池(10)，特别涉及一种赫里奥特池(Herriott cell)，包括(a)一个主镜(12)和(b)一个次镜(14)。根据本申请，主镜(12)包括一个第一主镜段(42.1)和至少一个第二主镜段(42.2)，第二主镜段(42.2)径向环绕第一主镜段(42.1)，并且各主镜段(42)具有不同的曲率半径(R42.1，R42.2)或焦距；次镜(14)包括一个第一次镜段(44.1)和至少一个第二次镜段(44.2)，第二次镜段(44.2)径向环绕第一次镜段(44.1)，并且各次镜段(44)具有不同的曲率半径(R42.1，R42.2)或焦距；第一主镜段(42.1)和第一次镜段(44.1)的组合方式应使光束在它们之间来回反射，并且第二主镜段(42.2)和第二次镜段(44.2)的组合方式也应使光束在它们之间来回反射。

Description

长光程吸收池
本申请涉及一种长光程吸收池。长光程吸收池主要应用于光谱学，例如，使光束通过样品室时获得尽可能长的路径，这将使得光束与样品室中物质的相互作用变得非常灵敏。
美国专利US 9250175 B1提出的一种长光程吸收池，其中的一面镜子包括第一和第二镜片，因而增加了光束的反射次数。
在美国专利申请US 2011/0164251 A1中，描述了一种长光程吸收池，通过偏转镜来产生二级反射图案。
从美国专利US 6486474 B1可以得知，长光程吸收池用于光谱学，例如，使光束通过样品室时获得尽可能长的路径，这将使得光束与样品室中物质的相互作用变得非常灵敏。更优的是，以一种特别简单的方式达到这样的目的，例如，长光程吸收池可插入到一束激光的路径中。
美国专利申请US 2011/0164251 A1中的长光程吸收池，其光源位于样品室内，因而很难将其安装到现有的系统中。
本申请的目的是提出一种改进的长光程吸收池。本申请改进了一种长光程吸收池，特别是一种包含(a)主镜和(b)次镜的赫里奥特池(Herriott cell)，特征是(c)主镜包含一个第一主镜段和至少一个第二主镜段，第二主镜段径向环绕第一主镜段，并且各主镜段具有不同的曲率半径或焦距，(d)次镜包含一个第一次镜段和至少一个第二次镜段，第二次镜段径向环绕第一次镜段，并且各次镜段具有不同的曲率半径或焦距，(e)第一主镜段和第一次镜段的组合方式应使光束在它们之间来回反射，并且(f)第二主镜段和第二次镜段的组合方式也应使光束在它们之间来回反射。
这种长光程吸收池的优点是，在特定的结构空间中，它可为光束提供特别长的光程。它基于这样的事实，镜段上反射的两个相邻光点之间在圆周方向上的距离本质上与光点的径向位置无关。因此，在每一个镜段上都可以使光点紧密排列，以获得尽可能多的反射次数。
给定两面镜子之间的距离，镜面上反射的光点之间在圆周方向上的距离(或光点的个数)，由反射光点处镜面的曲率决定。因此，当镜面具有固定的曲率时，光点之间在圆周方向上的距离会随着半径的增大而增大。为了更有效率地利用镜面，光点之间的距离应尽可能的小。为了达到这一目的，可使镜面由多个具有不同曲率的镜面段组成。
如果至少一个镜面段是抛物面(择优的实例)，那么所有的镜面段要么是抛物面、要么是球面，并且都具有不同的焦距。优选的，所有的镜面段都是抛物面。
径向距离是指某点到长程吸收池的纵向光轴的距离。在一个优选的实例中，如果光束在主镜和次镜之间来回反射至少三次，那么镜面上的光点将会形成一个圆周，圆周的中心就位于纵向光轴上。
在本申请的范围内，镜面是指一种器件，针对至少某一波长，具有至少0.95的反射率，优选的反射率为0.98。
镜面段具有不同的曲率或焦距，这一特征是指描述曲率的函数在相邻镜面段的边界处是不规则的。或者说，镜面段由环形的、或部分环形的、或球面的部分组成，而且它们之间的曲率差异至少为千分之一。
光点是指光束射到镜面上，光强最大的点。择优的，光束是激光束。
在镜面段是球面的情形下，越往外的镜面段具有越大的曲率。镜面段之间交接处不齐平是有利的。择优的，至少一个镜面段，特别是主要的镜面段，越往内的镜面段越靠近吸收池的中部。这种设计可以使结构紧凑。
在镜面段是抛物面的情形下，择优的，焦距差异至少是千分之一，更优的，至少是千分之二。
一个镜面段只能是球面的、平面的或抛物面的。优选的，镜面应能使光束反复的对中和聚焦，以抵消光束的扩散。
至少一个次镜段是平面镜，这种情形是有利的。平面镜意味着镜面不是弯曲的，当镜面的曲率半径超过1千米时可认为该镜面是平面的。镜面最大的形貌偏差应优选地小于λ/2，λ是光束的真空中心波长，即具有最大强度的波长。
根据一个优选的实例，主镜有三个主镜段，第三个主镜段径向环绕第二个主镜段，同时两者具有不同的曲率。同样的，次镜也有三个次镜段，第三个次镜段径向环绕第二个次镜段，同时两者具有不同的曲率。耦合进吸收池的光束可在第三主镜段和第三次次镜段之间来回反射。由于光点之间在圆周方向上的距离随着半径的增大而增大，因此对于每个镜面具有三个或更多的镜面段是有利的，而且光束可在对应的镜面段之间来回反射。在目前的情形下，第一主镜段与第一次镜段相对应，更一般的，第i个主镜段和第i个次镜段相对应。
优选的，长程吸收池包含一个反射部件，该部件有一个耦合区域，用于将光束导入吸收池，还有一个去耦合区域，用于将光束导出吸收池，耦合区域和去耦合区域至少保持30°的偏移角度。耦合区域和去耦合区域接近正交分布是有利的，优选的，它们之间的角度应偏离90°至少10秒。
优选的，反射部件具有一个第一反射区域，该区域的设置方式应使得耦合进来的光束首先被镜面段反射，特别的，在镜面段之间来回反射多次，然后再入射到第一反射区域，之后入射到另一个镜面段上。在这种方式下，该反射部件可将光束从一个镜面段导入到相邻的镜面段上。
优选的，反射部件具有第二反射区域，可将光束导入到第三镜面段上。
优选的，耦合部件位于两个镜面之间。特别的，耦合部件位于光点所处的空间，这些光点处于光束在主镜和次镜之间来回反射的路径上。
优选的，在横向耦合中，反射部件应设计成使得去耦合光束在耦合光束的延长线上。这可以被理解为耦合光束的延长线和去耦合光束的延长线之间的距离最多为750μm。或者耦合光束的延长线和去耦合光束的延长线的角度误差小于0.5°。
如上描述的长光程吸收池可特别简单地插入到某一仪器的光路上，例如光谱仪。
优选的，第一反射区域被设计为反射来自一个镜面段的光束，然后将其反射到下一个镜面段上，这两个镜面段具有不同的曲率。
优选的，非平面镜段的曲率应保证一定的均匀性，使得圆周上光点之间的距离基本一致，光点之间的距离偏离平均值不超过50％。优选的，平均距离是光束直径的至多10倍，更优的是5倍。光束直径定义为光强的半高全宽。基于此可实现特别长的光束路径。此外，光束直径可根据应用的需要进行变化。
根据一个优选的实例，长光程吸收池包含一个支撑部件，该部件用于居中固定主镜和次镜。居中固定是指该部件位于镜面的中心区域。吸收池的纵向轴线穿过支撑部件是有利的。
优选的，至少一个主镜段是平面的，并且平面的区域至少为75％，更优的，至少为90％；至少一个次镜段是平面的，并且平面的区域至少为75％，更优的，至少为90％。平面主镜段被曲面主镜段环绕，同样的，平面次镜段被曲面次镜段环绕。在这种情形下，光束在平面镜段之间多次来回反射，直至射入到曲面镜段上。
作为一个优选的实例，如下方案是可行的。主镜段和(或)次镜段有一个转换区域，该区域相对于镜面的其他区域是倾斜的，当光束射入到该转换区域时，光束不会反射回原来的镜段上，而是反射到另一个镜段，例如更靠外的镜段上。
另外，根据本申请，一种基于该长程吸收池的光谱仪器将描述如下。
申请人进一步阐述该长程吸收池，特指赫里奥特池(Herriott cell)，该吸收池包括(a)一个主镜，(b)一个与主镜相对的具有凹面的次镜，(c)一个耦合部件，包括将光束导入的耦合区域和将光束导出的去耦合区域，(d)去耦合区域与耦合区域有一个至少30°的偏移角，特征是(e)耦合部件有一个第一反射区域，耦合进来的光束首先被至少一面镜子反射，然后射入到第一反射区域。上述优选的实例仍属于本申请，后续优选的实例也属于本申请。
该长程吸收池的优点是，入射光束和出射光束之间没有光束偏移。如果将此长程吸收池应用到光谱仪器中，例如一个包含激光和探测器的分光计，可以直接将本申请的长程吸收池插入到光路中，而不需要重新调整分光计的光路。此类光谱仪器也是本申请的主题。
在本申请的范围内，镜面是指一种器件，针对至少某一波长，具有至少0.95的反射率，优选的反射率为0.98。
耦合部件是指依附于镜面的一个部件，以适当角度射入到耦合部件的光束会反射到镜面上，并进一步反射到另一个镜面上。耦合部件还包括一个去耦合区域，去耦合区域的作用是使得多次反射的光束能射出吸收池。因此，该耦合部件也可称作耦合和去耦合部件。
优选的，耦合部件位于两个镜面之间。特别的，耦合部件位于光点所处的空间，这些光点处于光束在主镜和次镜之间来回反射的路径上。
优选的，次镜是球面或抛物面。这种镜面可使光束聚焦和对中，可以抵消光束的扩散。
优选的，与次镜相对的主镜也有凹面区域。在这种情形下，主镜也为球面或抛物面。
优选的，耦合部件被设计为去耦合光束(射出)在耦合光束(射入)的延长线上。特别的，这是指耦合光束所在的直线与去耦合光束所在的直线之间的距离，至多为750μm，优选的，至多为500μm。
优选的，耦合部件有镀层。耦合光束所在的直线与去耦合光束所在的直线之间的距离至多为镀层厚度的1.4倍。
或者说，耦合光束所在的直线与去耦合光束所在的直线之间的角度差小于0.5°。
上述长光程吸收池可特别简单地插入到某一仪器的光路上，例如光谱仪。
优选的，耦合部件有一个第一反射区域，耦合进来的光束首先被至少一面镜子反射，特别的，在镜子之间来回反射多次，然后射入到第一反射区域，继而反射到另外的镜面上。经过第一反射区域的光束有可能在镜面之间多次反射，但这并不是必须的。之后光束射入到反射区域，并被反射到下一个镜面上。通过这种耦合部件，光束可被导入到不同的轨道上。或者说，经过耦合部件之前，镜面上的光点形成一个椭圆或圆，经过耦合部件之后，镜面上的光点形成另一个椭圆或圆。
这种情形是有利的：在经过第一反射区域之后与之前相比，镜面上光点的径向距离应该显著的小或者大。举例来说，经过第一反射区域之后的光束在镜面上形成的光点的径向距离与之前的距离的差异为一个径向偏移，这个径向偏移应至少为经过第一反射区域之前光点的径向距离的方差的两倍。
径向距离是指到纵向光轴的距离。一个优选的实例，光束在主镜和次镜之间来回反射至少三次，镜面上的光点围绕径向的零点形成椭圆或者圆。
上述长光程吸收池的优点是，其中的光束必须经过一个特别长的路径。在给定镜面间距的情形下，镜面上的光点在圆周方向上的间隔距离由镜面的曲率决定。因此，当镜面的曲率是固定值时，光点之间的间隔会随着径向距离的增大而增大。为了最大化地利用镜面以增加光束的反射次数，镜面上的光点之间的间隔应尽可能的小。
根据一个进一步优选的实例，至少一个镜面，最好是所有的镜面，其曲率随着半径的增加而变化，具体的是变大。光束经过耦合部件的反射，在主镜和次镜的镜面上形成的光点将排列成椭圆，具体的是圆。经过第一反射区域之后的光束形成的光点将排列成第二个椭圆，或者是第二个圆，与第一个相比具有更小的或更大的直径，同时光点之间的间隔距离不会变化，或者说不会有显著的变化。
优选的，耦合部件包含一个第二反射区域，光束首先在镜面之间来回反射多次，然后经过第一反射区域，随后继续在镜面之间来回反射多次，然后经过第二反射区域，随后继续在镜面之间来回反射多次。
优选的，经过第一反射区域和第二反射区域之间的光束，在镜面上的光点排列成一个椭圆或者圆。根据一个优选的实例，耦合部件有一个第三反射区域，经过第二反射区域和第三反射区域之间的光束，在镜面上的光点排列成另一个椭圆或者圆，而且与前一个椭圆或圆基本是同心的。基本同心的含义是，两个椭圆的焦点的偏移应不超过光束直径的两倍，如果是圆，则圆心的偏移不超过光束直径的两倍。
优选的，第二个椭圆的长半轴和短半轴与第一个椭圆的相比至少应相差光束直径的两倍。特别的，如果是圆，则第二个圆的直径与第一个圆的相比至少应相差光束直径的两倍。
优选的，第一反射区域有第一分区和第二分区，两个分区之间的张角至少为45°，特别的，至少为60°，并且至多为135°，特别的，至多为120°。张角偏离90°至少10秒是有利的。
根据一个优选的实例，长光程吸收池包含一个支撑部件，该部件用于居中固定主镜和次镜。居中固定是指该部件位于镜面的中心区域。吸收池的纵向轴线穿过支撑部件是有利的。支撑部件可使镜面互相对齐。至少一个镜面可固定到支撑部件上，初始可在纵向上移动，然后固定在支撑部件上。额外的，支撑部件还可包含一个角度调整装置，至少一个镜面的角度方位是可调整的。
另外，根据本申请，还描述了一种基于该长光程吸收池的光谱仪器。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，附图并说明如下：
图1为根据本申请的一个实例，长光程吸收池横截面的示意图。
图2为光束路径的示意图。
图3为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例。
图4为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例，其中内镜段的三角区域用于将光束转换到外镜段上，光束经过该三角区域后射入到外镜段的一片区域上。
图5为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例，该实例包含一个光路重置的部件，用于将光束从一个镜段上转换到另一个镜段上。
图6为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例，其中内镜段是平面镜，图6a显示了一部分的光束路径，图6b显示了全部的光束路径。
图7为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例。
图8a为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例。
图8b为图8a中的耦合部件的横截面示意图。
图9为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例的横截面示意图。
图10为根据本申请的另一个长光程吸收池的实例。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，根据所附的图，下文将详细解释本申请的技术方案。
图1显示了根据本申请的长光程吸收池10，它是赫里奥特池的形式，包含一个主镜12和一个次镜14。主镜12有一个主镜区域18，与主镜12相对的次镜14有一个次镜区域16。在图示的情形下，主镜12的各部分都是球面的，并且曲率半径是R12(r)，这里r是径向距离，同时次镜的曲率半径是R14(r)。
此外，主镜和次镜也可以全部是，或部分区域是抛物面的。在这种情形下，镜面的曲率半径优选的是R14(r)。
长光程吸收池10包含一个反射部件54，它有一个耦合区域22和一个去耦合区域24。反射部件54的耦合区域22和去耦合区域24可一起被称为耦合部件20。
如果一束光26，特别的，从激光器28射出的一束激光，入射到耦合区域22，将光束26反射到主镜12上。光束26入射到主镜12上的第一个光点是30.1，然后主镜12将光束26继续反射到次镜14上，并形成第二个光点30.2，如此下去，形成第三个光点30.3和第四个光点30.4。
或者说，光束26在镜面12和14之间来回多次反射，然后入射到第一反射区域32，它将光束26导向位于次镜区域16的第五个光点30.5。在该情形下，第一反射区域由两个互相垂直的面形成。
激光束经过光点30.6，30.7和30.8之后，射入到去耦合区域24，并形成出射光束26b，它也是光束26的一部分，处于入射部分26a的延长线上。换句话说，入射光束26a和出射光束26b在同一条直线g上。
从图1中可以看到，去耦合区域24与耦合区域22之间有一个偏移角α，在该情形下，α＝90°，这对于二维光路来说是一个可行的实例。但是在更普遍的三维光路中，偏移角优选的应偏离90°至少10秒。
长光程吸收池10有一个纵轴L。纵轴L连接两个点P12和P14，可以认为有一假想的光束在这两点之间无限的来回反射下去。
在围绕纵轴L的柱坐标系统中，坐标r是指到纵轴L的径向距离，该坐标系统的z坐标可以根据需要选取，优选的可以将z＝0选为P12和P14的中点。
值得注意的是，图1仅仅显示了长光程吸收池10的侧向示意图，实际上两个镜面之间的距离可以很长。
如图1所示，主镜12有一个第一主镜段42.1，一个第二主镜段42.2和一个第三主镜段42.3。第二主镜段42.2径向环绕第一主镜段42.1，第三主镜段42.3径向环绕第二主镜段42.2。主镜段42.1、42.2、42.3是球面的，并且具有不同的曲率或者焦距。第一主镜段42.1的曲率半径R42.1比第二主镜段42.2的曲率半径R42.2要大。在本实例中，随着径向距离的增加，曲率半径是减小的。但是其它可行的实例并不限于这种规律。
与每个主镜段42.i相对的是次镜段44.i(i＝1，2，...)，在本实例中，光束26在主镜段42.i和次镜段44.i这一对镜面之间来回多次反射，直至入射到反射区域或者去耦合区域24。
入射光束26a首先射入到耦合区域22，然后经过光点30.1、30.2、30.3和30.4，随后射入到第一反射区域32。经过第一反射区域32之后，光束射入到主镜12上的第五个光点30.5，然后经过光点30.6、30.7和30.8，随后光束26射入到去耦合区域24，并从长光程吸收池10中射出。自然地，一个优选的实例是，耦合部件20具有更多的反射区域，在这种情形下，主镜12和次镜14也有更多镜段。
图1显示出第一反射区域32的作用是将光束从一个镜段导入到下一个镜段上，在本实例中，镜段被设计成使得光束26可以在同一对镜段之间来回多次反射，直到射入到反射区域。随后光束继续在下一对镜段之间来回多次反射，直到光束射入到去耦合区域或者下一个反射区域。
图2是光束26在镜段42.3和44.3之间来回反射的路径示意图。相邻光点在圆周方向上的距离为a，例如30.9和30.7之间，或者30.9和30.1之间，作为一个很好的近似，a可视为常数。各光点的径向距离r基本上相同，或者表示为r30.7＝r30.9，当径向距离的差异小于25％时可认为它们是基本相同的。
对于更往内的镜段，在当前的情形中是指主镜段42.2和次镜段44.2，光点在圆周方向上的距离为a也最好常数。
长光程吸收池10的设计应使得相邻光点之间的距离a大于两倍的光束直径。优选的，该距离还应小于光束直径的20倍，特别的，小于10倍。为了使得这些条件独立于镜段，对于不同的i，各镜段42.i和44.i的曲率应各不相同。
图2显示了长光程吸收池10中有一个光纤56，通过它，光束26从激光器28导入到耦合部件20。优选的，光纤56的尾部有一个去耦合部件58。
图3是根据本申请的另一个长光程吸收池10的实例，其中镜面12、14的结构已在图1中展示。这里长光程吸收池10包含一个支撑部件46，镜面12和14通过它居中固定。可以看到，光束26通过镜面12上的开孔48射入长光程吸收池10，最终仍通过开孔48射出。
该图还显示了一个申请，即光谱仪器50，它包含一个激光器28，长光程吸收池10和一个光束分析仪器52。
图3还显示了反射部件54的示意图，它包含反射区域32和34。参照图1和图2中的实例，反射部件是耦合部件20的一部分(见图1)。为了显示清晰，图3仅示意性地画出了光束经过第一反射区域32和第二反射区域34之后的路径。在当前情形下，光束26示意性地从支撑部件46上的开孔59中射出。此外，分析仪器52也可固定在支撑部件46上或者包含在其中。
图4显示了根据本申请长光程吸收池10的另一个实例，其中光束26经过了一个完整的旋转。光束26通过开孔48射入长光程吸收池10。第一主镜段42.1由一个转换区域60和镜面区域62组成，镜面区域62是球面的。与之相对的第一次镜段44.1也是球面的，并与镜面区域62平行放置。射入到镜面区域62的光束被反射到第一次镜段44.1上。如果光束26射入到转换区域60上，则被反射到第二次镜段44.2上，此后，光束被反射到第二主镜段42.2上。光束通过另一个开孔64射出长光程吸收池10。
这种方案也是可行的：通过另一种类似于转换区域60的区域，光束26可从边上射入到吸收池。
图5显示了根据本申请的一个进一步的长光程吸收池10的实例，它包含一个光路重置部件66。该部件位于镜面12和14形成的空间的外部，它将光束从一个镜段转移到另一个镜段上。图中光点旁边的数字按顺序列出了形成的光点，这样可以很容易的跟踪光路的走向。可以看到，光束26从开孔48射入，从另一个开孔64射出。
图6a和6b显示了长光程吸收池10中的光路示意图，其中第一主镜段42.1和第一次镜段44.1是平面的，第二主镜段42.2和第二次镜段44.2是球面的。
图6a中显示的是镜面12和14之间的距离非常长的情形。
图6b显示了镜面12和14距离非常短的情形(图6a中距离的三分之一)，但是光束有更多的反射次数。44.1上的光点的位置对应于光束在z＝-1/6D(D是图6a中镜面之间的距离)处横截面的位置，42.1上的光点的位置对应于光束在z＝+1/6D处横截面的位置。在该情形下，光束在内部平面镜段上的反射次数是在外部曲面镜段上反射次数的两倍。如果两个镜面被拉得更靠近，如距离变为D/(2N+1)，N是自然数，那么光束在内部平面镜段上的反射次数将是在外部曲面镜段上反射次数的2N倍。举例来说，如果在外部曲面镜段上的反射次数是100，镜面之间的距离缩短为标准赫里奥特池长度的1/13，或者将镜面的曲率变为13倍，那么将在内部平面镜段上反射12x100＝1200次，总反射次数为1300。如果镜面距离仅仅为77cm左右，那么总的光路长度将达到1千米，而光束的性能和可靠性与标准赫里奥特池无异。
图7显示了根据本申请的一种赫里奥特池类型的长光程吸收池10，它包含一个主镜12和一个次镜14。主镜12有一个第一凹面区域16，次镜14有一个与主镜12相对的第二镜面区域18。在该情形下，主镜12是球面的，并且第一曲率半径为R12，与次镜的第二曲率半径R14相对应。其中一个镜面或者两个镜面也可以是抛物面的。
长光程吸收池10包含一个耦合部件20，它包含耦合区域22和去耦合区域24。如果光束26，特别的，是从激光器28射出的激光束，射入到耦合区域22，然后将光束26反射到主镜12上，并形成第一个光点30.1。然后，主镜12将光束26反射到次镜14上并形成第二个光点30.2，如此下去，形成第三个光点30.3和第四个光点30.4。
换种方式说，光束26在镜面12和14之间来回反射多次，之后光束26射入到第一反射区域32，它将光束26导向到次镜区域18上的第五个光点30.5。在该情形下，第一反射区域32由两个平面相交，这两个平面的角度不是直角。在二维情形下，该角度应该是直角，但在三维情形下不是直角。
光束经过光点30.6、30.7和30.8之后，射入到去耦合区域24。图7是侧视图，因而光点30.4和30.5之间的光路看上去是平行的。出射光束26b，它是光束26的一部分，在入射光束26a的延长线上，或者说，入射光束26a和出射光束26b在同一直线g上。
可以看到，去耦合区域24与耦合区域22形成了一个夹角α，在该情形下α＝90°，这仅仅是二维情形下的一个实例。在实际三维情形下，α必须不同于90°，并且需要仔细调整，这是由旋转对称性表征的。对于每一组输入参数：镜面的曲率半径(焦距)，镜面间距，耦合部件的位置，镜面上当前光点形成的图案的半径，镜面上下一组光点形成的图案的半径，当这些参数确定时，对于α存在两个可能的值，根据本申请，α的值可通过光线追迹软件进行模拟得到。
长光程吸收池10有一个纵轴L，在该情形下，纵轴通过P12和P14两点，这可以表示为一束假想的光线在这两点之间可以无限的来回反射下去。在图7所示的侧视图中，纵轴是主镜12的旋转对称轴，而且，镜面16和18可在围绕纵轴L的柱坐标系统中表示，距离坐标r代表了某点到纵轴L的垂直距离，z轴与纵轴L重合，而且零点z＝0可根据需要适当选取。
值得注意的是，图7仅仅是长光程吸收池10的侧视示意图，因此图示的角度是扭曲变形的。此外，两个镜面之间的距离也可以更长。
图8a是根据本申请的另一个长光程吸收池10的实例，耦合部件20有一个第二反射区域34，经过光点30.8的光束26射入到第二反射区域34上，然后光束26被反射到光点30.9上。耦合部件20还有第三反射区域36，第四反射区域38和第五反射区域40。从图中光束26的路径可以看到，光束在长光程吸收池10中经过了一个特别长的路径。
图8a显示了长光程吸收池10可以用一个光纤56，通过它光束26可以从激光器28导入到耦合部件20上，优选的，光纤56的尾部有一个去耦合部件58。
图8b是耦合部件20的放大图，可以看到，第一反射区域32有第一分区32.1和第二分区32.2，这两个分区形成了一个张角β，β是指光束26在分区32.1和32.2上的光点处的切平面形成的张角。
优选的，分区32.1和32.2之间的张角β至少为45°，特别的，至少为60°，或者至多为135°，特别的，至多为120°。最优的，张角β的值在89°和89.5°之间，或者另一方面，在90.5°和91°之间。
当光束在镜面上的光点形成的图案是圆的时候，两个分区之间的角度总是有两个可行的值。优选的，该角度可通过光线追迹软件确定。
图9是根据本申请的一个进一步的长光程吸收池10的实例，其中镜面12和14的结构如图9所示。长光程吸收池10包含一个支撑部件46，镜面12和14通过它固定。可以看到，光束26通过开孔48射入长光程吸收池10，并通过同一开孔48射出。
本申请也提出了一种光谱仪器50，它包含一个激光器28，长光程吸收池10和一个光束分析仪器52。
图10是根据本申请的一个进一步的长光程吸收池10的实例，它包含一个反射部件54，其上有反射区域32和34。根据图1和图2中的实例，该反射部件是耦合部件20的一部分(见图7)。
为了图示清晰，图10中经过第一反射区域32和第二反射区域34之后的光束路径仅仅是示意性的。
代号列表
10 长光程吸收池
12 主镜
14 次镜
16 主镜区域
18 次镜区域
20 耦合部件
22 耦合区域
24 去耦合区域
26 光束
26a 出射光束
26b 入射光束
28 激光器
30 光点
32 第一反射区域
32.1、32.2 分区
34 第二反射区域
36 第三反射区域
38 第四反射区域
40 第五反射区域
42 主镜段
44 次镜段
46 支撑部件
48 开孔
50 光谱仪器
52 光束分析仪器
54 反射部件
56 光纤
58 去耦合部件
60 转换区域
62 镜面区域
64 开孔
66 光路重置部件
α 偏移角
β 张角
a 距离
g 直线
L 纵轴
r 距离坐标
R 曲率半径
R12 曲率半径
R14 曲率半径
R42.1 曲率半径
D 镜面间距初值

Claims (17)

1.一种长光程吸收池(10)，特别是一种赫里奥特池，包括：
(a)一个主镜(12)和
(b)一个次镜(14)，
特征是：
(c)主镜(12)包含一个第一主镜段(42.1)和至少一个第二主镜段(42.2)，它径向环绕第一主镜段(42.1)，各主镜段(42)具有不同的曲率半径(R42.1，R42.2)或焦距；
(d)次镜(14)包含一个第一次镜段(44.1)和至少一个第二次镜段(44.2)，它径向环绕第一次镜段(44.1)，各次镜段(44)具有不同的曲率半径(R44.1，R44.2)或焦距；
(e)第一主镜段(42.1)和第一次镜段(44.1)的排列方式是使得光束在它们之间来回反射；
(f)并且第二主镜段(42.2)和第二次镜段(44.2)的排列方式也是使得光束在它们之间来回反射。
2.根据权利要求1所述的长光程吸收池(10)，特征是：
(a)主镜(12)有一个第三主镜段(42.3)，它径向环绕第二主镜段(42.2)，第三主镜段(42.4)和第二主镜段(42.2)具有不同的曲率半径(R42.3，R42.2)或焦距；
(b)次镜(14)有一个第三次镜段(44.3)，它径向环绕第二次镜段(44.2)，第三次镜段(44.3)和第二次镜段(44.2)具有不同的曲率半径(R44.3，R44.2)或焦距；
(c)并且第三主镜段(42.3)和第三次镜段(44.3)的排列方式是使得光束在它们之间来回反射。
3.根据前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是有一个反射部件(54)，它包含：一个耦合区域(22)供光束(26)射入长光程吸收池(10)，一个去耦合区域(24)供光束(26)射出长光程吸收池(10)，去耦合区域(24)与耦合区域(22)形成的偏移角(α)至少为30°。
4.根据权利要求3所述的长光程吸收池(10)，特征是反射部件(54)有一个第一反射区域(32)，使得从耦合区域(22)进来的光束(26)首先被至少一个镜段(44.3)反射，特别是在镜段(42.3，44.3)之间来回反射多次，然后射入第一反射区域(32)，并且经过第一反射区域(32)之后，射入同一个镜面的另一个镜段(42.2)。
5.根据权利要求2和4所述的长光程吸收池(10)，特征是反射部件(54)有一个第二反射区域(34)，光束(26)经过第一反射区域(32)反射射入到一个镜段，并经耦合区域(22)射入第二反射区域(34)，它应使光束射入到一个此前未经过的镜段。
6.根据权利要求4和5中任一项所述的长光程吸收池(10)，特征是，第一反射区域(32)将来自曲率为(R42.1)的镜段的光束(26)反射到另一个镜段上，另一个镜段的曲率(R42.2)或焦距不同于(R42.1)。
7.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是：至少一个主镜段(42.1)，其表面至少75％的区域是平面，特别的，至少为90％；至少一个次镜段(44.1)，其表面至少75％的区域是平面，特别的，至少为90％；平面主镜段(42.1)由曲面主镜段(42.2)环绕；并且平面次镜段(44.1)由曲面次镜段(44.2)环绕。
8.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是：包含一个支撑部件(46)；主镜(12)和次镜(14)通过支撑部件(46)居中固定。
9.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是包含至少一个第三平面镜，使得光束(26)离开长光程吸收池(10)前经过所有的镜面。
10.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是包含一个光纤(56)，它能引导光束(26)射入到长光程吸收池(10)。
11.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是：
(a)次镜(14)与主镜(12)的凹面区域(18)相对；
(b)包含一个耦合部件(20)，具有一个耦合区域(22)供光束(26)射入，且有一个去耦合区域(24)供光束(26)射出；
(c)去耦合区域(24)与耦合区域(22)之间的偏移角(α)至少为30°；
(d)耦合部件(20)有第一反射区域(32)，它使得来自耦合区域(22)的光束(26)首先由至少一个主镜(12)反射，然后射入到第一反射区域(32)，经过第一反射区域(32)之后，射入到(12，14)中的一个镜面。
12.根据权利要求11所述的长光程吸收池(10)，特征是耦合部件(20)使得，从去耦合区域(24)射出的光束(26b)，与经过耦合区域(22)的入射光束(26a)在一条直线上。
13.根据权利要求11或12所述的长光程吸收池(10)，特征是耦合部件(20)有第二反射区域(34)，它使得来自耦合区域(22)的光束(26)在镜面(12，14)之间来回反射多次，然后射入到第二反射区域(34)，随后在镜面(12，14)之间来回反射多次。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的长光程吸收池(10)，特征是第一反射区域(32)有第一分区(32.1)和第二分区(32.2)，分区(32.1，32.2)之间的张角(β)至少为45°，并且至多为135°。
15.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是：包含一个支撑部件(46)；主镜(12)和次镜(14)通过支撑部件(46)居中固定。
16.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是包含至少一个第三凹面镜，使得光束(26)离开长光程吸收池(10)前经过所有的镜面。
17.根据任一项前述权利要求的长光程吸收池(10)，特征是包含一个光纤，它能引导光束(26)射入到长光程吸收池(10)。
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