JP2001194299A - Cavity ring-down spectral system and method - Google Patents

Cavity ring-down spectral system and method

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JP2001194299A
JP2001194299A JP2000002696A JP2000002696A JP2001194299A JP 2001194299 A JP2001194299 A JP 2001194299A JP 2000002696 A JP2000002696 A JP 2000002696A JP 2000002696 A JP2000002696 A JP 2000002696A JP 2001194299 A JP2001194299 A JP 2001194299A
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sampling
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Thomas G Spence
ジー スペンス トーマス
Barbara A Paldus
エイ パルデュス バーバラ
Charles C Herb
シー ハーブ チャールズ
Richard N Zare
エヌ ゼア リチャード
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Leland Stanford Junior University
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stably lock laser and a ring-down cavity for CRDS with high reliability. SOLUTION: A cavity ring-down spectral system has a sample holding cavity, a light source containing laser incident on the cavity and simultaneously generating locking beam and sampling beam one of which is subjected to S-polarization in the cavity and the other one of which is subjected to P-polarization, a locking device for locking the cavity and the light source using the locking beam reflected by the cavity and a sampling device for detecting the sampling beam emitted from the cavity and determining a ring-down ratio showing the absorption of the sampling beam by a sample.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、キャビティリン
グダウン分光法(CRDS)に関し、特に、CRDSの
ためにレーザおよびリングダウンキャビティ(ring-down
cavity)をロックするシステムおよび方法に関するもの
である。
The present invention relates to cavity ring-down spectroscopy (CRDS), and more particularly to laser and ring-down cavities for CRDS.
cavity locking system and method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の分光法は、その感度が、約100
00分の1から約100000分の1が限界であった。
従来のCRDSシステムでは、サンプル(吸収材料)
を、高精度の、安定線形光共振器内に配置する。共振器
内に導入される光パルスの強度は、時間とともに減少す
る。空のキャビティに対しては、キャビティ内の光の強
度は、鏡の反射率、鏡間の距離、およびキャビティ内に
おける光の速度のみに依存するリングダウン率によって
特徴づけられる対数減衰に従う。サンプルが共振器内に
配置された場合には、リングダウンは加速される。適当
な条件下では、光の減衰は依然として対数減衰である。
サンプルに対する吸収スペクトルは、リングダウン率の
逆数を入射光の波長に対してプロットすることにより得
られる。
2. Description of the Related Art Conventional spectroscopy has a sensitivity of about 100.
The limit was from 1/00 to about 1 / 100,000.
In the conventional CRDS system, the sample (absorbing material)
Are placed in a high precision, stable linear optical resonator. The intensity of the light pulse introduced into the resonator decreases with time. For an empty cavity, the light intensity within the cavity follows a logarithmic decay characterized by the reflectivity of the mirrors, the distance between the mirrors, and the ring-down rate that depends only on the speed of light within the cavity. If the sample is placed in the resonator, the ringdown will be accelerated. Under appropriate conditions, the light decay is still logarithmic.
The absorption spectrum for the sample is obtained by plotting the reciprocal of the ring-down rate against the wavelength of the incident light.

【0003】従来のパルス化CRDSシステムは、多く
の難題に直面してきた。パルスレーザを使用するシステ
ムでは、データ獲得速度が、パルスレーザ源の繰返し速
度によって制限されていた。さらに、キャビティモード
とレーザスペクトル幅との間の比較的小さいスペクトル
重複、並びに、キャビティ内に集積される有意光が不十
分なために、キャビティ内に導入され、また、キャビテ
ィーから取り出される光の強度は小さかった。
[0003] Conventional pulsed CRDS systems have faced many challenges. In systems using pulsed lasers, the rate of data acquisition was limited by the repetition rate of the pulsed laser source. In addition, the relatively small spectral overlap between the cavity mode and the laser spectral width, and the insignificant light that is integrated into the cavity is insufficient to allow the light introduced into and extracted from the cavity The strength was small.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】この発明の主な目的
は、CRDSのために、レーザおよびリングダウンキャ
ビティを安定的に、かつ、高い信頼性でロックするシス
テムおよび方法を提供することである。他の目的は、多
数回のリングダウン測定にわたって、レーザおよびリン
グダウンキャビティの連続したロックを可能とするCR
DSシステムを提供することである。さらに、他の目的
は、高速の繰返し測定を可能とするCRDSシステムを
提供することである。また、他の目的は、ロッキング光
が、サンプリング光を用いて得られた測定値に影響を与
えないように、ロッキング光およびサンプリング光の周
波数が異なるCRDSシステムを提供することである。
さらに、他の目的は、ショットごとのリングダウン定数
の変化を低減したCRDSシステムを提供することであ
る。他の目的は、ベースラインノイズを低減したCRD
Sシステムを提供することである。さらに、他の目的
は、レーザおよびリングダウンキャビティを、外部基準
キャビティを必要とせずにロックすることができるCR
DSシステムを提供することである。また、他の目的
は、リングダウンキャビティからレーザへの光学的なフ
ィードバックを低減することができるCRDSシステム
を提供することである。さらに、他の目的は、CRDS
キャビティから出たロッキング光のロッキング装置への
比較的簡易な結合を可能にするシステムを提供すること
である。
SUMMARY OF THE INVENTION It is a primary object of the present invention to provide a system and method for stably and reliably locking a laser and a ring-down cavity for CRDS. Another object is to provide a CR that allows continuous locking of the laser and ringdown cavity over multiple ringdown measurements.
To provide a DS system. Yet another object is to provide a CRDS system that allows for fast repeated measurements. Another object is to provide a CRDS system in which the frequencies of the locking light and the sampling light are different so that the locking light does not affect the measured value obtained using the sampling light.
Yet another object is to provide a CRDS system that reduces the change in ring-down constant from shot to shot. Another object is to reduce the baseline noise of the CRD.
To provide an S system. Yet another object is to provide a laser and ring-down cavity that can be locked without the need for an external reference cavity.
To provide a DS system. Another object is to provide a CRDS system that can reduce optical feedback from a ring-down cavity to a laser. Yet another purpose is CRDS
It is an object to provide a system which allows a relatively simple coupling of the locking light leaving the cavity to a locking device.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明は、独特のサン
プリングを使用して光をロックするCRDSシステムを
提供する。サンプリング光は、リングダウン測定を行う
ために使用される一方、ロッキング光は、リングダウン
共振キャビティおよびCWレーザの周波数をロックする
ために使用される。サンプリング光が、リングダウン測
定を行うためにオンオフされるのに対して、ロッキング
光は、連続して維持される。連続ロックにより、より高
速の繰り返し測定が達成され、その結果、ノイズレベル
を低くすることができる。ロッキング光およびサンプリ
ング光は、キャビティ内で効果的に分離して、サンプリ
ング光を用いて行われるリングダウン測定にロッキング
光が影響を与えないことを保証するように、異なる周波
数を有している。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a CRDS system that locks light using unique sampling. The sampling light is used to make ringdown measurements, while the locking light is used to lock the frequency of the ringdown resonant cavity and CW laser. The sampling light is turned on and off to make ring-down measurements, while the locking light is maintained continuously. With continuous locking, faster repetitive measurements can be achieved, resulting in lower noise levels. The locking light and the sampling light have different frequencies to effectively separate within the cavity and to ensure that the locking light does not affect ring-down measurements made with the sampling light.

【0006】好ましい態様において、リングダウンキャ
ビティは、リング形状のキャビティである。所定のモー
ドにおいて、リングキャビティは、S偏光光およびP偏
光光に対して、別個の共振周波数およびミラー損失を有
する。キャビティ内損失は、S偏光光に対してよりも、
P偏光光に対して高く、サンプリング光はキャビティに
対してS偏光されていることが好ましいのに対し、ロッ
キング光はP偏光されていることが好ましい。リング形
状キャビティの使用は、所定のモードの共振周波数間の
望ましい分離を提供し、サンプリング光とロッキング光
とを結合させずに、同一のキャビティに対して、それら
サンプリング光およびロッキング光の両方を同調させる
ことができる。さらに、リング形状キャビティの使用に
より、レーザへの光学的なフィードバックを低減するこ
とができるという効果もある。
[0006] In a preferred embodiment, the ring-down cavity is a ring-shaped cavity. In a given mode, the ring cavity has separate resonance frequencies and mirror losses for S-polarized light and P-polarized light. The loss in the cavity is smaller than for S-polarized light.
It is preferable that the sampling light be S-polarized with respect to the cavity while the locking light be P-polarized while the sampling light is high with respect to the P-polarized light. The use of a ring-shaped cavity provides the desired separation between the resonance frequencies of a given mode and tunes both the sampling light and the locking light to the same cavity without coupling the sampling light and the locking light. Can be done. Further, the use of the ring-shaped cavity has an effect that optical feedback to the laser can be reduced.

【0007】ロッキング光およびサンプリング光の内の
少なくとも一方は、キャビティ内で確実に切り離される
ように、周波数シフトされている。音響光学変調器(A
OM)が、サンプリング光の経路に配置されていること
が好ましい。このAOMは、サンプリング光とロッキン
グ光の周波数を異ならせるために使用される。AOM
は、リングダウン測定を行うために、サンプリング光を
オンオフするスイッチとしても使用される。
[0007] At least one of the locking light and the sampling light is frequency shifted to ensure decoupling within the cavity. Acousto-optic modulator (A
OM) is preferably arranged in the path of the sampling light. This AOM is used to make the frequencies of the sampling light and the locking light different. AOM
Is also used as a switch for turning on and off the sampling light in order to perform ring-down measurement.

【0008】他の態様においては、リングダウンキャビ
ティは、直線状であっても折り返されていてもよい。そ
のとき、サンプリング光およびロッキング光は、隣接す
る縦モードに対応して、同一の横モード(例えば、TE
M00)に同調することができる。したがって、サンプ
リング光とロッキング光との間の周波数シフトは、キャ
ビティのフリースペクトルレンジに等しい。
[0008] In another aspect, the ring-down cavity may be straight or folded. At that time, the sampling light and the locking light are in the same transverse mode (for example, TE
M00). Therefore, the frequency shift between the sampling light and the locking light is equal to the free spectral range of the cavity.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】図1は、この発明の好ましいシス
テムを示す概略図である。図2は、図1のシステムの光
学的部材を示す概略図である。図3は、図1のシステム
のロッキング部材を示す図である。図4は、この発明の
他の実施形態に係るロッキング部材を示す図である。図
5は、直線状のリングダウンキャビティを使用する、こ
の発明の他の実施形態を示している。図6は、この発明
の一実施形態に係るシステムについて、P偏光光および
S偏光光に対するキャビティ周波数応答を示す図であ
る。図7は、図6の特徴を有するシステムについて、周
波数差によって変動するスペクトル密度の測定値を周波
数差との関係で示した図である。図8は、図6の特徴を
有するシステムを用いて記録された、大気中の水蒸気の
スペクトルを示している。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a preferred system of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the optical components of the system of FIG. FIG. 3 shows a locking member of the system of FIG. FIG. 4 is a view showing a locking member according to another embodiment of the present invention. FIG. 5 shows another embodiment of the present invention that uses a straight ring-down cavity. FIG. 6 is a diagram showing the cavity frequency response to P-polarized light and S-polarized light for the system according to one embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram illustrating a measured value of a spectral density that fluctuates due to a frequency difference in relation to a frequency difference in a system having the characteristics of FIG. 6. FIG. 8 shows a spectrum of atmospheric water vapor recorded using a system having the features of FIG.

【0010】以下の説明は、この発明の実施形態を示し
ているが、この発明は、必ずしもこの実施形態に限定さ
れるものではない。以下の説明においては、特に指定し
ない限り、偏光方向はシステムのリングダウン共振キャ
ビティに対するものと考えるものとする。また、特に指
定しない限り、「リングダウン」の語は、共振キャビテ
ィ内における光の減衰およびビルドアップの両方を含む
ものと解釈することにする。
The following description shows an embodiment of the present invention, but the present invention is not necessarily limited to this embodiment. In the following description, unless otherwise specified, the polarization direction is assumed to be relative to the ring-down resonant cavity of the system. Also, unless otherwise specified, the term "ring down" will be interpreted to include both light attenuation and build-up in the resonant cavity.

【0011】図1は、この発明の好ましいシステム20
の概略図である。光学的な接続は、破線により示されて
おり、電気的な接続は実線によって示されている。シス
テム20は、同調可能な単色光源22と、該光源22に
光学的に接続されたリングダウン共振キャビティ24
と、該キャビティ24に光学的に接続された、サンプリ
ング検出装置26、監視(診断)装置28およびロッキ
ング装置30とを具備している。前記ロッキング装置3
0は、光源22およびキャビティ24に電気的に接続さ
れており、前記監視装置28は、前記サンプリング検出
装置26に電気的に接続されている。
FIG. 1 shows a preferred system 20 of the present invention.
FIG. Optical connections are indicated by dashed lines and electrical connections are indicated by solid lines. The system 20 includes a tunable monochromatic light source 22 and a ring-down resonant cavity 24 optically connected to the light source 22.
And a sampling detection device 26, a monitoring (diagnosis) device 28 and a locking device 30 optically connected to the cavity 24. The locking device 3
0 is electrically connected to the light source 22 and the cavity 24, and the monitoring device 28 is electrically connected to the sampling detection device 26.

【0012】前記キャビティ24は、キャビティ内の光
路上に目的のサンプルを保持する。光源22は、キャビ
ティ24に入射する連続波入力サンプリング光32aお
よびロッキング光32bを生起する。入力サンプリング
光32aは、サンプルの目的の吸収領域内の波長を有し
ている。入力ロッキング光32bは、サンプリング光3
2aとの関係で予め定められた波長を有している。サン
プリング光32aおよびロッキング光32bは、キャビ
ティ24内において異なる周波数を有している。サンプ
リング光32aはS偏光されており、ロッキング光32
bはP偏光されていることが好ましい。
The cavity 24 holds a target sample on an optical path in the cavity. The light source 22 generates a continuous wave input sampling light 32a and a locking light 32b incident on the cavity 24. The input sampling light 32a has a wavelength within the target absorption region of the sample. The input locking light 32b is the sampling light 3
2a has a predetermined wavelength. The sampling light 32a and the locking light 32b have different frequencies in the cavity 24. The sampling light 32a is S-polarized, and the locking light 32a
b is preferably P-polarized.

【0013】キャビティ24から出た出力光34a〜3
4cは、検出装置26、監視装置28およびロッキング
装置30にそれぞれ入射される。これら出力光34a〜
34cは、サンプリング検出装置26に入射される出力
サンプリング光34aと、監視装置28に入射される出
力監視光34bと、ロッキング装置30に入射される出
力ロッキング光34cとからなっている。ロッキング装
置30は、光源22とキャビティ24とを周波数ロック
し、キャビティ内のサンプリング光の線幅を、キャビテ
ィ24の目的のモードの線幅に確実に重ね合わせる。サ
ンプリング検出装置26は、目的のサンプルのリングダ
ウン率、吸収スペクトルおよび核種量を決定する。監視
装置28は、キャビティ内の光の強度および横モード構
造を監視する。キャビティ内の光の強度は、光源22お
よびキャビティ24のロッキングを特徴づけるために使
用される。一実施形態において、キャビティ内の光の強
度のピーク値の測定が、ロッキング光とサンプリング光
との間の周波数分離を調節するために使用される。
The output lights 34a to 34a coming out of the cavity 24
4c enters the detection device 26, the monitoring device 28, and the locking device 30, respectively. These output lights 34a-
Reference numeral 34c includes an output sampling light 34a incident on the sampling detection device 26, an output monitoring light 34b incident on the monitoring device 28, and an output locking light 34c incident on the locking device 30. The locking device 30 locks the frequency of the light source 22 and the cavity 24, and ensures that the line width of the sampling light in the cavity overlaps the line width of the target mode of the cavity 24. The sampling detector 26 determines the ring-down rate, absorption spectrum, and nuclide amount of the target sample. The monitoring device 28 monitors the light intensity and the transverse mode structure in the cavity. The light intensity in the cavity is used to characterize the locking of light source 22 and cavity 24. In one embodiment, a measurement of the peak intensity of the light in the cavity is used to adjust the frequency separation between the locking light and the sampling light.

【0014】図2は、システム20の光学系の配置を示
している。ロッキング装置30は、図3に示されてい
る。説明の要旨を明確にするために、光の焦点合わせお
よび方向変更に使用されるレンズやミラーのような、種
々の一般的な光学素子については、当業者に周知である
ので、詳細には説明しない。
FIG. 2 shows the arrangement of the optics of the system 20. The locking device 30 is shown in FIG. For clarity, various common optical elements, such as lenses and mirrors used for focusing and redirecting light, are well known to those skilled in the art and will not be described in detail. do not do.

【0015】図2を参照すると、光源22は、基本光4
2を生起するための連続波(C.W.)レーザ40と、
入力サンプリング光32aおよびロッキング光32bを
生起するための光学素子とを具備している。レーザ40
は、1MHz程度の線幅と、少なくとも100μWの出
力とを有することが好ましい。また、レーザ40は、同
調可能な外部キャビティダイオードレーザ(ECDL)
であることが好ましい。他の好適な光源には、固体レー
ザおよび色素レーザ、並びに、連続波光パラメトリック
発振器(OPOs)が含まれる。レーザ40は、そのコ
ントローラを含めて、該レーザ40の温度コントローラ
に不安定性を引き起こすことになる漂遊電磁干渉からレ
ーザ40を遮蔽するために、ファラデーケージ(図示
略)内に据え付けられている。
Referring to FIG. 2, the light source 22 includes the fundamental light 4.
A continuous wave (CW) laser 40 for producing
An optical element for generating the input sampling light 32a and the locking light 32b is provided. Laser 40
Preferably has a line width on the order of 1 MHz and an output of at least 100 μW. The laser 40 is a tunable external cavity diode laser (ECDL)
It is preferred that Other suitable light sources include solid state and dye lasers, and continuous wave optical parametric oscillators (OPOs). Laser 40, including its controller, is mounted in a Faraday cage (not shown) to shield laser 40 from stray electromagnetic interference that would cause instability in the temperature controller of laser 40.

【0016】光アイソレータ44が、前記レーザ40に
光学的に連結して、基本光42の経路内に配置されてい
る。該アイソレータ44は、反射によって生ずるレーザ
40内への光フィードバックを低減し、基本光42の偏
光を調節する。アイソレータ44は、P偏光光を生起す
るように調節された半波長板を含むファラデーアイソレ
ータであることが好ましい。ビームエキスパンダ46お
よびビームスプリッタ48が、アイソレータ44から出
た光を受けるように、アイソレータ44の前方に連続し
て配置されている。基本光42は、ビームスプリッタ4
8によって、サンプリング光32aとロッキング光32
bとに分割される前に、ビームエキスパンダ46を通過
させられる。
An optical isolator 44 is optically coupled to the laser 40 and is disposed in the path of the fundamental light 42. The isolator 44 reduces the optical feedback into the laser 40 caused by reflection and adjusts the polarization of the fundamental light 42. Isolator 44 is preferably a Faraday isolator that includes a half-wave plate tuned to produce P-polarized light. A beam expander 46 and a beam splitter 48 are arranged continuously in front of the isolator 44 so as to receive light emitted from the isolator 44. The basic light 42 is transmitted to the beam splitter 4
8, the sampling light 32a and the locking light 32
Before being split into b and b, they are passed through a beam expander 46.

【0017】音響光学的変調器(AOM)54が、レー
ザ40とキャビティ24との間のサンプリング光32a
の経路上に配置されている。AOM54は、電圧制御さ
れた発振器(図示略)によって生起したRF信号によっ
て駆動される。AOM54は、焦光用およびモード整合
用光学素子56a,56b間に配されている。光学素子
56aは、キャビティ24を通過させるTEM00光を
選択するためのモード整合レンズと、AOM54へのサ
ンプリング光32aを平行化するための焦光レンズとを
具備している。光学素子56bは、AOM54を通過し
た後に、サンプリング光32aを再平行化するレンズを
具備している。半波長板57は、サンプリング光32a
の偏光状態をS偏光に変えるために、サンプリング光3
2aの経路上に配置されている。図示された装置におい
て、AOM54は、P偏光光を変調するために最適化さ
れ、したがって、半波長板57はAOM54の後方に配
置されている。
An acousto-optic modulator (AOM) 54 provides a sampling light 32 a between the laser 40 and the cavity 24.
Is located on the route of. The AOM 54 is driven by an RF signal generated by a voltage-controlled oscillator (not shown). The AOM 54 is arranged between the optical elements 56a and 56b for focal light and mode matching. The optical element 56a includes a mode matching lens for selecting TEM00 light passing through the cavity 24, and a focal lens for collimating the sampling light 32a to the AOM 54. The optical element 56b includes a lens that re-collimates the sampling light 32a after passing through the AOM 54. The half-wave plate 57 receives the sampling light 32a.
Sampling light 3 to change the polarization state of
2a. In the illustrated device, the AOM 54 is optimized for modulating the P-polarized light, so the half-wave plate 57 is located behind the AOM 54.

【0018】AOM54は、サンプリング光32aがキ
ャビティ24内でリングダウンすることができるよう
に、キャビティ24に到達するサンプリング光32の強
度を変調する(例えば、オンオフを切り替える)ための
スイッチとして機能する。AOM54は、特に、パルス
または連続波ステップ入力を生成するために使用されて
もよい。AOM54は、S偏光光32aがキャビティ2
4の所望のモードに同調されるように、キャビティ24
に入射されるサンプリング光32aの周波数をシフトす
るための周波数シフタとしても機能する。AOM54
は、AOM54を駆動するRF信号の周波数に等しい量
だけ、サンプリング光32aの周波数をシフトする。A
OM43からの1次ビームがキャビティ24に向けられ
ることが好ましい。キャビティ24に通過させるAOM
54からの1次ビームを選択する一方、0次ビームを阻
止するために、AOM54とキャビティ24との間の光
学経路に、窓50が配置されている。
The AOM 54 functions as a switch for modulating the intensity of the sampling light 32 reaching the cavity 24 (for example, switching on and off) so that the sampling light 32a can ring down in the cavity 24. AOM 54 may be used, among other things, to generate a pulse or continuous wave step input. The AOM 54 transmits the S-polarized light 32 a to the cavity 2.
Cavity 24 to be tuned to the desired mode of
Also functions as a frequency shifter for shifting the frequency of the sampling light 32a incident on. AOM54
Shifts the frequency of the sampling light 32a by an amount equal to the frequency of the RF signal driving the AOM 54. A
Preferably, the primary beam from OM 43 is directed to cavity 24. AOM passed through cavity 24
A window 50 is located in the optical path between the AOM 54 and the cavity 24 to select the primary beam from 54 while blocking the zero order beam.

【0019】位相変調器(PM)58が、レーザ40と
キャビティ24との間のロッキング光32bの経路上に
配置されている。PM58は、電気光学的共振位相変調
器であることが好ましい。図示された特定の装置におい
て、PM58はS偏光光を変調するために最適化され、
半波長板60a,60bの間に配されている。半波長板
60a,60bは、PM58の特定の結晶方向に対して
PM58内の電気光学的効果を最大化するように、PM
58内部の光の偏光を調節する。PM58は、ロッキン
グ光32b内にロッキング側波帯を導入する。側波帯
は、レーザ40の線幅およびキャビティ24の目的のモ
ードより大きな所定の周波数ωfだけ、ロッキング光3
2bの中央周波数ωLから離れている。ωL−ωfの側
波帯はωL+ωfの側波帯に対してπ(180゜)だけ
位相がシフトしている。モード整合レンズ62が、キャ
ビティ24に通過させるTEM00モードを選択するた
めに、ロッキング光32bの経路上に配置されている。
A phase modulator (PM) 58 is disposed on the path of the locking light 32b between the laser 40 and the cavity 24. PM 58 is preferably an electro-optical resonant phase modulator. In the particular device shown, PM 58 is optimized to modulate S-polarized light,
It is arranged between the half-wave plates 60a and 60b. The half-wave plates 60a, 60b allow the PM 58 to maximize the electro-optic effect within the PM 58 for a particular crystal orientation.
Adjust the polarization of the light inside 58. The PM 58 introduces a locking sideband into the locking light 32b. The sidebands have a predetermined frequency ωf greater than the line width of the laser 40 and the desired mode of the cavity 24, and the locking light 3
2b away from the center frequency ωL. The sideband of ωL−ωf is shifted in phase by π (180 °) with respect to the sideband of ωL + ωf. A mode matching lens 62 is disposed on the path of the locking light 32b in order to select a TEM00 mode to be passed through the cavity 24.

【0020】偏光ビームスプリッタ64が、サンプリン
グ光32aおよびロッキング光32bの経路に、前記キ
ャビティ24に面して配置されている。ビームスプリッ
タ64は、サンプリング光32aとロッキング光32b
とを結合してキャビティ24の方向に向かわせる。ビー
ムスプリッタ64、アイソレータ44および半波長板5
7,60a,60bは、S偏光されたサンプリング光3
2aおよびP偏光されたロッキング光32bを、キャビ
ティ24に通過させるために選択する偏光調節素子とし
て機能する。
A polarizing beam splitter 64 is disposed in the path of the sampling light 32a and the locking light 32b, facing the cavity 24. The beam splitter 64 includes a sampling light 32a and a locking light 32b.
And directed in the direction of the cavity 24. Beam splitter 64, isolator 44 and half-wave plate 5
7, 60a and 60b are S-polarized sampling lights 3
It functions as a polarization adjusting element for selecting the 2a and the P-polarized locking light 32b to pass through the cavity 24.

【0021】キャビティ24は、入力ミラー66aと、
中間ミラー66bと、出力ミラー66cとを具備してい
る。これらのミラー66a〜66cは、近接した、三角
形状のキャビティ内光路68を定めている。ガスのサン
プル72が光路68内に配置され、キャビティ24を満
たしている。サンプル72は、光学的に不動の材料であ
る(すなわち、増加媒体ではない)。入力ミラー66a
および出力ミラー66cは、適度に反射する平坦なミラ
ーである。中間ミラー66bは高い反射率を有するミラ
ーである。中間ミラー66bは、圧電ステージ74上に
装着されている。ステージ74は、キャビティ経路長調
節素子として使用される。ステージ74は、ミラー66
a,66cに対するミラー66bの位置を調節し、それ
によって、キャビティ24の経路長およびキャビティ2
4の任意のモードの共振周波数を調節する。
The cavity 24 includes an input mirror 66a,
It has an intermediate mirror 66b and an output mirror 66c. These mirrors 66a-66c define a close, triangular optical path 68 in the cavity. A gas sample 72 is disposed in the optical path 68 and fills the cavity 24. Sample 72 is an optically immobile material (ie, not an enhancement medium). Input mirror 66a
The output mirror 66c is a flat mirror that reflects light appropriately. The intermediate mirror 66b is a mirror having a high reflectance. The intermediate mirror 66b is mounted on the piezoelectric stage 74. The stage 74 is used as a cavity path length adjusting element. The stage 74 includes a mirror 66
a, 66c to adjust the position of mirror 66b relative to the path length of cavity 24 and cavity 2b.
4. Adjust the resonance frequency of any mode.

【0022】キャビティ24の熱膨張係数および応力テ
ンソル係数は、(引っ張り、たわみ、曲げ等による)キ
ャビティの変形および機械的共振を最小化するように最
適化されることが好ましい。したがって、キャビティ2
4の光学素子は、モノリシックに集積されていることが
好ましい。ミラー66a,66cおよびステージ74
は、熱的に安定化された材料、好ましくは、例えば、マ
イカセラミックのような低熱膨張ガラスからなる共通の
ブロック(図示略)にしっかりと固定されている。ミラ
ー66a,66cおよびステージ74を、安定してモノ
リシックに取り付けておくことにより、機械的振動およ
び/または温度の振動によるキャビティ24の形状の変
化を低減することができる。そのような形状変化は、キ
ャビティ24のモード周波数にドリフトを引き起こす。
The coefficient of thermal expansion and stress tensor of the cavity 24 is preferably optimized to minimize cavity deformation (due to pulling, bending, bending, etc.) and mechanical resonance. Therefore, cavity 2
Preferably, the four optical elements are monolithically integrated. Mirrors 66a, 66c and stage 74
Are fixedly secured to a common block (not shown) of a thermally stabilized material, preferably a low thermal expansion glass such as, for example, mica ceramic. By stably and monolithically attaching the mirrors 66a and 66c and the stage 74, a change in the shape of the cavity 24 due to mechanical vibration and / or temperature vibration can be reduced. Such a shape change causes a drift in the mode frequency of the cavity 24.

【0023】入力光32a,32bは、入力ミラー66
aを介してキャビティ24内に入り、光路68に沿っ
て、キャビティ内を移動する光波を生起する。入力光3
2a,32bはミラー66aに対して垂直ではなく、そ
のために、ミラー66aによって反射された光は、ミラ
ー66aに入射する光とは同一直線上に配されない。キ
ャビティ24の精度は十分に高く、キャビティ内を移動
する光波がキャビティ24中を複数回伝播することがで
きる。キャビティ内の(P偏光された)ロッキング光お
よび(S偏光された)サンプリング光は、キャビティ2
4内で異なる損失を生じ、キャビティ24の所定の縦モ
ードに対して異なる共振周波数を有する。検出光34a
および監視光34bは、出力ミラー66cを介してキャ
ビティ24から外に出る。
The input lights 32a and 32b are input to an input mirror 66.
A enters the cavity 24 via a and generates a light wave traveling in the cavity along the optical path 68. Input light 3
2a and 32b are not perpendicular to mirror 66a, so that the light reflected by mirror 66a is not collinear with the light incident on mirror 66a. The accuracy of the cavity 24 is sufficiently high so that light waves traveling in the cavity can propagate through the cavity 24 multiple times. The locking light (P-polarized) and the sampling light (S-polarized) in the cavity
4 causes different losses and has different resonance frequencies for a given longitudinal mode of the cavity 24. Detection light 34a
And the monitoring light 34b exits the cavity 24 via the output mirror 66c.

【0024】偏光ビームスプリッタ76が、出力ミラー
66cに光学的に連結している。ビームスプリッタ76
は、ミラー66cとサンプリング検出器82との間の光
路上に配置されている。ビームスプリッタ76は、S偏
光されたサンプリング光34aをサンプリング検出器8
2に向かわせる。検出器82は、Harb他による文献、Ph
ys. Rev. A. 54:4370(1996)に説明されているように、
高いゲインを有するように最適化されたフォトダイオー
ドであることが好ましい。偏光セパレータ78および焦
光レンズ80が、ビームスプリッタ76と検出器82と
の間の光路上に配置されている。好適な偏光セパレータ
は、特に、ブルースター窓と、グラン−テイラー、グラ
ン−トムソンまたはウォラストンプリズムと、トムソン
ビームスプリッタとを含んでいる。偏光セパレータ78
は、S偏光されたサンプリング光34aをサンプリング
検出器82に伝達するために選択する。
A polarizing beam splitter 76 is optically coupled to output mirror 66c. Beam splitter 76
Is disposed on the optical path between the mirror 66c and the sampling detector 82. The beam splitter 76 converts the S-polarized sampling light 34 a into the sampling detector 8.
Go to 2. The detector 82 is described in Harb et al., Ph.
As described in ys. Rev. A. 54: 4370 (1996),
Preferably, the photodiode is optimized to have a high gain. A polarizing separator 78 and a focusing lens 80 are disposed on the optical path between the beam splitter 76 and the detector 82. Suitable polarizing separators include, in particular, Brewster windows, Gran-Taylor, Gran-Thomson or Wollaston prisms, and Thomson beam splitters. Polarizing separator 78
Is selected to transmit the S-polarized sampling light 34a to the sampling detector 82.

【0025】リングダウン装置90は、サンプリング検
出器82に電気的に連結している。このリングダウン装
置90は、サンプル72に対するリングダウン率および
対応する吸収スペクトルを、サンプリング検出器82に
よって検出されたリングダウン波形を解析することによ
り決定する。リングダウン装置90は、サンプル72内
の目的の追跡核種の量をも決定する。検出器82に入射
される出力サンプリング光34aの強度は、キャビティ
24内のサンプリング光の強度、したがって、サンプル
72のキャビティ内サンプリング光との相互作用の強さ
を示す。リングダウン装置90は、従来のものである。
リングダウン90は、例えば、実験的な設定においては
コンピュータソフトウェアを用いて、または、製造上の
設定においてはプロセス制御装置内の専用のハードウェ
アを用いて実行することにしてもよい。
The ring-down device 90 is electrically connected to the sampling detector 82. The ring-down device 90 determines the ring-down rate and the corresponding absorption spectrum for the sample 72 by analyzing the ring-down waveform detected by the sampling detector 82. Ring-down device 90 also determines the amount of the target nuclide in sample 72. The intensity of the output sampling light 34a incident on the detector 82 indicates the intensity of the sampling light in the cavity 24, and thus the strength of the interaction of the sample 72 with the in-cavity sampling light. The ring down device 90 is a conventional one.
The ring down 90 may be implemented, for example, using computer software in an experimental setting, or using dedicated hardware in a process control device in a manufacturing setting.

【0026】監視検出器86,88は、ミラー66cに
光学的に連結している。ビームスプリッタ76は、P偏
光された間指向34bを、ビームスプリッタ92および
焦光レンズ94を介して監視検出器86,88に向かわ
せる。検出器86は、Harb他による上述した文献に説明
されているようにフォトダイオードであることが好まし
い。検出器86は、キャビティ内の光のパワーを監視す
るために使用される。検出器86は、サンプリング共振
とロッキング共振との周波数差における変化を補償すべ
く、AOM54の駆動周波数を調節するために、監視サ
ーボ装置(図示略)を介して、AOM54に接続されて
いてもよい。そのような変化は、サンプルのばらつきに
よって生ずる。
The monitoring detectors 86 and 88 are optically connected to the mirror 66c. The beam splitter 76 directs the P-polarized inter-direction 34b to the monitoring detectors 86 and 88 via the beam splitter 92 and the focusing lens 94. Detector 86 is preferably a photodiode as described in Harb et al., Supra. Detector 86 is used to monitor the power of the light in the cavity. Detector 86 may be connected to AOM 54 via a monitoring servo device (not shown) to adjust the drive frequency of AOM 54 to compensate for changes in the frequency difference between sampling resonance and rocking resonance. . Such changes are caused by sample variations.

【0027】検出器88は、電荷結合素子配列(CCD
カメラ)であることが好ましい。検出器88は、理想的
には、TEM00光のみがキャビティ24内を伝播する
ことを確認するために、キャビティ内の光の横モード構
造を監視するために使用される。監視処理装置96は、
検出器86,88およびリングダウン装置90に電気的
に接続されている。監視処理装置96は、対応するリン
グダウンデータを記憶するために、記録された監視デー
タをリングダウン装置90に伝達する。
The detector 88 includes a charge-coupled device array (CCD)
Camera). Detector 88 is ideally used to monitor the transverse mode structure of light in the cavity to ensure that only TEM00 light propagates in cavity 24. The monitoring processing device 96
It is electrically connected to the detectors 86 and 88 and the ring-down device 90. The monitoring processing device 96 transmits the recorded monitoring data to the ring-down device 90 to store the corresponding ring-down data.

【0028】ロッキング検出器100が、入力ミラー6
6aに光学的に連結され、入力ミラー66aから出射さ
れる出力ロッキング光34cを捕らえるように配置され
ている。ロッキング検出器100は、ロッキング側波帯
を最小のゆがみとノイズにするために高いバンド幅に対
して最適化された、監視検出器86に使用されたものと
同様のフォトダイオードであることが好ましい。偏光セ
パレータ102および焦光レンズ104は、ミラー66
aとロッキング検出器100との間のロッキング光34
cの光路上に配置されている。入力ミラー66aから出
射される光は、入力ミラー66aによって反射された反
射成分と、キャビティ24から入力ミラー66aを介し
て透過された漏れ成分とを具備している。偏光セパレー
タ102は、検出器100に透過させるP偏光されたロ
ッキング光34cを選択する。
The locking detector 100 is connected to the input mirror 6
6a, which is optically connected to the input mirror 66a and is arranged to catch the output locking light 34c emitted from the input mirror 66a. Locking detector 100 is preferably a photodiode similar to that used for surveillance detector 86, optimized for high bandwidth to minimize locking sidebands with minimal distortion and noise. . The polarizing separator 102 and the focusing lens 104 are
a between the locking detector 100 and the locking detector 100
c is arranged on the optical path. The light emitted from the input mirror 66a has a reflection component reflected by the input mirror 66a and a leak component transmitted from the cavity 24 via the input mirror 66a. The polarization separator 102 selects the P-polarized locking light 34c to be transmitted to the detector 100.

【0029】検出器100は、ロッキング装置30の一
部である。図3は、ロッキング装置30の概略図を示し
ている。ロッキング装置30の設計は、パウンド−ドレ
バーロッキングシステムに基づいている。パウンド−ド
レバーロッキングについての詳細な情報は、参照により
この明細書中に組み込まれている、Drever他の文献、Ap
pl. Phys. B 31:97-105 (1983) を参照のこと。
The detector 100 is a part of the locking device 30. FIG. 3 shows a schematic view of the locking device 30. The design of the locking device 30 is based on a pound-dever locking system. Detailed information on pound-drever locking can be found in Drever et al., Ap, which is incorporated herein by reference.
pl. Phys. B 31: 97-105 (1983).

【0030】図3を参照すると、ハイパスフィルタ(H
PF)108が、検出器100の出力に電気的に接続さ
れている。HPF108の通過しきい値は、中央周波数
と、検出器100により検出された信号のロッキング側
波帯との間の周波数分離ωfよりも小さい。バンドパス
フィルタ(BPF)110が、HPF108の出力に接
続されている。BPF110の通過帯域はωfを中心と
している。BPF110の出力は、ミキサ112の入力
に接続されている。ミキサ112の他の入力は、周波数
ωfで駆動信号を生成することができる電圧制御された
発振器(VCO)106の第1の出力に接続されてい
る。VCO106の第2の出力は、PM58を駆動する
ために、該PM58に接続されている。ミキサ112の
出力は、ローパスフィルタ(LPF)114に接続され
ている。LPF114の通過しきい値は2ωfよりも小
さい。LPF114の出力は、サーボ装置116に接続
され、サーボ装置116は、アンプ118を介してステ
ージ74に接続されている。
Referring to FIG. 3, a high-pass filter (H
(PF) 108 is electrically connected to the output of the detector 100. The pass threshold of the HPF 108 is smaller than the frequency separation ωf between the center frequency and the locking sideband of the signal detected by the detector 100. A bandpass filter (BPF) 110 is connected to the output of the HPF 108. The pass band of the BPF 110 is centered on ωf. The output of the BPF 110 is connected to the input of the mixer 112. Another input of the mixer 112 is connected to a first output of a voltage controlled oscillator (VCO) 106 that can generate a drive signal at a frequency ωf. A second output of VCO 106 is connected to PM 58 to drive PM 58. The output of the mixer 112 is connected to a low-pass filter (LPF) 114. The pass threshold of LPF 114 is smaller than 2ωf. The output of the LPF 114 is connected to a servo device 116, and the servo device 116 is connected to the stage 74 via an amplifier 118.

【0031】VCO106は、PM58を駆動するため
にωfの駆動信号を生成する。PM58は、周波数ωL
±ωfで、ロッキング光32b内にロッキング側波帯を
挿入する。ここで、ωLは、ロッキング光32bの中央
帯域の周波数である。出力ロッキング光34cは、ロッ
キング光32bの反射およびキャビティ24から漏れて
くるロッキング光によって構成されている。ロッキング
光の側波帯の幅は、キャビティ24の各側波帯の同調に
依存し、その結果、ωLと対応するキャビティ24の目
的の所定モードの共振周波数との間の相違に依存する。
例えば、ωLが、対応するキャビティ24の共振周波数
より高い場合には、ωL−ωfにおいて反射された側波
帯は、ωL+ωfにおいて反射された側波帯よりも低い
強度を有している。
The VCO 106 generates a drive signal of ωf to drive the PM 58. PM58 has a frequency ωL
At ± ωf, a locking sideband is inserted into the locking light 32b. Here, ωL is the frequency of the central band of the locking light 32b. The output locking light 34c is constituted by the reflection of the locking light 32b and the locking light leaking from the cavity 24. The width of the sideband of the locking light depends on the tuning of each sideband of the cavity 24, and consequently on the difference between ωL and the corresponding resonance frequency of the intended predetermined mode of the cavity 24.
For example, if ωL is higher than the corresponding resonance frequency of cavity 24, the sideband reflected at ωL−ωf has a lower intensity than the sideband reflected at ωL + ωf.

【0032】検出器100により検出されたロッキング
光34cは、ωLの周波数成分とωfの周波数成分とを
含んでいる。一般には、ωLは1014Hz程度であ
り、ωfは107Hz程度である。検出器100は、ロ
ッキング光34cのωL成分を時間分解するのに十分な
ほど速いものではない。その結果、検出器100により
生成された電気信号は、ロッキング光34cのωL周波
数成分に対応して、ゼロ周波数を中心とする成分を含ん
でいる。検出器100は、ロッキング光34cのωf成
分を時間分解することができ、それによって、生成され
た電気信号は、ωfを中心とする成分を含んでいる。H
PF108およびBPF110は、ミキサ112に通過
させるωf周波数成分を選択する。
The locking light 34c detected by the detector 100 includes a frequency component of ωL and a frequency component of ωf. Generally, ωL is about 1014 Hz and ωf is about 107 Hz. Detector 100 is not fast enough to resolve the ωL component of locking light 34c in time. As a result, the electric signal generated by the detector 100 includes a component centered on the zero frequency corresponding to the ωL frequency component of the locking light 34c. The detector 100 can time-resolve the ωf component of the locking light 34c, so that the generated electrical signal includes a component centered at ωf. H
The PF 108 and the BPF 110 select the ωf frequency component to be passed through the mixer 112.

【0033】ミキサ112は、ゼロ周波数に中心をおく
誤差信号を生成するために、VCO106および検出器
100から受信した信号を合成する。ミキサ112は、
誤差信号を生成するために側波帯信号間の差を効果的に
計算する。誤差信号の符号は、ωLが対応するキャビテ
ィ24の共振周波数よりも高いか低いかを示している。
LPF114は、ミキサ112により生成された信号か
ら、高調波(例えば、2ωf)を消滅させ、サーボ装置
116に通過させるゼロ周波数誤差信号を選択する。サ
ーボ装置116は、キャビティ24の所望のモードを確
実にωLに同調すべく、経路長、および、それによっ
て、キャビティ24の目的の共振周波数を調節するため
に、誤差信号をステージ74の適当な動作に変換する。
Mixer 112 combines the signals received from VCO 106 and detector 100 to generate an error signal centered at zero frequency. The mixer 112
Effectively calculate the difference between the sideband signals to generate the error signal. The sign of the error signal indicates whether ωL is higher or lower than the resonance frequency of the corresponding cavity 24.
The LPF 114 eliminates harmonics (for example, 2ωf) from the signal generated by the mixer 112 and selects a zero-frequency error signal to be passed to the servo device 116. Servo unit 116 applies an error signal to stage 74 to adjust the path length, and thereby the desired resonant frequency of cavity 24, to ensure that the desired mode of cavity 24 is tuned to ωL. Convert to

【0034】ロッキング光32bは、キャビティ24お
よび光源22の連続したロッキングを確実にするため
に、システム20の動作中に継続してオン状態とされ
る。サンプリング光32aは、キャビティ24内のサン
プリング光32aのリングダウンの計測を可能にするた
めに、連続波動作の期間中、キャビティ24内における
光の十分な蓄積後に選択的にオフに切り替えられる。ロ
ッキング光32bをオン状態に維持する一方、複数回の
リングダウン測定を行うことにより、システム20に対
して比較的高い繰り返し速度(例えば、kHz〜数10
kHz)を許容することができる。
The locking light 32b is continuously turned on during operation of the system 20 to ensure continuous locking of the cavity 24 and the light source 22. Sampling light 32a is selectively switched off after sufficient accumulation of light in cavity 24 during continuous wave operation to enable measurement of the ring-down of sampling light 32a in cavity 24. Performing a plurality of ring-down measurements while maintaining the locking light 32b in the on state allows the system 20 to have a relatively high repetition rate (e.g.,
kHz) can be tolerated.

【0035】〈他のシステム〉図4は、この発明に係る
他のシステム20′を示す概略図である。ロッキング装
置30′は、キャビティ24へのロッキング光32bの
中央帯域を同調するように、レーザ40′から出射され
た光の周波数を調節する。ミキサ112の出力は、LP
F114、サーボ装置116′および増幅器118′を
介して、レーザ40′の周波数調節器に接続されてい
る。ωLがキャビティ24の目的の共振周波数よりも高
い場合には、サーボ装置116′が、ωLをキャビティ
24の所望のモードに調節するために、その照射周波数
を低減するようにレーザ40′を調節する。同様に、ω
Lは、所望の値より低い場合には増加させられる。
<Another System> FIG. 4 is a schematic diagram showing another system 20 'according to the present invention. The locking device 30 'adjusts the frequency of the light emitted from the laser 40' so as to tune the central band of the locking light 32b to the cavity 24. The output of mixer 112 is LP
It is connected to the frequency adjuster of laser 40 'via F114, servo device 116' and amplifier 118 '. If ωL is higher than the desired resonant frequency of cavity 24, servo device 116 ′ adjusts laser 40 ′ to reduce its illumination frequency to adjust ωL to the desired mode of cavity 24. . Similarly, ω
L is increased if lower than the desired value.

【0036】図4は、この発明の他のシステム20″を
示す概略図である。システム20″は、直線状のリング
ダウンキャビティ24″を含んでいる。偏光ビームスプ
リッタ65および四分の一波長板67が、サンプリング
光およびロッキング光の光路上に、PBS64とキャビ
ティ24″との間に連続して配置されている。PBS6
5は、入射したロッキング光およびサンプリング光をキ
ャビティ24″に向かわせる一方、反射されたロッキン
グ光を検出器100に向かわせる。サンプリング光およ
びロッキング光の周波数は、同じ横モード(例えば、T
EM00)に同調されるが、キャビティ24″の異なる
(例えば、隣接する)縦モードに同調される。サンプリ
ング光とロッキング光との周波数差は、キャビティ2
4″の一つのフリースペクトルレンジ(FSR)に等し
い。一般的な数100MHzのFSR値に対して、従来
のAOMは、サンプリング光とロッキング光との間の所
望の周波数差を導入するのに適している。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another system 20 "of the present invention. The system 20" includes a linear ring-down cavity 24 ". A polarizing beam splitter 65 and a quarter wavelength. A plate 67 is continuously arranged between the PBS 64 and the cavity 24 ″ on the optical path of the sampling light and the locking light. PBS6
5 directs the incoming locking light and the sampling light to the cavity 24 "while directing the reflected locking light to the detector 100. The frequencies of the sampling light and the locking light are the same in the transverse mode (eg, T
EM00), but tuned to a different (eg, adjacent) longitudinal mode of the cavity 24 ". The frequency difference between the sampling light and the locking light is
Equal to one free spectral range (FSR) of 4 ". For a typical FSR value of several hundred MHz, a conventional AOM is suitable for introducing the desired frequency difference between the sampling light and the locking light. ing.

【0037】CRDSのベースラインノイズは、大部分
が、リングダウンキャビティ(RDC)内の多数モード
の同時励起およびビーティング(beating)によって、ま
たは、異なるモードの連続励起によって生じる。異なる
横/縦モードは、異なる共振周波数を有し、空のキャビ
ティ内においては、異なる割合でリングダウンする。リ
ングダウンキャビティ内において単一のモードを確実に
励起することにより、システムの信号−ノイズ比を大幅
に改善することができる。
The CRDS baseline noise is mostly caused by simultaneous excitation and beating of multiple modes in a ring-down cavity (RDC), or by successive excitations of different modes. Different transverse / longitudinal modes have different resonant frequencies and ring down at different rates in the empty cavity. Ensuring that a single mode is excited in the ring-down cavity can significantly improve the signal-to-noise ratio of the system.

【0038】レーザ源における周波数変動は、サンプリ
ング光およびロッキング光において同様であるので、ロ
ッキング光モードがキャビティに対してロックされる場
合には、対応するサンプリング光モードもキャビティに
対してロックされる。サンプリング光のオンオフを切り
替えるために使用されるAOMは、サンプリング光に適
当な周波数シフトを与え、そのために、ロッキング光と
同じ縦モードで結合することができる。
Since the frequency variation in the laser source is similar for the sampling light and the locking light, if the locking light mode is locked to the cavity, the corresponding sampling light mode is also locked to the cavity. The AOM used to switch the sampling light on and off gives the sampling light an appropriate frequency shift so that it can be combined in the same longitudinal mode as the locking light.

【0039】リング形状のリングダウンキャビティをこ
の発明のシステムにおいて使用することにより、多くの
利点がある。リング形状のキャビティは、異なる偏光の
サンプリング光およびロッキング光に対する共振周波数
間の所望の分離を供給し、ロッキング光をキャビティの
内外に結合するために使用される光学装置を簡略化する
ことができ、かつ、レーザへの光フィードバックを低減
することができる。
There are many advantages to using a ring-shaped ring-down cavity in the system of the present invention. The ring-shaped cavity can provide the desired separation between the resonant frequencies for the sampling light and locking light of different polarizations, simplifying the optics used to couple the locking light in and out of the cavity, In addition, optical feedback to the laser can be reduced.

【0040】直線偏光された光の誘電体境界面上への垂
直ではない入射が、一般には、P偏光光(PPL)およ
びS偏光光(SPL)に対して異なる応答に帰結するこ
とが、光学的界面物理学から周知である。したがって、
垂直ではない入射の反射器(例えば、2等辺三角形)を
使用した幾何学的形状で構成された光学的リング共振器
は、実際には、2つの重ね合わせられた非縮退ファブリ
ペローキャビティ、すなわち、P偏光キャビティ(PP
C)とS偏光キャビティ(SPC)とからなっている。
It is important to note that the non-normal incidence of linearly polarized light on a dielectric interface generally results in different responses to P-polarized light (PPL) and S-polarized light (SPL). Is well known from physical interface physics. Therefore,
An optical ring resonator constructed with a geometry using a non-normal incident reflector (eg, an isosceles triangle) is actually a two superimposed non-degenerate Fabry-Perot cavity, ie, P polarization cavity (PP
C) and an S-polarized cavity (SPC).

【0041】非垂直入射誘電体ミラーは、一般には、P
PLに対する方がSPLに対するよりも低い反射率を有
している。その結果、リング共振器は、低減された精度
のPPCと高精度のSPCとから構成されることにな
る。リング共振器PPC,PPSの横モードの構造は、
幾何学的条件のみによって決定されるので、同一であ
る。PPLおよびSPLの非垂直反射中に蓄積される一
様でない位相シフトにより、PPCおよびSPCの周波
数応答間に一定の周波数差が生じる。PPCおよびSP
Cのフリースペクトルレンジは、ミラー位相シフトの微
分係数によって相違し、数10kHzであると推定され
る。
Non-normal incidence dielectric mirrors are generally
It has a lower reflectivity for PL than for SPL. As a result, the ring resonator will consist of reduced precision PPC and high precision SPC. The structure of the transverse mode of the ring resonators PPC and PPS is as follows.
They are the same because they are determined only by geometric conditions. The non-uniform phase shift accumulated during the non-perpendicular reflection of the PPL and SPL causes a constant frequency difference between the frequency response of the PPC and the SPC. PPC and SP
The free spectral range of C differs depending on the derivative of the mirror phase shift, and is estimated to be several tens of kHz.

【0042】直交偏光は、偏光光学装置を用いて容易に
分離されるので、PPLとSPLの同時使用は、実際の
リングダウン測定値からのキャビティロッキング問題の
分離に対する直接の解決策を与える。ロッキングに対す
る低精度のPPCはフィードバックロッキング信号を改
善し、サーボ帯域幅、フィードバックゲイン、およびレ
ーザとキャビティとの間の周波数差に対する微分感度に
対する要求を緩和する。各点における絶対波長精度は、
レーザ線幅またはキャビティモード掃引範囲よりも、P
PC精度とロッキングサーボ品質とによって決定され
る。改善された周波数安定性により、そのようなシステ
ムで達成可能な分解能を大幅に増加させることができ
る。
Since orthogonal polarization is easily separated using polarization optics, the simultaneous use of PPL and SPL provides a direct solution to the separation of the cavity locking problem from actual ringdown measurements. Low precision PPC for locking improves the feedback locking signal and relaxes the requirements on servo bandwidth, feedback gain, and differential sensitivity to the frequency difference between the laser and the cavity. The absolute wavelength accuracy at each point is
More than the laser linewidth or cavity mode sweep range,
It is determined by PC accuracy and locking servo quality. The improved frequency stability can greatly increase the resolution achievable with such a system.

【0043】リングキャビティの使用により、ロッキン
グ光をロッキング部品に結合するために使用される光学
装置をかなり簡略化することもできる。直線状または折
り返されたキャビティを使用するシステムにおいて、キ
ャビティ入力から出た光信号はキャビティ入力に入射す
る光線と同一直線状に配される。その結果、半波長板、
アナライザおよびビームスプリッタのような光学部品
が、キャビティ入力によって反射されたロッキング光を
ロッキング装置と選択的に結合するために必要となる。
さらに、リングキャビティは、光を光源に直接反射せ
ず、そのために、光フィードバックの問題が大幅に低減
される。
The use of a ring cavity can also considerably simplify the optics used to couple the locking light to the locking component. In systems using straight or folded cavities, the optical signal emerging from the cavity input is collinear with the light rays incident on the cavity input. As a result, a half-wave plate,
Optical components such as analyzers and beam splitters are needed to selectively couple the locking light reflected by the cavity input with the locking device.
Further, the ring cavity does not reflect light directly to the light source, thereby greatly reducing the problem of optical feedback.

【0044】以下の実施例は、この発明の特定の実施を
示すものであり、この発明を制限するものと解釈すべき
ではない。
The following examples illustrate particular implementations of the present invention and should not be construed as limiting the invention.

【0045】[0045]

【実施例】大気中の水蒸気のスペクトルを生成するため
に、この発明のシステムを使用した。レーザは市販のE
CDL(New Focus:6226-H032)であり、833.2nm
〜862.5nmまで同調可能である。レーザ出力は、
同調範囲全体にわたって、60mAの駆動電流に対して
約9〜13nWの範囲で変化した。レーザへの残留後方
反射を低減するために、25〜35dBのファラデーア
イソレータ(New Focus:5568)を使用した。RDC(CVI:T
LM2-800-45S-1037)の入力ミラーおよび出力ミラーは、
833nmにおけるSPLに対して99.93%の反射
率を有し、833nmにおけるPPLに対して99.3
%の反射率を有していた。中間RDCミラー(REO:run C
628,7.75nm,840-880nm,1゜楔形)は、両偏光光に対して8
33nmにおいて99.95%の反射率を有していた。
EXAMPLE The system of the present invention was used to generate a spectrum of atmospheric water vapor. The laser is a commercially available E
CDL (New Focus: 6226-H032), 833.2 nm
Tunable up to 862.5 nm. The laser output is
Over the entire tuning range, it varied in the range of about 9-13 nW for a drive current of 60 mA. A 25-35 dB Faraday isolator (New Focus: 5568) was used to reduce residual back reflection to the laser. RDC (CVI: T
The input mirror and output mirror of LM2-800-45S-1037)
It has a reflectivity of 99.93% for SPL at 833 nm and 99.3 for PPL at 833 nm.
% Reflectance. Intermediate RDC mirror (REO: run C
628,7.75 nm, 840-880 nm, 1 ゜ wedge)
It had a reflectivity of 99.95% at 33 nm.

【0046】レーザにより発生された基本光の1/4を
ロッキングのために使用し、3/4をサンプリングのた
めに使用した。入力サンプリング光を、AOM(Brimro
se:Gpm-400-100-960)の中央に60μmのスポットサイ
ズで焦光し、焦点距離5cmのレンズを使用して再平行
化した。AOMは300〜535MHzの範囲の周波数
を用いて、VCOにより駆動された。AOMは、320
MHzの周波数シフトを入力サンプリング光に与えた。
サンプリング光とロッキング光とのTEM00モード整
合に使用したレンズは、127cmの焦点距離を有して
いた。位相変調器は、58.5MHzの電気光学式共振
位相変調器(New Focus:4001)であった。キャビティのT
EM00モードに結合されたレーザ光は、PPLに対し
て〜90%、SPLに対して〜85%であった。
One-fourth of the fundamental light generated by the laser was used for locking and three-fourths were used for sampling. AOM (Brimro
(se: Gpm-400-100-960), and focused at a spot size of 60 μm, and re-parallelized using a lens with a focal length of 5 cm. The AOM was driven by a VCO using a frequency in the range of 300-535 MHz. AOM is 320
A frequency shift of MHz was applied to the input sampling light.
The lens used for TEM00 mode matching between the sampling light and the locking light had a focal length of 127 cm. The phase modulator was a 58.5 MHz electro-optic resonant phase modulator (New Focus: 4001). Cavity T
The laser light coupled to the EM00 mode was 9090% for PPL and 8585% for SPL.

【0047】位相変調器を駆動するVCOは、58.5
MHzに設定された。ロッキング検出器に通過させるP
PLを選択するために、グランテイラープリズムを使用
した。ロッキングバンドパスフィルタの通過帯域は、9
0MHzを中心とした。サーボ装置は、52kHzに中
心をおく受動ノッチフィルタ(最大減衰48dB,2k
Hzのバンド幅3dB)に結合した比例積分(PI)コ
ントローラから構成した。52kHzの共振周波数にお
ける圧電ステージの振動を抑制するために、ノッチフィ
ルタを使用した。ノッチフィルタの使用により、システ
ムの安定性が改善され、音響ノイズのような外乱に対す
る感度が低減された。サーボ装置および関連する増幅器
のゲインは60dBであり、455Hzにおいて3dB
のバンド幅を有していた。
The VCO driving the phase modulator is 58.5.
MHz. P passed through the locking detector
A Gran Taylor prism was used to select the PL. The passband of the locking bandpass filter is 9
Centered around 0 MHz. The servo device is a passive notch filter centered at 52 kHz (48 dB max attenuation, 2k
(Bandwidth 3 Hz). A notch filter was used to suppress the vibration of the piezoelectric stage at a resonance frequency of 52 kHz. The use of a notch filter has improved system stability and reduced sensitivity to disturbances such as acoustic noise. The gain of the servo device and associated amplifier is 60 dB, 3 dB at 455 Hz
Had the following bandwidth.

【0048】ロッキングおよび監視フォトダイオード
を、90MHzのバンド幅に対して最適化した。ショッ
トノイズ制限された側波帯信号が、検出器において数1
00μWの光出力に対して容易に達成可能であった。サ
ンプリングフォトダイオードは、25MHzのバンド幅
において、ゲインに対して最適化された。出力サンプリ
ング光出力は、μW程度であり、検出されたリングダウ
ン減衰定数は、数100ns程度またはそれ以上であっ
た。監視フォトダイオードは、監視光の90%を受け、
その一方、監視CCDカメラは残りの10%を受けた。
The locking and monitoring photodiode was optimized for a 90 MHz bandwidth. The shot noise limited sideband signal is equal to
It was easily achievable for an optical output of 00 μW. The sampling photodiode was optimized for gain at a bandwidth of 25 MHz. The output sampling light output was about μW, and the detected ring-down attenuation constant was about several hundred ns or more. The monitoring photodiode receives 90% of the monitoring light,
Meanwhile, the surveillance CCD camera received the remaining 10%.

【0049】サンプリング検出器に通過させるSPLを
選択するためにグラントムソンプリズムを使用した。サ
ンプリング検出器による検出後に、サンプリング信号
が、低ノイズ、高速増幅器(Stanford Research System
s:SR445)を用いて増幅され、10ビット1GHzのオシ
ロスコープ(Tektronix:11402)を用いてディジタル化さ
れた。減衰波形は、Naus他のILS-XII 12th Interdiscip
linary Laser Science Conference. ed. A. P. Society
(OSA, Rochester, New York, 1996), p.122によって説
明されているように、レーベンバーグ−マルカートアル
ゴリズムを使用して、信号の線形最小自乗近似アルゴリ
ズムによって提供された初期推定と近似された。全ての
走査が、大気圧における空気中において、12トールの
水分圧で遂行された。
A Glan-Thompson prism was used to select the SPL to pass through the sampling detector. After detection by the sampling detector, the sampling signal is converted to a low-noise, high-speed amplifier (Stanford Research System
s: SR445) and digitized using a 10-bit 1 GHz oscilloscope (Tektronix: 11402). The attenuation waveform is based on Naus et al.'S ILS-XII 12th Interdiscip
linary Laser Science Conference.ed.AP Society
(OSA, Rochester, New York, 1996), p. 122, was used to approximate the initial estimate provided by the linear least squares approximation algorithm for the signal using the Levenberg-Marquardt algorithm. All scans were performed in air at atmospheric pressure and a water pressure of 12 Torr.

【0050】図6は、PPLおよびSPLに対するキャ
ビティ周波数応答の走査結果を示している。ゼロ周波数
は任意である。SPLおよびPPLに対する共振周波数
は、282MHzにおいて分離されることが観測され
た。共振周波数分離は、キャビティモードが水の吸収線
と重なったときに数10kHzだけ変化した。したがっ
て、AOMの駆動周波数は、ロッキング光とサンプリン
グ光との間の適当な周波数分離を維持するために、監視
装置からの強度情報を使用して調節された。少量のサン
プルに対して(例えば、追跡核種検出に対して)サンプ
ルによる分散に起因する周波数分離は、一般に小さくま
たは無視できるものである。
FIG. 6 shows the scan results of the cavity frequency response for PPL and SPL. The zero frequency is arbitrary. The resonance frequencies for SPL and PPL were observed to be separated at 282 MHz. The resonance frequency separation changed by several tens of kHz when the cavity mode overlapped the water absorption line. Therefore, the driving frequency of the AOM was adjusted using intensity information from the monitoring device to maintain proper frequency separation between the locking light and the sampling light. For small samples (eg, for tracking nuclide detection), frequency separation due to sample variance is generally small or negligible.

【0051】誤差信号電圧を周波数差に変換する、ミキ
サにより生成された誤差信号の弁別勾配が、レーザ周波
数とキャビティ共振周波数との間の周波数差における変
動を決定するために使用された。図7は、周波数差変動
のスペクトル密度(レーザとキャビティとの間の周波数
差に対するノイズ)の測定値を描いたものである。レー
ザとキャビティ共振との間の全ジッタは1.1MHzで
あり、自励レーザ線幅よりも若干小さかった。ロッキン
グ装置は、低周波数(<20kHz)においてノイズを
低減した。ノイズのより高い周波数成分を低減するため
に、より速いサーボ装置を使用してもよい。
The discrimination gradient of the error signal generated by the mixer, which converts the error signal voltage to a frequency difference, was used to determine the variation in the frequency difference between the laser frequency and the cavity resonance frequency. FIG. 7 depicts measured values of the spectral density of the frequency difference variation (noise with respect to the frequency difference between the laser and the cavity). The total jitter between the laser and the cavity resonance was 1.1 MHz, slightly smaller than the free-running laser linewidth. The locking device reduced noise at low frequencies (<20 kHz). Faster servos may be used to reduce higher frequency components of the noise.

【0052】図8は、上述したシステムを使用して記録
された大気中の水蒸気のスペクトルおよびHITRAN
96データベースから得られた対応するスペクトルを示
している。記録されたスペクトルの分解能は、その分解
能が0.001nmまで増加した吸収ピークの周りを除
いて、0.002nmであった。10個の平均減衰波形
(ADW)が各波長において記録された。各ADWは、
256個のショットを平均して決定された。RMSベー
スラインノイズは、5×10−9cm−1であり、公称
感度は5ppmであった。記録されたスペクトルを、絶
対周波数、線強度および線幅においてHITRAN96
と比較した。
FIG. 8 shows the spectrum of atmospheric water vapor and HITRAN recorded using the system described above.
The corresponding spectra obtained from the 96 database are shown. The resolution of the recorded spectrum was 0.002 nm, except around the absorption peak where the resolution increased to 0.001 nm. Ten averaged decay waveforms (ADW) were recorded at each wavelength. Each ADW
It was determined by averaging 256 shots. The RMS baseline noise was 5 × 10 −9 cm −1 and the nominal sensitivity was 5 ppm. The recorded spectrum was converted to HITRAN 96 in absolute frequency, line intensity and line width.
And compared.

【0053】当業者であれば、この発明の範囲を逸脱す
ることなく、多くの方法で、上述した実施形態を変更す
ることができることは明らかである。例えば、この発明
のシステムは、広範囲にわたる波長範囲に適用するため
に使用してもよく、また、目的の核種の種類を特徴づけ
るために使用してもよい。種々のロッキング方法および
装置を使用してもよい。したがって、この発明の範囲
は、特許請求の範囲およびその均等の範囲によって決定
されるべきである。
It will be apparent to those skilled in the art that the embodiments described above can be modified in many ways without departing from the scope of the invention. For example, the system of the present invention may be used to cover a wide range of wavelengths and may be used to characterize the type of nuclide of interest. Various locking methods and devices may be used. Therefore, the scope of the present invention should be determined by the appended claims and their equivalents.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明の好ましいシステムを示す概略図で
ある。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a preferred system of the present invention.

【図2】 図1のシステムの光学的部材を示す概略図で
ある。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the optical components of the system of FIG.

【図3】 図1のシステムのロッキング部材を示す図で
ある。
FIG. 3 shows a locking member of the system of FIG. 1;

【図4】 この発明の他の実施形態に係るロッキング部
材を示す図である。
FIG. 4 is a view showing a locking member according to another embodiment of the present invention.

【図5】 直線状のリングダウンキャビティを使用す
る、この発明の他の実施形態を示す図である。
FIG. 5 illustrates another embodiment of the present invention using a straight ring-down cavity.

【図6】 この発明の一実施形態に係るシステムについ
て、P偏光光およびS偏光光に対するキャビティ周波数
応答を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a cavity frequency response to P-polarized light and S-polarized light in the system according to the embodiment of the present invention.

【図7】 図6の特徴を有するシステムについて、周波
数差によって変動するスペクトル密度の測定値を周波数
差との関係で示した図である。
7 is a diagram showing a measured value of a spectral density that fluctuates due to a frequency difference in relation to a frequency difference in a system having the characteristics of FIG. 6;

【図8】 図6の特徴を有するシステムを用いて記録さ
れた、大気中の水蒸気のスペクトルを示す図である。
8 shows a spectrum of atmospheric water vapor recorded with a system having the features of FIG. 6;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20,20′,20″ キャビティリングダウン分光シ
ステム 22 光源 24,24″ キャビティ 26 サンプリング検出装置 30,30′ ロッキング装置 32a,34a サンプリング光 32b,34c ロッキング光 40,40′ レーザ 44 アイソレータ(偏光調節光学装置) 48,64,65,76,92 ビームスプリッタ(ビ
ーム分割光学装置) 54 AOM(音響光学的変調器) 57,60a,60b 半波長板(偏光調節光学装置) 58 PM(位相変調器) 64 ビームスプリッタ(偏光調節光学装置) 72 サンプル 74 ステージ(キャビティ光路長調節装置) 82 サンプリング検出器 90 リングダウン装置 100 ロッキング検出器 106 VCO(発振器) 114 ミキサ
20, 20 ', 20 "cavity ring-down spectroscopic system 22 light source 24, 24" cavity 26 sampling detector 30, 30' locking device 32a, 34a sampling light 32b, 34c locking light 40, 40 'laser 44 isolator (polarization adjusting optics) Device) 48, 64, 65, 76, 92 Beam splitter (beam splitting optical device) 54 AOM (acoustic optical modulator) 57, 60a, 60b Half-wave plate (polarization adjusting optical device) 58 PM (phase modulator) 64 Beam splitter (polarization adjusting optical device) 72 Sample 74 Stage (cavity optical path length adjusting device) 82 Sampling detector 90 Ring down device 100 Locking detector 106 VCO (Oscillator) 114 Mixer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーバラ エイ パルデュス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94086 サニーベール,レイクサイド ド ライブ 1249 2060号 (72)発明者 チャールズ シー ハーブ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 9025 パロ アルト,エル カミノ レアル 3943 4号 (72)発明者 リチャード エヌ ゼア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94305 スタンフォード,サンタ イネス ストリート 724 Fターム(参考) 2G020 AA03 AA04 CB23 CB42 CB43 CC23 CC47 CC55 CC65 CD04 CD13 CD24 CD32 CD34 CD52 2G059 AA02 AA03 BB01 CC09 EE01 EE10 EE12 FF04 GG01 HH01 HH02 JJ12 JJ19 JJ20 JJ22 JJ30 KK04 LL01 MM03 MM09 NN02 PP05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Barbara A. Pardus United States 94086 Sunnyvale, Lakeside Drive 1249 2060 (72) Inventor Charles Sea Herb United States of America 9025 Palo Alto, El Camino Real 39434 (72) Inventor Richard N. Zear United States 94305, California 94305 Santa Ines Street 724 F-term (reference) 2G020 AA03 AA04 CB23 CB42 CB43 CC23 CC47 CC55 CC65 CD04 CD13 CD24 CD32 CD34 CD52 2G059 AA02 AA03 BB01 CC09 EE01 FE01 EE01 EE01 EE01 EE01 EE01 EE01 EE01 EE01 EE01 H HH02 JJ12 JJ19 JJ20 JJ22 JJ30 KK04 LL01 MM03 MM09 NN02 PP05

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 a)サンプルを保持するリングダウンリ
ング共振キャビティと、 b) 該キャビティに光学的に連結され、該キャビティ
に入射させるロッキング光およびサンプリング光であっ
て、その一方が前記キャビティ内においてS偏光され、
他方がP偏光されるロッキング光およびサンプリング光
を同時に生起するレーザを含む光源と、 c) 前記キャビティに光学的に連結され、かつ、前記
光源および前記キャビティの少なくとも一方に電気的に
連結され、前記キャビティによって反射されたロッキン
グ光を受けて、該ロッキング光を使用して前記キャビテ
ィおよび前記光源をロックするロッキング装置と、 d) 前記キャビティに光学的に連結され、前記キャビ
ティから出たサンプリング光を検出し、前記サンプルに
よる前記サンプリング光の吸収を示すリングダウン率を
決定するサンプリング装置とを具備することを特徴とす
るキャビティリングダウン分光システム。
1. a) a ring-down ring resonant cavity for holding a sample; and b) locking light and sampling light optically coupled to the cavity and incident on the cavity, one of which is located within the cavity. S-polarized,
A light source including a laser that simultaneously generates locking light and sampling light, the other of which is p-polarized; c) optically coupled to the cavity and electrically coupled to at least one of the light source and the cavity; A locking device for receiving the locking light reflected by the cavity and using the locking light to lock the cavity and the light source; and d) detecting sampling light that is optically coupled to the cavity and exits the cavity. And a sampling device for determining a ring-down rate indicating the absorption of the sampling light by the sample.
【請求項2】 前記光源が、さらに、前記レーザと前記
キャビティとの間の光路上に、前記ロッキング光に対し
てP偏光を選択し、および前記サンプリング光に対して
S偏光を選択するための偏光調節光学装置を具備するこ
とを特徴とする請求項1記載のシステム。
2. The light source further comprises: a light source for selecting P-polarized light for the locking light and S-polarized light for the sampling light on an optical path between the laser and the cavity. The system of claim 1, comprising polarization adjusting optics.
【請求項3】 前記光源が、さらに、前記レーザと前記
キャビティとの間の光路上に、前記ロッキング光および
前記サンプリング光の少なくとも一方を前記キャビティ
の所望のモードに同調させるために、該一方のロッキン
グ光またはサンプリング光を周波数シフトさせる周波数
シフト光学装置を具備することを特徴とする請求項1記
載のシステム。
3. The method according to claim 1, wherein the light source further comprises: an optical path between the laser and the cavity for tuning at least one of the locking light and the sampling light to a desired mode of the cavity. The system according to claim 1, further comprising a frequency shifting optical device for frequency shifting the locking light or the sampling light.
【請求項4】 前記光源が、さらに、前記レーザと前記
キャビティとの間の前記サンプリング光の光路上に配置
され、前記サンプリング光を前記キャビティに対して同
調させるために前記サンプリング光を周波数シフトし、
かつ、前記サンプリング光が前記キャビティ内でリング
ダウンできるように該サンプリング光を切り替える音響
光学的変調器を具備することを特徴とする請求項1記載
のシステム。
4. The light source is further disposed on an optical path of the sampling light between the laser and the cavity, and frequency-shifts the sampling light to tune the sampling light with respect to the cavity. ,
2. The system of claim 1, further comprising an acousto-optic modulator that switches the sampling light so that the sampling light can ring down in the cavity.
【請求項5】 前記キャビティが、前記ロッキング装置
に電気的に連結され、前記キャビティを前記光源に対し
てロックするために、前記キャビティの光路長を調節す
るキャビティ光路長調節装置を具備することを特徴とす
る請求項1記載のシステム。
5. The apparatus according to claim 5, wherein the cavity is electrically connected to the locking device, and further comprises a cavity optical path length adjusting device for adjusting an optical path length of the cavity to lock the cavity to the light source. The system of claim 1, wherein the system comprises:
【請求項6】 前記ロッキング装置が、 a) 前記キャビティに光学的に連結され、前記キャビ
ティによって反射されたロッキング光を検出するロッキ
ング検出器と、 b) 該ロッキング検出器に電気的に連結され、前記ロ
ッキング光の中央周波数と前記キャビティの共振周波数
との差を示す誤差信号を発生する処理装置とを具備し、 前記光源が、さらに、前記レーザと前記キャビティとの
間の前記ロッキング光の光路上に位相変調器を具備し、 前記ロッキング装置が、さらに、前記位相変調器に電気
的に連結され、前記中央周波数より高い周波数の第1の
側波帯と、前記中央周波数より低い周波数の第2の側波
帯とを前記ロッキング光に挿入すべく前記位相変調器を
駆動する発振器と、前記ロッキング検出器および前記発
振器に電気的に連結され、前記誤差信号を発生させるた
めに、前記第1の側波帯および前記第2の側波帯に対応
する電気信号の差を計算するミキサとを具備することを
特徴とする請求項1記載のシステム。
6. The locking device comprising: a) a locking detector optically coupled to the cavity and detecting locking light reflected by the cavity; and b) electrically coupled to the locking detector. A processing device that generates an error signal indicating a difference between a center frequency of the locking light and a resonance frequency of the cavity, wherein the light source further includes an optical path of the locking light between the laser and the cavity. Wherein the locking device is further electrically connected to the phase modulator, and wherein a first sideband having a frequency higher than the center frequency and a second sideband having a frequency lower than the center frequency are provided. An oscillator for driving the phase modulator to insert the sideband of the phase shifter into the locking light, and electrically connected to the locking detector and the oscillator. And a mixer for calculating a difference between electric signals corresponding to the first sideband and the second sideband to generate the error signal. System.
【請求項7】 a) 入力と出力とを有し、サンプルを
保持するリングダウン分光リング共振キャビティと、 b) 前記入力に光学的に連結され、基本光を発生する
連続波可調整レーザと、 c) 前記レーザと前記入力との間の光路上に配置さ
れ、前記基本光を、前記入力に入射され、前記キャビテ
ィ内においてP偏光されるロッキング光と、S偏光され
るサンプリング光とに分割するビーム分割光学装置と、 d) 前記入力に光学的に連結され、かつ、前記キャビ
ティおよび前記レーザの内の少なくとも一方に電気的に
連結され、前記入力からの前記ロッキング光の反射から
電気的なフィードバック誤差信号を発生し、該誤差信号
を用いて前記レーザおよび前記キャビティをロックする
ロッキング装置と、 e) 前記ビーム分割光学装置と前記入力との間の前記
サンプリング光の光路上に配置され、前記サンプリング
光を、前記キャビティ内で多数回リングダウンすると同
時に前記レーザおよび前記キャビティがロックされるよ
うに切り替えるスイッチと、 f) 前記出力に光学的に連結され、前記キャビティか
ら発せられた前記サンプリング光を検出するサンプリン
グ検出器と、 g) 該検出器に電気的に連結され、前記サンプリング
光に対するリングダウン率を決定するリングダウン装置
と、 h) 前記キャビティに光学的に連結され、前記キャビ
ティに入射するための相互に周波数の異なるロッキング
光およびサンプリング光を発生する光源と、 i) 前記キャビティに光学的に連結され、かつ、前記
光源および前記キャビティの内の少なくとも一方に電気
的に連結され、前記キャビティにより反射されたロッキ
ング光を使用して前記キャビティおよび前記光源をロッ
クするロッキング装置とを具備し、 前記サンプリング検出器が、前記キャビティおよび前記
光源がロックされている間に、前記キャビティから出た
前記サンプリング光の複数回のリングダウンを検出する
ことを特徴とするキャビティリングダウン分光システ
ム。
7. A ring-down spectroscopic ring resonant cavity having an input and an output and holding a sample; b) a continuous wave tunable laser optically coupled to the input and generating a fundamental light; c) arranged on an optical path between the laser and the input, splitting the fundamental light into locking light that is incident on the input and is P-polarized in the cavity and sampling light that is S-polarized; A beam splitting optics; d) optically coupled to the input and electrically coupled to at least one of the cavity and the laser, and providing electrical feedback from reflection of the locking light from the input. A locking device for generating an error signal and using the error signal to lock the laser and the cavity; and e) the beam splitting optics and the input device. A switch disposed on the optical path of the sampling light between the power and a switch that switches the sampling light so that the laser and the cavity are locked while ringing down the sampling light multiple times in the cavity; and f) at the output. A sampling detector that is optically coupled to detect the sampling light emitted from the cavity; g) a ring-down device that is electrically coupled to the detector and determines a ring-down rate for the sampling light; h) a light source optically coupled to the cavity for generating locking light and sampling light of different frequencies to be incident on the cavity; i) optically coupled to the cavity; Electrically connected to at least one of the cavities, A locking device that locks the cavity and the light source using locking light reflected by the tee, wherein the sampling detector exits the cavity while the cavity and the light source are locked. A cavity ring-down spectroscopy system comprising detecting a plurality of ring-downs of the sampling light.
【請求項8】 前記光源が、 a) 前記キャビティに光学的に連結され、基本光を生
成する連続波可調整レーザと、 b) 該レーザと前記キャビティとの間の光路上に配置
され、前記基本光を前記ロッキング光と前記サンプリン
グ光とに分割するビーム分割光学装置と、 c) 前記サンプリング光および前記ロッキング光の少
なくとも一方の光路上に配置され、該一方のサンプリン
グ光またはロッキング光を周波数シフトさせる周波数シ
フト光学装置とを具備することを特徴とする請求項7記
載のシステム。
8. The light source comprising: a) a continuous wave tunable laser optically coupled to the cavity and producing fundamental light; b) disposed on an optical path between the laser and the cavity; A beam splitting optical device for splitting fundamental light into the locking light and the sampling light; and c) being arranged on at least one of the optical paths of the sampling light and the locking light, and shifting one of the sampling light and the locking light in frequency. The system of claim 7, further comprising a frequency shifting optic device for causing a shift.
【請求項9】 a) サンプルを保持するリングダウン
共振キャビティと、 b) 該キャビティに光学的に連結され、該キャビティ
に入射させるための相互に周波数の異なるロッキング光
およびサンプリング光を生成する光源と、 c) 前記キャビティに光学的に連結され、前記キャビ
ティにより反射された前記ロッキング光を使用して前記
キャビティおよび前記光源をロックするロッキング手段
と、前記キャビティに光学的に連結され、前記キャビテ
ィおよび前記光源がロックされている間に、前記キャビ
ティから出た前記サンプリング光の多数回のリングダウ
ンを検出する検出手段と、 e) 前記検出手段に電気的に連結され、前記リングダ
ウンに対するリングダウン率を決定するリングダウン手
段とを具備することを特徴とするキャビティリングダウ
ン分光システム。
9. A ring-down resonant cavity for holding a sample; and b) a light source optically coupled to the cavity for generating locking light and sampling light at different frequencies to be incident on the cavity. C) locking means optically coupled to the cavity and locking the cavity and the light source using the locking light reflected by the cavity; and optically coupled to the cavity; Detecting means for detecting a number of ring-downs of the sampling light emitted from the cavity while the light source is locked; e) being electrically connected to the detecting means, and detecting a ring-down rate for the ring-down. A ring-down means for determining Ngudaun spectroscopy system.
【請求項10】 リングダウン分光のためにレーザおよ
びキャビティをロックする方法であって、 a) 前記レーザを使用して、前記キャビティに入射さ
せるための相互に周波数の異なるサンプリング光および
ロッキング光を生成するステップと、 b) 前記ロッキング光を使用して、前記キャビティお
よび前記レーザをロックするステップと、 c) 前記キャビティ内に配されているサンプルの吸収
スペクトルを生成するために、前記キャビティおよび前
記レーザがロックされた状態にあるときに、前記サンプ
リング光のリングダウンの複数の測定値を得るステップ
とを含むことを特徴とする方法。
10. A method for locking a laser and a cavity for ring-down spectroscopy, comprising: a) using the laser to generate mutually different frequency sampling light and locking light for incidence on the cavity. B) locking the cavity and the laser using the locking light; and c) generating the absorption spectrum of a sample disposed in the cavity by using the locking light. Obtaining a plurality of measurements of the ring down of the sampling light when is in a locked state.
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003227796A (en) * 2001-10-09 2003-08-15 Carl Zeiss Jena Gmbh Method and arrangement for grasping sample by depth decomposition
KR100458549B1 (en) * 2002-06-24 2004-12-03 전자부품연구원 Multi-channel wavelength locker and method thereof
JP2006038765A (en) * 2004-07-29 2006-02-09 Hamamatsu Photonics Kk Absorption measurement apparatus
JP2007192680A (en) * 2006-01-19 2007-08-02 Toyota Motor Corp Method and device for measuring light energy absorption amount, and method and device for controlling the light energy absorption amount
JP2009236501A (en) * 2008-03-25 2009-10-15 Nu Eco Engineering Kk Cavity ring-down spectroscopy, and spectroscope using the method
US7855788B2 (en) 2005-09-07 2010-12-21 Nu Eco Engineering Co., Ltd. Spectroscopy method and spectroscope
WO2011096323A1 (en) * 2010-02-04 2011-08-11 学校法人近畿大学 Cavity ring-down spectrometer, absorption spectrophotometer, and cavity ring-down spectroscopic method
WO2020198844A1 (en) * 2019-04-03 2020-10-08 Picomole Inc. Cavity ring-down spectroscopy system and method of modulating a light beam therein
US10925515B2 (en) 2014-05-22 2021-02-23 Picomole Inc. Alveolar breath collection apparatus
CN112557327A (en) * 2020-12-22 2021-03-26 天津城建大学 New coronavirus COVID-19 marker detector and detection method
US11018470B2 (en) 2017-03-13 2021-05-25 Picomole Inc. System for optimizing laser beam
US11782049B2 (en) 2020-02-28 2023-10-10 Picomole Inc. Apparatus and method for collecting a breath sample using a container with controllable volume
US11957450B2 (en) 2020-02-28 2024-04-16 Picomole Inc. Apparatus and method for collecting a breath sample using an air circulation system

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003227796A (en) * 2001-10-09 2003-08-15 Carl Zeiss Jena Gmbh Method and arrangement for grasping sample by depth decomposition
KR100458549B1 (en) * 2002-06-24 2004-12-03 전자부품연구원 Multi-channel wavelength locker and method thereof
JP2006038765A (en) * 2004-07-29 2006-02-09 Hamamatsu Photonics Kk Absorption measurement apparatus
JP4486433B2 (en) * 2004-07-29 2010-06-23 浜松ホトニクス株式会社 Absorption measuring device
US8351039B2 (en) 2005-09-07 2013-01-08 Nu Eco Engineering Co., Ltd. Spectroscopy method and spectroscope
US7855788B2 (en) 2005-09-07 2010-12-21 Nu Eco Engineering Co., Ltd. Spectroscopy method and spectroscope
JP2007192680A (en) * 2006-01-19 2007-08-02 Toyota Motor Corp Method and device for measuring light energy absorption amount, and method and device for controlling the light energy absorption amount
JP2009236501A (en) * 2008-03-25 2009-10-15 Nu Eco Engineering Kk Cavity ring-down spectroscopy, and spectroscope using the method
WO2011096323A1 (en) * 2010-02-04 2011-08-11 学校法人近畿大学 Cavity ring-down spectrometer, absorption spectrophotometer, and cavity ring-down spectroscopic method
US10925515B2 (en) 2014-05-22 2021-02-23 Picomole Inc. Alveolar breath collection apparatus
US11018470B2 (en) 2017-03-13 2021-05-25 Picomole Inc. System for optimizing laser beam
WO2020198844A1 (en) * 2019-04-03 2020-10-08 Picomole Inc. Cavity ring-down spectroscopy system and method of modulating a light beam therein
US10921246B2 (en) 2019-04-03 2021-02-16 Picomole Inc. Method of tuning a resonant cavity, and cavity ring-down spectroscopy system
US11035789B2 (en) 2019-04-03 2021-06-15 Picomole Inc. Cavity ring-down spectroscopy system and method of modulating a light beam therein
US11105739B2 (en) 2019-04-03 2021-08-31 Picomole Inc. Method and system for analyzing a sample using cavity ring-down spectroscopy, and a method for generating a predictive model
US11499916B2 (en) 2019-04-03 2022-11-15 Picomole Inc. Spectroscopy system and method of performing spectroscopy
US11782049B2 (en) 2020-02-28 2023-10-10 Picomole Inc. Apparatus and method for collecting a breath sample using a container with controllable volume
US11957450B2 (en) 2020-02-28 2024-04-16 Picomole Inc. Apparatus and method for collecting a breath sample using an air circulation system
CN112557327A (en) * 2020-12-22 2021-03-26 天津城建大学 New coronavirus COVID-19 marker detector and detection method

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