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Diese Erfindung betrifft die Erfassung
von Chemikalien in einer Probe, z. B. einen selbstverriegelnden
optischen Hohlraum, der ansprechend auf das Vorhandensein eines
chemischen Analyts ein optisches Signal erzeugt.
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Die Empfindlichkeit und der Dynamikbereich von
optischen Techniken machen dieselben gut geeignet für eine Verwendung
bei chemischen Erfassungssystemen. Folglich sind nun einige Erfassungsvorrichtungen
erhältlich,
die diese Eigenarten zu verwenden versuchen.
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Bei einem jeglichen optischen Erfassungssystem
ist die Lichtquelle eine kritische Komponente. Bei einem Auswählen einer
Lichtquelle muß der
Entwickler typischerweise einen Kompromiß zwischen den oft in Konflikt
stehenden Anforderungen hoher optischer Leistungspegel, hoher Effizienz,
geringen Kosten, geringer Größe und struktureller
Festigkeit eingehen. Eine besonders vorteilhafte Entwicklung in dieser
Hinsicht besteht darin, daß ein
Fortschritt in einer Festkörpertechnologie
zu der Miniaturisierung kohärenter
Lichtquellen von Metern (wie beispielsweise Argonionen- oder Helium-Neon-Laser)
zu Mikrometern (wie beispielsweise oberflächenemittierende Quantenmuldenlaserdioden)
geführt
hat. Zum Beispiel sind nun Festkörperdiodenlaser
mit Ausgangsleistungen im Handel erhältlich, die in einem Größenordnungsbereich
von Milliwatt bis Watt liegen. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung
ist in Parke, R., u. a., „2.0
W cw, diffraction-limited Operation of a monolithically integrated
master oscillator power amplifier," IEEE Photon. Tech. Lett., 5, S. 297–300, (1993)
beschrieben.
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Während
die Wandsteckdoseneffizienz von Diodenlasern hoch ist, erfordern
Quellen, die viele Watt an optischer Leistung direkt erzeugen, oft
viel mehr Watt an elektrischer Leistung, nur um dieselben zu kühlen. Bei
einer Erfassungs anwendung muß daher
die Anforderung mehrerer Watt an optischer Leistung mit dem Wunsch
nach einer kompakten und tragbaren Vorrichtung ins Gleichgewicht
gebracht werden, die lediglich einen geringen Betrag an elektrischer
Leistung verbraucht.
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Eine Lösung für dieses Problem stützt sich auf
ein Verwenden von Licht, das im Inneren eines optischen Hohlraums
gefangen ist. Ein optischer Hohlraum oder Resonator umfaßt zwei
oder mehrere verspiegelte Oberflächen,
die angeordnet sind, so daß einfallendes
Licht eingefangen werden kann, wobei dasselbe zwischen den Spiegeln
hin und her springt. Auf diese Weise kann das Licht im Inneren des
Hohlraums viele Größenordnungen
intensiver sein als das einfallende Licht. Diese allgemeine Lösung ist
gut bekannt und wurde auf verschiedene Weisen verwertet, wie beispielsweise
für eine
nichtlineare Frequenzumwandlung (siehe zum Beispiel Yariv A., Introduction
to Optical Electronics, 2. Ausg., Holt, Rinehart und Winston, New
York, 1976, Kapitel 8) und am häufigsten
für eine
Spektroskopie, wie es in Demtroder, W., Laser Spectroscop y, Springer-Verlag,
Berlin, 1982, S. 390–395,
beschrieben ist.
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Die Erweiterung dieser Lösung auf
ein chemisches Erfassen stützt
sich auf die Wechselwirkung des im Inneren des Hohlraum befindlichen
Lichts und des chemischen Analyts, um ein optisches Signal zu erzeugen.
Gewöhnlich
kann das optische Signal kohärent
oder inkohärent
sein und muß nicht
notwendigerweise auf der gleichen Frequenz wie das im Inneren des
Hohlraums befindliche Licht sein. Der Betrag des optischen Signals
ist durch die Menge des vorhandenen chemischen Analyts und die Intensität des im
Inneren des Hohlraums befindlichen Lichts bestimmt. Diese Technik
wurde auf eine Gasüberwachung
angewandt, wo das optische Signal durch eine spontane Raman-Streuung
erzeugt wird. Siehe z. B.U.S.-Patent
Nummer 4,648,714, „Molecular
Gas Analysis by Raman Scattering in Intracavity Laser Configuration", Benner, u. a.,
10. März
1987.
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Bei allen der vorhergehend erwähnten Verfahren
befindet sich das optische Gewinnmedium (wie z. B. eine Helium-Neon-Entladungsröhre) im
Inneren des optischen Hohlraums. Bei einem typischen Diodenlaser
sind die Hohlraumspiegel direkt auf das Diodengewinnmedium selbst
aufgebracht. Bei einigen Anwendungen jedoch, wie beispielsweise
einer Frequenzabstimmung und einer Linienbreitenverschmälerung,
sind eine oder beide der Facetten der Diode antireflexionsbeschichtet
und die Diode wird im Inneren eines optischen Hohlraums betrieben,
der durch Spiegel definiert ist, die außerhalb der Diode liegen. Während ein
Diodengewinnmedium innerhalb eines derartigen Hohlraums betrieben
werden kann, begrenzt die niedrige Beschädigungsschwelle der Emissionsfacette
der Diode die Größe eines
Leistungsaufbaus stark. In anderen Worten, falls die Diode innerhalb
des Hohlraums plaziert ist, darf sich die Leistung nicht so sehr
aufbauen, daß die
Diode selbst beschädigt
wird, zugleich ist die maximal zulässige Leistung oft zu gering,
um effiziente und einfache Erfassungsschemata zuzulassen.
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Um diese Begrenzung zu überwinden,
während
immer noch ein großes
optisches Feld erzeugt wird, kann der Diodenlaser außerhalb
eines getrennten, eine hohe Finesse aufweisenden optischen Hohlraums
plaziert werden, in dem die Diodenlaserstrahlung eingefangen wird.
Dieser getrennte Hohlraum wird im folgenden als ein „Aufbau"-Hohlraum bezeichnet.
Diodenlaser emittieren jedoch eine kohärente Strahlung mit einer optischen
Bandbreite, die viel größer ist
als dieselbe eines eine hohe Finesse aufweisenden Aufbauhohlraums.
Um eine wesentliche Verstärkung
einer Diodenlaserstrahlung in einem Aufbauhohlraum zu erreichen,
muß der
Diodenlaser gezwungen werden, eine kohärente Strahlung mit einer Linienbreite
zu emittieren, die derselben des Hohlraums nahekommt oder mit derselben übereinstimmt.
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Es gibt einige gut bekannte Techniken
zum Reduzieren der Bandbreite von Diodenlasern. Zum Beispiel kann
eine aktive, gesamtelektronische Frequenzverriegelung von Diodenlasern
verwendet werden. Diese Technik erfordert jedoch sehr schnelle Servoeinrichtungen
mit Bandbreiten bis zu und sogar größer als 20 MHz und einen hohen
Grad an optischer Isolation des Diodenlasers von dem Hohlraum. Eine
passive Verriegelung weist gegenüber
einer aktiven, gesamtelektronischen Verriegelung wichtige Vorteile
auf; zum Beispiel ist die notwendige elektronische Steuerung stark
reduziert, besonders falls eine Schmalbandstrahlung erforderlich
ist, und optische Tsolatoren werden evtl. nicht benötigt.
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Alternativ kann eine wesentliche
Linienbreitenreduzierung mit optischen Rückkopplungsschemata erreicht
werden. Zum Beispiel berichteten Dahmani u. a., in „Frequency
stabilization of semiconductor lasers by resonant optical Feedback", Opt. Lett., 12,
S. 876–878
(1987) über
eine passive optische Verriegelung eines Diodenlasers mit einem
Aufbauhohlraum. Bei dieser Technik wird Licht aus einem Diodenlaser
in einen Aufbauhohlraum geleitet und, falls die Lichtfrequenz an
eine Hohlraumresonanzfrequenz angepaßt ist, wird das Licht dann
eingefangen. Ein Abschnitt des eingefangenen Lichts wird dann zurück in den
Diodenlaser geleitet, um als ein passiver Rückkopplungsmechanismus zu wirken,
der die Freguenz des eine geringe Finesse aufweisenden Diodenlasers
mit derselben des eine hohe Finesse aufweisenden Aufbauhohlraums
verriegelt.
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Tanner u. a., in „Atomic beam collimation using
a laser diode with a self-locking power buildup cavity", Opt. Lett., 13,
S. 357–359
(1988) beschreiben einen selbstverriegelnden Leistungsaufbauhohlraum,
der tausendfach mehr Licht im Inneren des Hohlraums erzeugt, als
einfiel, aber dieselben verwerten dieses intensive, im Inneren des
Hohlraums befindliche Lichtfeld lediglich zu einem optischen Pumpen
von Caesiumatomen. Diese Technik wurde jedoch in jüngerer Zeit
auf sichtbare Diodenlaser angewandt, wie es durch Simonsen, H.R.,
in „Freguency
noise reduction of visible InGaA1P la ser diodes by different optical
feedback methods",
IEEE J. Quant. Elec., 29, S. 877–884 (1993) beschrieben ist.
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Ein Mangel der durch Dahmani u. a.,
Tanner u. a., und Simonsen beschriebenen Systeme besteht darin,
daß dieselben
alle eine schwache optische Verriegelung einsetzen: lediglich ein
sehr kleiner Abschnitt des Lichts in dem Aufbauhohlraum wird zu dem
Diodenlaser rückgekoppelt.
Der Nachteil der schwachen optischen Verriegelungstechnik besteht jedoch
darin, daß dieselbe
immer noch eine vorsichtige elektromechanische Steuerung von sowohl
dem Betrag als auch der Phase des Lichts erfordert, das zu dem Diodenlaser
rückgekoppelt
wird. Dies wird z. B. erörtert
in dem US-Patent
Nr. 4,907,237, „Optical Feedback
Locking of Semiconductor Lasers",
Dahmani, B., u. a., 6. März
1990; Hemmerich, A., u. a., „Second-harmonic
generation and optical stabilization of a diode laser in an external
ring resonator",
Opt. Lett., 15, S. 372–374
(1990); und Buch, P., und Kohns, P., „Optically self-locked semiconductor
laser with servo control for feedback phase and laser current", IEEE J. Quant.
Elec., 27, 1863 (1991).
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Ein selbstverriegelnder Leistungsaufbauhohlraum
wurde auch spezifisch für
eine nichtlineare Erzeugung intensiver Größen kohärenter Strahlung verwendet.
Die Verwendung einer geringen bis gemäßigten (< 1%) Rückkopplung aus einem Aufbauhohlraum,
um die Laserdiode optisch mit dem Hohlraum zu verriegeln, ist z.
B. in dem Artikel von Hemmerich, u. a. beschrieben, der oben erwähnt ist,
und auch in Dixon, G. J., Tanner, C. E., und Wieman, C. E., „432-nm
source based on efficient second-harmonic generation of GaAlAs diode-laser
radiation in a self-locking external resonant cavity", Opt. Lett., 14, S.
731–733
(1989); und dem US-Patent Nr. 4,884,276, „Optical Feedback Control
in the Frequency Conversion of Laser Diode Radiation", Dixon, u. a., 28.
November 1989.
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Dieses Konzept wird durch W. Lenth
und W. P. Risk in dem US-Patent
Nr. 5,038,352, „Laser
System and Method Using a Nonlinear Crystal Resonator", 6. August 1991,
weitergeführt,
in dem dieselben zeigen, daß die
Verwendung eines antireflexions-(AR) beschichteten Diodenlasers
und einer starken (10%–50%)
Rückkopplung
die Verriegelungsstabilität
erhöht.
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Die
US
5,038,352 und die
US
4,884,276 offenbaren beide ein Halbleiterlaserleistungsaufbausystem,
das einen Halbleiterlaser mit einer Emissionsfacette umfaßt und wirksam
ist, um einen einfallenden Lichtstrahl entlang eines Einfallender-Strahl-Wegs auszugeben.
Ein optischer Resonanzhohlraum ist bereitgestellt, der ein primäres, reflektierendes
Eingangselement und zumindest ein sekundäres reflektierendes Element
aufweist, die wirksam sind, um den Verlauf eines im Inneren des Hohlraums
befindlichen reflektierten Strahls zuzulassen. Der reflektierte
Lichtstrahl ist in der Lage, entlang im wesentlichen der vollen
Erstreckung des optisch resonanten Hohlraums zu strahlen und einen Referenzlichtstrahl
zu erzeugen, der einen Abschnitt des im Inneren des Hohlraums befindlichen
Lichtstrahls umfaßt,
der im Gebrauch durch das reflektierende Eingangselement transmittiert
wird und mit dem einfallenden Strahl zusammenfällt, jedoch bezüglich desselben
entgegengesetzt gerichtet ist.
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W. J. Kozlovsky, zusammen mit Lenth
und Risk, berichteten in „Resonator-enhanced
frequency doubling in an extended cavity diode laser", in Proceedings
of the Compact Blue-Green Lasers Topical Meeting, New Orleans, Louisiana,
Optical Society of America, Feb. 1993, S. PD2-1 wie dieselben eine starke
(3%) optische Rückkopplung
bei einem ARbeschichteten Diodenlaser einsetzten und ein Dispersionselement
hinzufügten,
das Licht reflektierte, das aus dem Aufbauhohlraum zurück durch
den Hohlraum und in den Diodenlaser emittiert wurde. Das Dispersionselement
fügte eine
Frequenzstabilität hinzu.
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Eine passive gesamtoptische Frequenzverriegelungstechnik
für einen
Diodenlaser ist einfacher und stabiler als entweder eine gesamtelektronische oder
eine Verriegelung mit einer schwachen optischen Rückkopplung,
weil dieselbe den Bedarf nach einer hochentwickelten elektronischen
Steuerung des Diodenlasers oder eines Lichtfelds eliminiert. Um sicherzustellen,
daß der
Diodenlaser stabil mit dem Aufbauhohlraum verriegelt bleibt, ist
es wesentlich, daß die
dominante optische Rückkopplung
in das Diodengewinnmedium eher aus dem Aufbauhohlraum als aus einer
jeglichen anderen Quelle sein sollte, zum Beispiel aus einer Reflexion
von Licht aus der Diodenlaseremissionsfacette zurück in das
Diodengewinnmedium.
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Typischerweise ist die Diodenemissionsfacette
antireflexionsbeschichtet und das ganze System kann als ein regulärer Festkörperlaser
mit einem im Inneren des Hohlraums befindlichen Etalon gesehen werden.
Je mehr Licht, das zu dem Diodenlaser aus dem Aufbauhohlraum rückgekoppelt
wird, desto höher
ist das Reflexionsvermögen
der Diodenemissionsfacette, die eine stabile optische Verriegelung
zuläßt.
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Von all den vorhergehend erwähnten Verfahren
sind die einzigen zwei, die eine gesamtoptische Verriegelung mit
einer hohen Rückkopplung
einsetzen, diese, die durch Lenth und Risk (US-Patent Nr. 5,038,352)
und durch Kozlovsky u. a. offenbart sind. Jedoch ist keines dieser
Verfahren gut für
Erfassungsanwendungen geeignet: es ist für den angegebenen Zweck dieser
Systeme wesentlich, die Wellenlänge
des einfallenden Lichts zu halbieren, insbesondere Licht im nahen
Infrarot zu Blau zu machen.
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Wie Siegman in Lasers, University
Science Books, Mill Valley, California, 1986, S. 928–31, beschreibt,
ist die Leistung, die im Inneren eines optischen Aufbauhohlraums
erzeugt werden kann, umgekehrt proportional zu dem optischen Verlust
des Hohlraums. Der optische Verlust ist näherungsweise die Summe der
optischen Verluste aller individu ellen, im Inneren des Hohlraums
befindlichen Elemente, wie beispielsweise Spiegel.
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Eine Struktur, die zu einer kohärenten Erzeugung
einer Strahlung optimal ist, stellt notwendigerweise eine nützliche
Größe einer
Ausgangsstrahlung her (siehe Kozlovsky und Lenth). Diese Umwandlung wirkt
auch als ein zusätzlicher
Verlustmechanismus für
die im Inneren des Hohlraums befindliche Strahlung und reduziert
die Größe einer
Leistung, die in dem optischen Hohlraum erzeugt werden kann. Der nichtlineare
Kristall, der bei Systemen, wie beispielsweise demselben von Lenth
und Kozlovsky, verwendet wird, weist zusätzliche Absorptionsverluste
auf, die wirken, um die Hohlraumfinesse zu reduzieren; diese beiden
wesentlichen Verlustmechanismen sind für eine kohärente Erzeugung einer Strahlung
wesentlich. Bei einer Erfassung einer im Inneren eines Hohlraums
befindlichen Chemikalie, insbesondere bei einer Raman-Gaserfassung,
wird jedoch eine größtmögliche im
Inneren des Hohlraums befindliche Leistung benötigt; folglich ist jegliche
Struktur, die unnötige
und wesentliche Verluste enthält,
ungeeignet für
ein empfindliches Erfassen einer im Inneren eines Hohlraums befindlichen
Chemikalie. Eine Struktur, die am besten zu einem Erfassen einer
Chemikalie geeignet ist, wäre
ein Aufbauhohlraum, der einen so geringen optischen Verlust aufweist,
wie es praktisch ist, so daß eine
kleinstmögliche
Menge an Licht aus dem Hohlraum entkommt, und der sich somit grundlegend
von demselben unterscheidet, der durch Lenth und Kozlovsky beschrieben
ist.
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Im Zusammenhang mit außerhalb
eines Hohlraums befindlichen Halbleiterlasern ist es gut bekannt,
daß eine
Antireflexionsbeschichtung der Diodenausgangsfacette und eine starke
optische Rückkopplung
für ein
stabiles Verhalten wesentlich sind. Siehe Rong-Qing, H., und Shang-Ping,
T., „Improved rate
equations for external cavity semiconductor lasers", IEEE J. Quant.
Elec., 25, S. 1580 – 1584,
1989. Diese Lasersysteme wurden für eine im Inneren eines Hohlraums
stattfindende Spektroskopie eingesetzt, siehe Baev, V. M., Eschner,
J., Paeth, E., Shuler, R., und Toschek, P. E., „Intra-cavity spectroscopy with
diode lasers", Appl.
Phys. B., B55, S. 463–477, 1992,
doch, wie oben beschrieben, sind die Hohlraumfinesse und somit die
im Inneren eines Hohlraums befindliche Leistung absichtlich gering
gehalten, um eine optische Beschädigung
an der Laserfacette der Diode zu verhindern. Diese Vorrichtungen sind
daher ungeeignet für
Erfassungsanwendungen, die sich auf eine hohe im Inneren eines Hohlraums befindliche
Leistung stützen.
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine verbesserte Erfassung von Chemikalien in einer Probe.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist ein Halbleiterlaserleistungsaufbausystem gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist ein Erfassungssystem gemäß Anspruch
6 bereitgestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Chemikalien
in einer Probe gemäß Anspruch
7 bereitgestellt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele können ein
kompaktes System bereitstellen, das eine hohe, im Inneren eines
Hohlraums befindliche Leistung mit einer niedrigen erforderlichen
Eingangsleistung verbindet, und das passiv und optisch verriegelt,
wodurch ein Bedarf nach einer komplizierten und teueren Verriegelungsschaltungsanordnung
beseitigt wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlaserleistungsaufbausystems
ist ein Halbleiterlaser bereitgestellt, der eine Emissionsfacette
aufweist und einen einfallenden Lichtstrahl ausgibt. Ein optischer
Resonanzhohlraum ist zwischen einem primären reflektierenden Eingangselement
und einem oder mehreren sekundären
reflektierenden Elementen definiert und weist einen im Inneren des
Hohlraums befind- 1ichen
Lichtstrahl entlang einem im Inneren des Hohlraums befindlichen
Strahlweg auf. Ein Rückgabelichtstrahl
umfaßt
einen Abschnitt des im Inneren des Hohlraums befindlichen Lichtstrahls,
der durch das reflektierende Eingangselement transmittiert wird
und mit dem einfallenden Strahl zusammenfällt, jedoch bezüglich desselben
entgegengesetzt gerichtet ist. Der Laser ist im wesentlichen ganz
mit dem Hohlraum optisch verriegelt und der im Inneren des Hohlraums
befindliche Strahl verläuft
im wesentlichen ohne Verlust innerhalb des Hohlraums.
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Vorzugsweise ist an dem Einfallender-Strahl-Weg
zwischen dem Laser und dem ersten reflektierenden Element ein Wellenlängenbestimmungselement,
wie beispielsweise ein Beugungsgitter oder ein Etalon bereitgestellt.
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Die Emissionsfacette weist vorzugsweise
ein Reflexionsvermögen
von weniger als 0,01 oder sogar weniger als 0,0001 auf, zum Beispiel
mittels einer Antireflexionsbeschichtung. Eine Rückkopplung des Rückgabestrahls
in den Laser durch die Emissionsfacette kann stark sein, zum Beispiel
größer als
3%.
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Es ist vorzugsweise auch eine optische Formgebungsvorrichtung
in dem Einfallendes-Licht-Weg zum Zweck einer Impedanzanpassung
enthalten.
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Eine bevorzugte Anwendung des Systems ist
zu der Erfassung von Chemikalien in einer Probe. Die Probe wird
vorzugsweise in einer Wechselwirkungsregion des Hohlraums positioniert
und ein Erfassungssystem wird zum Erfassen einer vorbestimmten Charakteristik
(wie beispielweise Raman-gestreutes Licht) der Probe innerhalb der
Wechselwirkungsregion positioniert. Der im Inneren des Hohlraums
befindliche Strahl kann im wesentlichen ohne Verlust innerhalb des
Hohlraums verlaufen, eine Wechselwirkung mit der Probe ausgenommen.
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Es kann ein Hochleistungsdiodenlaser
mit einer unmodifizierten Emissionsfacette bereitgestellt sein.
In diesem Fall kann der Diodenlaser mit einem Strom getrieben werden,
der geringer ist als der Nacktdiodenschwellenstrom.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist im folgenden lediglich durch ein Beispiel mit Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Erfassungssystems mit einer optischen Verriegelungshalbleiterlichtquelle
darstellt, die sich außerhalb
eines Leistungsaufbauhohlraums befindet.
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Erfassungssystems darstellt, bei dem ein externer Spiegel
Licht durch eine antireflexionsbeschichtete Rückfacette zurück in die
Lichtquelle reflektiert.
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines Erfassungssystems darstellt, bei dem ein optischer Kubus bestimmte
Spiegel bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ersetzt.
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines Erfassungssystems darstellt, bei dem der Hohlraum eine lineare
Konfiguration aufweist.
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Es ist klar, daß jeglicher hierin spezifizierte Bereich
oder Parameterwert erweitert oder modifiziert werden kann, ohne
die beabsichtigten Wirkungen zu verlieren, wie es dem Fachmann ersichtlich ist.
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Die hierin offenbarten Ausführungsbeispiele sind
primär
mit Bezug auf den Gebrauch derselben bei einem Erfassen von Gasen
beschrieben, da dieselben für
diesen Gebrauch besonders gut geeignet sind. Dieselben können jedoch
auch verwendet werden, um mit Modifikationen, wie es im folgenden
erörtert
ist, Flüssigkeiten
zu erfassen.
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Ein erstes und bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist in 1 dargestellt.
Ein Diodenlaser bildet eine Lichtquelle 110, die eine Emissionsfacette 112 und
eine Rückfacette 113 aufweist.
Die Lichtquelle emittiert einen Lichtstrahl 114. Beispiele
von im Handel erhältlichen
Vorrichtungen, die als die Lichtquelle 110 geeignet sind,
umfassen die Einzellongitudinalmoden- und indexgeführten (SLM-ID)
Laser der Typen Toshiba 9215, Hitachi HL6714G oder Philips CQL601D
sowie Hochleistungsbreitflächenvorrichtungen,
wie beispielweise Philips CQL602D.
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Zusätzlich könnte die Rückfacette 113 der Lichtquelle 110 ein
geringes Reflexionsvermögen
(z. B. als Ergebnis einer Antireflexionsbeschichtung) aufweisen,
in welchem Fall ein kleiner Spiegel hinter der Rückfacette der Lichtquelle plaziert
werden sollte, um Licht zu reflektieren, das aus der Lichtquelle durch
die Rückfacette
zurück
in die Lichtquelle entlang einer Linie 114 emittiert wird.
Die Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, daß durch ein Ändern der Position
dieses zusätzlichen
Spiegels das System dann moduliert werden kann und optische Elemente (im
folgenden beschrieben) zwischen der Rückfacette 113 und
diesem zusätzlichen
Spiegel plaziert werden können.
Dieses Ausführungsbeispiel
ist mit Bezug auf 2 im
folgenden detaillierter beschrieben.
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Die Schaltungsanordnung, die notwendig
ist, um die Lichtquelle 110 mit Leistung zu versorgen,
ist herkömmlich
und nicht gezeigt. Es ist jedoch anzumerken, daß einige der geeigneten Halbleiterlaservorrichtungen,
einschließlich
der oben aufgeführten, typischerweise
nicht mehr als 100 mW an Leistung entnehmen, mit geringen oder keinen
zusätzlichen Leistungsbedürfnissen
für Kühlungsvorrichtungen. Ferner
können
andere Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise ein antireflexionsbeschichteter
Diodenlaser oder eine Superlumineszenzdiode, als die Lichtquelle 110 verwendet
werden.
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Die Lichtquelle 110 emittiert
einen Lichtstrahl 114, der auf eine bekannte Weise durch
ein herkömmliches
optisches Formgebungssystem 116 räumlich geformt ist, um eine
ordnungsgemäße Impedanzanpassung
sicherzustellen. Ein Wellenlängenbestimmungselement 118 ist
in dem Weg des Lichtstrahls 114 enthalten, um den Wert
der Betriebswellenlänge
einzustellen und die durchschnittliche optische Dioden-Hohlraum-Bandbreite
zu begrenzen. Ein zusätzliches
herkömmliches
Strahlformgebungssystem 135 kann notwendig sein, falls
der Strahl 114, der aus dem Formgebungssystem 116 austritt,
sowohl für
das Wellenlängenbestimmungselement 118 als
auch für
eine Impedanzanpassung in den Aufbauhohlraum räumlich nicht optimiert ist.
Unter Verwendung gut bekannter Herstellungstechniken können die
Lichtquelle 110, das optische Formgebungssystem 116 (und 135,
falls enthalten) und das Wellenlängenbestimmungselement 118 mechanisch in
eine einzige Lichtquelleneinheit eingebaut werden, wie es durch
die gestrichelte Linie 119 angegeben ist. Das optische
Formgebungssystem 116 und das Wellenlängenbestimmungselement 118,
das als ein optisches, abstimmbares Bandpaßfilter wirkt, können herkömmliche
Vorrichtungen sein, deren Struktur und Betrieb gut bekannt sind.
Der Lichtstrahl 114 bildet einen einfallenden Strahl, der
in 1 durch einen nach
rechts zeigenden Pfeil angegeben ist.
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Der Lichtstrahl 114 trifft
auf einen Aufbauhohlraum auf, der reflektierende Elemente aufweist, wie
beispielsweise Spiegel 120, 122 und 124,
und einen im Inneren des Hohlraums befindlichen Strahl 126 erzeugt.
Der Spiegel 120 ist vorzugsweise geneigt (nicht senkrecht
zu der Richtung des Lichtstrahls 114), um eine direkte
Reflexion des Strahls 114 zurück in die Lichtquelle zu verhindern,
was die Fähigkeit
der Lichtquelle reduzieren würde,
sich mit dem im Inneren des Hohlraums befindlichen Strahl 126 zu
verriegeln. Die Abschnitte des Lichtstrahls 114, die durch
den geneig ten Spiegel 120 zurück reflektiert werden, und
der sehr kleine Abschnitt des Strahls 126 (von dem Spiegel 124),
den der Spiegel 120 transmittiert, sind durch den gestrichelten
Pfeil 125 angegeben.
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Der Strahl 126 verläuft durch
eine Probe 128 (die in einer herkömmlichen Zelle oder einer anderen Haltestruktur
enthalten ist) und das optische Signal, das durch die Wechselwirkung
des Strahls 126 mit der Probe 128 erzeugt wird,
wird durch ein herkömmliches
Erfassungssystem 130 erfaßt, das zum Beispiel Raman-gestreutes
Licht erfassen kann. Das Ausgangssignal aus dem Erfassungssystem
bildet ein Eingangssignal zu einer herkömmlichen Verarbeitungsschaltungsanordnung 132,
die das Vorhandensein oder die Menge der interessierenden Substanz
in der Probe 128 bestimmt, wobei bekannte analytische Techniken
verwendet werden. Die Ergebnisse der Analyse durch den Prozessor
können
an eine weitere Verarbeitungsschaltungsanordnung (nicht gezeigt)
weitergegeben werden oder können auf
einer herkömmlichen
Anzeigevorrichtung 134 angezeigt werden.
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Ein kleiner Abschnitt des Strahls 126 leckt als
ein Rückgabestrahl 136 durch
den Eingangsspiegel 120. Der Rückgabestrahl 136 fällt mit
dem einfallenden Strahl 114 zusammen, jedoch in der entgegengesetzten
Richtung (angegeben als ein nach links zeigender Pfeil). Von dem
Eingangsspiegel 120 verläuft der Rückgabestrahl 136 durch
das Wellenlängenbestimmungselement 118,
das optische Formgebungssystem 116 (und 135, falls
enthalten) und zurück
in die Lichtquelle 110 durch die Emissionsfacette 112 derselben.
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Die Leistung des im Inneren des Hohlraums befindlichen
Strahls 126 kann viele Größenordnungen größer sein
als die Leistung des einfallenden Strahls 114, ohne den
Bedarf nach einer jeglichen anderen elektronischen Steuerung der
Lichtquelle als einer herkömmlichen,
stabilen Stromquelle (nicht gezeigt). Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß eine kleine und
kostengünstige
Lichtquelle in einem sehr großen erzeugten optischen
Signal aus der Probe resultiert. Dies wird durch ein Auswählen von
Parametern der Emissionsfacette 112, des optischen Formgebungssystems 116 (und 135,
falls enthalten), des Wellenlängenbestimmungselements 118 und
der Spiegel 120, 122, 124 erreicht, um
die Leistung des im Innern des Hohlraums befindlichen Strahls 126 wie
oben beschrieben zu maximieren.
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Um die maximale Intensität des im
Innern des Hohlraums befindlichen Strahls 126 sicherzustellen,
sollte das meiste des Ausgangssignals aus der Lichtquelle 110 mit
dem Aufbauhohlraum in Resonanz (mit der gleichen Frequenz) sein;
in anderen Worten sollte die Lichtquelle optisch mit dem Hohlraum
verriegelt sein.
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Dies wird durch ein Sicherstellen
erreicht, daß die
dominante Rückkopplung
in die Lichtquelle 110 der Rückgabestrahl 136 ist.
Das Hauptproblem in dieser Hinsicht ist die Reflexion des Strahls 114 durch
die Emissionsfacette 112 zurück in die Lichtquelle 110.
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Jegliche von mehreren Verfahren können verwendet
werden, um sicherzustellen, daß der
geleckte Strahl 136 die dominante Rückkopplung ist. Falls der Diodenlaser 110 ausgewählt ist,
um eine SLM-ID-Vorrichtung vom Typ Toshiba 9215, Hitachi 6714G oder
Philips CQL601D zu sein, dann wird derselbe zu einem optimalen Leistungsaufbau
gewöhnlich
deutlich über
dem Nacktdiodenschwellensstrom (die Stromschwelle für einen
unmodifizierten Diodenlaser, der in Isolation arbeitet) betrieben.
Berechnungen und Experimente haben gezeigt, daß der Rückgabestrahl 136 eine
Rückkopplung
in einem Bereich von 1%–50%
aufweist, um eine Leistungsstabilität sicherzustellen. Um sicherzustellen,
daß der
Strahl 136 die dominante Rückkopplung ist, muß die Reflexion
des Strahls 114 von der Facette 112 zumindest 10–100 mal
weniger intensiv sein als der Strahl 136. In diesem Fall
sollte die Emissionsfacette 112 ein Reflexionsvermögen von
näherungsweise
0,01 oder 0,0001 aufweisen und dieselbe sollte vorzugsweise in einer
Ordnung von zwischen 0,001 und 0,0001 liegen, um ein stabiles Verriegeln
sicherzustellen. Bei einem Prototyp wurde die Rückkopplung aus dem Hohlraum
auf zwischen 10% und 20% geschätzt
und zu einer stabilen Verriegelung lag das optimale Reflexionsvermögen der
Emissionsfacette eines Hitachi 6714G-Diodenlasers in dem Bereich
0,001–0,0001.
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Eine Weise, um diese niedrigen Reflexionsvermögen zu erreichen,
ist durch ein Verwenden einer Antireflexionsbeschichtung der Facette;
diese Technik zum Reduzieren eines Reflexionsvermögens ist
gut bekannt (siehe zum Beispiel Eisenstein, G. und Stulz, L. W., „High quality
antireflection coatings on laser facets by sputtered silicon nitride", Appl. Opt., 23,
161 (1984)). Ein Vorteil der Antireflexionsbeschichtung an dem Diodenlaser
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
besteht darin, daß dieselbe den
herkömmlichen
Bedarf nach einer zusätzlichen elektronischen
Schaltungsanordnung eliminiert, um die Diode mit dem Hohlraum phasenzuverriegeln.
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Alternativ kann ohne die Änderung
der Emissionsfacette ein Hochleistungs-SLM-ID- oder ein anderer
Diodenlaser einge- setzt werden. Falls die Rückkopplung groß genug
ist, tritt der Dioden-Hohlraum-System-Laserbetrieb unterhalb des
Nacktdiodenschwellenstroms auf. Befindet sich das Dioden-Hohlraum-System einmal
im Laserbetrieb, muß die
optische Reflexion von der Emissionsfacette gering genug sein, um
den Diodengewinn nicht aufzubrauchen. Wenn der Diodenstrom näher an die Nacktdiodenschwelle
angehoben wird, kann die Emissionsfacettenreflexion beginnen, den
Diodengewinn aufzubrauchen, was wiederum zu einer Leistungsinstabilität führt.
-
Die Begrenzung bei einem Leistungsaufbau ist
daher durch die Größe einer
Rückkopplung
und eines Emissionsfacettenreflexionsvermögens bestimmt. Ein Vorteil
des Systems ist, daß dasselbe ohne
jegliche derartige Rückkopplungsbegrenzungsvorrichtungen
arbeiten kann, wie beispielsweise varia ble Dämpfungsglieder oder optische
Isolatoren. Zum Beispiel kann eine Hochleistungsdiode deutlich unterhalb
der Nacktdiodenstromschwelle derselben betrieben werden und immer
noch genügend
Gewinn aufweisen, um zu lasern, wenn Licht aus dem Aufbauhohlraum
rückgekoppelt
wird. Derartige Dioden sind in Ueno, u. a., „30-mW 690-nm high-power strainedquantum-well
AlGaInP laser",
IEEE J. Quant. Elec., 29, 1851 (1993); und Arimoto, u. a., „150mW fundamental-transversemode
operation of 670 nm window laser diode", IEEE J. Quant. Elec., 29, 1874 (1993)
beschrieben. Ein Prototyp verwendete einen SLM-ID-Laser mit 680
nm mit einer Hochreflektorrückfacette
und einer Emissionsfacette mit einem 10%igen Reflexionsvermögen. Diese
Diode wurde 10 mA unterhalb der Nacktdiodenschwelle betrieben und
erreichte immer noch einen geeignet stabilen Leistungsaufbau, weil
das effektive Reflexionsvermögen
des Aufbauhohlraums 10% überschritt.
-
Andere Quellen einer Reflexion zurück in den
Diodenlaser sollten minimiert sein. Zum Beispiel sollten das optische
Formgebungselement 116 (und 135, falls enthalten)
und das Wellenlängenbestimmungselement 118 antireflexionsbeschichtet
oder einfach etwas geneigt sein.
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Um die Intensität des Strahls 126 zu
maximieren, umfaßt
das optische System 116 (und 135, falls enthalten)
Komponenten, wie beispielsweise Linsen oder Prismen, die den Strahl 114 formen
und den Strahl 126 räumlich
anpassen. Zusätzlich
kann das Wellenlängenbestimmungselement 118 bei
speziellen Eigenschaften des einfallenden Strahls optimal arbeiten.
Falls das Element 118 ein Etalon ist, dann sollte zum Beispiel
ein optimaler einfallender Strahl nicht-divergent sein, um die maximale
Lichtmenge zu transmittieren. In diesem Fall formt das optische
Element 116 den Strahl 114 optimal zu einer Transmission
durch das Element 118 und das optische Element 135 paßt diesen
transmittierten Strahl räumlich
an den Strahl 126 an. Es ist anzumerken, daß das Element 118 beispielsweise
ferner den Strahl 114 formen kann, falls das Element 118 ein Beugungsgitter
ist. Bei bestimmten Anwendungen ist ein leicht suboptimales Verhalten
des Elements 118 annehmbar, in welchem Fall die Strahlformgebungsfunktionen
des Elements 135 in das Element 116 eingebaut
werden können.
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Sowohl die Komponenten als auch die
Techniken einer derartigen Strahlformgebung sind auf dem Gebiet
der Optik gut bekannt und herkömmliche Komponenten
können
verwendet werden. Die Form des Strahls 126 ist durch den
Aufbauhohlraum bestimmt, der durch die Spiegel 120, 122 und 124 gebildet
ist, und kann eine oder mehrere transversal elektromagnetische Hohlraum-Moden
sein.
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Es bestehen viele Alternativen für den Entwurf
des optischen Formgebungssystems 116 (und 135,
falls enthalten), die Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt sind.
Beispiele geeigneter Konfigurationen umfassen:
- (a)
eine einzige Linse oder eine Multielementlinse, um den Strahl 114 sowohl
zu sammeln als auch in den Aufbauhohlraum zu fokussieren;
- (b) eine einzige Linse oder eine Multielementlinse, um den Strahl 114 zu
kollimieren, und eine zusätzliche
Linse, um den Strahl 114 in den Aufbauhohlraum zu fokussieren,
in welchem Fall die Position und Brennweite der zusätzlichen
Linse ausgewählt
sind, um den Strahl 114 in den Aufbauhohlraum impedanzanzupassen;
- (c) wie (b) plus zwei zylindrische Linsen, um den Strahl 114 zu
zirkularisieren;
- (d) wie (b) plus ein anamorphotisches Prismenpaar, um den Strahl 114 zu
zirkularisieren;
- (e) wie (c) oder (d) plus eine Astigmatismuskorrekturlinse;
und
- (f) eine GRIN-Linse, um den Strahl 114 zu kollimieren,
und eine zweite Linse, um den Strahl in den Aufbauhohlraum zu fokussieren.
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Alle der Entwürfe (a)–f) bilden den Strahl 114 mit
einer unterschiedlichen Effizienz in den Aufbauhohlraum ab. Um diese
Wirkung zu kompensieren, muß der
Diodenstrom eventuell verändert
werden, um die gleiche optische Leistung zu erzeugen. Es sollte
das Abbildungssystem ausgewählt
werden, das die höchste
Effizienz aufweist, um sicherzustellen, daß die Strahlen 126 und 136 bei
einem gegebenen Diodenlaserstrom am intensivsten sind. Diese Auswahl
hängt von
den spezifischen Geometrien einer gegebenen Anwendung sowie von
Kosten ab und kann getroffen werden, indem gut bekannte experimentelle
und theoretische Techniken verwendet werden.
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Der Aufbauhohlraum weist einen „Kamm" von Resonanzfrequenzen
auf, die durch D = c/2L beabstandet sind, wobei D die Modenbeabstandung
in Hertz ist, c die Geschwindigkeit von Licht ist und L die Umlaufweglänge des
Aufbauhohlraums ist. Falls beispielsweise L = 30 cm, dann D = 0,50
GHz. Falls es die spezifische Erfassungsanwendung erfordert, daß der im
Inneren des Hohlraums befindliche Strahl 126 eine oder
einige Hohlraum-Moden beinhalten sollte, dann muß ein Wellenlängen- oder
Frequenzbestimmungselement 118 eingesetzt werden.
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Ein typisches Diodenlasergewinnmedium weist
einen wesentlichen Gewinn über
eine Breite von näherungsweise
3 THz (oder 5 nm bei 670 nm) auf, so daß viele Hohlraumfrequenzen
gleichzeitig oder getrennt auf eine zufällige Weise lasern und sich aufbauen
können.
Der Zweck des Wellenlängenbestimmungselements 118 ist
es, die Anzahl der Aufbauhohlraum-Moden zu begrenzen, die lasern können. Die
Anzahl der Laserbetriebsmoden ist durch den Bandpaß des Wellenlängenbestimmungselements 118 bestimmt
und kann so gering wie eins sein. Die Transmission des Wellenlängenbestimmungselements
118 muß groß sein,
um sicherzustellen, daß die
Intensitäten
der Strahlen 126 und 136 so groß wie möglich sind.
Bei verschiedenen funktionierenden Prototypen wurden Transmissionen
von 80% und größer verwendet.
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Das Wellenlängenbestimmungselement 118 umfaßt geeignete
Filterelemente, die dispersiv, absorbierend oder eine Kombination
von beidem sein können.
Ein optisches Filter oder eine Absorbiereinrichtung mit einem schmalen
Bandpaß können verwendet
werden, um eine große
Anzahl von Moden stark zu dämpfen,
wodurch dieselben an einem Aufbauen gehindert werden. Beispiele
geeigneter Filter umfassen Bandpaßfilter mit einem dielektrischen Stapel,
Etalons, Lyot-Filter und akustooptische Filter. Das Element 118 kann
in die Rückfacette 113 der Lichtquelle 110 beispielsweise
durch ein Aufbringen eines dielektrischen Stapelreflektors oder
einer anderen bekannten Beschichtung auf die Rückfacette 113 eingebaut
werden. In diesem Fall ist es die Wirkung der Facette 113,
lediglich ein vorbestimmtes, geeignet schmales Band von Frequenzen
entlang dem Weg des Strahls 114 zurückzureflektieren, wodurch die
Anzahl der Hohlraum-Moden, die lasern können, begrenzt ist.
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Dispersive Elemente, zum Beispiel
Beugungsgitter und Prismen lenken einen Lichtstrahl um einen bestimmten
Winkel ab, was von der Frequenz des Lichts abhängt. Somit können durch
den Strahl 126 lediglich einige Aufbauhohlraum-Moden erzeugt werden
und einen Strahl 136 liefern, der zu der Diode 110 zurückkehrt.
In diesem Fall ist die Anzahl der Moden, die sich aufbauen können, durch
die Dispersion des Wellenlängenbestimmungselements 118 und den
Abstand zwischen diesem Element und dem Aufbauhohlraum bestimmt.
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Ein Beispiel eines geeigneten Beugungselements
ist ein Transmissionsbeugungsgitter mit 1800 Rillen pro mm mit einer
Transmissionseffizienz von 80%. Ein Reflexionsbeugungsgitter kann
auch verwendet werden; bei einem Prototyp wurde ein Beugungsgitter
mit 2400 Rillen pro mm und einer Reflexionseffizienz von 90% eingesetzt.
Der Strahl 114 kann abgelenkt (oder reflektiert) werden,
wenn er durch das Wellenlängenbestimmungselement 118 verläuft.
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2 stellt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar, bei dem die Rückfacette 113 ähnlich der
Emissionsfacette 112 AR-beschichtet ist, und ein zusätzlicher
Spiegel 200 den Strahl 114 zurück in die Lichtquelle 110 durch
die Rückfacette 113 reflektiert.
Das Wellenlängenbestimmungselement 118 funktioniert
auf die gleiche Weise, wie es oben beschrieben ist, falls dasselbe
dann zwischen dem Spiegel 200 und der Rückfacette 113 plaziert
ist. Zusätzlich
können
die Strahlformgebungsoptiken 116 notwendig sein, um den
Strahl 114 zu einem optimalen Verhalten des Elements 118 zu
formen. In diesem Fall wird dasselbe auch zwischen dem Spiegel 200 und
die Rückfacette 113 plaziert,
vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) zwischen dem Wellenlängenbestimmungselement 116 und
der Rückfacette 113.
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Falls das Frequenzfenster (oder Bandpaß), das
durch das Wellenlängenbestimmungselement 118 transmittiert
wird, abgestimmt werden kann, dann kann auch die durchschnittliche
Frequenz des Strahls 126 abgestimmt werden. Der Abstimmungsbereich
ist letztlich durch die Gewinnbandbreite des Diodenlasers 110 begrenzt.
Beispiele eines Abstimmens umfassen ein Drehen entweder des Ablenkgitters
oder eines Etalon. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Wellenlängenbestimmungselement 118 zwischen
dem Laser 112 und dem Hohlraum plaziert; das Element 118 kann
dann in die Rückfacette 113 der
Lichtquelle eingebaut werden oder kann zwischen der Lichtquelle
und dem externen Spiegel 200 plaziert werden. Die Position
des Elements 118 ist daher grundlegend unterschiedlich
von derselben, die zum Beispiel durch Koslovsky beschrieben ist: der
Hohlraumentwurf erlaubt es vernachlässigbaren Lichtmengen, durch
die Spiegel 122 und 124 zu verlaufen.
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Jeder der Spiegel 120, 122 und 124 weist
einen Krümmungsradius
und eine relative Beabstandung auf, die unter Verwendung herkömmlicher
Kriterien gewählt
wurden, um die Intensität
des Strahls 126 zu optimieren, sowie um jegliche spezifische
Erfassungsanwendungsbedürfnisse
zu erfüllen.
Der Wert der Spiegelreflexionsvermögen bestimmt die Reflexionsvermögensfinesse
des optischen Hohlraums und somit die Intensität der Strahlen 126 und 136;
der tatsächliche
Wert hängt
von einer gegebenen Anwendung ab und kann durch ein Experiment oder
eine Berechnung bestimmt werden, wobei bekannte Techniken verwendet
werden, wobei eine vorherrschende Erwägung eine Impedanzanpassung ist.
Berechnungen haben gezeigt, daß ein
optimaler Impedanzanpassungsspiegel 120 einen Verlust (einschließlich Transmissions-,
Absorptionsund Streuverluste) in dem Bereich von 50–300 Teilen
pro Million (ppm) aufweisen sollte und daß der Verlust für die sekundären Spiegel 122, 124 in
dem Bereich von 1–100
ppm liegen sollte. Zwei Beispiele geeigneter Spiegeltransmissionsverluste,
die bei Prototypen verwendet wurden, sind, wenn alle drei Spiegel Transmissionsverluste
von 12 ppm aufweisen, oder wenn der Spiegel 120 einen Verlust
von etwa 100 ppm aufweist und die Spiegel 122 und 124 beide
Verluste von etwa 12 ppm aufweisen. Verglichen mit Systemen, die
Ablenkgitter und andere Frequenzverriegelungsvorrichtungen nach
dem Hohlraum in dem Lichtweg (hinter dem „Endspiegel" des Hohlraums) verwenden,
können
daher die Endspiegel 122, 124 einige Größenordnungen
reflektiver sein und die Effizienz des Systems durch ein starkes
Reduzieren eines Verlusts erhöhen.
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Die optimalen Krümmungsradien für die Spiegel 120, 122 und 124 hängen auch
von der gegebenen Anwendung ab und können experimentell oder theoretisch
bestimmt werden. Bei einem Prototyp betrug der Krümmungsradius
für alle
Spiegel 120, 122 und 124 17 cm. Der Abstand
zwischen den Spiegeln 120 und 122 sowie zwischen
den Spiegeln 120 und 124 sollte ebenfalls auf
eine jegliche herkömmliche
Weise gewählt
werden, um eine stabile Hohlraum-Mode zu bilden; bei dem eben erwähnten Prototyp
betrug die Beabstandung zwischen den Spiegeln 14 cm.
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In dem Fall, daß die Probe 128 viele
Gase beinhaltet, die den optischen Strahlweg des Hohlraums füllen, sollte
der Winkel zwischen den zwei Armen des V-förmigen Aufbauhohlraums, der
durch die Spiegel 120, 122 und 124 gebildet
ist, klein sein (z. B. kleiner als 20 Grad); andernfalls beeinträchtigen
Veräderungen
in einem Brechungsindex wegen Gasveränderungen die Brechung des
Strahls 114, wenn derselbe durch den Eingangsspiegel 120 verläuft. Andere
Spiegelpositionen und Krümmungsradien
könnten für unterschiedliche
Anwendungen geeignet sein, die beispielsweise Spiegel 124 und 120 aufweisen,
die sehr nahe beieinander sind, so daß dieselben in eine kleine
feste Halterung passen könnten.
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Das Erfassungssystem 130 umfaßt bekannte
Optiken, die zu einem Sammeln des erzeugten Signals geeignet sind,
und einen Detektor zum Erfassen des gesammelten Signals. Die Position
des Erfassungssystems 130 ist durch die Position der Optiken
bestimmt, die bei dem Erfassungssystem 130 eingesetzt werden,
und kann nächstliegend
zu der Probe 128 oder an einer jeglichen anderen zweckmäßigen Stelle
sein. Die Plazierung des Erfassungssystems hängt normalerweise von der Anwendung
ab und kann einfach durch ein Experimentieren oder eine Kenntnis
der Eigenarten des optischen Signals (wie beispielsweise Raman-Streuung
oder Fluoreszenz) bestimmt werden, von dem erwartet wird, daß die Probe
dasselbe abgibt.
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Der V-förmige Aufbauhohlraum mit drei
Spiegeln, der durch die Spiegel 120, 122 und 124 definiert ist,
ist nicht die einzige geeignete Hohlraumkonfiguration; andere Konfigurationen
sind im folgenden beschrieben. Ein gemeinsames Merkmal der Aufbauhohlräume ist
jedoch, daß dieselben
eine große
optische Rückkopplung
in den Diodenlaser sicherstellen. Im allgemeinen sollte eine Hohlraumkonfiguration gewählt werden,
die einen einzigen Rückgabestrahl 136 bereitstellt, der
auf den im Inneren des Hohlraums befindlichen Strahl 126 zurückgeht.
Ein V-förmiger
Hohlraum erreicht dies, weil ein jeglicher nicht-resonanter einfallender
Strahl durch den Eingangsspiegel 120 reflektiert wird und
nicht zurück
in den Diodenlaser gelangt. Eine andere Weise, um dies zu erreichen,
wäre durch
ein Verwenden zusätzlicher,
außerhalb
des Hohlraums befindlicher Spiegel, wie es bei einem ringförmigen Hohlraum
notwendig wäre.
Bevorzugte Beispiele, bei denen ein zusätzliches Element nicht notwendig
ist, sind in den 2 und 3 gezeigt.
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3 stellt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar, bei dem ein optischer Kubus 310 die zwei
in 1 gezeigten Spiegel 120, 122 ersetzt. Mit
den Ausführungsbeispielen
von sowohl 1 als auch 2 gemeinsame Merkmale behalten
die Bezugszeichen, die dieselben in 1 aufweisen.
Insbesondere sind die kombinierte Lichtquelle, die Formgebungsoptiken
und das Wellenlängenbestimmungselement
mit 119 gekennzeichnet, obwohl dieselben, wie bei dem ersten
Ausführungsbeispiel, nicht
in eine einzige Einheit integriert sein müssen.
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Der optische Kubus 310 ist
auf eine bekannte Weise durch ein optisches Zusammenkitten zweier Prismen 312 und 314 hergestellt;
bei einem Prototyp wurden zwei rechte Prismen verwendet. Eine Seite 320 des
Prismas 312 (die Seite, die im wesentlichen parallel zu
dem einfallenden Strahl 114 und dem Rückgabestrahl 136 ist)
ist hoch reflektierend, während
Seiten 316 und 318 (die Seiten, die im wesentlichen
senkrecht zu dem Strahl an der Eingangs- bzw. Austrittsoberfläche des
Kubus 310 sind) sind antireflexionsbeschichtet. Um einen
im Inneren des Hohlraums befindlichen Strahl 322 mit so
viel Intensität wie
möglich
zu erzeugen, muß die
Oberfläche
oder Seite 318 einen so geringen Verlust wie möglich aufweisen.
Eine dritte Seite 324 des Prismas 312 (die Seite
an der Kontaktoberfläche
zwischen den zwei Prismen) ist ebenfalls hoch reflektierend und
der Wert des Reflexionsvermögens
ist auf eine jegliche bekannte Weise ausgewählt, um den Eingangsstrahl 114 in
den Hohlraum impedanzanzupassen.
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Der optische Hohlraum ist durch die
drei Spiegel 320, 324 und 122 gebildet.
Der Vorteil dieses Aufbaus ist, daß zwei optische Elemente zu
einem Stück
kombiniert sind. Es muß jedoch
darauf geachtet werden, die Doppelbrechung des Prismenmaterials
zu reduzieren. Ein Polarisationsrotationselement 326, vorzugsweise
eine Halbwellenplatte, kann erforderlich sein, falls der Strahl 114 polarisiert
ist, und kann unter Verwendung gut bekannter herkömmlicher
Techniken eingestellt werden.
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4 stellt
ein viertes Ausführungsbeispiel eines
optischen Holraums dar, ebenfalls wieder mit einer geeigneten Lichtquelle 119.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Konfiguration des Hohlraums linear, mit einem Eingangsspiegel 410,
dessen Reflexionsvermögen
den Strahl 114 in den Hohlraum impedanzanpaßt, der
durch Spiegel 410 und 122 gebildet ist.
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In diesem Fall besteht eine Reflexion
von dem Spiegel 410 zurück
exakt entlang dem Strahl 136, die zwei Komponenten aufweist.
Die erste reflektierte Komponente umfaßt Licht, das auf einer Resonanzfrequenz
des Hohlraums ist, und die zweite Komponente umfaßt das Licht
auf allen anderen einfallenden Frequenzen. Der Betrag der ersten
Resonanzkomponente ist sowohl durch die Parameter (Krümmung und
Reflexionsvermögen)
der Spiegel 410 und 122 als auch durch den Grad
an räumlicher Überlappung
zwischen den Strahlen 114 und 126 bestimmt. Der
Betrag der ersten reflektierten Komponente kann als die Menge an
in dem Inneren des Hohlraums befindlichem Licht gesehen werden,
das durch den Spiegel 410 zurückleckt, wogegen der Betrag
der zweiten Komponente durch Parameter (Krümmung und Reflexionsvermögen) des
Spiegels 410 allein bestimmt ist. Beide dieser reflektierten Komponenten
führen
zu einer Rückkopplung
in die optische Quelle; der Betrag dieser Rückkopplung ist zusätzlich durch
die Strahlformgebungsoptiken bestimmt.
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Falls derselbe in einem Betrag dem
ersten Resonanzrückkopplungsweg ähnlich ist,
konkurriert der zweite Rückkopplungsweg
um einen optischen Gewinn in der Lichtquelle und führt zu einer
Leistungsinstabilität.
Um die Lichtquelle dazu zu zwingen, stabil mit der ersten Resonanzrückkopplungsreflexion
zu verriegeln, muß sichergestellt
sein, daß der Betrag
der zweiten Rückkopplung
näherungsweise zehn-
oder mehrmal kleiner ist als die erste Resonanzrückkopplung. In diesem Fall
kann z. B. der Treiberstrom für
die optische Quelle gewählt
werden, um lediglich genug Gewinn zu liefern, so daß sich das System
lediglich für
die erste Resonanzrückkopplung über einer
Laserbetriebsschwelle befindet. Eine Begrenzung bei dieser Lösung ist,
daß der
Gewinn der optischen Quelle wegen eines Aufkommens einer Leistungsinstabilität nicht
weiter erhöht
werden kann; dies begrenzt daher die Leistungsgröße, die in dem Hohlraum aufgebaut
werden kann, der durch die Spiegel 410 und 122 gebildet
ist. Eine andere und bevorzugte Lösung ist es, das Wellenlängenbestimmungselement
(in 4 ist dasselbe in
der Einheit 119 enthalten) aufzunehmen und dasselbe zwischen der
Lichtquelle und dem Spiegel 410 zu plazieren.
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Die Frequenzbeabstandung zwischen
Resonanzmoden eines optischen Hohlraums ist umgekehrt proportional
zu der Spiegeltrennung. Falls der Abstand zwischen der Lichtquelle
(oder genauer dem Hochreflektor bzw. Reflektor mit hohem reflexionsvermögen der
Lichtquelle, das heißt
entweder der Rückfacette 113 oder
dem Spiegel 200) und dem Spiegel 410 kleiner ist
als der Abstand zwischen den Spiegeln 410 und 122,
dann ist die Frequenzdifferenz zwischen den Resonanzmoden bei den
ersteren größer als
bei den letzteren. Falls zum Beispiel ein Schmalbandfilter mit einem
Bandpaß verwendet
würde,
der geringer ist als die größere der
eben erwähnten
Frequenzdifferenzen, dann wäre
der zweite Rückkopplungsweg
an einem Laserbetrieb gehindert, während der erste Reso nanzweg
noch lasern würde.
Eine ähnliche
Lösung
wäre für die oben
erwähnten
Wellenlängenbestimmungselemente
möglich,
besonders wenn dieselben als ein Etalon implementiert sind.
-
Eine andere Weise, um die Nichtresonanzreflexion
zu isolieren, ist durch Polarisation. Falls ein Niedrigverlust-Polarisationsrotationselement,
wie beispielsweise eine Halbwellenplatte, in dem optischen Hohlraum
enthalten ist, ist die Resonanzreflexion mit der Nichtresonanzreflexion
phasenverschoben und kann durch ein Einbringen eines Polarisators zwischen
die Lichtquelle und den Hohlraum unterschieden werden. Falls die
Lichtquelle eine Strahlung emittiert, die im wesentlichen polarisiert
ist, dann können
zusätzliche
Polarisationsrotationselemente notwendig sein.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der
Erfindung ist der im Inneren des Hohlraums befindliche Strahl als
gerade von dem reflektierenden Eingangselement (Spiegel 120 und 410 oder
Prismenpaar 310) durch die Probe und weiter zu dem reflektierenden
Endelement 122 verlaufend gezeigt. Obwohl dies der einfachste
und daher bevorzugte im Inneren des Hohlraums befindliche Lichtweg
ist, der verwendet wird, um derartige physikalische Eigenarten wie
eine Raman-Streuung
durch die Probe zu erfassen, ist dies nicht notwendig. Statt dessen
könnte der
im Inneren des Hohlraums befindliche Strahl auf eines oder mehrere
reflektierende Zwischenelemente gerichtet werden, wobei die Probe
auf eine geeignete Weise relativ zu dem im Inneren des Hohlraums befindlichen
Strahl und zu dem Detektor 130 positioniert ist, solange
die Zwischenelemente so hoch reflektierend sind, daß der im
wesentlichen verlustfreie Aufbau innerhalb des Hohlraums erhalten
wird, und solange die Geometrie des Hohlraums (Beabstandung und
Krümmungsradien)
und die definierenden reflektierenden Elemente desselben auf eine
jegliche herkömmliche
Weise eingestellt sind, um sicherzustellen, daß eine stabile Hohlraum-Mode
gebildet ist.
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Eine derartige Anordnung könnte zum
Beispiel bei Anwendungen notwendig sein, bei denen der im Inneren
des Hohlraums befindliche Strahl nicht direkt durch die Probe verlaufen
soll, sondern bei denen die interessierende, identifizierende Charakteristik
der Probe auf irgendeiner anderen Wechselwirkung zwischen dem Strahl
und der Probe basierend erfaßt
wird. Auf jeden Fall wird die Probe in irgendeiner Wechselwirkungsregion
des optischen Hohlraums positioniert, die innerhalb des Hohlraums selbst
liegen kann (wie es in den Figuren gezeigt ist). Ferner sollte der
optische Verlust der Probe geringer sein als derselbe der Hohlraumspiegel.
Falls dies nicht der Fall ist, sollten die Spiegelreflexionsvermögen gewählt werden,
um eine Impedanzanpassung in den Hohlraum zu optimieren.
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Bei den verschiedenen beschriebenen
Ausführungsbeispielen
besteht kein Bedarf, absichtlich jegliche Verlustmechanismen, wie
beispielsweise nicht-lineare Kristalle, in den Hohlraum aufzunehmen.
Ein großer
Vorteil dieser Ausführungsbeispiele ist,
daß dieselben
eine im wesentlichen verlustfreie Reflexion über das gesamte Spektrum der
Laserdiodenemission möglich
machen. Es besteht in der Tat überhaupt
kein inhärenter
Strukturverlust innerhalb des Hohlraums und der einzige „Verlust" ist derselbe, der
mit der Energie verbunden ist, die durch die Probe absorbiert, umgewandelt
oder gestreut wird, was natürlich
die Energie ist, die durch das Erfassungssystem 130 erfaßt wird.