DE112018005289B4

DE112018005289B4 - Hohlraumdetektion mit abstimmbarer lichtquelle unter verwendung einer vielzahl von longitudinalen und transversalen modi

Info

Publication number: DE112018005289B4
Application number: DE112018005289.3T
Authority: DE
Inventors: Eric R. Crosson; David A. Fisher
Original assignee: Sparrow Detect Inc
Current assignee: Sparrow Detect Inc
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: GB202003737D0; US20190086329A1; DE112018005289T5; GB2579980B; US20200319101A1; US10724946B2; GB2588541A; US10976248B2; GB2579980A; GB202018800D0; GB2588541B; WO2019060140A1

Abstract

System zum Bestimmen einer Substanz, umfassend:eine abstimmbare Lichtquelle (110, 210), wobei die abstimmbare Lichtquelle einen Strahl elektromagnetischer Strahlung erzeugt, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um mit einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können;einen optischen Resonator (120, 220), wobei der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, wobei physikalische Eigenschaften des optischen Resonators eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi definieren, wobei nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt wird, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt;einen Hohlraumdetektor (130, 230), wobei der Hohlraumdetektor elektromagnetische Strahlung erfasst, die von dem optischen Resonator (120, 220) ausgestrahlt wird;einen Prozessor (140, 240), der betrieben wird zum:Empfangen von Information, welche die erfasste elektromagnetische Strahlung betrifft; Erkennen der Substanz in dem optischen Resonator (120, 220) auf Grundlage von mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die von dem optischen Resonator (120, 220) ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt,wobei der optische Resonator (120, 220) eine Taillengröße und eine Taillenposition umfasst, und wobei eine Taillengröße oder Taillenposition des Strahls elektromagnetischer Strahlung im transversalen Strahlungsmodus nicht übereinstimmt mit der Taillengröße und/oder der Taillenposition des optischen Resonators (120, 220), und dabei die Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi anregt, wenn der optische Resonator (120, 220) den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, und wobei die Teilmenge mehr als einen longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus umfasst.

Description

Verwandte Anwendungen
Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität vor der provisorischen US-amerikanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/560,235 , die am 19.9.2017 eingereicht wurde und die hierin als Referenz eingefügt ist.
Bereich der beschriebenen Ausführungsformen
Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf eine abstimmbare Lichtquelle zur Substanzerkennung. Insbesondere beziehen sich die beschriebenen Ausführungsformen auf Systeme, Methoden und Apparate für eine Hohlraumdetektion unter Verwendung einer abstimmbaren Lichtquelle unter Verwendung einer Vielzahl von longitudinalen und transversalen Modi.
Hintergrund
Es gibt heutzutage viele Anwendungen und Märkte, wo viel Anstrengungen investiert werden, um Sensortechnologien zu entwickeln, welche eine größere Leistung hinsichtlich der Sensitivität (ppm oder ppb) und Spezifität (eindeutiges Erkennen der identifizierten Moleküle) bieten, während sie die Wirtschaftlichkeit bieten, die notwendig ist zum Einsatz in großem Umfang, um sowohl qualitative als auch quantitative Daten bereitzustellen, um ihre Sicherheit und Infrastruktur als auch die Umwelt zu verbessern. Ein Beispiel für ein solches Bedürfnis ist die Erkennung von Erdgas (Methan), einer gemeinsamen Energiequelle in aller Welt. In den Vereinigten Staaten gibt es über 68 Millionen Haushalte, über 6 Millionen Gebäude und Tausende von Fabriken, die von Erdgas abhängen. Dieses Gas wird über 2,4 Millionen Meilen von Hauptgasleitungen geliefert, die über Verteilungsrohre zu Haushalten/Gebäuden und Fabriken verfügen. Dies ist ein verbreitetes Mittel, um Energie in den Großstädten der Welt zu verteilen. Wie bei jeder Infrastruktur, altern die Rohre und sind anfällig für gefährliche Lecks. Erdgas ist ein hoch brennbares, geruchsloses und farbloses Kohlenwasserstoffgas, das hauptsächlich aus Methan besteht. Gasaustritte stellen eine ernste Sicherheits- und Umweltgefahr dar, und es sind viele Anstrengungen unternommen worden, um Sensoren höherer Sensitivität und Spezifität zu entwickeln. Die Notwendigkeit eines Einsatzes von Sensoren in Wohngebäuden und Gebäuden hat zu Preis-/Leistungskriterien für Sensoren geführt, die derzeit von den existierenden Technologien nicht erfüllt werden. Die primären Leistungsbedenken hinsichtlich der kommerziellen Sensoren sind, dass sie nicht die hinreichende Spezifität aufweisen und daher falsche Positivwerte bei gewöhnlichen Haushaltsmitteln geben; der Detektionsgrad ist nicht hinreichend, und der Erkennungsbereich ist begrenzt.
Die Erdöl- und Erdgasindustrie verwendet auch eine Vielzahl von Gasen, die Sicherheits- und Umweltprobleme mit sich bringen, wenn nicht umfassend auf Undichtigkeiten geprüft wird. In den Vereinigten Staaten werden LDAR-Programme (Leak Detection And Repair) als Teil der bundeweiten Regelung gefordert. Ein LDAR-Programm ist ein Anlagensystem für Verfahren, das verwendet wird, um undichte Komponenten zu lokalisieren und zu reparieren (z.B. Ventile, Pumpen, Anschlüsse, Kompressoren und Vibratoren), und um den Austritt flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) und gefährlicher Luftschadstoffe (HAP), einschließlich Methan, aber nicht darauf beschränkt, zu minimieren.
Die US 5 793 485 A beschreibt ein System zum Bestimmen einer Substanz mit einer Lichtquelle, einem optischen Resonator, einem Hohlraumdetektor und einem Prozessor zum Empfangen von Information, welche die erfasste elektromagnetische Strahlung betrifft. Hierbei wird die Substanz in dem optischen Resonator auf Grundlage von mindestens einer Intensität der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die von dem optischen Resonator ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren einer Vielzahl von Wellenlängen erkannt, während der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt.
Ähnliche Vorrichtungen sind aus der US 7 936 463 B2 , der US 8 659 759 B2 und der US 6 504 145 B1 bekannt.
Es ist wünschenswert, Methoden, Apparate und Systeme für eine Hohlraumdetektion mit abstimmbarer Lichtquelle unter Verwendung einer Vielzahl von longitudinalen und transversalen Modi zu haben.
Zusammenfassung
Eine Ausführungsform schließt ein System zum Erkennen einer Substanz ein. Das System schließt eine abstimmbare Lichtquelle, einen optischen Resonator, einen Hohlraumdetektor und einen Prozessor ein. Die abstimmbare Lichtquelle erzeugt einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um mit einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können. Der optische Resonator empfängt den Strahl elektromagnetischer Strahlung, wobei physikalische Eigenschaften des optischen Resonators eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi definieren, wobei nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt wird, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt. Der Hohlraumdetektor erfasst elektromagnetische Strahlung, die von dem optischen Resonator ausgestrahlt wird. Der Prozessor wird betrieben zum Empfangen von Information, welche die erfasste elektromagnetische Strahlung betrifft, und zum Erkennen der Substanz in dem optischen Resonator auf Grundlage von mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die von dem optischen Resonator ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, wobei der optische Resonator eine Taillengröße und eine Taillenposition umfasst, und wobei eine Taillengröße oder Taillenposition des Strahls elektromagnetischer Strahlung im Modus nicht übereinstimmt mit mindestens einer der Taillengrößen der der Taillenposition des optischen Resonators, und dabei die Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi anregt, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, und wobei die Teilmenge mehr als einen longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus umfasst.
Eine andere Ausführungsform schließt eine Methode zum Erkennen einer Substanz ein. Die Methode schließt ein das Erzeugen, durch eine abstimmbare Lichtquelle, eines Strahls elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um mit einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können, das Empfangen, durch einen optischen Resonator, des Strahls elektromagnetischer Strahlung, wobei physikalische Eigenschaften des optischen Resonators eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversalter elektromagnetischer Strahlungsmodi definieren, wobei nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt wird, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, Erfassen, durch einen Hohlraumdetektor, von elektromagnetischer Strahlung, die aus dem optischen Resonator austritt, Empfangen, durch einen Prozessor, von Information, die sich auf die erfasste elektromagnetische Strahlung bezieht, und Erkennen der Substanz in dem optischen Resonator auf Grundlage von mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die von dem optischen Resonator ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, wobei der optische Resonator eine Taillengröße und eine Taillenposition umfasst, und wobei eine Taillengröße oder Taillenposition des Strahls elektromagnetischer Strahlung im Modus nicht übereinstimmt mit mindestens einer der Taillengrößen der der Taillenposition des optischen Resonators, und dabei die Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi anregt, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, und wobei die Teilmenge mehr als einen longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus umfasst.
Andere Aspekte und Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen werden deutlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, welche beispielhaft die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen darstellen.
Figurenliste

ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Erkennen einer Substanz gemäß einer Ausführungsform.
ist ein Blockdiagramm, das eine Fehlausrichtung des eingehenden Strahls hinsichtlich einer Achse des optischen Resonators einschließt.
ist ein Blockdiagramm, das mehr Details eines Systems zum Erkennen einer Substanz gemäß einer Ausführungsform einschließt.
ist ein Blockdiagramm, das Modematching eines Strahls elektromagnetischer Strahlung an einen optischen Resonator einschließt, wobei eine Taillengröße und ein Taillenposition des Strahls elekromagnetischer Strahlung zu einer Taillengröße und einer Taillenposition passt, die von einem physischen Design des optischen Resonators definiert werden, passt.
zeigt Beispiele für transversale Hermite-Gauss-Modi, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt ein Beispiel für eine dreieckige Wellenform, die verwendet wird, um eine Wellenlänge des Laser abzustimmen, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt ein Beispiel für diskrete Schritte, die verwendet werden, um die Wellenlänge des Laser zu ändern, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt ein Beispiel für das Summieren von Bereichen unterhalb jedes longitudinalen und transversalen Modus, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt einen Plot, der ein Beispiel longitudinaler Modi darstellt, von denen jeder mehrere transversale Modi enthält, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt einen Plot und eine Tabelle, die ein Beispiel beschreiben für das Summieren von Peakamplitudenmessungen longitudinaler und transversaler Modi mittels eines Hohlraumdetektors, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt ein Beispiel für ein Blockdiagramm, das eine Referenzsubstanz und Strahlnormierung gemäß einer Ausführungsform einschließt.
zeigt eine berechnete Intensität, die von einem Normierungsdetektor erfasst wird, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt ein Absorptionsspektrum für Methan bei Messung bei Atmosphärendruck, gemäß einer Ausführungsform.
zeigt ein Beispiel eines Referenzzelldetektorsignals, wenn die durchschnittliche Laserauslaufspannung der Peakwellenlänge des Referenzabsorbanzmerkmals entspricht, gemäß einer Ausführungsform.
ist ein Flussdiagramm, das Schritte einer Methode zur Datenmessung gemäß einer Ausführungsform einschließt.

Detaillierte Beschreibung
Die beschriebenen Ausführungsformen schließen Methoden, Apparate und Systeme für eine Hohlraumdetektion mit abstimmbarer Lichtquelle unter Verwendung einer Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler Modi ein.
ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Erkennen einer Substanz gemäß einer Ausführungsform. Das System schließt eine abstimmbare Lichtquelle 110, einen optischen Resonator 120, einen Hohlraumdetektor 130 und einen Prozessor 140 ein. Für eine Ausführungsform erzeugt die abstimmbare Lichtquelle 110 einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um bei einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können. Der optische Resonator 120 empfängt den Strahl elektromagnetischer Strahlung, wobei physikalischen Eigenschaften des optischen Resonators 120 eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi definieren, wobei nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt wird, wenn der optische Resonator 120 den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt. Der Hohlraumdetektor 130 erfasst elektromagnetische Strahlung, die von dem optischen Resonator 120 ausgestrahlt wird. Der Prozessor 140 wird betrieben zum Empfangen von Information, welche die erfasste elektromagnetische Strahlung betrifft, und zum Erkennen der Substanz in dem optischen Resonator 120 auf Grundlage von mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die von dem optischen Resonator 120 ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator 120 den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt.
ist ein Blockdiagramm, das eine Fehlausrichtung des eingehenden Strahls (der abstimmbaren Lichtquelle 110) hinsichtlich einer Achse 224 des optischen Resonators 220 einschließt. Für mindestens einige Ausführungsformen ist die Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt durch Fehlausrichtung des eingehenden Strahls elektromagnetischer Strahlung hinsichtlich der Achse 224 des optischen Resonators 220. Für eine Ausführungsform schließt die Teilmenge eine Anzahl größer als Eins ein. Der optische Resonator 220 schließt Hohlraumspiegel 223, 222 ein. Ein Hohlraumdetektor 230 erfasst elektromagnetische Strahlung, die von dem optischen Resonator 220 ausgestrahlt wird.
Für mindestens einige Ausführungsformen wird die Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt durch das Nichtübereinstimmen einer Taillengröße und/oder Taillenposition des eingehenden Strahls der elektromagnetischen Strahlung mit den erlaubten longitudinalen und transversalen Modi, die durch den optischen Resonator definiert sind. Für eine Ausführungsform umfasst der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung mehr als einen transversalen Modus. Für mindestens einige Ausführungsformen trifft der Strahl elektromagnetischer Strahlung im Hohlraum auf eine Position an jedem Spiegel, der den Hohlraum definiert.
Eine erste Implementierung könnte Hohlraum-basierte Implementierungen einschließen, welche die Amplitude eines einzelnen longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus des Hohlraums verwenden, der verstärkt wird unter Verwenden eines Lasers mit einer einzelnen Wellenlänge. Weiterhin wird die Absorption eines longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus quantifiziert, wenn der Laser mit der einzelnen Wellenlänge nicht länger den longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus des Hohlraums verstärkt (die Laserdiode ist ausgeschaltet und/oder überträgt keine elektromagnetische Strahlung). Eine zweite Implementierung könnte einen Laser mit einer einzelnen Wellenlänge verwenden, sodass die Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem Hohlraum immer die gesamte Vielzahl von erlaubten longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodi anregt, die von dem Hohlraum definiert werden. Jedoch erfordern diese beiden Implementierungen eine sehr genaue Hohlraumausrichtung und sehr teure optische Komponenten. Im Gegensatz dazu erfordern die beschriebenen Ausführungsformen keine Ausrichtung des Hohlraums und sie können mit günstigen optischen Komponenten konfiguriert werden.
Wie dargestellt verwendet die Ausführungsform der eine Hohlraumdetektion mit abstimmbarer Lichtquelle unter Verwendung einer Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi des Hohlraums, wobei das Summieren der Informationen aus einer Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi, während die abstimmbare Lichtquelle die longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodi des Hohlraums verbessert, den Gebrauch von günstigen optischen Komponenten gestattet.
ist ein Blockdiagramm, das mehr Details eines Systems zum Erkennen einer Substanz gemäß einer Ausführungsform einschließt. Für diese Ausführung wird die abstimmbare Lichtquelle 110 mit einem abstimmbaren Laser 210 implementiert. Für diese Ausführung trifft ein Freiraumstrahl elektromagnetischer Strahlung, der von der kontinuierlichen Welle des Wellenlängen-abstimmbaren Lasers 210 emittiert wird, auf Linse 1 (251), welche den Strahl elektromagnetischer Strahlung kollimiert. Der kollimierte Strahl elektromagnetischer Strahlung bewegt sich durch einen ersten Faserkollimator (FiberPort) 256. Der Strahl elektromagnetischer Strahlung passiert dann durch einen Faserisolator 255. Der Strahl elektromagnetischer Strahlung passiert dann einen zweiten Faserkollimator (FiberPort) 257, der den Strahl elektromagnetischer Strahlung erneut in einen Freiraumstrahl elektromagnetischer Strahlung transformiert.
Für mindestens einige Ausführungsformen dient der Faserisolator 255 zwei Zwecken, (1) um dabei zu helfen, alle bis auf den oder die gewünschten Modi zu unterdrücken (TEM00 Transversaler elektromagnetischer Modus), und (2) zum Isolieren der Laserquelle der Rückreflektionen, die von optischen Komponenten erzeugt werden könnten.
Für mindestens einige Ausführungsformen trifft der Freiraumstrahl elektromagnetischer Strahlung, der vom zweiten Faserkollimator (FiberPort) 257 emittiert wird, dann auf die Linse 2 (252) und die Linse 3 (253) und passiert die strahllenkenden Spiegel 254.
Wie in dargestellt schließt, für eine Ausführungsform, der optische Resonator 220 einen Eingangsspiegel 223 des Hohlraums und zwei Hohlraumspiegel 221, 222 ein. Nach dem Passieren der strahllenkenden Spiegel 254 gelangt die elektromagnetische Strahlung in den optischen Resonator 120 mit drei Spiegeln durch den teilweise reflektierenden Eingangsspiegel 223 des optischen Resonators. Wie dargestellt schließt der optische Resonator 220 eine Anordnung von Spiegeln 221, 222, 223 ein, welche eine stehende Welle im Hohlraum bilden. Für eine Ausführungsform kann der optische Resonator als Hohlraum mit fortschreitender Welle konfiguriert werden.
ist ein Blockdiagramm, das Modematching eines Strahls elektromagnetischer Strahlung an einen optischen Resonator einschließt, wobei eine Taillengröße und ein Taillenposition des Strahls elekromagnetischer Strahlung zu einer Taillengröße und einer Taillenposition passt, die von einem physischen Design des optischen Resonators definiert werden, passt. Während das Hohlraumdesign von nur zwei Spiegel (Spiegel 1, Spiegel 2) einschließt, sind die Beschreibungen anwendbar auf den Hohlraum mit drei Spiegeln der . Der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung wird als modusangepasst hinsichtlich des optischen Resonators 220 angesehen, wenn die Taillengröße und die Taillenposition des eingehenden Strahls elektromagnetischer Strahlung zu denen passen, die durch das physische Design des optischen Resonators 220 definiert werden. Die Taillengröße 290 der elektromagnetischen Strahlung ist definiert als die physikalische Größe des elektromagnetischen Feldmusters der Strahlung, die in einer Referenzebene rechtwinklig (d.h. transversal) zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung gemessen wird. Die Taillenposition 280 der elektromagnetischen Strahlung ist definiert als die physische Position der Taille. Wenn die Taillengröße 290 oder die Taillenposition 280 des eingehenden Strahls elektromagnetischer Strahlung nicht zum Modus passt, die im optischen Resonator definiert wird, kann eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi in dem Hohlraum angeregt werden, die größer ist als Eins.
Der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung wird als ausgerichtet mit dem Hohlraum angesehen, wenn der eingehende Strahl in den optischen Resonator 220 so gelenkt wird, dass der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung kongruent ist mit der Achse des optischen Resonators.
Wenn der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung von der Hohlraumachse abweicht (nicht kongruent oder fehlausgerichtet), kann eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi in dem Hohlraum angeregt werden, die größer ist als Eins.
Für eine Ausführungsform schließt der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung einen oder mehrere transversale Modi ein. Wenn der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung mehr als einen transversalen Modus einschließt, kann eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi in dem Hohlraum angeregt werden, die größer ist als Eins.
Zurückverweisend auf , mindestens für einige Ausführungsformen, agieren die Linse 2 (252) und Linse 3 (254) als ein Teleskop, das die Taillengröße und Taillenposition des eingehenden Strahls mit denen abgleicht, die durch das Design des optischen Resonators 220 definiert werden. Für mindestens einige Ausführungsformen, durch Ändern der Position der Linse 2 und der Linse 3 entlang der Richtung der elektromagnetischen Strahlung, wobei die Taillengröße und/oder Taillenposition im Modus nicht übereinstimmen können mit denen, die durch den Hohlraum definiert werden.
In einer Ausführungsform schließt der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung einen transversalen Modus ein. Der Strahl ist ausgerichtet mit der optischen Achse des Hohlraums. Eine Taillengröße und/oder Taillenposition des eingehenden Strahls elektromagnetischer Strahlung wird ausgewählt, um eine verschiedene Größe (nicht modusangepasst) aufzuweisen als diejenige, die von dem physischen Design des optischen Resonators 220 definiert wird, und regt dabei eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi in dem Hohlraum an, die größer ist als Eins.
In einer Ausführungsform wird der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung als ein transversaler elektromagnetischer Modus beschrieben, wobei eine Taillengröße und/oder Taillenposition des eingehenden Strahls elektromagnetischer Strahlung ausgewählt wird, um derselbe zu sein wie derjenige, welcher durch das physische Design des optischen Resonators 220 definiert wird. Der Strahl wird in den optischen Resonator 220 gelenkt, sodass der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung fehlausgerichtet ist hinsichtlich der Achse des optischen Resonators und dabei eine Teilmenge anregt, die größer ist als Eins, der Vielzahl der erlaubten longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodi. In einer Ausführung, wird diese Fehlausrichtung implementiert unter Verwenden von zwei Lenkspiegeln 254 zum Lenken der elektromagnetischen Strahlung in den optischen Resonator 220, sodass eine Fehlausrichtung erzeugt wird durch Einführen einer Verschiebung zwischen dem eingehenden Strahl elektromagnetischer Strahlung und der Achse des optischen Resonators 220, dabei zu einem Strahl elektromagnetischer Strahlung innerhalb des optischen Resonators 220 führend, der nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi anregt, die größer ist als Eins. Eine Methode besteht darin, den eingehenden Strahl elektromagnetischer Strahlung unter Verwenden der zwei Lenkspiegel 254 zu verschieben, um den eingehenden Strahl elektromagnetischer Strahlung zu neigen, sodass er fehlausgerichtet ist hinsichtlich der Achse des optischen Resonators und dabei eine Teilmenge anregt, die größer ist als Eins, der Vielzahl der erlaubten longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodi.
In einer anderen Ausführungsform, schließt der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung mehr als einen transversalen Modus ein, dabei anregend eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi in dem Hohlraum, die größer ist als Eins.
In einer anderen Ausführungsform schließt der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung mehr als einen transversalen Modus ein. Der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung ist mit der Achse des Hohlraums ausgerichtet. Eine Taillengröße und/oder Taillenposition des eingehenden Strahls elektromagnetischer Strahlung wird ausgewählt, um eine verschiedene Größe aufzuweisen als diejenige, die von dem physischen Design des optischen Resonators 220 definiert wird, und regt dabei eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi in dem Hohlraum an, die größer ist als Eins.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung mehr als einen transversalen Modus. Eine Taillengröße und/oder Taillenposition des eingehenden Strahls elektromagnetischer Strahlung wird ausgewählt, um derselbe zu sein wie derjenige, welcher durch das physische Design des optischen Resonators 220 definiert wird. Der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung ist fehlausgerichtet hinsichtlich der optischen Achse des Hohlraums und regt dabei eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi in dem Hohlraum an, die größer ist als Eins.
Zusätzlich zu den vorher genannten Ausführungsformen, die eine einzige abstimmbare Lichtquelle verwenden, um mehr als einen transversalen Modus in dem Hohlraum zu erzeugen, gibt es mindestens zwei weitere Methoden, um mehr als einen transversalen Modus im Hohlraum zu erzeugen. Eine Ausführungsform schließt eine Lichtquelle ein, die mehrere transversale Modi erzeugt, und eine andere Ausführungsform schließt mehrere Lichtquellen ein.
Für mindestens einige Ausführungsformen wird der Hohlraumdetektor 230 so platziert, dass der Hohlraumdetektor 230 elektromagnetische Strahlung erfasst, die von dem optischen Resonator 220 ausgestrahlt wird. Der Hohlraumdetektor 230 empfängt elektromagnetische Strahlung, welche den optischen Resonator 220 verlässt und erzeugt eine Spannung oder einen Strom, proportional zur elektromagnetischen Strahlung, welche von dem Hohlraumdetektor 230 erfasst wird. Die elektromagnetische Strahlung, die von dem Hohlraumdetektor 230 erfasst wird, ist repräsentativ für die elektromagnetische Strahlungsintensität im Innern des optischen Resonators 220, und für mindestens einige Ausführungsformen ist es die elektromagnetische Strahlung, welche die elektromagnetische Intensität, Amplitude, eine Phase, oder eine Amplitude und eine Phase bei einer Vielzahl von Wellenlängen repräsentiert.
Für mindestens eine Ausführungsform erzeugt der Hohlraumdetektor 230 (erfasste) Daten in analoger Form. Für mindestens einige Ausführungsformen werden zum Eingeben und Verarbeiten durch den Prozessor 240 die analogen Daten durch einen ADC (Analog-Digital-Umwandler) 291 in digitale Form umgewandelt. Der Prozessor 240 zeichnet den empfangenen Ausgang bei der Vielzahl von Wellenlängen auf und erkennt die Substanz. Für eine Ausführung wird die Substanz basierend auf der Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung erkannt, die von dem optischen Resonator 220 ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator 220 den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt.
Für mindestens einige Ausführungsformen kann der eingehende Strahl elektromagnetischer Strahlung durch eine Linearkombination transversaler Modi beschrieben oder dargestellt werden. Der transversale Modus elektromagnetischer Strahlung ist definiert als ein besonderes (transversales) elektromagnetisches Feldmuster der Strahlung, die in einer Referenzebene rechtwinklig (d.h. transversal) zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung gemessen wird. Wenn sich eine transversale Welle in z-Richtung bewegt, liegen die Oszillationen in der x-y-Ebene, und das elektrische Feld oszilliert in einer Ebene, zum Beispiel der x-Ebene, während das magnetische Feld in der dazu rechtwinkligen Ebene, zum Beispiel der y-Ebene, oszilliert.
zeigt Beispiele für transversale Hermite-Gauss-Modi, gemäß einer Ausführungsform. Speziell zeigt Beispiele transversaler Modi für einen Lichtstrahl wie zum Beispiel das Licht, das von einem Laser erzeugt wird. Die dunklen Bereiche stellen die Konzentration der Intensität in der Querschnittsscheibe der Wellenausbreitung in dem Medium (freier Raum oder optischer Resonator) auf der z-Ebene dar.
Der Term ũ₀(x,z) ũ₀(y,z) ist der Gauss-Modus (TEM 00) geringster Ordnung, und seine transversale Komponente kann als runde „Platte“ oder Scheibe beschrieben werden. Die Funktion ũ₁(x,z) ũ₀(y,z) wird Gauss-Modus erster Ordnung in x und Modus geringster Ordnung in y genannt und, wie in gesehen werden kann, hat er zwei Lappen entlang der x-Richtung. Die Funktion ũ₀(x,z) ũ₁(y,z) wird Gauss-Modus erster Ordnung in y und Modus geringster Ordnung in x genannt und, wie in gesehen werden kann, weist der Strahl zwei Lappen entlang der y-Richtung auf. Für Modi höherer Ordnung kann dieselbe Logik angewendet werden. Diese Gauss-Modi können unter spezifischen Bedingungen verwendet werden, um einen Strahl elektromagnetischer Strahlung zu beschreiben, der sich im freien Raum oder in einem optischen Resonator bewegt
Ein Strahl elektromagnetischer Strahlung in einem optischen Resonator (wie zum Beispiel dem optischen Resonator 220) kann ebenfalls beschrieben werden mittels einer Verwendung longitudinaler und transversaler Modi, die erlaubt sind.
Erlaubte Hohlraummodi (erlaubte longitudinale und transversale elektromagnetische Strahlungsmodi) können verstanden werden durch Benutzen eines Rahmens in der Wellenlängendomäne.
Wenn die Resonatortheorie auf eine Anordnung von 2 oder mehr Spiegel angewendet wird, welche einen optischen Resonator bilden, wird die Bedingung der Steady-State-Resonanz zu $r_{1} r_{2} r_{3} \dots r_{n} e^{- j \frac{ω ρ}{c}} = 1.$
wobei die Koeffizienten r₁, r₂, r₃,... r_n die Reflektionskoeffizienten der Wellenamplitude für Spiegel 1, Spiegel 2, Spiegel 3, ... Spiegel n sind, welche den Hohlraum definieren; ω ist die Winkelgeschwindigkeit der optischen Welle, λ ist die Wellenlänge der optischen Welle, c ist die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung, $e^{- j} \frac{ω ρ}{c} = 1$
ist die Phasenverschiebung für einen vollen Umlauf um den optischen Resonator mit einer Umlaufdistanz, die als p bezeichnet wird, und ψ_nm ist der Phasenwinkel der „Guoy-Phasenverschiebung“. Die Gleichung der Resonanzbedingung drückt die Bedingungen der Umlaufphasenverschiebung aus, unter denen das System mit größeren elektromagnetischen Amplituden schwingt als wenn die Resonanzbedingung nicht erfüllt wird. Die größeren Amplituden, die während des Erfüllens dieser Resonanzbedingung erzeugt werden, werden erlaubte longitudinale und transversale Modi genannt. zeigt ein Beispiel erlaubter longitudinaler und transversaler Modi. Die in dem optischen Resonator „erlaubten“ longitudinalen und transversalen Modi sind solche, bei denen die Umlaufstrecke im Hohlraum gleich einem ganzzahligen Vielfachen von Wellenlängen ist
Erlaubte longitudinale und transversale Modi können bei einer Vielzahl von Wellenlängen auftreten.
Longitudinale und transversale Modi in einem optischen Resonator können mathematisch auf die folgende Weise beschrieben werden. Die elektromagnetische Amplitude in einem optischen Resonator kann in kartesischen Koordinaten mittels der paraxialen Wellengleichung beschrieben werden: $(\frac{\partial^{2}}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2}}{\partial y^{2}} + 2 j k \frac{\partial}{\partial z}) \tilde{E} (x, y, z) = 0$
wobei Ẽ(x,y,z) = 0 die elektromagnetische Amplitude in dem Hohlraum ist.
Die „Guoy-Phasenverschiebung“, die mit der Tatsache verbunden ist, dass verschiedene longitudinale und transversale Modi Phasen mit verschiedenen Geschwindigkeiten akkumulieren können. Wenn man die longitudinalen und transversalen Modi eines gegebenen optischen Resonators identifiziert werden, können auch die exakten Winkelgeschwindigkeiten (Wellenlängen) gefunden werden, bei denen die Resonanzbedingung erfüllt wird. Die Resonanzwinkelgeschwindigkeiten, einschließlich der Guoy-Phasenverschiebung, der longitudinalen und transversalen Hermite-Gauss-Modi für einen Hohlraum, der aus zwei Spiegeln M₁ und M₂ erzeugt wird, sind gegeben durch eine Vielzahl von Wellenlängen, die beschrieben werden durch: $ω = ω_{q n m} = [q + (n + m + 1) \frac{{cos}^{- 1} \pm \sqrt{g_{1} g_{2}}}{π}] \times \frac{2 π c}{p}$
wobei p ist die Umlaufstrecke in dem optischen Resonator, c ist die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung, und die Parameter „g“ sind gegeben durch: $g_{1} \equiv 1 - \frac{L}{R_{1}} g_{2} \equiv 1 - \frac{L}{R_{2}}$
wobei die Parameter R₁ und R₂ jeweils die Krümmungsradien von Spiegel M₁ und M₂ sind. Die Resonanzwinkelgeschwindigkeiten sind degeneriert hinsichtlich der Indizes n und m durch den Term (n + m + 1)
In Zylinderkoordinaten werden dann die Resonanzwinkelgeschwindigkeiten der longitudinalen und transversalen Laguerre-Gauss-Modi in dem optischen Resonator gegeben durch eine Vielzahl von Wellenlängen, die beschrieben werden durch: $ω = ω_{q p l} = [q + (| l | + 2 p + 1) \frac{{cos}^{- 1} (\pm \sqrt{g_{1} g_{2}})}{π}] \times (\frac{2 π c}{p})$
In diesem Fall sind die Resonanzwinkelgeschwindigkeiten degeneriert hinsichtlich der Indizes / und p durch den Term (I + 2p + 1).
In einer Ausführungsform können elektromagnetische Amplituden bei einer Vielzahl von Wellenlängen angeregt werden unter Verwenden von zwei strahllenkenden Spiegeln zum Erzeugen einer Modusdiskrepanz zwischen dem eingehenden Strahl elektromagnetischer Strahlung und dem optischen Resonator. Die Anzahl erregter erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi steht in Beziehung zum Betrag der Fehlausrichtung zwischen dem eingehenden Strahl elektromagnetischer Strahlung und der Achse des optischen Resonators. Die elektromagnetische Amplitude der longitudinalen und transversalen Modi steht in Beziehung zum Betrag der Fehlausrichtung zwischen dem eingehenden Strahl elektromagnetischer Strahlung und der Achse des optischen Resonators.
Mathematisch gesehen können in dem Falle, dass der optische Resonator Verluste aufweist, die Winkelgeschwindigkeiten, welche die Modi des optischen Resonators bilden, nicht vollständig als Deltafunktionen beschrieben werden. Bei optischen Verlusten kann die elektromagnetische Strahlung in dem optischen Resonator beschrieben werden als Überlagerung einer großen Zahl von Wellen, die durch gleiche Phasenverschiebungen getrennt sind, aber Amplituden aufweisen, welche geometrisch reduziert sind durch den Verlust in dem optischen Resonator. Wegen dieses geometrischen Ausdrucks ist, je höher der Verlust des optischen Resonator, umso breiter der longitudinale und transversale Hohlraummodus in der Frequenzdomäne. Wird eine Vielzahl longitudinaler und transversaler Modi betrachtet, können die überlappenden Frequenzen von zwei oder mehr Modi zu Mode-Beating führen, was in jedem ununterscheidbaren longitudinalen und transversalen Modus zu großen Intensitätsvariationen als Funktionen der Zeit führt. Diese Intermodulationsdistorsion führt zu einer Messung mit mehr Rauschen, unter Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses und der Sensitivität des Systems. Als Beispiel stelle man sich einen optischen Resonator vor, der gleichzeitig in zwei ununterscheidbaren Modi in der Frequenzdomäne oszilliert. Die Indizes dieser Modi sind q₁n₁m₁ und q₂n₂m₂. Die gesamte Ausgangsleistung aus dem Hohlraum, die mit diesen zwei ununterscheidbaren Modi assoziiert ist, kann geschrieben werden als: $i (t) = I_{01} + I_{02} + I_{12} cos [(ω_{2} - ω_{1}) t + ϕ_{12}]$
wobei I₀₁, und I₀₂ die DC-Intensitäten eines jeden separaten Modus sind, plus einem Kreuzprodukt oder Schlagfrequenzterm I₁₂ cos[(ω₂-ω₁)t+ϕ₁₂] zwischen den zwei Signalen. Wenn beide Modi exakt die gleiche Frequenz aufweisen wie im degenerativen Fall, dann gilt (ω₂ - ω₁) = 0 und i(t) ist nicht zeitabhängig. Wenn jedoch (ω₂ - ω₁) ≠ 0, dann gibt es eine zeitabhängige Variation der Gesamtintensität i(t) mit einer Periode, die definiert wird durch die Frequenztrennung der zwei Modi. Diese zeitabhängige Variation würde zu unerwünschtem Rauschen bei der Intensitätsmessung führen und dadurch Einfluss auf die Leistung nehmen. Die angeregten longitudinalen und transversalen Modi bilden eine Teilmenge der erlaubten longitudinalen und transversalen optischen Hohlraummodi, die, außer im degenerativen Fall, nicht in der Frequenzdomäne überlappen und/oder keine Modenschwebung (Mischen von Produkten) erzeugt und/oder die Modenschwebung in der Frequenzdomäne minimiert.
Lasertuning
Wie vorher für eine Ausführungsform beschrieben, erzeugt der Laser einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um mit einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können. Für mindestens einige Ausführungsformen wird jeder longitudinale und transversale Modus des optischen Resonators angeregt, wenn elektromagnetische Strahlung, die in den optischen Resonator 220 eingeht, die Resonanzbedingungen des optischen Resonators erfüllt, einschließlich der Anregungswellenlänge.
Mindestens einige Ausführungsformen schließen einen kontinuierlichen Laserstrom und/oder Temperaturtuning ein. Speziell werden in einer Ausführungsform der Laserstrom und/oder die Lasertemperatur über einen Bereich von Strömen und/oder Temperaturen variiert, wodurch verursacht wird, dass der Laser elektromagnetische Energie über einen Bereich verschiedener Wellenlängen (Frequenzen) ausstrahlt. Für eine Ausführungsform sind diese Variationen des Stroms und/oder der Temperatur periodisch und können beschrieben werden mittels linearer (wie zum Beispiel eine Dreieckswelle in ), sinus- oder nicht sinusförmige Wellenformen; dies führt zu Variationen der Laserwellenlänge. Durch Variieren der Wellenlänge wird eine Vielzahl longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt. zeigt ein Beispiel für eine dreieckige Wellenform, die verwendet wird, um eine Wellenlänge des Laser abzustimmen, gemäß einer Ausführungsform. Das heißt, zeigt ein Beispiel für größere und geringere elektromagnetische Intensitäten bei einer Vielzahl von Wellenlängen, während die Laserwellenlänge unter Verwenden einer dreieckigen Wellenform variiert wird.
Mindestens einige Ausführungsformen schließen ein Abstimmen diskreter Laserströme ein. Speziell in einer Ausführungsform wird der Laserstrom variiert unter Verwenden einer Sequenz von Stromschritten. Diese diskreten Stromschritte führen zu diskreten Schritten in der Laserwellenlänge. Durch Abtreppung der Wellenlänge wird eine Vielzahl longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi aktiviert. zeigt ein Beispiel für diskrete Schritte, die verwendet werden, um die Wellenlänge des Laser zu ändern, gemäß einer Ausführungsform. Speziell zeigt ein Beispiel für größere und geringere elektromagnetische Intensitäten, während die Laserwellenlänge unter Verwenden diskreter Schritte variiert wird.
Für mindestens einige Ausführungsformen basiert das Erkennen der Substanz auf einer Variation der Form einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase, oder einer Amplitude und Phase der longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Modi der erfassten elektromagnetischen Strahlung.
Wenn ein optischer Verlust eingeführt wird, resonieren die longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodi nicht länger bei einer einzigen Frequenz. zeigt ein Beispiel für das Summieren von Flächen unterhalb eines jeden longitudinalen und transversalen Modus, gemäß einer Ausführungsform. Speziell zeigt , dass jeder longitudinale und transversale elektromagnetische Strahlungsmodus eine Intensitätsvariation in der Frequenzdomäne aufweist. In einer Ausführungsform liefert das Integrieren über die angeregte Intensität bei einer Vielzahl von Wellenlängen Informationen über den Verlust des optischen Resonators. Die Hermite-Gauss-Modi können verwendet werden, um die elektromagnetischen Amplituden in dem Hohlraum zu beschreiben. zeigt einen Plot 910, der ein Beispiel longitudinaler Modi darstellt, von denen jeder mehrere transversale Modi enthält, gemäß einer Ausführungsform. Speziell zeigt der Plot 910 der ein Beispiel für eine Vielzahl von longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Hermite-Gauss-Strahlungsmodi. In diesem Beispiel sind drei Sätze longitudinaler Modi, q, von denen jeder mehrere transversale Modi enthält, angeregt worden. Jeder Modus wird als TEMnm bezeichnet, wobei die ganze Zahl n der x-Koordinatenindex und die ganze Zahl m der y-Koordinatenindex ist. Durch Vergleichen der Intensitäten bei der Vielzahl von Wellenlängen mit der Theorie, können die longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodi identifiziert und die Peakintensität für jeden bestimmt werden.
In einer Ausführungsform wird die Laserwellenlänge variiert, um eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi zu aktivieren, und es wird mindestens eine Intensität, eine Amplitude, eine Phase, oder eine Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung bestimmt, welche aus dem optischen Resonator ausgestrahlt wird. Das sich wiederholende Muster kann verwendet werden, um jeden Modus eindeutig zu identifizieren und die gemessene elektromagnetische Strahlung mit einem jeden longitudinalen und transversalen Modus zu assoziieren.
In einer anderen Ausführungsform wird die Laserwellenlänge variiert, um eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi zu aktivieren, und es wird mindestens eine Intensität, eine Amplitude, eine Phase, oder eine Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung bestimmt, welche aus dem optischen Resonator ausgestrahlt wird. Die Amplitude der Abstimmspannung kann verwendet werden, um jeden Modus eindeutig zu identifizieren und die gemessene elektromagnetische Strahlung mit einem jeden longitudinalen und transversalen Modus des optischen Resonators zu assoziieren.
Für mindestens einige Ausführungsformen schließt das Erkennen der Substanz das Summieren mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase, oder einer Amplitude und Phase der erlaubten longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Modi der erfassten elektromagnetischen Strahlung ein. Weil die elektromagnetische Strahlung in einem optischen Resonator reguliert wird durch optischen Verluste und wobei der Hohlraumdetektor die elektromagnetische Strahlung erfasst, die aus dem optischen Resonator ausgestrahlt wird, kann der Hohlraumdetektor eine Messung des optischen Verlusts im Hohlraum liefern, und mindestens eine Intensität, eine Amplitude, eine Phase, oder eine Amplitude und Phase eines jeden angeregten longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus kann gemessen werden. Zum Beispiel können Informationen über den Verlust des optischen Resonators erhalten werden durch Summieren der Peaks der identifzierten longitudinalen und transversalen Modi des optischen Resonators über eine Vielzahl von Wellenlängen. zeigt einen Plot 1010 und eine Tabelle 1020, welche ein Beispiel für das Summieren der Peakamplitudenmessungen longitudinaler und transversaler Modi beschreiben, die mit einem Hohlraumdetektor durchgeführt worden sind, gemäß einer Ausführungsform. Für mindestens einige Ausführungsformen schließt das Summieren einen oder mehrere der gemessenen angeregten erlaubten longitudinalen und transversalen Modi des optischen Resonators ein.
Mindestens einige Ausführungsformen schließen einen zweiten Normierungsdetektor (wie zum Beispiel den Normierungsdetektor 261), ein, der elektromagnetische Strahlung erfasst, die von dem Eingang zum optischen Resonator weg reflektiert wird, wobei der Prozessor weiterhin betrieben wird, um die erfasste elektromagnetische Strahlung zu überwachen, welche von dem Eingang zum optischen Resonator weg reflektiert wird. Um die Intensität der elektromagnetischen Strahlung darzustellen, die in den optischen Resonator eingeht, kann der Strahl, der vom Eingang zum optischen Resonator reflektiert wird, überwacht werden. 1 zeigt ein Beispiel für ein Blockdiagramm, das einen Referenzsubstanzdetektor 263 und einen Normierungsdetektor 261 gemäß einer Ausführungsform einschließt. In dieser Ausführungsform wird die elektromagnetische Strahlung vom Laser (Strahl vom Hohlrauminjektionssystem) in den optischen Resonator 220 gelenkt. Ein Teil dieser elektromagnetischen Strahlung passiert den teilweise reflektierenden Eingangsspiegel 223 des Hohlraums, während ein anderer Teil von dem Eingangsspiegel 223 des Hohlraums weg reflektiert wird. Die elektromagnetische Strahlung, welche von dem Eingangsspiegel 223 des Hohlraums weg reflektiert wird, wird zum teilweise reflektierenden Strahlteiler 260 transportiert. An dem Strahlteiler 260 wird ein Teil der elektromagnetischen Strahlung durch den Strahlteiler 260 geleitet und von dem Fotodetektor, zum Beispiel dem Normierungsdetektor 261, erfasst. Es muss eine Strahlnormierungsmessung des Normierungsdetektors 261 bei Wellenlängen durchgeführt werden, bei denen der optische Resonator 220 nicht resoniert. Wenn der optische Resonator 220 nicht resoniert, ist die elektromagnetische Strahlung, die von dem Normierungsdetektor 261 erfasst wird, proportional zur elektromagnetischen Strahlung, welche in den optischen Resonator 220 eingeht.
Für mindestens einige Ausführungsformen wird der Prozessor 240 weiterhin betrieben zum Berücksichtigen von Wirkungen von Änderungen der elektromagnetischen Strahlung, die aus dem optischen Resonator 220 ausgestrahlt wird, die verursacht werden durch Änderungen einer Intensität, Amplitude, Phase, oder Amplitude und Phase der elektromagnetischen Strahlung, die in den optischen Resonator 220 eintritt, einschließend das Messen der Intensität, Amplitude, Phase, oder Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die vom Eingang des optischen Resonators 220 reflektiert wird, und Korrigieren der elektromagnetischen Strahlung, die von dem Resonator ausgestrahlt wird, auf Grundlage von Intensität, Amplitude, Phase, oder Amplitude und Phase, die vom Normierungsdetektor 261 gemessen wurden.
zeigt eine Berechnung der Intensität, die von dem Normierungsdetektor 261 erfasst wird, gemäß einer Ausführungsform. Speziell in dieser Ausführungsform wird die elektromagnetische Strahlung, die von dem Eingangsspiegel des optischen Resonators weg reflektiert wird, überwacht mittels des Normierungsdetektors 261, während die Laserwellenlänge variiert wird. Wenn die Laserfrequenz geändert wird, geht der optische Resonator in und aus den Resonanzzuständen des optischen Resonators und wiederholt das Muster für jeden freien Spektralbereich des optischen Resonators. Wenn keine Resonanz vorliegt, ist die Intensität der elektromagnetischen Strahlung am Normierungsdetektor 261 proportional zur Strahlintensität, die in den Hohlraum eingeht, und ist daher ein Monitorsignal für die Lichtintensität, welche in den optischen Resonator 220 eingeht.
In einer Ausführungsform können, durch Vergleichen des Ausgangs des Hohlraumdetektors mit dem Ausgang des Normierungsdetektors 261, Korrekturen durchgeführt werden für die Änderungen der elektromagnetischen Strahlung aus dem optischen Resonator 220, die verursacht werden durch Änderungen der Intensität der elektromagnetischen Strahlung, welche in den optischen Resonator 220 eingeht.
Für mindestens einige Ausführungsformen wird der Prozessor weiterhin betrieben zum Abstimmen der Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung auf Grundlage des Überwachens der elektromagnetischen Strahlung, die aus einer Referenzsubstanz austritt, wobei mindestens ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, die am Eingang zum optischen Resonator reflektiert wird, durch die Referenzsubstanz geleitet wird, und wobei die Referenzsubstanz ausgewählt wird, um sicherzustellen, dass eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung einer Frequenz entspricht, an der eine Absorption der Substanz gemessen wird.
In einer Ausführungsform geht der Strahl elektromagnetischer Strahlung des Lasers in den optischen Resonator 220 ein durch den teilweise reflektierenden Eingangsspiegel 223 des Hohlraums. Ein Teil dieser elektromagnetischen Strahlung passiert den teilweise reflektierenden Eingangsspiegel 223 des optischen Resonators, während ein anderer Teil von dem Spiegel 223 weg reflektiert wird. Die elektromagnetische Strahlung, welche von dem Eingangsspiegel 223 des Hohlraums weg reflektiert wird, wird zum teilweise reflektierenden Strahlteiler 260 transportiert. An diesem Strahlteiler 260 wird ein Teil der elektromagnetischen Strahlung weg vom Strahlteiler 260 reflektiert und wird durch die Referenzsubstanz 262 gelenkt und von dem Referenzsubstanzdetektor 263, wie in den und gezeigt, erfasst.
Für eine Ausführungsform weist die Referenzsubstanz genug Referenzspezies von Interesse auf, um eine Absorptionsmessung möglich zu machen und muss hinreichend Weglänge haben, um eine Absorptionsmessung durchzuführen.
Der Prozessor 240 empfängt die Informationen der von dem Referenzsubstanzdetektor 263 erfassten elektromagnetischen Strahlung und wird weiterhin betrieben zum Abstimmen der Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung durch Einstellen der Laserrampen-Offset-Spannung, sodass die mittlere Laserrampen-Spannung einer Wellenlänge entspricht, die konsistent ist mit der Absorptionswellenlänge der interessierenden Substanz. Dadurch wird sichergestellt, dass der Laser auf die Wellenlänge des Absorptionsmerkmals zentriert wird und somit auf die Absorbanz der interessierenden Substanz zentriert ist. zeigt ein Absorptionsspektrum für Methan bei Messung bei Atmosphärendruck, gemäß einer Ausführungsform.
Für mindestens einige Ausführungsformen, wie in dem Fall einer Normierungsbestimmung, erfordert die Bestimmung einer gültigen Referenzsubstanz, dass die Messung durchgeführt wird, wenn der optische Resonator 220 nicht resoniert. Für eine Ausführungsform wird diese Anforderung wieder erfüllt durch die Auswahl von Laserfrequenzen, bei denen der optische Resonator nicht resoniert. Für eine Ausführungsform wird dies erfüllt durch Überwachen des Signals am Hohlraumdetektor 230 und durch Auswählen von Laserfrequenzen, bei denen keine Resonanzen des optischen Resonators auftreten.
zeigt ein Beispiel eines Referenzzelldetektorsignals, wenn die durchschnittliche Laserauslaufspannung der Peakwellenlänge des Referenzabsorbanzmerkmals entspricht, gemäß einer Ausführungsform. Speziell wird das berechnete Referenzsubstanzdetektorsignal in dargestellt, wenn die mittlere Laserrampen-Spannung der Peakwellenlänge des Methanabsorbanzmerkmals entspricht.
Für mindestens einige Ausführungsformen wird der Prozessor weiterhin betrieben, um den Strahl elektromagnetischer Strahlung über die Vielzahl von Wellenlängen ein- oder mehrmals abzustimmen und die Informationen zu speichern, welche mit der erfassten elektromagnetischen Strahlung bei der Vielzahl von Wellenlängen in Beziehung stehen. Für mindestens einige Ausführungsformen wird der Prozessor weiterhin betrieben, um die aufgezeichneten Informationen, die mit der erfassten elektromagnetischen Strahlung in Beziehung stehen, für jede der Vielzahl von Wellenlängen über das eine oder die mehreren Male zu summieren. Für mindestens einige Ausführungsformen wird der Prozessor betrieben zum Identifizieren sich wiederholender Muster in der aufgezeichneten Information, die mit der erfassten elektromagnetischen Strahlung für jede der Vielzahl von Wellenlängen über das eine oder die mehreren Male in Beziehung steht. Für mindestens einige Ausführungsformen wird der Prozessor betrieben zum Erkennen einer Menge der Substanz auf Grundlage der identifizierten sich wiederholenden Muster in der summierten aufgezeichneten Information, die mit der erfassten elektromagnetischen Strahlung für jede der Vielzahl von Wellenlängen über das eine oder die mehreren Male in Beziehung steht.
Mehr Informationen zum optischen Verlust können erhalten werden durch das mehrfache Abstimmen des Lasers auf dieselbe Vielzahl von Wellenlängen. Die und beschreiben die Laserkontrollsystemsignale, in denen der Prozessor 240 betrieben wird, um wiederholt den Strahl elektromagnetischer Strahlung über dieselbe Vielzahl von Wellenlängen mehrfach abzustimmen. Für eine Ausführungsform wird der Prozessor 240 weiterhin betrieben, um die Intensität des empfangenen Ausgangs bei der Vielzahl von Wellenlängen bei jeder der Vielzahl von Wellenlängen jedes der mehreren Male aufzuzeichnen. Für eine Ausführungsform wird der Prozessor 240 weiterhin betrieben, um die für jede der Vielzahl von Wellenlängen über die mehrfachen Male aufgezeichnete Intensität zu summieren. Für eine Ausführungsform wird der Prozessor weiterhin betrieben, um sich wiederholende Muster in der summierten aufgezeichneten Intensität für jede der Vielzahl von Wellenlängen über die mehrfachen Male zu identifizieren. Für eine Ausführungsform wird der Prozessor weiterhin betrieben, um die Menge der Substanz zu bestimmen auf Grundlage der identifizierten Muster in der summierten aufgezeichneten Intensität für jede der Vielzahl von Wellenlängen über die mehrfachen Male.
Für eine Ausführungsform schließt der Hohlraum einen optischen Resonator 220 ein, wobei der optische Resonator 220 zwei oder mehr Spiegel umfasst, die den optischen Resonator bilden, wobei der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt; wobei aufeinanderfolgende Reflektionen der elektromagnetischen Strahlung an jedem der zwei oder mehr Spiegel an einem gemeinsamen physischen Ort auftreten.
Für eine Ausführungsform wird der Strahl elektromagnetischer Strahlung ausgewählt, um sicherzustellen, dass ein longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Modus bei einer beliebigen der Vielzahl von Wellenlängen vorherrscht.
Für mindestens einige Ausführungsformen empfängt der Prozessor Informationen von einem oder mehreren Detektoren in Bezug auf einen Teil des Strahls elektromagnetischer Strahlung, der nicht in den Hohlraum eingeht, wobei die Detektoren (261, 263) in einer physischen Konfiguration angeordnet werden, sodass die Informationen, die sie zusammen mit der erfassten (vom Hohlraumdetektor 260 erfassten) elektromagnetischen Strahlung bereitstellen, die aus dem optischen Resonator ausgestrahlt wird, den Messbereich der bestimmbaren Substanz erhöhen, wobei das erfasste Signal zusammen mit dem Hohlraumdetektor den Messbereich der bestimmbaren Substanz erhöht. Speziell werden die Informationen, die aus dem Hohlraumdetektor und von dem einem oder den mehreren Detektoren empfangen werden, verwendet zum Erkennen der Substanz.
Für eine Ausführungsform ist die Menge der bestimmten Substanz durch den Hohlraumdetektor und die Kapazität des Prozessors zum Messen angeregter erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi beschränkt, wenn der Großteil der elektromagnetischen Strahlung im Hohlraum von der Substanz absorbiert wird. Informationen von einem oder mehreren Detektoren, welche elektromagnetische Strahlung erfassen, die nicht in den Hohlraum eingeht, können verwendet werden zum Bestimmen der Substanz, wenn eine Substanz den Großteil der elektromagnetischen Strahlung im Hohlraum absorbiert. Kombinieren der Informationen vom Hohlraumdetektor und der Informationen von dem einen oder den mehreren Detektoren, welche elektromagnetische Strahlung erfassen, die nicht in den Hohlraum eingeht, kann den Messbereich der bestimmbaren Substanz erhöhen.
Zurückverweisend auf und wie vorher angegeben sind mindestens einige Ausführungsformen konfiguriert zum Erhöhen der Menge der erkannten Substanz. Der Messbereich ist durch eine Anzahl von Faktoren wie Hohlraumsättigung, dynamischer Bereich des Hohlraumdetektors und Analog-zu-Digital-Wandler beschränkt. Das Ziel des Hohlraumsystems besteht darin, die Substanzerkennung bei sehr geringen Konzentrationen wie 1 bis 1000 ppm zu verbessern. Um den Messbereich auf höhere Werte auszudehnen, können die Detektoren außerhalb des Hohlraums verwendet werden.
Die Substanz absorbiert elektromagnetische Strahlung außerhalb des Hohlraums in den Strahlengängen eines Strahlteilers 260 und einer Referenzsubstanz 262. Wie gezeigt sind für eine Ausführungsform die Detektoren in einer physischen Konfiguration angeordnet, sodass die Propagationslänge des Weges vom Strahlteiler 260 zum Normierungsdetektor 261 und der Weg vom Strahlteiler 260 zum Referenzsubstanzdetektor 263 verschieden sind; daher können die Informationen von Normierungsdetektor 261 und vom Referenzsubstanzdetektor 263 verwendet werden, um die Menge an Substanz zu bestimmen, die durch Messen außerhalb des Hohlraums bestimmt wird.
Der Hohlraum 220 verbessert die Messsensitivität durch Hinzufügen von Verstärkung zum System zum Messen der Substanz bei sehr geringen Konzentrationen. In Abwesenheit des Hohlraums 220 kann die Substanz bei höheren Konzentrationen bestimmt werden. Durch Kombinieren der Informationen, die aus dem Hohlraum 220 und dem Hohlraumdetektor 230 abgeleitet werden, mit Informationen von außerhalb des Hohlraums durch den Normierungsdetektor 261 und den Referenzsubstanzdetektor 263 kann der Konzentrationsbereich der Substanz erweitert werden.
ist ein Flussdiagramm, das Schritte einer Methode zur Datenmessung gemäß einer Ausführungsform einschließt. Ein erster Schritt 1610 schließt das Erzeugen, durch eine abstimmbare Lichtquelle, eines Strahls elektromagnetischer Strahlung ein, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um mit einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können. Ein zweiter Schritt 1620 schließt das Empfangen, durch einen optischen Resonator, des Strahls elektromagnetischer Strahlung ein, wobei die physikalischen Eigenschaften des optischen Resonators eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi definiert, wobei nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt wird, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt. Ein dritter Schritt 1630 schließt das Erfassen, durch einen Hohlraumdetektor, von elektromagnetischer Strahlung ein, die von dem optischen Resonator ausgestrahlt wird. Ein vierter Schritt 1640 schließt das Empfangen, durch einen Prozessor, von Information ein, die sich auf die erfasste elektromagnetische Strahlung bezieht. Ein fünfter Schritt 1650 schließt das Erkennen der Substanz in dem optischen Resonator auf Grundlage von mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung ein, die von dem optischen Resonator ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt. Wie vorher für mindestens einige Ausführungsformen beschrieben, basiert das Erkennen der Substanz auf einer Variation in der Form einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase, oder einer Amplitude und Phase der longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Modi der erfassten elektromagnetischen Strahlung. Wie vorher für mindestens einige Ausführungsformen beschrieben, umfasst das Erkennen der Substanz das Summieren mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase, oder einer Amplitude und Phase der longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Modi der erfassten elektromagnetischen Strahlung.
Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Erfassen, durch einen Normierungsdetektor, der elektromagnetischen Strahlung ein, die an einem Eingang zum optischen Resonator reflektiert wird, wobei der Prozessor weiterhin betrieben wird zum Überwachen der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die am Eingang zum optischen Resonator reflektiert wird. Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Berücksichtigen von Wirkungen von Änderungen der elektromagnetischen Strahlung ein, die aus dem Resonator ausgestrahlt wird, die verursacht werden durch Änderungen einer Intensität, Amplitude, Phase, oder Amplitude und Phase der elektromagnetischen Strahlung, die in den Resonator eintritt, umfassend das Messen der Intensität, Amplitude, Phase, oder Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die vom Eingang des optischen Resonators reflektiert wird, und Korrigieren der elektromagnetischen Strahlung, die von dem Resonator ausgestrahlt wird, auf Grundlage der gemessenen Intensität.
Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Abstimmen der Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung auf Grundlage des Überwachens einer elektromagnetischen Referenzstrahlung, die aus einer Referenzsubstanz austritt, wobei mindestens ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, die am Eingang zum optischen Resonator reflektiert wird, durch die Referenzsubstanz geleitet wird, und wobei die Referenzsubstanz ausgewählt wird, um sicherzustellen, dass eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung einer Frequenz entspricht, an der eine Absorption der Substanz gemessen wird.
Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Abstimmen des Strahls elektromagnetischer Strahlung über die Vielzahl von Wellenlängen ein oder mehrere Male und das Aufzeichnen der erfassten elektromagnetischen Strahlung bei der Vielzahl von Wellenlängen ein. Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Summieren der aufgezeichneten erfassten elektromagnetischen Strahlung für jede der Vielzahl von Wellenlängen über das eine oder die mehreren Male ein. Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Identifizieren sich wiederholender Muster in der aufgezeichneten erfassten elektromagnetischen Strahlung für jede der Vielzahl von Wellenlängen über das eine oder die mehreren Male ein. Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Erkennen einer Menge der Substanz auf Grundlage der identifizierten sich wiederholenden Muster in der summierten aufgezeichneten erfassten elektromagnetischen Strahlung für jede der Vielzahl von Wellenlängen über das eine oder die mehreren Male ein.
Wie vorher beschrieben schließen mindestens einige Ausführungsformen das Empfangen, durch den Prozessor, von Information von einem oder mehreren Detektoren, die sich auf einen Teil des Strahls elektromagnetischer Strahlung beziehen, der nicht in den Resonator eintritt ein, wobei die Information, die von dem Hohlraumdetektor empfangen wird, und die Information, die von einem oder mehreren Detektoren empfangen wird, verwendet werden zum Erkennen der Substanz.
Obwohl spezifische Ausführungsformen beschrieben und dargestellt worden sind, sind die Ausführungsformen nicht auf die spezifischen Formen und Anordnungen der so beschriebenen und dargestellten Teile beschränkt. Die beschriebenen Ausführungsformen sind nur durch die Patentansprüche begrenzt.

Claims

System zum Bestimmen einer Substanz, umfassend: eine abstimmbare Lichtquelle (110, 210), wobei die abstimmbare Lichtquelle einen Strahl elektromagnetischer Strahlung erzeugt, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um mit einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können; einen optischen Resonator (120, 220), wobei der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, wobei physikalische Eigenschaften des optischen Resonators eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi definieren, wobei nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt wird, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt; einen Hohlraumdetektor (130, 230), wobei der Hohlraumdetektor elektromagnetische Strahlung erfasst, die von dem optischen Resonator (120, 220) ausgestrahlt wird; einen Prozessor (140, 240), der betrieben wird zum: Empfangen von Information, welche die erfasste elektromagnetische Strahlung betrifft; Erkennen der Substanz in dem optischen Resonator (120, 220) auf Grundlage von mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die von dem optischen Resonator (120, 220) ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, wobei der optische Resonator (120, 220) eine Taillengröße und eine Taillenposition umfasst, und wobei eine Taillengröße oder Taillenposition des Strahls elektromagnetischer Strahlung im transversalen Strahlungsmodus nicht übereinstimmt mit der Taillengröße und/oder der Taillenposition des optischen Resonators (120, 220), und dabei die Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi anregt, wenn der optische Resonator (120, 220) den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, und wobei die Teilmenge mehr als einen longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus umfasst.
Methode zum Bestimmen einer Substanz, umfassend: Erzeugen, durch eine abstimmbare Lichtquelle (110, 210), eines Strahls elektromagnetischer Strahlung, wobei eine Wellenlänge des Strahls elektromagnetischer Strahlung abgestimmt wird, um mit einer Vielzahl von Wellenlängen betrieben werden zu können; Empfangen, durch einen optischen Resonator (120, 220), des Strahls elektromagnetischer Strahlung, wobei physikalische Eigenschaften des optischen Resonators eine Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi definieren, wobei nur eine Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi angeregt wird, wenn der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt; Erfassen, durch einen Hohlraumdetektor (130, 230), von elektromagnetischer Strahlung, die von dem optischen Resonator (120, 220) ausgestrahlt wird; Empfangen, durch einen Prozessor (140, 240), von Information, die sich auf die erfasste elektromagnetische Strahlung bezieht; Erkennen der Substanz in dem optischen Resonator (120, 220) auf Grundlage von mindestens einer Intensität, einer Amplitude, einer Phase oder einer Amplitude und Phase der erfassten elektromagnetischen Strahlung, die von dem optischen Resonator (120, 220) ausgestrahlt wird, bei einer oder mehreren der Vielzahl von Wellenlängen, während der optische Resonator den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, wobei der optische Resonator (120, 220) eine Taillengröße und eine Taillenposition umfasst, und wobei eine Taillengröße oder Taillenposition des Strahls elektromagnetischer Strahlung im transversalen Strahlungsmodus nicht übereinstimmt mit der Taillengröße und/oder der Taillenposition des optischen Resonators (120, 220), und dabei die Teilmenge der Vielzahl erlaubter longitudinaler und transversaler elektromagnetischer Strahlungsmodi anregt, wenn der optische Resonator (120, 220) den Strahl elektromagnetischer Strahlung empfängt, und wobei die Teilmenge mehr als einen longitudinalen und transversalen elektromagnetischen Strahlungsmodus umfasst.