CN205212168U - 光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于样品测量的光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪。所述谐振器用反射镜包括：第一面，其具有反射区域；所述反射区域上镀设有反射膜；所述反射区域用于在闭合光路中将光线反射；第二面，其与所述第一面相配合以在所述谐振器中形成闭合光路；所述第二面能将所述反射区域与待测样品隔离，以使所述反射区域不与待测样品接触。本申请提供一种光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪，以能够使反射镜的膜层难以被样品以及样品中的杂质所破坏。

Description

光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪

技术领域

本申请涉及光谱学，尤其涉及一种光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪。

背景技术

目前，空腔回路衰减光谱技术(CRDS，cavityring-downspectroscopy)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把高精密光学谐振器中的光子平均寿命作为吸收灵敏度的可观测量。

一般地，光学谐振器由一对名义上相同的、窄带的、超高反射性介电反射镜形成，经适当配置可以形成一个稳定的光学谐振器。一个激光脉冲通过一个反射镜射入谐振器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(transittime)、谐振器长度、吸收横截面和物质的浓度数量、内部谐振器耗损因子(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的最终灵敏度由谐振器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。

从现有资料来看，组成空腔回路衰减光谱吸收光谱仪的谐振器的长度一般都在1米以内，典型的长30厘米至70厘米，其吸收系数表达式为因此，从吸收系数表达式可以看出，使用基于由高反射率镜片组成的谐振器可以具有很高的测量灵敏度，一般在ppb量级甚至更高。

在谐振器中，反射镜的反射面镀设有高反射膜层，进而提高光线的反射率。所述高反射膜层为金属反射膜或介质反射膜。若使用金属反射膜，由于单层的金属膜硬度较低，极易被擦伤，因此，常在金属膜上加镀保护膜，且金属反射膜本身就需经多次镀设而成，得到的金属反射膜一般包含多层膜层。类似地，当使用介质反射膜时，介质反射膜一般也需要通过多次镀设而成，因此，得到的介质反射膜也包含多层膜层。

在实际使用中，基于反射镜的谐振器，由于其高反射膜层是镀在前表面的(即镜片镀外反射膜)的，此时，反射镜的反射面和接触样品的接触面重合，即同为一个面，所以在实际使用时该高反射膜层和谐振器中的样品会直接接触。

无论是金属反射膜还是介质反射膜，由于各膜层之间的粘附性、膜层和基底材质之间的粘附性、以及膜层的致密性有限，当将高反射膜层置于高温、高湿、高粉尘、腐蚀性等恶劣环境中时，环境中的气体、水汽及杂质容易进入到高反射膜层的各个膜层之间以及高反射膜层与玻璃基底的连接处，使得高反射膜层容易被破坏；另外，在高反射膜层的制备过程中，一般会引入颗粒异物，所引入的颗粒异物会造成高反射膜层的缺陷，当有膜层缺陷的反射镜置于恶劣环境中时，会加剧破坏作用，这不仅使得高反射膜层的反射率降低，损失光能，而且破坏过程脱落的膜层还可能会阻挡光路，进一步降低光能的收集效率，甚至会使得玻璃在高反射膜层的应力的作用下变形破裂。

因此，基于反射镜的谐振器在使用中其膜层容易被样品以及样品中的杂质所破坏，影响光谱测量工作的正常进行。

实用新型内容

现有技术中，谐振器中使用镀设外反射膜的反射镜为一种沿用设计，这是由于在使用单片镀设外反射膜的反射镜进行反射光线时光线无须进入玻璃层(基底)而直接被外反射膜反射，进而具有损耗低、高反射率的优点。考虑到这一优点，本领域技术人员在设计谐振器时直接沿用上述设计，而未考虑其他设计方案。

鉴于现有技术的不足，本申请提供一种谐振器用反射镜及其谐振器和光谱测量仪，以能够使反射镜的膜层难以被样品以及样品中的杂质所破坏。

为达到上述目的，本申请一种用于样品测量的谐振器用反射镜，该反射镜包括：

第一面，其具有反射区域；所述反射区域上镀设有反射膜以用于将光线反射；

至少一个第二面，其将所述反射区域与待测样品隔离，以使所述反射膜不与待测样品接触。

作为一种优选的实施方式，所述第一面与所述第二面沿着光路行进方向前后设置，被所述反射区域反射的光线经所述第二面入射或出射。

作为一种优选的实施方式，所述光线以布儒斯特角出入射所述第二面。

作为一种优选的实施方式，所述反射镜包括至少一个面为曲面。

为达到上述目的，本申请还提供一种光学谐振器，其能接收和发出光线，并能将接收到的光线在其内部传播，所述光学谐振器包括：

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镜。

作为一种优选的实施方式，所述光学元件至少为两个，所有所述光学元件将光线形成闭合光路。

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镜。

作为一种优选的实施方式，还包括：匹配光学件，所述匹配光学件能将光源光线与光学谐振器的模式匹配。

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，包括如上任一实施方式所述的光学谐振器。

通过以上描述可以看出，本申请所提供的所述谐振器用反射镜通过设有将所述第一面与待测样品隔离的所述第二面，保证所述反射区域不会与待测样品进行接触，进而保证所述反射区域上的反射膜不会与待测样品接触，使得待测样品以及样品中的杂质难以进入到反射膜中，所以本申请所提供的谐振器用反射镜能够使反射镜的膜层难以被样品以及样品中的杂质所破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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谐振器示意图；

图4是一种谐振器中的折叠腔示意图；

图5是图4所示折叠腔的等效多元件直腔示意图；

图6是一种谐振器中的环形腔示意图；

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提供的反射镜示意图；

图11是本申请一个实施方式提供的反射镜示意图；

图12是本申请一个实施方式提供的反射镜示意图；

图13是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图14是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图15是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图16是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图17是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图18是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图19是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图20是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图21是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；

图22是本申请一个实施方式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，都应当属于本实用新型保护的范围。

一、一般原理

下面将给出与本实用新型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，以便对本实用新型有一个完整的理解。

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＝M_n…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：Δφ＝2πm，由光程差和相位差的关系得：得到L＝q(λ_q/2)(光腔的驻波条件)，用频率表示为ν_q＝(c/2L)q，此式称为谐振条件，ν_q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θ_B)，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θ_r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。

二、本申请的谐振器用反射镜及其谐振器和光谱测量仪

请参阅图10，本申请提供一个实施方式提供一种谐振器用反射镜102，该反射镜102包括：第一面1021，其具有反射区域300；所述反射区域300上镀设有反射膜301以用于将光线反射；至少一个第二面1022，其将所述反射区域300与待测样品隔离，以使所述反射膜301不与待测样品接触。

所述反射镜102可以形成所述谐振器100，具体地，所述反射镜102用于在所述谐振器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谐振器，在谐振器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器内形成了闭合光路101。

所述反射镜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中传播至所述反射镜102时，由于所述第二面1022将所述反射区域300与待测样品隔离开，所以所述第二面1022会直接与待测样品接触，所述反射区域300则相对于所述第二面1022远离待测样品，进而此时，在所述闭合光路101中，光线穿过待测样品必先由所述第二面1022入射至所述反射镜102内，然后光线到达所述反射区域300被所述反射区域300反射。

通过以上描述可以看出，本实施方式所提供的所述谐振器用反射镜102通过设有将所述第一面1021与待测样品隔离的所述第二面1022，保证所述反射区域300不会与待测样品进行接触，进而保证所述反射区域300上的反射膜301不会与待测样品接触，使得待测样品以及样品中的杂质难以进入到反射膜301中，所以本实施方式所提供的谐振器用反射镜102能够使反射镜102的膜层难以被样品以及样品中的杂质所破坏。

同时，对于谐振器整体而言，现有技术中光线进入到谐振器内部时仍然会穿过基底部分进而仍然存在一定的损耗。对于本实施方式而言，光线在进入到谐振器内部时是无须穿过基底部分的，而在闭合光路中光线是会穿过基底的，所以对于谐振器整体而言，本实施方式所提供的反射镜102并未提高光线在传播过程中的损耗。

所述反射镜102包括有玻璃材质的基底及反射膜。所述反射膜301镀设在基底一面上，基底的另一面供光线透射。所述反射膜301为内反射膜，在使用过程中，在谐振器100内，光线进入基底后到达反射膜后才被反射并再次穿过基底完成透射。相应的，在本实施方式中，所述基底的透射面即为所述第二面1022，所述基底镀设有反射膜的面为所述第一面1021。

本实施方式中，所述反射镜102用于形成所述谐振器100中光线的闭合光路101，所述闭合光路101由光线在谐振器100中的光学元件之间经多次反射、折射而形成。光线在所述闭合光路101中循环传播，进而极大的增大了光线在谐振器100内的光程，保证位于闭合光路101中的光线穿过待测样品时能有效地被待测样品吸收。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镜102以及其他种类的反射镜102；或者所述光学元件也可以包括有全反射的反射镜与所述反射镜102；或者所述光学元件仅包括有两个所述反射镜102，本申请并不以此为限。需要指出的是，所述反射镜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，较为简单地，所述反射镜102为两个平面反射镜102时，所有所述反射镜102就可以使光线形成所述闭合光路101。

具体的，例如所述反射镜102可以是平面反射镜102、球面反射镜102和非球面反射镜102，也可以为镀设有所述反射膜301的反射镜，本申请并不以此为限。所述反射镜102上至少具有两个互相独立的面，即为所述第一面1021和所述第二面1022。其中，所述第一面1021与所述第二面1022可以沿着光路行进方向前后设置，被所述反射区域300反射的光线经所述第二面1022入射或出射。具体的，可以相背对平行或非平行设置，此时，所述第二面1022在闭合光路101中既能够接收来自其他光学元件的光线，也能发出来自所述第一面1021的反射光线。

当然，单个所述反射镜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，所述反射镜102的数量为多个时，每个所述反射镜102的外形可以相同也可以不同，只需每个所述反射镜102与其他所述反射镜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，所述反射镜102位于谐振器100中测量区域103的边界，所述测量区域103至少包括所述闭合光路101中的光线穿过的区域，进而保证光线有效穿过待测样品。所述测量区域103可以设置有待测样品，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。所述测量区域可以包括有多个子区域，比如第一子区域、第二子区域，所述第一子区域及第二子区域均被闭合光路穿过，所述第二子区域可以位于所述第一子区域内。所述第一子区域及所述第二子区域内可以放置有不同的样品。另外，在测量区域可以放置样品腔，进而组成“腔内腔”结构，以适应不同样品的测量。

所述反射镜102置于所述测量区域103边界时，所述反射镜102会存在与待测样品相接触的面。具体的，所述第二面1022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，同时将所述第一面1021与待测样品隔离开。在所述反射镜102为横截面为梯形的棱台时，所述反射镜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(YG)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化锆(ZrO₂)、氧化铝(l₂O₃)、二氧化铪(HfO₂)等，当然，所述反射镜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镜102置于在进行测量工作时，其第二面1022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1022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。

所述第一面1021上具有能将光线反射的反射区域300。所述反射区域300为所述第一面1021上镀设有所述反射膜301的区域，具体的，例如所述第一面1021上整体镀设有所述反射膜301，所述反射区域300即为整个所述第一面1021；当然，所述反射区域300也可以为所述第一面1021的部分区域，其能在所述闭合光路101中完成光线的反射工作即可，本申请对所述反射区域300的大小不作限制，当然，可以以整个所述第一面1021作为所述反射区域300为优选的一种方案。

所述反射膜301可以包括介质反射膜301和/或金属反射膜301。为保证所述反射膜301的高反射率，所述膜层可以为多层(有时多达40几层)。相对所述第二面1022，所述反射区域300远离待测样品，进而待测样品以及待测样品中的杂质难以影响到所述反射区域300的膜层，进而有效保护到所述反射区域300，使得整个谐振器100的环境适应能力得到较大程度的提升。

为进一步保护所述第一面1021，所述第一面1021处可以设有干燥剂，或者所述第一面1021上设有保护件。通过设置所述第一面1021临近所述干燥剂，进而避免外界中的水分等杂质与所述第一面1021接触。所述保护件用于保护所述第一面1021避免刮伤、阻止气体及水分等杂质和所述第一面1021接触。所述保护件可以为包裹装置，其能够将所述第一面1021包裹以与其他物质隔离开；此外，所述保护件还可以为密封装置，所述密封装置将所述第一面1021密封在其内部，同时其内部为高真空或填充有惰性气体。

需要指出的是，所述保护件并不限于上述举例，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。

所述第二面1022能够与所述反射区域300相配合，进而用于形成所述谐振器100的闭合光路101。所述第二面1022可以在闭合光路101中接收光线，也可以发出光线，可以根据实际应用场景选择。以图13所示为例，所述第二面1022在闭合光路101中既接收光线也发出光线；相应的，以图17所示为例，所述第二面1022在闭合光路101中仅用于接收光线。所述第二面1022上可以镀设有高透膜，进而提高所述第二面1022的光线透射率，降低光线在通过所述第二面1022时造成的损耗。所述第二面1022能够将所述反射区与待测样品间隔开，进而光线在穿过待测样品到达所述反射区域300之前必先穿过所述第二面1022。所述第二面1022与待测样品直接接触，使得光线穿过待测样品后直接由所述第二面1022进入到所述反射镜102内。

本实施方式中，所述第一面1021以及所述第二面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。

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为例将所述第二面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1021、所述第二面1022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1021、所述第二面1022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与所述反射镜102结合。

请继续参阅图13，在本实施方式中，所述反射镜102的面上还可以具有发出部500和/或接收部400，所述发出部500用于向探测器发出光线；所述接收部400用于从光源接收光线。本实施方式中，所述接收部400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400。所述接收部400位于所述反射镜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400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400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500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500位于所述反射镜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500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500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400与所述发出部500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4001024和所述发出部5001025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400和所述发出部500可以位于多个所述反射镜102的不同面上。由于所述接收部400与所述发出部500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。

具体的，可以以图13所示谐振器100为例，所述接收部400可以位于一个反射镜102的所述第一面1021上，所述发出部500位于另一反射镜102的所述第一面1021上。可以看出，具有所述接收部400的所述第一面1021可以从光源接收光线并将该光线透射进入所述反射镜102，还可以接收来自所述第二面1022的光线并将其反射出去。具有所述接收部400的所述第一面1021的反射位置可以与所述接收部400位置重合，进而将该第一面1021的反射光线与从光源接收光线的光路重合，便于光线形成闭合光路101。同样的，具有所述发出部500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，同时将该光线部分反射至当前反射镜102的所述第二面1022以形成闭合光路101。

请参阅图17，在另一个实施方式中，所述反射镜102还可以具有第三面1023。所述第三面1023用于接收来自所述第一面1021的光线并将该光线发出，所述第三面1023与所述第二面1022一起用于将所述第一面1021与待测样品隔离开。所述第三面1023与所述第二面1022位于所述第一面1021的一侧。所述第二面1022用于在闭合光路101中接收光线并将该光线发至所述第一面1021。此时，所述反射镜102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，所述反射镜102整体也可以为横截面为梯形的棱台。所述反射镜102上具有三个互相独立的面为所述第一面1021、所述第二面1022、所述第三面1023。其中，所述第二面1022与所述第三面1023可以相对设置，所述第一面1021可以位于所述第二面1022与所述第三面1023之间。

进一步的，当所述接收部或所述发出部位于第二面或第三面，并与待测样品直接接触，将第一面反射区域与待测样品隔离开时，所述光线在第二面或第三面可以以布儒斯特角出入射。当所述接收部或所述发出部位于第二面和第三面之外的其他面，所述第二面和第三面仅用于光路过渡，第二面和第三面可以镀有反射膜，进而保证所述光线在第二面和第三面以全发射形式出入射。

请参阅图13，本申请一个实施方式还提供一种谐振器，其能接收和发出光线，并能将接收到的光线在其内部传播，所述谐振器包括：光学元件，所述光学元件包括如上任一实施方式所述的反射镜102。

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400接收进入所述谐振器100。光线在闭合光路101中传播至所述反射镜102时，其他所述光学元件将光线发送至所述反射镜102的所述第二面1022，该第二面1022将光线入射并发送至当前反射镜102的所述第一面1021以完成入射工作，然后该第一面1021将光线反射给当前棱镜的所述第二面1022以完成反射工作，该第二面1022将光线出射后发送给下一光学元件的第二面1022以完成出射工作。当所述反射镜102为多个时，每个反射镜102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500将光线向探测器发出至探测器，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。

作为较佳的方案，本实施方式中的所述光学元件能将光线形成处于谐振状态的闭合光路101，进而增加光线在所述谐振器100内的光程。所述光学元件的数量至少为两个，其分布于所述测量区域103的边界，每个所述光学元件可以均为所述反射镜102，组成反射镜102型谐振器100；也可以包含有其他种类反射镜102以及所述反射镜102，组成混合型谐振器100。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镜102。所述反射镜102的数量可以不作限制，所述反射镜102为单个时，所述反射镜102可以与其他种类反射镜102或反射镜相配合以将光线形成闭合光路101；所述反射镜102为多个时，所述反射镜102之间即可将光线形成闭合光路101，无须与其他种类反射镜102或反射镜102配合。当然，在所述反射镜102为多个的情况下，依然可以与其他种类反射镜102或反射镜102配合使用，本申请并不以此为限。

本实施方式中，所述谐振器可以具有从光源接收光线的接收部400以及向探测器发送光线的发出部500。接收部400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400。所述接收部400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400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400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500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500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500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500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400与所述发出部500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400与所述发出部500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400和所述发出部500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400与所述发出部500位于所述光学元件的不同面上，光源与探测器的位置可以灵活设置，进而便于制造和装配。

在本申请一个可行的实施方式中，所述反射镜102至少为两个，其能将光线形成闭合光路101。在该实施方式中，所述光学元件包括至少两个所述反射镜102，所述接收部400和所述发出部500可以按照实际应用设置在所述反射镜102的第一面1021和/或第二面1022上。

需要指出的是，考虑到光学元件集成度较高，所有所述反射镜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镜102的作用时，依然为本申请所保护的方案。

接下来将描述本申请所提供的谐振器中包括至少两个所述反射镜102的几个较好的实施方式，以阐述本申请的原理，但本申请并不拘泥于下述设计内容。

请继续参阅图13，在一个可行的实施方式中，所述光学元件包括第一反射镜102、第二反射镜102。所述第一反射镜102与所述第二反射镜102相对设置。在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102中，两个所述第一面1021上均整体镀设有反射膜301，进而所述第一面1021即可以代表其上的反射区域300。待测样品可以设置在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102之间，所述第一反射镜102与所述第二反射镜102中所述第二面1022直接接触待测样品，所述第一面1021均远离所述待测样品。在本实施方式中，所述接收部400位于所述第一反射镜102的第一面1021上，所述发出部500位于所述第二反射镜102的第一面1021上。所述闭合光路101位于两个所述第一面1021之间。由于在闭合光路101中，所述第二面1022既能向另一反射镜102发送光线，也能接收另一反射镜102发来的光线，所述第二面1022与所述闭合光路101内的光线为垂直关系，此时所述闭合光路101为直线形循环闭合光路101。

请参阅图14，在另一个可行的实施方式中，所述光学元件包括第一反射镜102、第二反射镜102。所述第一反射镜102与所述第二反射镜102错开设置。在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102中，两个所述第一面1021上均整体镀设有反射膜301，进而所述第一面1021即可以代表其上的反射区域300。待测样品设置在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102之间的测量区域103内。在所述第一反射镜中以及所述第二反射镜中，两个所述第二面1022直接接触待测样品并将两个所述第一面1021与所述待测样品隔离开。在本实施方式中，所述接收部400位于所述第一反射镜102的第一面1021上，所述发出部500位于所述第二反射镜102的第一面1021上。所述闭合光路101位于两个所述第一面1021之间。由于在闭合光路101中，所述第二面1022既能向另一反射镜102发送光线，也能接收另一反射镜102发来的光线。为降低谐振器100内的光学噪声，提高谐振器100的测量下线，所述第二面1022所接收的所述闭合光路101内的光线在所述第二面1022上的入射角可以为布儒斯特角。由于所述光线为P偏振光，所述闭合光路101中的光线在穿过所述第二面1022时发生全折射。此时，所述闭合光路101为折线型循环闭合光路101。

请参阅图15，在另一个可行的实施方式中，所述光学元件包括第一反射镜102、第二反射镜102。所述第一反射镜102与所述第二反射镜102错开设置。在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102中，两个所述第一面1021上均整体镀设有反射膜301，进而所述第一面1021即可以代表其上的反射区域300。待测样品设置在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102之间的测量区域103内。在所述第一反射镜中以及所述第二反射镜中，两个所述第二面1022直接接触待测样品并将两个所述第一面1021与所述待测样品隔离开。在本实施方式中，所述接收部400位于所述第一反射镜102的第二面1022上，所述发出部500位于所述第二反射镜102的第二面1022上。所述闭合光路101位于两个所述第一面1021之间。由于在闭合光路101中，所述第二面1022既能向另一反射镜102发送光线，也能接收另一反射镜102发来的光线。为降低谐振器100内的光学噪声，提高谐振器100的测量下线，所述接收部400从光源接收的光线L1的入射角可以为近布儒斯特角，即θB+Δθ，其中Δθ为偏离布儒斯特角的角度，Δθ可以接近0度；同时，所述发出部500向探测器发出的光线L2的出射角也为近布儒斯特角，即θB+Δθ，其中Δθ为偏离布儒斯特角的角度，Δθ可以接近0度。由于所述光线为P偏振光，所述闭合光路101中的光线在穿过所述第二面1022时发生近似全折射。此时，所述闭合光路101为折线型循环闭合光路101。

请参阅图16，在另一个可行的实施方式中，所述光学元件包括第一反射镜102、第二反射镜102。所述第一反射镜102与所述第二反射镜102错开设置。在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102中，两个所述第一面1021上均整体镀设有反射膜301，进而所述第一面1021即可以代表其上的反射区域300。待测样品设置在所述第一反射镜102与所述第二反射镜102之间的测量区域103内。在所述第一反射镜中以及所述第二反射镜中，两个所述第二面1022直接接触待测样品并将两个所述第一面1021与所述待测样品隔离开。在本实施方式中，所述接收部400位于所述第一反射镜102的第二面1022上，所述发出部500位于所述第二反射镜102的第一面1021上。所述闭合光路101位于两个所述第一面1021之间。由于在闭合光路101中，所述第二面1022既能向另一反射镜102发送光线，也能接收另一反射镜102发来的光线。为降低谐振器100内的光学噪声，提高谐振器100的测量下限，所述接收部400从光源接收的光线L1的入射角可以为近布儒斯特角，即θB+Δθ，其中Δθ为偏离布儒斯特角的角度，Δθ可以接近0度。由于所述光线为P偏振光，所述闭合光路101中的光线在穿过所述第二面1022时发生近似全折射。此时，所述闭合光路101为折线型循环闭合光路101。

请参阅图17，在本申请一个具体的实施方式中，所述反射镜102包括第一反射镜102、第二反射镜102以及第三反射镜102。所述第一反射镜102、所述第二反射镜102以及所述第三反射镜102均具有第三面1023。所述第三面1023同样用于将所述第一面1021与待测样品隔离。所述第三面1023与所述第二面1022可以直接与待测样品直接接触。所述第二面1022用于在闭合光路101中为当前反射镜102接收光线，所述第三面1023用于在闭合光路101中为当前反射镜102发出光线。以图17所示为例，所述接收部400与所述发出部500位于同一所述反射镜102的第二面1022及第三面1023上，当然本申请并不以此为限。在本实施方式中，所述闭合光路101为环形循环闭合光路101，可以极大程度的增加闭合光路101中光线的光程，进而提高谐振器100的检测灵敏度。

需要指出的是，所述光学元件包括至少两个所述反射镜102时并不限于上述举例，也可以如图18及图19所示所述光学元件包括三个非直线排布的所述反射镜102并将谐振器100内的光线形成三角形闭合光路101，还可以如图20或图21所示所述光学元件包括四个所述反射镜102并将谐振器100内的光线形成“口”型循环闭合光路101或“8”字形循环闭合光路101；当然所述光学元件还可以包括四个所述反射镜102并将谐振器100内的光线形成“Z”字形循环闭合光路101。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，通过所述光学元件能够旋转和/或平移。具体的，同一数量所述反射镜102所组成的闭合光路101可以进行转换，比如图14至图16中，通过所述反射镜102的旋转即可得到上述三种闭合光路101，同时将光源和探测器的位置适应性调节即可；再比如图20与图21中，通过所述反射镜102的旋转即可将“口”型循环闭合光路101与“8”字形循环闭合光路101完成转换。同时，通过平移所述光学元件，可以调控相邻所述反射镜102之间的间距，便于测定样品过程中实时调控。

本实施方式中，使用所述光学元件形成的谐振器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，谐振器100存储能量的性能就越好，于是空腔谐振器100的灵敏度就越高。根据本申请以上描述，在所述光学元件中，至少一个所述反射镜102能够旋转和/或平移，进而在上述实施方式中，可以通过旋转和/或平移所述反射镜102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。

为使所述光学元件所形成的闭合光路101保持稳定，控制光线在反射面所形成的衍射，在一个实施方式中可以设置所述光学元件中至少一个所述反射镜102的一个面应为曲面，即所述第一面1021、所述第二面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1022以及所述第三面1023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1021、所述第二面1022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1021、所述第二面1022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与所述反射镜接合。

为了更进一步的提高耦合效率，减少光束在谐振器100的损耗，光束的模式与谐振器100的模式需满足匹配条件，即耦合到光学谐振器100的光线的腰斑半径及位置与谐振器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BCD矩阵来计算。

请参阅图13、图17，在一个较佳的实施例中，所述谐振器100还可以包括有匹配光学件，所述匹配光学件能将光线与谐振器100的模式匹配。具体的，所述匹配光学件包括位于闭合光路101上的匹配透镜80和/或用于将光线耦合至所述接收部400的光学件90，所述光学件90包括至少一个耦合透镜和/或至少一个耦合反射镜。

请继续参阅图13，所述匹配透镜80可以位于闭合光路101的光线上。所述匹配透镜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。

请继续参阅图17，所述光学件90用于将光线耦合至所述接收部400。所述光学件90能将光源发出的光线与谐振器100的模式匹配。所述光学件90能将光线以非布儒斯特角入射至所述接收部400。所述非布儒斯特角可以为近布儒斯特角。所述光学件90可以设于光源与所述接收部400之间。具体的，所述光学元件可以包括至少一个透镜70或至少一个反射镜。

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谐振器100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22，本申请一个实施方式还提供一种光谱测量仪，包括：如上任一实施方式所述的谐振器100。

所述光谱测量仪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，所述谐振器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。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、所述谐振器100、谐振器监测模块203、谐振器控制模块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。

所述谐振器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，所述谐振器100包括但不限于多次反射室、光学谐振腔等。所述谐振器100包括有如上所述的光学元件。

所述谐振器监测模块203用于监控反射腔101的工作状态、故障告警、在线实时标定谐振器100的等效吸收光程，并提供监测信号给谐振器控制模块208。

所述谐振器控制模块208用于根据谐振器监测模块203提供的监测信号在线实时校正谐振器100内光学器件的相对位置关系，谐振器控制模块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，从而改变谐振器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用于接收和探测谐振器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实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于样品测量的光学谐振器用反射镜，其特征在于，该反射镜包括：

第一面，其具有反射区域；所述反射区域上镀设有反射膜以用于将光线反射；

至少一个第二面，其将所述反射区域与待测样品隔离，以使所述反射膜不与待测样品接触。

2.如权利要求1所述的反射镜，其特征在于：所述第一面与所述第二面沿着光路行进方向前后设置，被所述反射区域反射的光线经所述第二面入射或出射。

3.如权利要求1至2任一所述的反射镜，其特征在于：所述光线以布儒斯特角出入射所述第二面。

4.如权利要求1至2任一所述的反射镜，其特征在于：所述反射镜包括至少一个面为曲面。

5.一种光学谐振器，其能接收和发出光线，并能将接收到的光线在其内部传播，其特征在于，所述光学谐振器包括：

光学元件，所述光学元件包括至少一个如权利要求1至4任一所述的反射镜。

6.如权利要求5所述的光学谐振器，其特征在于：所述光学元件至少为两个，所有所述光学元件将光线形成闭合光路。

7.如权利要求6所述的光学谐振器，其特征在于：每个所述光学元件均为所述反射镜。

8.如权利要求5所述的光学谐振器，其特征在于，还包括：匹配光学件，所述匹配光学件能将光源光线与光学谐振器的模式匹配。

9.如权利要求5所述的光学谐振器，其特征在于：至少一个所述光学元件能够旋转和/或平移。

10.一种光谱测量仪，其特征在于：包括如权利要求5至9任一所述的光学谐振器。