CN111108352B - 高精细度法布里-珀罗腔及用于其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及(在THz范围内使用)高精细度法布里‑珀罗腔(100)，其具有波导(200)，所述波导具有布置为将电磁波引导到腔内的侧腔。本发明还涉及用于实现包括这种法布里‑珀罗腔的设备的方法。

Description

高精细度法布里-珀罗腔及用于其的方法
技术领域
本发明涉及干涉测量技术领域，更具体地说，涉及法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔及用于其的方法。
背景技术
在现有技术中已知能够探索电磁频谱的不同域的法布里-珀罗谐振器。
最近，科学界已尝试提高法布里-珀罗谐振器的精细度，以探索电磁波的THz频率(太赫兹)的领域，即通常为100至3000GHz的频谱，其对应于3毫米到0.1毫米的真空波长。特别地，以下文档描述了将法布里-珀罗谐振器的精细度改进到100至3000GHz之间的设备：
DePrince等，(2013)Extending high-finesse cavity techniques to the far-infrared,Review of Scientific Instruments,Vol.84(7)；
Braakman和Blake(2011)Principles and promise of Fabry-Perot resonatorsat terahertz frequencies,Journal of Applied Physics,Vol.109(6)。
然而，在现有技术中已知的法布里-珀罗谐振器无法在100至3000GHz之间达到大于250的精细度。
本发明的目的尤其是改善法布里-珀罗腔在太赫兹波领域中的精细度。
发明内容
为此目的，本发明提出了一种设备，包括：
-第一反射器和第二反射器，
-法布里-珀罗腔，其包括由第一反射器形成的入口和由第一反射器或第二反射器形成的出口，法布里-珀罗腔的长度由第一反射器和第二反射器限定，
-发射器，其布置成在法布里-珀罗腔的入口处发射波长λ大于100μm和/或小于3mm的电磁波，
-波导，其布置成在法布里-珀罗腔中将电磁波从法布里-珀罗腔的入口传播到法布里-珀罗腔的出口，
-传感器，其被布置为检测经由法布里-珀罗腔的出口离开的电磁波，
波导形成沿纵向方向(D1)延伸的中空管，该管的内部包括侧腔，侧腔布置成在法布里-珀罗空腔中引导电磁波。
在整个文档中，与波有关的每个波长λ是“真空”波长即使实际上该波未在真空中传播，因此也遵循以下关系：
Figure BDA0002345483360000021
C为真空中的光速，v为该波的频率。
因此，波导形成管，该管设置有侧腔，特别是在纵向方向上相继的侧腔。换句话说，根据本发明的设备包括位于法布里-珀罗腔内部的波纹状波导。
相对于现有技术中已知的设备，根据本发明的这种设备可以增加精细度。
特别地，根据本发明的这种设备可以在波导的最小损耗模式下限制电磁波，并因此避免由于衍射引起的任何辐射损失。
根据本发明的这种设备还可以避免或限制现有技术中的法布里-珀罗谐振器带来的对准困难。
此外，相对于在100到3000GHz的域中工作的现有技术中的法布里-珀罗谐振器，根据本发明的这种设备具有相对简单的设计。
优选地，波导和/或管的内部可具有绕平行于纵向方向的对称轴的旋转对称性。
每个侧腔可以由在管的整个内周上形成在管中的凹槽组成。
这种波导使得可以限制电磁波并避免由于衍射引起的损耗。
在一个实施例中，这样的波导使得可以使用对于THz来说理想的高反射率栅作为反射器而不是曲面镜，曲面镜确实可以限制电磁波并减少衍射损耗，但是对于太赫兹，没有足够的反射率。
这种波导可以在大气压下使用，但是也可以使其具有封闭的腔室(优选在真空下)，例如进行气体检测。
通过减少在该频率范围内可能显著的任何衍射损耗，该组件使得可以达到迄今为止在该频率范围内从未表现出的明显的精细度。因此，这种波导使得可以减少电磁波的传播损耗，从而直接有助于根据本发明的设备的良好性能。
优选地，发射器可以布置成在法布里-珀罗腔的入口处发射波长为λ的电磁波，该电磁波大于100μm和/或小于900μm，例如等于500μm±10％。
理想地，根据优选波长λ确定侧腔的尺寸和布置。
优选地，侧腔在第一反射器与第二反射器之间以间距P间隔开。
换句话说，两个连续的侧腔可以以所述间距P间隔开。
对于所有的腔，该间距P优选地是恒定的，或者在平均值±30％左右或者甚至优选地在±15％左右基本上恒定。
在第一反射器和第二反射器之间，侧腔可以以恒定的间距P规则地间隔开。
当设计根据本发明的设备时，每个间距P或间距P的平均值可以优选地根据期望实现的波长λ来确定。
每个间距P可以大于λ/5和/或小于λ/2；和/或等于λ/3±30％(λ/3-30％<P<λ/3+30％)甚至最好为±15％(λ/3-15％<P<λ/3+15％)。
因此，在一个实施例中，每个间距P可以大于100μm和/或小于250μm，优选地大于116μm和/或小于216μm。优选地，每个间距P可以等于120μm±20％，或者甚至优选地为±10％。
每个侧腔可优选地具有平行于波导的纵向方向限定的长度w。不同腔的所有长度w优选地彼此相等，可选地等于±20％或甚至优选地±10％。当设计根据本发明的设备时，长度w可以优选地根据期望实现的波长λ来确定。
每个腔的长度w可以大于λ/10和/或小于λ/4；和/或等于λ/6±30％或甚至优选±15％。
每个腔w的长度可以小于或等于λ/6。
因此，在一个实施例示例中，每个腔w的长度可以大于50μm和/或小于125μm，优选地等于60μm±20％或者甚至优选地±10％。
每个腔w的长度优选地小于或等于将该腔与其相邻腔隔开的每个间距P的一半。
每个侧腔可优选地具有垂直于波导的纵向方向限定的厚度d。
不同腔的所有厚度d优选彼此相等，可选地等于±20％或甚至优选地±10％。
当设计根据本发明的设备时，厚度d可以优选地根据期望实现的波长λ来确定。
每个腔的厚度d可以大于λ/8和/或小于λ/2；和/或等于λ/4±20％或甚至优选±10％。
因此，在一个实施例中，每个腔的厚度d可以大于100μm和/或小于200μm，优选地等于125μm±20％或者甚至优选地±10％。
对于管，其最小内径可以大于10λ。在这种情况下，它被称为超大型波导。
因此，特别是对于在λ＝500μm的实施方式，最小内径a可以大于10mm。
最小内径定义为在垂直于纵向方向且不通过侧腔的截面中的管的内径。
管的内部横截面可以具有不同的形式。表述“管的内部横截面”是指在垂直于纵向方向且不穿过侧腔的截面中的管的内部横截面。
优选地，管可以具有圆形的内部横截面。
具有圆形内部横截面的管可以简化设计和/或降低成本。
替代地，管可以具有任何内部横截面(例如正方形或矩形)。在这种情况下，在本说明书中，所述最小内径对应于在垂直于纵向方向且不穿过侧腔的截面中的最小管的内部尺寸。例如，在正方形截面管的情况下，所述最小内径对应于正方形的一侧的尺寸。在矩形截面管的情况下，所述最小内径对应于矩形的最小侧的尺寸。
第一反射器和第二反射器都可以包括电感性栅。
通常，这种电感性栅包括限定不同材料单元之间的孔的网格。
例如，电感性栅可以由铜制成和/或具有1.6μm的厚度，单元之间的间距为16.9μm和/或单元宽度为8.4μm。
这种电感性栅使得可以具有优异的反射率。
这样的电感性栅使得可以具有与电场的方向无关的透射系数，对于具有张紧的线的栅则不是这种情况，其需要完全受控的方向(所有线成对地在同一平面中)，因此法布里-珀罗腔在不调整栅方向的情况下即可正常工作。
这样的电感性栅具有比张紧的线更好的机械坚固性，并且通常成本较低。
可替代地，第一反射器和/或第二反射器可以包括电容性(优选地，没有基板)栅或偏振栅和/或光子镜。
这种优选地没有基板的电容性栅包括限定不同材料单元之间的孔的网格。
这种电容性(优选地，没有基板)或电感性栅具有允许气体直接通过该栅进入法布里-珀罗腔的技术优势，这有利于气体进入腔(相对于导管分开的专用进气口)，并改善其均匀性和气体在腔中的扩散(相对于偏心和/或由朝向腔的长度的开口的管形成的进气口)。
根据本发明的设备还可以包括至少一个致动器，该致动器被布置成提供第一反射器和第二反射器中的至少一个(优选地，两者)沿纵向方向的平移运动，以改变法布里-珀罗腔的长度。
在该实施例的变型中，根据本发明的设备可以包括第一致动器和第二致动器，第一致动器布置成提供第一反射器在纵向上的平移运动，第二致动器布置成提供第二反射器在纵向上的平移运动。
优选地，至少一个致动器可以是压电的。
根据本发明的设备的发射器可以优选地布置成改变波长λ。
在包括这种发射器和所述至少一个致动器的根据本发明的设备的实施例中，根据本发明的设备还可以包括布置和/或编程为驱动发射器和至少一个致动器的控制装置，以便：
-改变发射器发射的电磁波的波长λ，
-在波长λ变化期间接收传感器接收到的信号，
-根据传感器接收到的信号控制法布里-珀罗腔的长度，以使传感器接收到的信号的幅度、功率或强度最大化。
根据本发明的设备还可以包括参考多种物质的数据库，并且包括处理装置，该处理装置被布置和/或编程为根据利用数据库对由传感器接收的信号的处理来提供关于包含在法布里-珀罗腔中的至少一种物质的数据。
根据本发明的设备还可以包括用于测量和/或调节法布里-珀罗腔内部压力的装置。
根据本发明的设备还可以包括转换装置，以在电磁波进入法布里-珀罗腔之前和/或从法布里-珀罗腔离开之后转换电磁波的模式。
特别地，可以将转换装置布置为使得：
-由发射器发射和/或由传感器检测到的电磁波的模式为TEM00模式，和/或
-法布里-珀罗腔内部的电磁波模式为HE11模式。
TEM00和HE11模式表示电磁波的传播模式。
根据另一方面，本发明提出了一种由设备(优选地，由如前所述的根据本发明的设备)实现的方法，该设备包括：
-第一反射器和第二反射器，
-法布里-珀罗腔，其包括由第一反射器形成的入口和由第一或第二反射器形成的出口，该法布里-珀罗腔的长度由第一和第二反射器界定，根据本发明的方法包括：
-在法布里-珀罗腔的入口处发射波长为λ大于100μm和/或小于3mm(最好小于900μm)的电磁波，优选地，该发射由如上面公开的根据本发明的设备的发射器实现，
-在法布里-珀罗腔中将电磁波从法布里-珀罗腔的入口传播到法布里-珀罗腔的出口，这种传播是通过波导执行的，该波导形成沿纵向方向延伸的中空管，管的内部包括侧腔，波导优选地是如先前公开的根据本发明的设备的波导，
-通过侧腔在法布里-珀罗腔中引导电磁波，
-检测经由法布里-珀罗腔的出口离开的电磁波，该检测优选地由如先前公开的根据本发明的设备的传感器执行。
优选地，侧腔可以在第一反射器和第二反射器之间以间距P间隔开。
换句话说，两个连续的侧向腔可以以所述间距P间隔开。
对于所有空腔，该间距P优选地在平均值±30％或甚至优选地在±15％附近恒定或基本恒定。
侧腔可以在第一和第二反射器之间规则地间隔恒定的间距P。
当设计根据本发明的设备时，每个间距P或间距P的平均值可以优选地根据期望实现的波长λ来确定。
每个间距P可以大于λ/5和/或小于λ/2；和/或等于λ/3±30％(λ/3-30％<P<λ/3+30％)甚至优选地为±15％(λ/3-15％<P<λ/3+15％)。
因此，在一个实施例中，每个间距P可以大于100μm和/或小于200μm，优选地大于115μm和/或小于170μm。优选地，每个间距P可以等于120μm±20％，或者甚至优选地为±10％。
每个侧腔可优选地具有平行于波导的纵向方向限定的长度w。
不同腔的所有长度w优选地彼此相等，可选地为±20％或甚至优选地±10％。
可以根据期望实现的波长λ来确定长度w。
每个腔的长度w可以大于λ/10和/或小于λ/4；和/或等于λ/6±30％或甚至优选±15％。
每个腔w的长度可以小于或等于λ/6。
因此，在一个实施例示例中，每个腔w的长度可以大于50μm和/或小于125μm，优选地等于60μm±20％或者甚至优选地±10％。
每个腔w的长度优选地小于或等于将该同一腔与其相邻腔隔开的每个间距P的一半。
每个侧腔可优选地具有垂直于波导的纵向方向限定的厚度d。
不同腔的所有厚度d优选彼此相等，可选地等于±20％或甚至优选地±10％。
可以根据期望实现的波长λ来确定厚度d。
每个腔的厚度d可以大于λ/8和/或小于λ/2；和/或等于λ/4±20％或甚至优选±10％。
因此，在一个实施例中，每个腔的厚度d可以大于100μm和/或小于200μm，优选地等于125μm±20％或者甚至优选地±10％。
对于管，其最小内径可以大于10λ。
最小内径a可以大于10mm。
最小内径优选如根据本发明的设备中公开的那样定义。
第一反射器和第二反射器都可以包括电感性栅。
通常，这种电感性栅包括限定不同材料单元之间的孔的网格。
例如，电感性栅可以由铜制成和/或具有1.6μm的厚度，单元之间的间距为16.9μm和/或单元宽度为8.4μm。
替代地，第一反射器和/或第二反射器可以包括电容性的(优选地没有基板)栅或偏振栅和/或光子镜。
这种优选地没有基板的电容性栅包括限定不同材料单元之间的孔的网格。
这种电容性栅(优选地，没有基板)或电感性栅具有技术优势，允许气体直接通过该栅进入法布里-珀罗腔，这有利于气体进入腔(相对于导管分开的专门进气口)，并改善其均匀性和气体在腔中的扩散(相对于偏心和/或由畅享腔的长度开口的管形成的进气口)。
根据本发明的方法还可以包括第一反射器和第二反射器中的至少一个、优选地两者沿纵向方向的平移运动，以改变法布里-珀罗腔的长度，该平移运动优选由根据上文公开的本发明的设备的至少一个致动器执行。根据本发明的方法可以包括第一致动器提供的第一反射器在纵向上的平移运动，第二致动器提供的第二反射器在纵向上的平移运动。
优选地，至少一个致动器可以是压电的。
优选地，根据本发明的方法包括改变波长λ，该改变优选地由如上面公开的根据本发明的设备的发射器执行。
根据本发明的方法可以包括驱动(优选由如上面公开的根据本发明的设备的发射器和至少一个致动器),以便：
-改变(优选由发射器)发射的电磁波的波长λ，
-在波长λ变化期间接收(优选由传感器)接收到的信号，
-根据接收到的信号控制法布里-珀罗腔的长度，以使接收到的信号的幅度、功率或强度最大化。
根据本发明的方法还可以包括根据利用参考几种物质的数据库处理由传感器接收的信号以及根据该处理提供关于包含在法布里-珀罗腔中的至少一种物质的数据，该处理和该数据提供优选地由如上面公开的根据本发明的设备的处理装置执行。
根据本发明的方法还可以包括优选地使用由如上面公开的根据本发明的设备的测量和/或调解装置测量和/或调节法布里-珀罗腔内部压力。
根据本发明的方法还可以包括在电磁波进入法布里-珀罗腔之前和/或从法布里-珀罗腔离开之后转换电磁波的模式，该转换优选地由如上面公开的根据本发明的设备的转换装置执行。
特别地：
-发射器的发射和/或传感器的检测可以对TEM00模式的电磁波的发射和/或检测，和/或
-传播可以是法布里-珀罗腔内的电磁波在HE11模式下的传播。
可选地，根据本发明的方法可以包括，优选地通过以下方式来测量波导的损耗和/或反射器中至少一个或每个的反射率：
-使用相同的反射器和相同类型的波导，但将两个反射器分开不同的长度来对根据本发明的设备的精细度进行两次测量，以及
-从这两次精细度测量中，通常通过求解具有两个未知数的两个方程的方程组，(通过技术装置的计算装置、优选包括至少一台计算机、中央或计算单元、模拟电子电路(优选地专用)、数字电子电路(优选地专用)和/或微处理器(优选地专用)和/或软件方式)计算波导损耗和/或反射器中的至少一个或每个的反射率。
附图说明和具体实施方式
通过阅读下面的附图和绝非限制性的实施方式和使用的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，其中
-图1表示根据本发明的设备700的优选实施例；
-图2表示根据本发明的设备700的波纹状波导；
-图3和4以图形形式表示对根据本发明的设备700发射的功率随设备700的发射器的频率变化的测量结果；
-图5以图形形式表示根据本发明的设备700的分子吸收随设备700的发射器的频率变化的测量特征的结果。
由于下文所述的实施例绝非限制性的，因此可以特别地认为本发明的变体仅包括所描述的特征的选集，而独立于所描述的其他特征(即使该选集在包括这些其他特征的短语中被隔离)，只要这些特征足以赋予技术优势或使本发明区别于现有技术即可。该选集包括至少一个优选为功能性的特征而不具有结构细节，或者仅具有结构细节的一部分，只要该部分单独足以赋予技术优势或足以使本发明区别于现有技术。
图1表示根据本发明的设备700的实施例示例。
设备700包括第一反射器11和第二反射器12。在该示例中，反射器11和12中的每一个包括电感性栅(未示出)，该电感性栅设有限定不同材料单元的孔的网格。例如，电感性栅可以由铜制成并且具有1.6μm的厚度，单元之间的间距为16.9μm并且单元宽度为8.4μm(未示出)。
设备700包括法布里-珀罗腔100，其包括由第一反射器11形成的入口E1和由第二反射器12形成的出口S1。
法布里-珀罗腔100具有在第一反射器11和第二反射器12之间限定的长度。该长度在纵向方向D1上测量。
反射器11是平面的而不是弯曲的。
反射器12是平面的而不是弯曲的。
设备700包括布置成发射具有波长λ的电磁波的发射器13。
在该示例中，该发射器13布置成改变波长λ。
在该示例中，在法布里-珀罗腔100的入口E1处和/或在发射器13的出口处，波长λ等于500μm±10％。然而，本发明不限于这样的波长，特别地，波长可以在法布里-珀罗腔100的入口处和/或在从发射器13的出口处大于100μm和/或小于3mm或甚至900μm。
设备700包括传感器14，该传感器被布置为检测经由法布里-珀罗腔100的出口S1离开的电磁波。
设备700的重要元件包括该设备700的波导装置200。
发射器13包括：
-由频率合成器(VDI(Virginia Diodes,Inc.)合成器)驱动的倍频链。
-透镜，位于倍频链和入口E1之间，用于在波导200的最低损耗模式下将电磁波良好地耦合。
倍频链可以是：
-WR10AMC放大器/乘法器链(Virginia Diodes,Inc.)：70-110GHz；和/或
-WR5.1x2，宽带二倍频器(Virginia Diodes,Inc.)：140-220GHz；和/或
-WR1.5x3，宽带三倍频器(Virginia Diodes,Inc.)：500-750GHz。
传感器14包括：
-在环境温度下工作的肖特基(Schottky)二极管(WR1.5 ZBD(Virginia Diodes,Inc.))，以及
-位于出口S1和肖特基二极管之间的透镜，用于通过波导200检测到的电磁波的良好耦合。
如将在下面看到的，该波导200是超大尺寸的波纹状低损耗波导。
平行于纵向方向D1，波导200的长度大于P的平均值的三倍，在当前情况下，长度等于180.80mm。
波导200通常由金属(优选具有良好的导电性，由或不由合金制成)制成，优选地由金、铜和/或银制成。也可以设想由具有良好导电性的任何其他材料制成的波导，或者由诸如石英之类的介电材料制成的波导。
波导200被布置成在法布里-珀罗腔100中将电磁波从法布里-珀罗腔100的入口E1传播到其出口S1。
波导200形成沿纵向方向D1延伸的中空管。该方向D1被称为纵向方向，这是因为它在法布里-珀罗腔100中延伸，一方面穿过第一反射器11，另一方面穿过第二反射器12。
波导200和管的内部(即特别是空腔)绕平行于纵向方向D1的对称轴线具有旋转对称性，该轴线在图1和2中由虚线示出。
参照图2，管的内部包括侧腔2a、2b和2c或布置为在法布里-珀罗空腔100中引导电磁波的凹槽。这些侧腔2a-2c或波纹沿纵向方向D1彼此相继。为了图2的清楚起见，在其中仅示出了七个腔，并且这些腔中的仅三个分别被标记为2a、2b和2c。
在该示例中，管200具有由最小内径a限定的圆形内部横截面。
在一个实施例中，侧腔2a-2c的尺寸取决于电磁波的波长λ和/或最小内径a。通常：
-最小内径a大于10λ且大于10mm；
-在第一反射器11和第二反射器12之间，侧腔2a-2c以间距P规则地间隔开。对于所有腔，该间距P优选地在平均值±30％、甚至优选地±15％附近恒定或基本恒定。每个间距P以及间距P的平均值大于λ/5且小于λ/2，并且等于λ/3±30％，甚至±15％；因此，在以λ＝500μm工作的实施方式的情况下，每个间距P大于100μm且小于250μm，甚至大于116μm且小于216μm；
-每个侧腔2a-2c具有平行于波导200的纵向方向D1定义的长度w，其小于P/2，即小于λ/6。w大于λ/10且小于λ/4，并且等于λ/6±30％，甚至±15％，并且大于50μm和/或小于125μm，优选地等于60μm±10％。因此，在以λ＝500μm工作的实施方式的情况下，长度w必须小于108μm且大于58μm，理想情况下小于83μm。
-每个侧腔2a-2c具有垂直于波导200的纵向方向D1定义的厚度d，其大于λ/8并且小于λ/2，并且等于λ/4±20％，甚至±10％，大于100μm和/或小于200μm，优选等于125μm±10％。因此，在以λ＝500μm工作的实施方式的情况下，厚度d必须等于125μm±20％或甚至优选±10％，因此大于100μm且小于150μm。
在实施以下描述的根据本发明的方法的实施例期间，这些随λ变化的a、P、w和d值对于λ的所有值均有效，其中λ在其波长工作范围内变化。
在图2的实施例中，长度w小于间距P的一半。在未示出的实施例中，长度w可以等于间距P的一半。
设备700还包括分别布置成沿纵向方向D1平移第一反射器11和第二反射器12的第一致动器31和第二致动器32，以改变法布里-珀罗腔100的长度。
第一致动器31和第二致动器32优选地是压电的。
设备700包括布置和/或编程为控制发射器13以及致动器31和32的控制装置40，以便：
-改变发射器13发射的电磁波的波长λ，
-在波长λ的变化期间接收由传感器14接收的信号，
-根据传感器14接收到的信号来控制法布里-珀罗腔100的长度，以使由传感器14接收到的信号的幅度、功率或强度最大化。
装置40包括以下装置：
-同步检测(信号恢复模型7230)；
-(计算机)装置，其被布置和/或编程为获取数据并驱动源13的合成器；
-比例-积分-微分回路(或“PID”，例如由计算机通过模数/数模卡提供)，其被布置和/或编程为通过作用于两个压电致动器31、32在最大透射上(在谐振器谐振上)控制腔100的长度，其中电感性栅11、12放置在所述两个压电致动器上。
由PID回路产生的校正信号驱动高压电源(E-508.00(Physik Instrument))，以供压电致动器31、32使用。
设备700还包括参考几种物质的数据库(未示出)以及处理装置(未示出)。
处理装置是技术装置，优选地包括至少一台计算机、中央处理或计算单元、模拟电子电路(优选地专用)、数字电子电路(优选地专用)和/或微处理器(优选地专用)和/或软件方式。
这些处理装置(未示出)被布置和/或被编程为根据利用数据库(未示出)处理对传感器14接收的信号的处理来提供关于包含在法布里-珀罗腔100中的至少一种物质的数据。
设备700还包括用于测量和/或调节法布里-珀罗腔100内的压力的装置(泵系统(主泵和副泵)Turbolab 80(Oerlikon))。
设备700还包括转换装置(未示出)，以在电磁波进入法布里-珀罗腔100之前和/或从法布里-珀罗腔100离开之后转换电磁波的模式。
在该示例中，这样的转换装置(未示出)被布置为使得：
-发射器13发射和/或传感器14检测到的电磁波模式为TEM00横向电子模式，该模式是基本横向模式，具有与高斯光束相同的形状，和/或
-法布里-珀罗腔100内部的电磁波的模式是HE11引导模式。它是一种混合传播模式，既可以保持辐射的偏振，又具有低损耗。
-由发射器13产生的TEM00模式尽可能有效地耦合到波导的HE11模式。
-由波导透射的波被尽可能有效地耦合到传感器14。
TEM00模式与HE11引导模式的耦合理想情况下为98％。源13的透镜(焦距25mm)使得可以调整由发射器13发射的电磁波的空间尺度，以在所讨论的模式下有效地耦合。相反，HE11模式在波导200的出口处几乎完全投影到高斯模式，并且传感器14的透镜将电磁波聚焦在传感器14的二极管上。该HE11模式还保留了电磁波的极化，传感器14的肖特基二极管使得可以检测电磁波。其他足够灵敏的太赫兹波检测器与本发明兼容(辐射热测量检测器、压电检测器等)。
可以在如下所述的根据本发明的方法的实施例中实现这种设备700，特别是使用：
-第一反射器11和第二反射器12
-法布里-珀罗腔100，包括由第一反射器11形成的入口E1和由第一反射器11或第二反射器12形成的出口S1，法布里-珀罗腔100的长度由第一反射器11和第二反射器12界定。
根据本发明的方法的该实施例包括以下步骤：
-在法布里-珀罗腔100的入口E1处发射波长λ大于100μm和/或小于3mm的电磁波，该发射由发射器13进行，
-在法布里-珀罗腔100中将电磁波从法布里-珀罗腔100的入口E1传播到其出口S1，该传播是通过波导200进行的，该波导形成了沿横向方向D1延伸的中空管，管200的内部包括侧腔2a-2c，
-通过侧腔2a-2c引导法布里-珀罗腔100中的电磁波，
-检测通过法布里-珀罗腔100的出口S1离开的电磁波，该检测优选由传感器14进行。
在此示例中：
-侧腔2a-2c在第一反射器11和第二反射器12之间规则地间隔间距P；
-间距P根据期望实现的波长λ或波长工作间隔λ来确定；
-长度w根据期望实现的波长λ或波长工作间隔λ来确定；
-厚度d根据期望实现的波长λ或波长工作间隔λ来确定；
-执行第一反射器11和第二反射器12中的至少一个、优选两者的纵向平移运动的步骤，以改变法布里-珀罗腔100的长度，通过至少一个致动器31、32执行该平移运动；优选地，更具体地，由第一反射器11的第一致动器31在纵向方向D1上执行平移运动的步骤，并且由第二反射器12的第二致动器32在纵向方向D1上执行平移运动的步骤；
-在称为工作间隔的间隔内进行波长λ的变化步骤，该变化由发射器13执行；
-执行由发射器13和至少一个致动器31、32的控制装置(未示出)进行驱动的步骤，以便：
ο改变发射器13发射的电磁波的波长λ，
ο在波长λ的变化期间接收由传感器14接收的信号，
ο根据传感器14接收到的信号来控制法布里-珀罗腔100的长度，以使传感器14接收到的信号的幅度、功率或强度最大化；
-利用数据库(未示出)处理由传感器14接收到的信号的步骤以及根据该处理步骤，执行提供关于法布里-珀罗腔100中包含的至少一种物质的数据的步骤，这些处理和提供数据的步骤由处理装置(未示出)执行；例如，借助在定义的光谱范围内习惯使用的数据库执行信号处理步骤以识别目标物质；
-借助于测量和/或调节装置(未示出)来测量和/或调节法布里-珀罗腔100内部压力的步骤；优选地，将压力调节到小于1mbar的值：这样的“真空”使得可以避免对室100的精细度具有负面影响的大气损失；
-在电磁波进入法布里-珀罗腔100之前和/或从法布里-珀罗腔100离开之后转换电磁波的模式的步骤，该转换由转换装置(未示出)执行；通常：
ο由发射器13发射和/或由传感器14检测的步骤可以是在TEM00模式下的电磁波的发射和/或检测，和/或
ο传播的步骤可以是电磁波在HE11模式下在法布里-珀罗腔100内的传播，其损耗最低。
从设备700透射的功率
在本发明的示例实施方式中，改变波长λ，并且因此改变由发射器13发射的电磁波的频率v(也可以表示为f)。因此，可以获得从设备700发射的功率，其随频率v的变化而变化，频率v具有由谐振峰组成的一系列最大值。
这样的谐振峰在图3的曲线图中示出，其中，X轴X1是传感器14测得的电磁波的频率v，其为581GHz至590GHz，而Y轴Y1是所透射的功率(任意单位)。
为了获得图3中的结果，通过调节装置(未示出)调节法布里-珀罗腔100内部的压力，以达到小于0.01mbar的压力。这样的压力使得可以通过限制基本上与水蒸气有关的大气吸收来优化设备700的工作。
每个最大值之间的频率间隔称为“自由频谱间隔”(interval spectrale libre,ISL)，并且在此示例中，通过以下公式计算：
Figure BDA0002345483360000181
其中C对应于真空中的光速，L对应于波导的物理长度。在该示例中，L＝180.80mm。
精细度
对于所设想的应用、特别是痕量气体的分析和/或非常低强度的分子跃迁的研究，设备700的限定和相关特征之一是由以下等式定义的精细度：
Figure BDA0002345483360000182
其中Δv对应于谐振峰的半高全宽。
也可以通过质量系数来表征设备：
Figure BDA0002345483360000183
其中v0为谐振频率(最大透射处的频率)。
如图4所示，通过对在谐振峰的高光谱分辨率下产生的记录进行调整，可以获得Δv的测量值。在图4中，X轴X2是传感器14测得的电磁波的频率v，其为580.640GHz到580.660GHz，Y轴Y2是检测到的功率(任意单位)。
设备700的精细度及其质量系数Q超过了现有技术中所有已知的值：
Figure BDA0002345483360000184
Figure BDA0002345483360000185
设备700的性能，就精细度而言，受到以下两个因素的限制：一方面，感应栅11和12的反射系数不足；另一方面，波导200的透射损失。
在此阶段，根据发明人，似乎难以识别上述两个因素中的哪一个限制了获得的精细度。
精细度、电感性栅11和12的反射以及波导中的损耗G通过以下方程式关联：
Figure BDA0002345483360000191
其中R是具有以下条件的电感性栅的功率反射系数：
A+T+R＝1
其中A表示由于一次穿过电感性栅而引起的吸收，T表示透射系数。
在此示例中，850的精细度导致1-R+G＝0.36％的损失。
气体分析
发明人已经使用设备700来产生等同于“多程吸收池”的等同物以达到在通常在100到3000GHz的频率范围内难以达到的相互作用长度。
这显示出法布里-珀罗谐振器的等效光路Leq与设备700的精细度成正比：
Figure BDA0002345483360000192
其中F是精细度，L是腔100的物理长度。
因此，可以获得光路长度约为100m并且且体积有限的吸收池。
与红外光谱(波长为1-10μm)的光谱研究的重要区别涉及吸收射线的宽度。由于在低压下射线的宽度与频率v成正比，因此在太赫兹域中的射线比在红外中的射线小得多。结果，困难在于调节腔100的长度，以使得分子跃迁的频率和设备700的谐振一致，并且通过扫描发射器13的频率v来保持这种一致。
为此，根据上述实施例，发明人使用了两个压电致动器31和32以及调频发射器13。
因此，在绕过设备700的谐振时，同步检测使得可以隔离由传感器14接收的信号的谐波1和2，这些谐波分别表示谐振峰的一阶和二阶导数。一阶导数生成误差信号，该误差信号通过PID来驱动致动器31和32以将法布里-珀罗腔100的长度控制在最大透射。二阶导数是设备700的功率透射的特征，因此是分子谐振的特征。
发明人测试了用这种设备700识别气体的能力并评估其灵敏度。该测试是使用通常用于校准光谱仪的参比气体进行的，在这种情况下，是自然丰度为0.188％
Figure BDA0002345483360000203
的少数羰基硫同位素(18O12C32S)。这种气体在非常大的光谱范围内具有许多分子跃迁。在大约592.66789GHz(J＝52←51))的射线具有强度S(在环境温度下)：
S＝2.467*10-24cm-1/(分子.cm-2) J＝52←51
该强度在各种数据库中可获得(未显示)。该单元通常用于光谱学中，并被包括HITRAN在内的不同数据库采用。该强度使得可以通过使用比尔-朗伯定律来计算气体的吸收。
I(v)＝I0e-α(v)l
其中α(v)表示以cm-1为单位的吸收，l表示以cm为单位的相互作用长度，I0表示发射器13的强度，I(v)表示透射的强度，
其中：
α(v)＝N S gD
其中N表示目标分子的浓度，单位为分子/cm-3，S表示目标跃迁的强度cm-1/(分子.cm-2)，gD表示根据压力标准化为1的射线形状，其取决于压力。在低压下，在多普勒展宽下gD为高斯分布：
Figure BDA0002345483360000201
Figure BDA0002345483360000202
其中v0是分子跃迁的中心频率，ΔvD是所讨论的跃迁的多普勒半高宽，以每厘米中的波数(σ＝1/λ)表示，T是温度(这里是300K)，M是分子的摩尔质量(目标同位素为62)。
因此，对于55μbar的压力，N＝1.33*10+15分子/cm-3并且α(v＝v0)＝1.003×10-4cm-1。
无论是研究低强度跃迁还是低浓度分子，得到尽可能大的相互作用路径都有很大益处。
因此，使用比尔-朗伯定律：
1m的相互作用路径对应于0.998％的吸收，
10m的相互作用路径对应于9.98％的吸收。
上述实验方案使得可以获取分子吸收的信号特征，在此示例中，该信号特征与目标分子跃迁的吸收能力成正比：
Figure BDA0002345483360000211
这样的信号在图5的曲线图中表示，其中，X轴X3对应于以GHz为单位的频率v，Y轴Y3对应于分子吸收(任意单位)。
这些结果表明，本发明应当能够在大约600GHz下以大约一分钟的测量时间记录其强度小于10-26cm-1/(分子.cm-2)的跃迁。
本发明使得可以容易地实现法布里-珀罗谐振器，从而可用于在其他频谱域中已知的所有应用，同时受益于在太赫兹域中工作的优点。
特别地，由于设备700的精细度，现在可以设想利用腔衰荡光谱学和/或腔增强吸收光谱学(CEAS)类型的技术来检测和定量气体痕迹的系统。
太赫兹域的出色选择性允许以优异的检测极限进行多物质检测。
大气或工业过程的监控也应从这一进展中受益。
呼气的超灵敏太赫兹分析可能有助于医学诊断。
食品的新鲜度监测也可以从这一进展中受益。
用于红外的系统通常专用于目标分子，通常受干扰物限制。确实显示出跃迁宽度比太赫兹域中的跃迁宽度大得多，因此降低了选择性。
当然，本发明不限于刚刚描述的示例，并且可以在不超出本发明的范围的情况下对这些示例进行多种修改。另外，在相兼容或不相互排斥的范围内，本发明的各种特征、形式、变型和实施例可以以各种组合组合在一起。
在未示出的实施例中：
-入口E1和出口S1由第一反射器11界定。然后，发射器13和传感器14都位于第一反射器11的侧面上，并通过分离叶片或通过例如基于极化效应使进入腔的波和离开腔的波分离的任何其他方式分离；和/或
-可以用在THz域中具有良好的反射系数和最小的透射损耗的任何装置来代替反射器11、12的电感性栅；和/或
-发射器13可以由发射器组件代替；和/或
-传感器14可以由传感器组件代替；和/或
-反射器11和/或12可以是弯曲的-每个反射器11、12优选地分别包括电感性栅或电容性栅；替代地，设备700因此还包括：
*注入装置(例如，包括喷嘴、导管和/或泵等)，被布置为将外部气体注入法布里-珀罗腔100，设备700被布置为允许该气体从注入装置然后通过反射器11和/或12的栅(电容性的(优选地，没有基板)或电感性的)从腔100的外部到腔100的内部；和
*排空装置(例如，包括喷嘴、导管和/或泵等)，被布置为将气体排出到法布里-珀罗腔100的外部，设备700被布置为允许该气体通过反射器11和/或12的栅(电感性或电容性)沿排空装置的方向从腔100的内部到腔100的外部。
通常，电容性栅由基板上的螺柱形成。然而，在根据本发明的设备的环境中，优选地可以使用没有基板的“多孔”电容性栅，或者，在电容性栅的网格之间的基板被刺穿。
另外，根据本发明的方法的替代方案可以包括测量波导200的损耗和/或波导200的反射器11、12的反射系数。
实际上，本发明实际上还使得能够确定调节本发明的精细度的两个重要参数(反射器11、12的反射系数和波导200的损耗)。实际上，根据现有技术，很难测量接近1的反射系数并评估损耗极低的波导(例如本发明中使用的波纹状波导)的损耗。
测得的精细度F(当前演示中为850)表示为：
Figure BDA0002345483360000231
R：表示所实现的每个反射器11、12的反射率(这里假定相同)
z：表示波导200的损失
L：表示(本发明的)干涉仪的物理长度，即将两个反射器11、12分开的距离
因此，一种用于确定“R”和“z”的方法包括使用反射器11、12中的一个或一对和同一类型的波导200(即，具有相同的材料和相同的间距P，腔长度w，最小内径a，腔厚度d特性)，但具有两个不同的长度L隔开两个反射器11、12(并且优选还有两个不同的总波导长度200)，测量根据本发明的两个设备的精细度(根据两个不同的腔长度设置的根据本发明的相同装置，或者具有两个不同的腔长度的根据本发明的两个单独的腔)。因此，(通过测量)提供了以下内容：
使用将两个反射器11、12分开的长度L1提供本发明的设备的精细度：
Figure BDA0002345483360000241
然后，使用将两个反射器11、12分开的长度L2提供本发明的设备的精细度：
Figure BDA0002345483360000242
波导200的总长度等于腔的长度，加上或减去几十或几百微米。
这两个关系构成具有两个未知数的两个方程，从中可计算和获得“R”和“z”。该计算由作为技术装置的计算装置执行，该计算装置优选地包括至少一个计算机，中央处理或计算单元，模拟电路(优选地专用)，数字电路(优选地专用)和/或微处理器(优选地专用)和/或软件方式。
例如：
使用L1＝L2/2。
损耗z是每单位长度的数据项，即与波导200的长度无关。

Claims (17)

1.一种用于改善法布里-珀罗腔的精细度的设备，包括：
-第一反射器(11)和第二反射器(12)，
-所述法布里-珀罗腔(100)，其包括由所述第一反射器(11)形成的入口(E1)和由所述第一反射器(11)或所述第二反射器(12)形成的出口(S1)，所述法布里-珀罗腔(100)的长度由所述第一反射器(11)和所述第二反射器(12)限定，
其特征在于，所述设备还包括：
-发射器(13)，其布置成在法布里-珀罗腔(100)的入口(E1)处发射波长λ大于100μm且小于3mm的电磁波，
-波导(200)，其布置成在法布里-珀罗腔(100)中将电磁波从法布里-珀罗腔(100)的入口(E1)传播到法布里-珀罗腔的出口(S1)，
-传感器(14)，其被布置成检测经由法布里-珀罗腔(100)的出口(S1)离开的电磁波，
并且所述波导(200)形成沿纵向方向(D1)延伸的中空管，所述管的内部包括侧腔(2a、2b、2c)，所述侧腔(2a、2b、2c)布置成在法布里-珀罗腔(100)中引导电磁波。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述侧腔(2a、2b、2c)在所述第一反射器与所述第二反射器(12)之间以间距P间隔开。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，每个间距P等于λ/3±30％。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的设备，其中，每个侧腔(2a、2b、2c)具有平行于所述波导(200)的纵向方向(D1)限定的长度w，所述长度等于λ/6±30％。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述长度w小于或等于所述间距P的一半。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，每个侧腔(2a、2b、2c)具有垂直于所述波导(200)的纵向方向(D1)限定的厚度d，所述厚度等于λ/4±20％。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述管具有大于10λ的最小内径。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述第一反射器(11)和所述第二反射器(12)中的每个反射器包括电感性栅或电容性栅。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，还包括至少一个致动器(31、32)，其布置成提供所述第一反射器(11)和所述第二反射器(12)中的至少一个反射器的沿纵向方向(D1)的平移运动，以改变法布里-珀罗腔(100)的长度。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述发射器(13)被布置为改变所述波长λ。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括控制装置(40)，其被布置和/或编程为驱动所述发射器(13)和所述至少一个致动器(31、32)，以便：
-改变由所述发射器(13)发射的电磁波的波长λ，
-在波长λ的变化期间接收所述传感器(14)接收的信号，
-根据所述传感器(14)接收到的信号来控制法布里-珀罗腔(100)的长度，以使所述传感器(14)接收到的信号的幅度、功率或强度最大化。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，还包括参考多种物质的数据库，并且包括处理装置，所述处理装置被布置和/或编程为根据利用所述数据库对所述传感器(14)接收的信号的处理来提供关于法布里-珀罗腔(100)中包含的至少一种物质的数据。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，还包括用于测量和/或调节法布里-珀罗腔(100)内部的压力的装置。
14.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，还包括转换装置，其用于在电磁波进入法布里-珀罗腔(100)之前和/或电磁波从法布里-珀罗腔(100)离开之后转换电磁波的模式。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述转换装置被布置为使得：
-由所述发射器(13)发射的和/或由所述传感器(14)检测的电磁波的模式为TEM00模式，和/或
-所述法布里-珀罗腔(100)内部的电磁波的模式为HE11模式。
16.一种在用于改善法布里-珀罗腔的精细度的设备中实现的方法，所述设备包括：
-第一反射器(11)和第二反射器(12)，
-所述法布里-珀罗腔(100)，其包括由所述第一反射器(11)形成的入口(E1)和由所述第一反射器(11)或所述第二反射器(12)形成的出口(S1)，法布里-珀罗腔(100)的长度由所述第一反射器(11)和所述第二反射器(12)界定，
其特征在于，所述方法包括：
-在法布里-珀罗腔(100)的入口(E1)处发射波长λ大于100μm且小于3mm的电磁波，所述发射由发射器(13)执行，
-在法布里-珀罗腔(100)中将电磁波从法布里-珀罗腔(100)的入口(E1)传播到法布里-珀罗腔(100)的出口(S1)，所述传播由波导(200)执行，所述波导(200)形成沿纵向方向(D1)延伸的中空管，所述管的内部包括侧腔(2a、2b、2c)，
-通过所述侧腔(2a、2b、2c)在法布里-珀罗腔(100)中引导电磁波，
-检测通过法布里-珀罗腔(100)的出口(S1)离开的电磁波，所述检测由传感器(14)执行。
17.根据权利要求16所述的方法，包括测量所述波导(200)的损耗和/或所述反射器(11、12)中至少一个反射器的反射率，通过以下方式测量：
-使用相同的反射器(11、12)和相同类型的波导(200)，但将两个反射器的分开不同的长度来对根据本发明的一个或多个设备的精细度进行两次测量，以及
-根据这两次精细度的测量，计算所述波导的损耗和/或反射器中的至少一个反射器的反射率，通常通过求解具有两个未知数的两个方程的方程组来进行计算。
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