JP7467665B2 - マルチパスセル - Google Patents

Description

本開示は、概して、マルチパスセルに、および吸収分光法、光学、ならびにレーザー加工におけるそのようなマルチパスセルの使用に関する。

マルチパスセルは、空洞内の光に所望の全光路長をトラバースさせる光空洞を提供するために使用される。反射点で光をリダイレクトするために、セルのミラーまたは他の反射面が使用され、画定された空間（例えば、反射面によって囲まれた体積）内に光を閉じ込めて、光空洞を出る前に、制御された経路に沿って光を移動させるために、そのような反射面の装置が、使用され得る。

マルチパスセルの一般的な用途は、吸収分光法であり、吸収分光法は、ガス状または液体媒体内の吸収種の濃度を決定するために使用される。吸収分光法は、特定の波長における原子および／または分子による光の吸収に依存する非破壊技術である。このプロセスでは、光子のエネルギーは、物質内の電子または原子および／または分子によって吸収される。光学技術を使用して、サンプルを通過した減衰光を分析する。（分析中のサンプルの特定の吸収特性に依存するであろう）吸収された光子のエネルギーに応じて、紫外、可視、または赤外吸収分光法が、使用される。分光光度計を使用して、サンプルの吸光度を定量的に測定することができる。透過スペクトルの特徴付けにより、物質の濃度の決定、特定の化学的または生化学的反応の動態測定、およびいくつかの化学的または生物学的種の識別が可能になる。

移動距離ｘの関数としての、波長λにおける透過強度Ｉ（λ，ｘ）の光の吸収は、ランベルト・ベールの法則によって与えられる。
Ｉ（λ，ｘ）＝Ｉ₀（λ）ｅｘｐ（－α（λ）ｘ）
式（１）

気体または溶液中の液体種による吸収は、吸収係数α（λ）（これ自体は、吸収媒体の濃度に依存する）と、光によって吸収媒体を通って移動される距離ｘ（以下、光路長と呼ばれる）とに依存する。吸収係数α（λ）は、化学種の固有の特性であり、考慮中の原子または分子の電子、振動、または回転線の吸収に依存する。ほとんどの化学種は、電磁スペクトルにわたる１つのセットの吸収遷移帯を有する。

これらの遷移を駆動するために必要な光源は、多くの場合、市販されていないか、または非常に高価である。安価な光源の大部分は、そのようなスペクトルの狭い可視～近赤外部分でしか利用できず、いくつかの化学種は、弱い吸収大気遷移帯（ｗｅａｋ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｂａｎｄｓ）しか有さない。例えば、水などの気体種、または酸素などの二原子分子は、スペクトルの可視および近赤外（ｖｉｓ－ｎｉｒ）部分に弱い吸収遷移を有する。したがって、これらの吸収遷移は、光の変化にあまり敏感でなく、それにより、低濃度の検出が非常に困難になる。

所与のα（λ）に対して、吸収の感度は、光路長を変化させることにより、この変化が、放射光と分析中の種との相互作用時間を変化させるため、変更され得る。したがって、より長い光路長は、より良好な感度およびより低い検出限界をもたらす。しかしながら、光源と検出システムとの間の直線上の光路長を増加させること（いわゆるシングルパスシステム）は、数メートル程度の光路長が所望される場合、実用的な解決策ではない。

マルチパスセルは、全光路長を増加させ、したがって、吸収分光測定の感度を高めるために使用される吸収分光法のための既知のツールである。最初のマルチパスセルの設計は、１９４２年にホワイトによって提案および実証され、ホワイトセルと呼ばれる。図１に、ホワイトセルが示されている。さらなるタイプのマルチパスセルが、１９６５年に提案され、図２に示されているヘリオットセルである。これらのセルは両方とも、対向する凹反射面を備える。

従来技術のマルチパスセルには、いくつかの欠点がある。ホワイトセル内の光学構成要素の安定性は、マイクロラジアンのオーダーであり、それにより、ホワイトセルは、振動および機械的なミスアライメントに敏感になる。ヘリオットセルは、ホワイトセルよりも安定しているが、非常に高い数値のビームアパーチャを受容せず、達成可能な光路長が、制限される。さらに、一部のヘリオットシステムの欠点は、使用される構成要素の高い価格、および光学的整列に関連付けられる難しさにある。さらに、ヘリオットセルタイプは、（トラバースする光の入力および出射のために）ミラー内にアパーチャを作成することに依存し、これは、追加の工業ステップが、光学セットアップの総コストにかなりの増加を加えることを意味する。したがって、本開示の目的は、従来技術のマルチパスセルに伴うこれらおよび他の問題に対処することである。

こうした背景の下で、第１の態様によれば、請求項１に記載のマルチパスセルが、提供される。また、本開示のマルチパスセルを使用する装置も、提供される。例えば、請求項３０に記載の吸収分光計、請求項３１に記載のレーザー用プリアンプ、および請求項３２に記載のレーザーが、提供される。

本開示は、安定性が高く、製造が比較的安価なマルチパスセルに関する。マルチパスセルは、吸収分光法に使用され得るが、様々な他の分野でも使用され得る。セルは、光空洞を有し、最大５０メートルまたは１００メートル以上の光路長を提供し得る。本開示は、安価な市販の構成要素を使用して製造され得る光学構造であって、該光学構造を振動に耐え、産業実装における機械的整列を単純化するのに適したものにする顕著な機械的公差を示す、光学構造、を提供する。

本開示のマルチパスセルのいくつかは、それぞれマルチパスセルの２つの端部として機能する、２つのプリズムミラーと凹面（例えば球形）ミラーとの組み合わせに基づいている。プリズムは、第１の端部を画定し、凹面ミラーは、第２の反対側の端部を画定する。光は、セルの一方の端部（典型的には、プリズムの間）を通って入り、セルの第１の端部と第２の端部との間で繰り返し跳ね返ることができる。２つのプリズムの組み合わせの光学特性が、既存のマルチパスセルと比較して、向上した安定性をもたらす。例えば、プリズムは、垂直な表面を有するように配置されるため、凹面ミラーによってプリズムに向かって反射された光は、プリズムによって少なくとも部分的に再帰反射される。したがって、光がセルを繰り返しトラバースするときの光の拡散が、低減され得る。原則として、光の発散は、光学システムのわずかなミスアライメント、プリズムの表面の不完全性、および／またはセルに入る光の波形の不完全性に起因して起こり得るが、本明細書に記載のマルチパスセルでは、セルの部分的再帰反射性の端部は、これらの不完全性に対する感度が低いため、それらの影響が低減される。

低減された光の拡散に起因する向上した安定性の利点は、３つの相互に垂直な反射面（例えば、コーナー反射器）を使用して実現することもできる。セルの部分的（または完全）再帰反射性端部の使用は、セルの他端の凹面（例えば、集束）反射器との組み合わせで特に有利である。

本開示のマルチパスセルは、追加の利点を提供する。例えば、垂直反射面は、例えば、２つのミラーを使用して提供され得るが、２つのプリズム（および特に、断面が直角二等辺三角形である２つのプリム）の組み合わせは、特に有利である。２つの直角二等辺三角形のプリズムは、それらが一対の垂直面を画定するように、並べて（プリズムの軸が平行になる状態で、断面の斜辺によって画定される面に依存して）位置付けられ得る。さらに、プリズムの縁（プリズムの軸に平行な縁）の間に小さなスリットを伴ってプリズムを位置付けることにより、光がプリズムの間を通過することを可能にするアパーチャが、容易に提供され得る。三角プリズムは、上記の利点を提供するために（例えば、装着構造を使用して）正確に配置することが容易で、かつ光学装置内に装着するための大きな表面積を提供し、反射面の安定性を向上させる、広く入手可能な光学構成要素である。したがって、プリズムは、一対の垂直な反射面を製造するための効率的で信頼性の高い手段を提供する。

本開示の反射器装置によって提供される強化された安定性は、セルが、反射器の間の任意の所与の分離に対して、非常に長い光路長を（したがって、光がセル内にある長い持続時間も）提供することを可能にする。例えば、セルの両端の間の間隔が、調整され得、光がセルに入る角度が、調整され得る。セルの形状のこれらの特性を変更することにより、光によってセル内でトラバースされる総経路が、１ｍ未満から数十メートル、またはさらには１００ｍ超まで調整され得る。これにより、吸収分光法のための比較的長い経路長が、提供され得、ダブルパルスレーザーシステムのパルス間に時間的遅延を提供するために、使用され得る。一般的に言えば、セルの端部の間のより大きい間隔は、より長い光路長をもたらし、増大した経路長は、光がセルに入る角度を大きくすることによって（すなわち、セルの長手方向軸からより大きな角度で光を入れることによって）も、達成され得る。

本開示のセルによって提供される光路長の制御の程度および安定性は、長い光路長が、サンプルからの有意な吸収ピークを達成するのに役立つ吸収分光法を含む、様々な文脈で有用である。セルを使用して、レーザーパルス間に比較的長い遅延を導入することができるため、セルは、ダブルパルスシステムの文脈でも有利である。そのようなダブルパルスシステムは、例えば、ダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）で使用され得、十分に長い時間的遅延を伴うダブルレーザーパルスを提供するための複雑な電子機器または複数のレーザーの必要性を回避する。

次に、従来技術のマルチパスセルおよび本発明の実施形態が、ほんの一例として、添付の図面を参照して説明される。

従来技術のホワイトセルを概略的に示す。 従来技術のヘリオットセルを概略的に示す。 第１の実施形態によるマルチパスセルを概略的に示す。 第１の実施形態によるマルチパスセルを概略的に示す。 第１の実施形態によるマルチパスセルを概略的に示す。 第１の実施形態によるマルチパスセルを概略的に示す。 第１の実施形態のマルチパスセルの安定性分析を示す。 第１の実施形態のマルチパスセルの安定性分析を示す。 第１の実施形態のマルチパスセルの安定性分析を示す。 第１の実施形態のマルチパスセルの定在モードを示す。 水蒸気の透過率グラフを示す。 第２の実施形態のマルチパスセルを概略的に示す。 第１および第２の実施形態のマルチパスセルの代替の第１の反射器装置を概略的に示す。 第１および第２の実施形態のマルチパスセルの装着構造を概略的に示す。 第１および第２の実施形態のマルチパスセルの装着構造を概略的に示す。 本明細書に記載のマルチパスセルを利用する吸収分光計を概略的に示す。 本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。 本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。 本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。 本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。 光を機械的に分割する原理、および光を分割するための光学装置を示す。 光を機械的に分割する原理、および光を分割するための光学装置を示す。 本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計を概略的に示す。 本明細書に記載のマルチパスセルを利用するレーザープリアンプを概略的に示す。

図１は、従来技術のホワイトセルを示す。ホワイトセルは、同じ曲率半径を有する３つの球面ミラーＡ、Ａ’、およびＢのセットを備える。ミラーＡおよびＡ’は、互いに隣接して位置付けられ、各々が、ミラーＢに対向している。図１に示されるように、ビームの入射および出射は、セルの外部で行われ、それにより、ホワイトセルと外部コヒーレントレーザービームを組み合わせることが可能になる。

図１は、光が、位置４に向かってホワイトセルを出る前に、ミラーＡ、Ａ’とミラーＢとの間をトラバースし得る一連の様々な経路を示す。光線経路上の矢印の方向は、入射光線および反射光線を示す。ホワイトセル内で光によってトラバースされる光路長は、描かれた経路のどれがトラバースされるかに依存する。明らかに、ミラーＡ、Ａ’とミラーＢとの間の距離は、セル内で光によってトラバースされる光路長に影響を及ぼすであろう。さらに、光がセル内で反射される回数が、光路長に影響を及ぼすであろう。

トラバーサル数は、ＡまたはＡ’のいずれかを回転調整することによって変更され得、それにより、光がセルを通過する特定の経路が、変更される。図１に示されるホワイトセル構成では、光は、光源において入射し、ミラーＡからミラーＢに向かって反射され、ミラーＢ上で、光は、位置１または３に入射する。位置１および３に入射する光は、ミラーＡ’に反射され、そこで光は、もう一度反射される。ミラーＡ’から反射された光は、図１に示されるように、２つの経路をたどり得る。光は、ミラーＡ’から位置４に向かって反射され、したがって、セルを出ることができる。代替的に、光は、ミラーＡ’からミラーＢに向かって反射されて戻り、ミラー装置内の別の回路をトラバースすることができる。この場合、光は、ミラーＢ上の位置２に向かって、次にミラーＡに向かって、次にミラーＢに向かって、次にミラーＡ’に向かって反射される。光がミラーＡ’に戻ると、光は、位置４に向かってセルを出ることができるか、またはミラー装置を１回以上トラバースするプロセスを繰り返すことができる。

ホワイトセルは、１メートル未満～数百メートルの経路長で利用できる。しかしながら、前述のように、図１に示されるホワイトセル装置は、振動および機械的ミスアライメントに敏感である。３つのミラーのうちのいずれかの間のわずかなミスアライメントにより、光がセルから所望の方向に出ないか、またはセルからまったく出ないことになり得る。

図２には、２つのミラーＭ１およびＭ２を備えるヘリオットセルが、示されている。ミラーＭ１およびＭ２は、平行な球面ミラーであり、これらのミラーのうちの一方は、ラベル「入力」および「出力」によって示されるように、ビームがセルに入ること、およびセルを出ることを可能にする円形のアパーチャ（軸上または軸外にあり得る）を有する。入力光は、ミラーＭ２に向けてられて、ミラーＭ２に入射し、ミラーＭ２は、光をミラーＭ１に向けて反射して戻す。次に、ミラーＭ１が、光をＭ２に向けて反射し、Ｍ２が、光をＭ１に向けて反射して戻し、次にＭ２に向けて戻した後、最終的に、光が出力されるアパーチャに向けて反射されて戻される。ミラーＭ１とミラーＭ２との間の距離は、セル内で光によってトラバースされる光路長に影響を及ぼすであろう。ミラーの曲率およびミラー間の間隔は、光がトラバースするセル内の経路に影響する。

代替のヘリオットセルは、２つの非点収差ミラーであって、それらの間の相対角度を有する、非点収差ミラー、を使用し、反射が、ミラー面上で楕円に及ぶことを可能にし、ミラー面全体をより効果的に使用し、したがって光路長を増大させる。ミラーのうちの一方は、この場合もやはり、ビームがセルに入ること、およびセルから出ることを可能にする中央の円形アパーチャを有する。

前述のように、ヘリオットセルは、ホワイトセルよりも安定しているが、非常に高い数値のビームアパーチャを受容せず、光路長が、制限される。さらに、非点収差ミラーは、高価であり、整列させるのが難しい。追加的に、アパーチャを有するミラーは、標準の光学構成要素でないので、ミラー内に中心または軸外のアパーチャを作成すると、マルチパスセルの製造の複雑さおよびコストが増大する。したがって、そのような従来技術のマルチパスセルの改善が、求められている。

そのような既存のマルチパスセルとは対照的に、本開示は、一般的に言えば、マルチパルセルであって、第１の反射器装置と第２の反射器装置とを備え、第１の反射器装置は、第１の反射器装置に入射する光が、第２の反射器装置に向かって少なくとも部分的に再帰反射されるように構成されている、マルチパスセル、を提供する。有利には、少なくとも部分的に再帰反射性である反射器装置の使用は、部分的に再帰反射性の表面が、その上に入射する光の散乱を抑制し、したがって、光が、低減されたまたは最小の散乱で、その光源に反射されて戻るので、改善された機械的安定性の効果を提供する。この場合、光は、第１の反射器装置から第２の反射器装置に向かって反射され、それにより、本開示のマルチパスセルが、大幅なミスアライメントを許容できない従来技術のデバイスよりも多くの機械的ミスアライメントを許容することが可能になる。

本開示の第１の反射器装置は、その部分的再帰反射性ではなく、その構造に基づいた代替の用語で定義され得る。例えば、第１の反射器装置は、２つの垂直な（または部分的再帰反射性を提供するように実質的に垂直な）反射面、または３つの相互に垂直な（または再帰反射性を提供するように実質的に垂直な）反射面を有すると定義され得る。平面ミラーは、光が、ミラーに正確に垂直であり、ゼロの入射角を有する場合にのみ、平面ミラーに入射する光を反射して、光源に戻す。レーザー光は、低度のビーム（またはパルス）発散を示すが、完全にコリメートされたレーザービームはない。さらに、完全に平面のミラーはない。したがって、実際の光源の場合、典型的には、平面ミラーからのいくらかの散乱が発生する。したがって、本開示の文脈では、平面ミラーは、部分的再帰反射性であるとは見なされない。むしろ、本開示の文脈では、反射器装置は、反射器装置が、（単一の入射角で入射する光のみを再帰反射し得る完全に平面のミラーとは異なり）ある範囲（すなわち、複数）の入射角にわたる光に対して再帰反射作用を提供する場合、少なくとも部分的に再帰反射性である。

再帰反射性は、コーナー反射器を使用して得られ得、コーナー反射器は、コーナー反射器に入射する任意の光をその光源に再帰反射させる３つの垂直な平面反射器からなる。部分的再帰反射性もまた、２つの垂直な平面ミラーのみを使用して達成され得、この場合、ある範囲の方向から入射する光が、再帰反射されるであろう。しかしながら、第３の反射面がないことは、２つの平面の交線によって画定される方向の成分を有する光は、その光源に完全には再帰反射されないであろうことを意味する。むしろ、２つの平面の垂直ミラーは、２つの平面の交点によって画定される方向に垂直な光に対して再帰反射性である。

マルチパスセル３００の第１の実施形態が、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、および３Ｄに示されており、４つの異なる構成におけるマルチパスセル３００を概略的に示す。図３Ａ～３Ｄのマルチパスセル３００は、吸収分光分析用に構成されている。

マルチパスセル３００は、分析されるガス状サンプルを収容する密閉容器３０２の形態のハウジングを備える。容器３０２は、示されるように、入口点３０３ａおよび出口点３０３ｂを有し、これらは、それぞれサンプルの入口および出口として機能する。コヒーレント光（例えば、レーザーによって生成された光）であり得る光３０１は、光源の選択された波長に対して透明である光学窓３０４を通って容器３０２に入る。光３０１は、窓３０４の表面の法線に対して入射角Θに向けられている。角度Θはまた、光３０１の方向と、セルの長手方向軸３００ｚとの間の角度である。長手方向軸３００ｚは、図３Ａに示されているが、単純化のために、図３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄから省略されている。角度Θは、典型的には、２°～１０°である（ただし、他の範囲の角度が使用され得る）。

マルチパスセル３００は、第１および第２の反射器装置３０５および３０７を備える。反射器装置３０５および３０７は、マルチパスセル３００に入る光が、（２つの反射器装置の表面以外のどの表面からも反射されることなく）２つの装置間で繰り返し反射されるように配置され、反射器装置３０５および３０７は、光空洞３１５を画定する。

第１の反射器装置３０５は、典型的には２～１０ｍｍの幅である小さなスリット３０６が、プリズム３０５Ａとプリズム３０５Ｂとの間に画定されるように位置付けられている２つのプリズムミラー３０５Ａ、３０５Ｂを備える。第１の反射器装置は、実質的に垂直である２つの表面（２つのプリズムの面）を備える。スリット３０６は、窓３０４と整列され、光のビームまたはパルスが、マルチパスセル３００内に画定された光空洞３１５に入る、および光空洞３１５を出ることができるアパーチャとして機能する。

この実施形態の第２の反射器装置３０７は、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂから距離ｄに位置付けられている球形の円形ミラーである。この実施形態では、第２の反射器装置３０７は、アパーチャを有さず、したがって、光は、第２の反射器装置を通過することができない。第２の反射器装置３０７は、第１の反射器装置のプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂに対向している。

使用時には、光３０１は、光学窓３０４およびプリズム３０５Ａとプリズム３０５Ｂとの間のスリット３０６を通ってセルに入る。次に、光は、球面ミラー３０７から反射し、球面ミラー３０７は、光を第１の反射器装置３０５に向かって反射および集束させて戻す。光は、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂのうちの一方からプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂのうちの他方に反射し、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂは、それらの面が垂直であるように位置付けられているので、光は、２つのプリズムの組み合わせによって再帰反射されて、球面ミラー３０７に向かって戻される。反射器装置３０５および３０７の対称性が、光をセル３００内の特定の経路をたどらせ、この経路は、ミスアライメントに関して著しく安定している。光空洞３１５内での多数の反射の後、光の経路は、最終的にプリズムの間のスリット３０６に入射し、したがって、光３０８は、セル３００から出てくる。光空洞３１５を断面（プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの軸に垂直な平面内、または等価的に、法線ベクトルがプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの平面反射面の交線である平面内）で見た場合、光３０８がセル３００から出てくる角度Θは、光３０１がセル３００に入る角度に等しい（が、反対方向）。

したがって、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、球面ミラー３０７との組み合わせは、光３０８の出射方向に沿って空洞３１５を出る前に、多数の反射のために光をセル３００内に捕捉し得る１つのセットの定在モードを画定する。マルチパスセル３００内の反射の数、およびその結果として達成可能な総光路長は、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂの表面積、球面ミラー３０７の曲率半径、光３０１が空洞３１５に入る角度、およびプリズムミラー３０５Ａ、３０５Ｂと球面ミラー３０７との間の距離ｄを含むいくつかの要因に依存する。したがって、光路長は、設定の幾何学的特性に依存する。しかしながら、光路長は、（波長、単位面積当たりのビームエネルギー、または光３０１がパルスであるか連続波であるかを含む）光の物理的特性によって影響されない。

光路長に対する形状の影響が、様々な構成についてシミュレートされた光線トレースを示す図３Ａ～３Ｄに示されている。図３Ａでは、第１の反射器装置３０５と第２の反射器装置３０７との間の間隔は、ｄ＝１５０ｍｍである。これは、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂの間のアパーチャの中心と、球面ミラー３０７との間の距離である。この装置は、８回の反射および１．２ｍの総光路長をもたらす。図３Ｂでは、距離ｄが、４８５ｍｍに増加し、６６回の反射および３１．９ｍの総光路長をもたらす。図３Ｃでは、距離ｄが、さらに５２５ｍｍに増加し、８８回の反射および４６．３ｍの総光路長をもたらす。図３Ｂおよび３Ｃの入射角は、図３Ａと同じである。

図３Ｄは、距離ｄが、第２の反射器装置３０７（この場合、円形ミラー）の焦点距離の正確に半分に等しいマルチパスセル３００の特別なケースを示す。この装置では、入射光３０１は、第１の反射器装置３０５を通過して、第２の反射器装置３０７に当たった後、第１の反射器装置３０５に向かって反射されて戻ることが分かる。次に、第１の反射器装置３０５が、光を第２の反射器装置に向けて部分的に再帰反射して戻し、この構成の高度の対称性により、光は、第１の反射器装置の中心に戻り、そこで出射光３０８の方向に沿って光空洞３１５から出てくる。第１および第２の反射器装置３０５および３０７が、第２の反射器装置３０７の焦点距離の半分だけ離れていることを確実にすることにより、光は、セル３００の長さを正確に４回トラバースする。

図３Ｄは、簡略化されており、図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃのハウジングを省略している。また一方、図３Ｄは、セル３００から出てくる光３０８を所望の目的地（例えば、光の波長の関数としての光の検出を可能にする分光器を任意選択で含み得る検出器）に導くための光学装置３１２をさらに示す。この場合、光学装置３１２は、ミラーとレンズとを備えるが、光学要素の様々な組み合わせが、光を所望の目的地に向けるために使用され得る。

したがって、図３Ａ～３Ｄの実施形態は、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、凹球面ミラー３０７との組み合わせに基づく新規なマルチパスセル３００アーキテクチャを提供する。これらの図から、広範囲の光路長が達成可能であることが分かる。このアーキテクチャは、吸光分光法用に使用され得、最大５０メートル以上の光路長（約１６７ｎｓの時間的遅延に相当）を提供し得る。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、わずかにミスアライメントされている場合の図３Ａ～３Ｄのマルチパスセル３００のシミュレーションを示す。前述のように、本開示の実施形態によって提供される利点は、反射器装置の間に最大４°のミスアライメントが存在する場合の安定性の向上である。これは、コヒーレント光ビームによってトレースされた光路に対する制御されたミスアライメントの影響を研究することによって実証され得る。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃの各々は、異なるミスアライメントシナリオの概要を示す３つのサブフィギュアで構成される。図４Ａは、ｄ＝１５０ｍｍの、反射器装置３０５と反射器装置３０７との間の分離を伴う、図３Ａに提示された形状についてのマルチパスセルの安定性研究を示す。図４Ｂは、ｄ＝４８５ｍｍの、反射器装置３０５と反射器装置３０７との間の分離を伴う、図３Ｂに提示された形状についてのマルチパスセルの安定性研究である。図４Ｃは、ｄ＝５２５ｍｍの、反射器装置３０５と反射器装置３０７との間の分離を伴う、図３Ｃに提示された形状についてのマルチパスセルの安定性研究である。

いずれの場合も、中央のサブフィギュアは、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、球面ミラー３０７との間に定在モードを生成することにより、単一平面上の光路をたどる、うまく整列されたレーザービームに対応する。図４Ａ～４Ｃに示される安定性分析のために、出射ビームは、検出システム３０９上に集光される。

ビームが、ｘ次元において－２°（左のサブフィギュア）～＋２°（右のサブフィギュア）ミスアライメントされている場合、光路は、もはや単一の平面に閉じ込められず、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、球面ミラー３０７との間の全体積にわたり得る。この実施形態で提案される形状は、定在モードの完全性がミスアラインメント下で維持されることを可能にし、これは、深刻なミスアラインメント条件下でさえ、ビームがセル３００を首尾よく出射し得ることを意味する。図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃの各々で、ｘ次元における最大４°の入射ミスアライメント角度－２°～＋２°）を有するビームが示されている。これは、すべての反射が単一の平面上にある整列されたケースに対して、光路が傾斜するという結果をもたらす。それにもかかわらず、これらの境界内で、ビームは、マルチパスセル内に定在モードを生成し、検出システム３０９での検出のために首尾よく出射することができる。

図５は、この実施形態の形状の安定性に関するさらなる研究を示し、ここでは、ｘ次元におけるミスアライメントが、球面ミラー３０７に適用されている。シミュレーションが、図５（ａ）、５（ｂ）、および５（ｃ）に示されている。ミラー３０７は、その中心が、光源３０１を起源とし、（プリズム３０５Ａとプリズム３０５Ｂとの間の）スリット３０６の中心を通過する同じセグメント上にある場合、整列していると見なされる。ミラー３０７は、このセグメントから正の方向に１０ｍｍ、次に負の方向に１０ｍｍ離れる方向に移動される。システムの安定性は、プリズムミラー３０５Ａ上の光の衝突位置を、これらのミスアライメントの関数としてシミュレートすることによって実証される。プリズムミラー３０５Ｂ上の挙動は、類似している。

図５（ｂ）は、ミスアライメントが発生しない場合に対応する。この場合、空洞３１５内の定在モードは、プリズムミラー３０５Ａ上の単一の線上に位置する。１０ｍｍの負（図５（ａ））または正（図５（ｂ））のミスアライメントが発生すると、定在モードは、単一の線から移動し、２つの放物線のセットを形成する。光は、２つの放物線を順に相次いでトラバースする。これは、重要であり、光の入射点および出射点が一致することを可能にし、この一致は、セル３００の安定性にとって重要である。

高度に安定したマルチパスセル３００を提供することの利点は、セル３００内で光によってトラバースされる光路長が、球面ミラー３０７と、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂとの間の距離ｄを変えることによって、容易に調整可能であることである。図６に示されるように、吸収分光法のために光路長を増大させることの利点は、様々なガス濃度のベール・ランバート方程式（式（１））を様々な光路長の関数として考慮することにより理解され得る。

図６では、直径１ｍｍのコヒーレントビームを仮定して、水蒸気によるコヒーレントレーザービームの吸収を光路長の関数として示す、シミュレートされた透過率グラフを提供している。ビームは、ビーム自体の断面に、移動した光学距離を掛けたものに比例する体積を通過する。この例では、８２０ｎｍにおける水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の弱い大気の回転振動吸収遷移（ｗｅａｋ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ－ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）が考慮されている。２０℃の温度および１０５Ｐａの圧力を仮定している。図６（ａ）は、１０⁴ｖｐｍ（体積百万分率）、すなわち１％ｖｏｌの濃度に対する水蒸気の吸収を示す。この場合、ビームがガスを通って移動するため、コヒーレントビーム強度を１０％未満に大幅に低下させるには、長さが１ｍ未満の短い光路長で十分である。したがって、シングルパス吸収セットアップは、ガス状の水によるレーザー光の大幅な吸収をもたらし得る。

しかしながら、図６（ｂ）から分かるように、１０ｖｐｍのより低い水蒸気濃度の場合、同じ感度（１０％未満に減少したビーム強度）を得るには、３０ｍの光路長が必要である。これには、より長い経路長を使用する必要がある。本開示で提示されるマルチパス構造は、そのような光路長を容易に得るために理想的である。

それでも、セルが水蒸気で満たされないことを単に確実にすることにより、（例えば、ガスによる吸収を避ける必要があるダブルパルスレーザーシステムが必要な場合）レーザーパルス強度の大幅な低下を簡単に避けることができる。例えば、セルが、室内圧力および室温の空気または別の乾燥ガス（水蒸気を含まない）を収容している場合、約１００ｍの光路長が使用される場合でも、セルを使用して、吸収によるパルス強度の大幅な低下なしに、ダブルパルス発生器を提供することができる。代替的に、セルを（真空ポンプを使用して）排気するか、または、例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素などの非吸収性ガス（入射光の波長で透明）で充填もしくはフラッシングすることができる。

したがって、図４Ａ～４Ｃおよび図５から、第１の実施形態のマルチパスセル３００は、光学構成要素間のミスアライメントが存在する場合でも、長い光路長を提供し得る安定したシステムを提供することが分かる一方、図６は、レーザー吸収分光法におけるそのようなマルチパスセル３００の実用性を実証している。しかしながら、図３Ａ～３Ｄのマルチパスセルのいくつかの特徴は、これらの利点を維持しながら省略または変更され得る。

例えば、セルは、吸収分光計としてではなく、光遅延線として使用され得、したがって、ガス状サンプルを保管する必要がない場合、密閉容器３０２、入口３０３Ａおよび出口３０３Ｂ、ならびに光学窓３０４は、省略され得る。さらに、向上した安定性の利点は、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂではなく、実質的に垂直である２つの平面ミラーを使用して達成され得る。そのような装置は、それに入射する光に対して部分的再帰反射性である同じ効果を提供するであろう。さらに、光が空洞３１５に入るアパーチャ３０６は、第１の反射器装置ではなく、第２の反射器装置内に配置され得る。追加的に、球面ミラー３０７は、球面である必要はなく、部分的再帰反射性のプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの恩恵を受けながら、他の様々な形態を有し得る。したがって、この実施形態のマルチパスセル３００は、有利な装置の一具体例であるが、様々な変更および変形が行われ得ることが分かる。

したがって、以前に使用された一般化された用語に戻ると、本開示の第１の反射器装置は、好ましくは、反射性である第１および第２の表面を備える。第１の反射器装置は、それに入射する光が、第１の表面から第２の表面に、かつ第２の反射器装置に反射されるように構成され得る。第２の表面から反射された光は、第１の反射器装置の第３の表面に入射した後、第２の反射器装置に反射されるか、または第２の表面から反射された光は、任意のさらなる表面によって反射されることなく、第２の反射器装置に直接反射され得る。

第１および第２の表面は、好ましくは、実質的に垂直である。第１および第２の表面は、好ましくは、実質的に平面である。この装置を使用して、光に対して再帰反射作用を提供し、マルチパスセルの機械的安定性を向上させることができる。完全に平面の垂直表面は、完全な再帰反射性を示すであろうが、完全に平面の垂直表面からの多少の逸脱は、許容され得る。例えば、（少なくとも）部分的再帰反射性の効果が依然として達成されるという条件で、表面は、完全に平面および／または完全に垂直であることから逸脱してもよい。光が、第２の反射器装置（例えば、球面ミラー）の表面に垂直でないいくつかの成分を有する場合、この光は、空洞に入り、図４Ａ～４Ｃおよび図５に示されるように、定在波様のパターンのセットを形成し得る。

さらに、第１または第２の表面全体が完全に平面である必要はない。例えば、表面のうちの一方または両方は、平面部分に加えて、湾曲部分（例えば、１つまたは複数の縁部において）を有してもよい。この場合、第１および第２の表面の実質的に平面の部分が互いに実質的に垂直であるならば、それらは依然として一緒に働いて、それらに入射する光を部分的または完全に再帰反射することができる。

したがって、本開示は、第１の反射器装置と、第２の反射器装置とを備えるマルチパスセルであって、第１の反射器装置が、反射性である第１および第２の表面を備え、第１および第２の表面が、実質的に垂直および／または実質的に平面である、マルチパスセル、を提供する。

第１および第２の表面の平面は、共通の軸を画定し得、第１の反射器装置は、共通の軸に垂直に入射する光に対して再帰反射性であり得る。平面表面の文脈において、共通の軸は、平面表面を含む平面によって画定される交線である。任意の２つの非平行平面が、交線を画定する。したがって、２つの平面表面が実際に交差していない場合でも、表面が存在する平面が、交差軸を画定する。交差軸は、もし平面が無限の空間範囲を有すると、平面表面が交差するであろう線と見なされ得る。

好ましくは、第１の反射器装置は、第１および第２のプリズムを備え、第１および第２の表面は、それぞれ第１および第２のプリズムの面である。プリズムミラーは、前述の有利な実施形態が、正確かつ容易に製造されることを可能にする、広く入手可能な光学構成要素である。例えば、プリズムミラーは、直角二等辺三角形である（すなわち、９０°、４５°、および４５°の内角を有する）断面を有し得る。この場合、２つのそのようなプリズムを、両方のプリズムがより短い（非斜辺の）面に載った状態で、互いに隣接して配置することにより、（この装置内で垂直になるプリズムの２つの表面によって画定される）部分的再帰反射性の表面が、簡単に製造され得る。したがって、この実施形態は、安価で市販の構成要素を有利に使用して、安定したマルチパスセルを製造するための費用効果が高く信頼性の高い方法を提供する。

第２の反射器装置は、好ましくは、それに入射する光が、第１の反射器装置に向かって反射されるように構成される。例えば、第２の反射器装置は、第１の反射器装置から受光された光が第１の反射器装置に反射されるように構成され得、第１の反射器装置は少なくとも部分的に再帰反射性であるので、光は、第１の反射器装置と第２の反射器装置との間を繰り返し跳ね返るようにされ得る。これは、第１および第２の反射器装置が互いに対向することを確実にすることによって、達成され得る。例えば、第１の反射器装置は、少なくとも部分的に再帰反射性であり、したがって、ある範囲の方向から受光される光に対して再帰反射性である。したがって、第２の反射器装置は、第１の反射器装置が再帰反射性である方向の範囲内に位置付けられ得る。第２の反射器装置が凹面を有する場合、この面は、第１の反射器装置の少なくとも部分的再帰反射性の部分に対向し得る。このようにして、第１および第２の反射器装置は、安定した光空洞を画定し得る。

第２の反射器装置は、好ましくは、それに入射する光が、第１の反射器装置に向かって集束されるように構成される。第２の反射器装置の集束作用は、第１の反射器装置の再帰反射作用と一緒に作用して、光の拡散を抑制し、安定性を向上する。反射器装置の間隔と、第２の反射器装置の焦点距離との間の関係は、セル内で光によってトラバースされるパスの数に影響を与えるであろう。

第２の反射器装置は、反射性である凹面を備え得る。凹面は、楕円面、回転楕円面、または球面であり得る。例えば、２つの反射平面表面によって画定される交線に平行な１つの細長い軸を有する楕円反射器が、使用され得る。そのような場合、ミスアライメントを補正するための有用な表面が一方向に伸長され、他の方向に短縮されるため、細長い軸は、機械的公差に影響を及ぼすであろう。したがって、より高度な空間対称性を有する表面は、向上した安定性を提供し、その結果、球面（すなわち、光が入るのを可能にする開口部を有する球の表面の一部分）が、最も好ましい。球形からのわずかな逸脱は、許容され得る。２つの平面プリズムミラーと球面（つまり中央対称）ミラーとの組み合わせは、球面ミラーのわずかなミスアライメントが、それ以上増幅されず、光路が、空洞のミラー内の体積の間に依然としてあることを意味するため、最も向上した安定性を提供する。

有利には、本開示では、第１の反射器装置と第２の反射器装置との間の分離は、調整可能である。したがって、マルチパスセルは、光によってトラバースされる光路長が調整可能であるように、構成される。簡単にするために図３Ａ～３Ｄには示されていないが、第１および第２の反射器装置３０５および３０７は、相対的に移動可能である（例えば、一方または両方を移動することによって）。これにより、分離が制御されること、したがって、光路長が調整されることが可能にある。相対運動は、例えば、反射器装置の一方または両方を作動させることによって、提供され得る。光路長は、光がマルチパスセルをトラバースする回数を変更することによって、調整され得る。例えば、分離を増大させることは、単一のパス内で光によってトラバースされる距離の増加をもたらし得るが、分離を増大させることはまた、光をセル内で異なるパス数トラバースさせて、光路長をさらに増大させ得る。本開示の向上した安定性は、光路長の制御を提供しながら、比較的長い光路長が得られることを可能にする。

本開示のセルを使用して、光路長は、３０ｃｍ以上（かつ好ましくは、１ｍ、５ｍ、１５ｍ、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、１ｍ以上（かつ好ましくは、５ｍ、１５ｍ、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、５ｍ以上（かつ好ましくは、１５ｍ、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、１５ｍ以上（かつ好ましくは、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、２５ｍ以上（かつ好ましくは、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、４０ｍ以上（かつ好ましくは、５０ｍ、または１００ｍ以下）、５０ｍ以上（かつ好ましくは、１００ｍ以下）、または１００ｍ以上（かつ好ましくは、１５０ｍ以下）に調整可能である。これらは、光速が約３ｘ１０⁸ｍｓ^-1であることに留意することにより、等価な時間値に変換され得る。

説明された実施形態は、振動に耐え、産業実装における機械的整列を簡単にするのに適したマルチパスセルを提供するために、予想外に高い機械的公差を示す。以前のマルチパスセルと比較したこの開示の利点は、多数あり、最大４°（約７０ミリラジアン）のミスアライメントの向上した安定性、容易に調整可能な長い光路長、および高い信頼性で効率的に製造するための簡単なアーキテクチャが含まれる。

図３Ａ～３Ｄ、図４Ａ～４Ｃ、および図５の実施形態では、光が光空洞３１５に入るアパーチャ３０６は、第１の反射器装置３０５の２つのプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの間に位置付けられている。また一方、図７は、プリズム７０５Ａとプリズム７０５Ｂとの間ではなく、第２の反射器装置７０７内にアパーチャ７０６を提供することによって、前述の利点の多くが達成可能である第２の実施形態を示す。

図７の実施形態は、２つのプリズム反射器７０５Ａおよび７０５Ｂを備える第１の反射器装置７０５を備えるマルチパスセル７００を示し、２つのプリズム反射器７０５Ａおよび７０５Ｂは、プリズム７０５Ａおよび７０５Ｂの２つの面が、垂直であり、部分的再帰反射性の表面を提供するように位置付けられている。球面ミラー７０７の形態の第２の反射器装置が、プリズム７０５Ａおよび７０５Ｂに対向して提供されている。球面ミラー７０７は、光が、マルチパスセル７００の光空洞７１５に入ること、および光空洞７１５から出ることを可能にするための中央アパーチャ７０６を備える。セル７００に入る光７０１は、出射光７０８の方向に沿ってアパーチャ７０６を介して空洞７１５を出る前に、第１の反射器装置７０５と第２の反射器装置７０７との間で繰り返し反射される。高度な幾何学的類似性のために、第１の反射器装置７０５および第２の反射器装置７０７によって提供される定在モードは、第１の実施形態の装置３０５および３０７と同様である。次に、セルから出てくる光は、図７にミラーとレンズとを備えるものとして示されている光学装置７１２を介して、その光の目的地に向けられる。第２の実施形態は、第１の実施形態が提供する向上した安定性および調節可能性の利点を提供する。

次に図８に目を向けると、相互に垂直である３つの平面反射面８０５Ａ、８０５Ｂ、および８０５Ｃを備える反射器装置８０５が、示されている。３つの表面８０５Ａ、８０５Ｂ、および８０５Ｃは、再帰反射性であるコーナー反射器を画定する。光が、コーナー反射器を通過することを可能にするために、アパーチャ８０６が、コーナー反射器８０５のコーナーに提供されている。コーナー反射器８０５の裏側を通過する光８０１が、描かれている。

図８の反射器装置８０５は、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの代わりに、またはプリズム７０５Ａおよび７０５Ｂの代わりに、第１および第２の実施形態で説明されたもののようなマルチパスセルで使用され得る。図８の反射器装置８０５が、図７の実施形態で使用される場合、アパーチャ８０６は、省略され得る。反射器装置８０５もまた、光空洞内での光の拡散を抑制するための再帰反射器の使用により、向上した機械的安定性を提供する。

したがって、以前に使用された一般化された言語に戻ると、本開示のマルチパスセルでは、第１の反射器装置は、反射性である第３の表面をさらに備え得、第１、第２、および第３の表面は、実質的に相互に垂直である。したがって、コーナー反射器を提供して、機械的安定性を向上させることができる。

第１および第２の反射器装置は、光空洞を画定し得、第１および第２の反射器装置のうちの少なくとも一方は、好ましくは、光が、光空洞に入ること、および／または光空洞を出ることを可能にするためのアパーチャを備える。アパーチャのサイズは、空洞に入る光ビームまたはパルスのサイズの制御を提供するように調整可能であり得る。アパーチャは、多くの形態を取り得る。

第１の反射器装置が、第１および第２のプリズムを備える場合、第１および第２のプリズムの縁の間のスリットが、アパーチャを画定し得る。この装置の特定の利点は、（例えば、損傷またはミラーの不完全性を引き起こす可能性がある、球形反射器またはコーナー反射器内にアパーチャを作成することによって）反射器内にアパーチャを作成する必要なしに、プリズムの間にスリットが存在するようにプリズムを装着することによって、２つのプリズムの間にアパーチャを提供することが簡単であることである。したがって、この装置は、正確に、および精巧な光学構成要素に損傷を与えるリスクを冒すことなく、簡単に作製できる。アパーチャのサイズは、プリズムを作動させて互いに近づけたり、遠ざけたりすることによって、調整され得る。プリズムは、そのような調整を提供するように、相対的に移動可能であり得る。

第１の反射器装置が、第１、第２、および第３の表面を備える場合、第１、第２、および第３の表面のコーナーの開口部（例えば、３つの表面の平面が交差する点）が、アパーチャを画定し得る。同様に、第２の反射器装置の中心（例えば、セルの長手方向軸と実質的に整列している、第２の反射器表面上の点）の開口部が、アパーチャを画定し得る。これは、例えば、凹反射面の中心にある小さな穴であり得る。そのようなアパーチャは、光が、機械的に安定した装置の光空洞に入ること、および／または光空洞を出ることを可能にする。そのような場合、アパーチャのサイズは、アパーチャを不透明な材料（移動可能であり得る）で部分的に覆うことによって、調整され得る。

次に図９Ａおよび９Ｂに目を向けると、２つのプリズム９０５Ａおよび９０５Ｂを備える反射器装置９０５のための２つの装着構造９１３ａおよび９１３ｂが、示されている。プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、それぞれ、マルチパスセル３００または７００のプリズム３０５Ａ、３０５Ｂまたは７０５Ａ、７０５Ｂであり得る。したがって、装着構造９１３ａおよび９１３ｂは、図３Ａ～３Ｄおよび図７のマルチパスセル３００および７００で使用され得る。

図９Ａの装着構造９１３ａは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂを保持するように構成されているフレームである。図９Ａの装着構造９１３ａは、一対のプリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの一端から示されている。装着構造は、プリズムの長辺に沿って（ページ内に、プリズム軸に沿って）延在し得、装着構造９１３ａの反対側の端部は、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの反対側の端部を同じように保持する。装着構造９１３ａは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂを所定の位置にしっかりと保持するように、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの非反射縁を保持し得るように寸法決めされる。装着構造のごく一部分が、反射面（すなわち、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの斜辺）を覆っているが、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂが、セル内で光を反射することが可能なように、反射面の大部分は、露出している。

装着構造９１３ａは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂが所定の位置にしっかりと保持されることを確実にするために、摩擦コーティング（例えば、ゴム）を有し得る。プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、締まりばめを使用して、装着構造９１３ａ内に勘合し得る。代替的に、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、接着剤で装着構造９１３ａに保持され得る。いずれの場合でも、装着構造は、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの反射面が、合同して部分的に再帰反射性の面を提供するように、実質的に垂直であることを確実にする。

図９Ｂは、図９Ａの装着構造９１３ａに加えて、またはその代わりに使用され得るさらなる装着構造９１３ｂを示す。図９Ｂの装着構造９１３ｂは、図９Ａの装着構造９１３ａのベースとして機能し得るか、または装着構造９１３ｂは、それ自体が独立した構成要素であり得る。図９Ｂの装着構造９１３ｂは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂが取り付けられ得る、材料の平坦な部分を備える。装着構造９１３ｂは、光が通過することを可能にするためのスリット９０６を備える。プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの面が実質的に垂直であるように、スリット９０６のいずれかの側に取り付けられ得る。したがって、部分的に再帰反射性の反射器装置は、内部にスリットを有する単一の材料シートと、標準的な光学構成要素である２つのプリズム９０５Ａおよび９０５Ｂとを使用して、容易に提供され得る。

図９Ａおよび９Ｂの装着構造９１３ａおよび９１３ｂを使用して、２つのプリズムミラー９０５Ａおよび９０５Ｂの間の相対角度がゼロまたは実質的にゼロ（例えば、少なくとも部分的再帰反射性が得られることを確実にするためにゼロに十分に近い）であることを確実にすることができる。そのような場合、２つのミラーは、約＋／－１°まで一緒に回転し、かつ依然として、前述のマルチパスセルで使用され場合に、安定したマルチパスパターンを提供し得る。しかしながら、２つのプリズムミラーの間の相対角度が０．１°より大きい場合、パターンは、悪影響を受ける可能性がある。そのような装着構造の使用は、プリズム９０５Ａとプリズム９０５Ｂとの間の相対角度がゼロであるか、またはゼロに十分に近くて、良好な性能を提供することを確実にし得る。図９Ａおよび９Ｂの装着構造９１３ａおよび９１３ｂは、様々な材料（例えば、アルミニウムなどの金属）から、および様々な構築技術（例えば、溶接、成形、または３Ｄ印刷）を使用して形成され得る。

したがって、以前に使用された一般化された言語では、第１の反射器装置は、好ましくは、第１および第２の表面が実質的に垂直であるように、第１および第２のプリズムを装着するように構成された装着構造を備える。装着構造の使用は、表面が、許容可能な程度のミスアライメント内で正しく位置付けられることを確実にするのに役立ち得る。

図３Ａ～図９Ｂに示される実施形態は、主に吸収分光法で使用されるマルチパスセルを参照して説明された。そのような場合、前述の一般化された用語を使用すると、マルチパスセルは、好ましくは、ガス状サンプルを収容するためのハウジングを備え、第１および第２の反射器装置は、ハウジング内にある。これにより、分析対象のサンプルがセル内に保持されることが、確実になる。そのような場合、ハウジングは、好ましくは、光がマルチパスセルに入ることを可能にするための光学窓を備える。光学窓は、好ましくは、光が、セルのハウジングの外側から光空洞に入ることができるように、アパーチャ（例えば、反射器装置内のアパーチャ）と整列される。材料が、使用される光源の波長を有する光に対して透明であるという条件で、光学窓用の任意の材料が、使用され得る。マルチパスセルは、好ましくは、ガス状サンプル用の入口および／または出口をさらに備える。様々な入口および出口機構が、使用され得る。マルチパスセルがダブルパルスレーザーシステムで使用される実施形態では、入口および／または出口は、レーザー光の波長を有する光に対して透過性であるパージガス（例えば、アルゴン）用に使用され得る。

図１０には、そのような吸収分光システムの一例が、概略的に示されている。システムは、光がサンプルと相互作用する光路を提供するために、前述のいずれかのマルチパスセルであり得るマルチパスセル１０００を備える。セルは、サンプルがセルに入ること、およびセルから出ることを可能にするための入口１００３ａおよび出口１００３ｂを有する。システムはまた、レーザーであり得る光源１０１０を備える。光源は、光源１０１０からの光の少なくとも一部が、マルチパスセル１０００に向けられてサンプルと相互作用することを確実にする光学装置１０１２に向けられる光のビーム１００１を提供する。システムは、マルチパスセル１０００を通過し、サンプルと相互作用し、マルチパスセル１０００から出てくる光を検出するように配置された検出器１０１１をさらに備える。光学装置１０１２は、一部の光を、マルチパスセル１０００に入ることなく、検出器１０１１に向ける。

光学装置は、４つのミラー１０１２ｂ、１０１２ｃ、１０１２ｄ、および１０１２ｅを備え、これらのミラーは、一部の光を、検出器１０１１で受容されるように、セル１０００の外側の周りに向ける。光学装置は、ビームスプリッタ１０１２ａも備え、ビームスプリッタ１０１２ａは、一部の光が、マルチパスセル１０００に入ることを可能にする一方で、一部の光が、マルチパスセル１０００に入らず、代わりに、検出器１０１１による検出のために、ミラー１０１２ｂからミラー１０１２ｃに、ミラー１０１２ｄに、ミラー１０１２ｅに反射することを確実にする。

ビーム分割を使用して、セル１０００を通過しない光の強度によって示される、光源１０１０のベースライン強度レベルＩ₀を得ることができる。これを、セルを通過して検出器に到達した光の強度Ｉ_Dと比較して、どれだけの光が、セル１０００内のサンプルによって吸収されたかの尺度を得ることができる。検出器１０１１は、複数の検出素子、すなわち、Ｉ₀を測定するための１つ以上の素子と、Ｉ_Dを測定するための１つ以上の素子とを備え得る。代替的に、検出器１０１１は、Ｉ₀およびＩ_Dを交互に測定するための単一の検出器要素を備えてもよい（例えば、２つの光ビームは、一度に１つのビームをブロックするビームチョッパを通過し、その結果、検出器は、チョッパと同期して、Ｉ₀ビームの測定とＩ_Dビームの測定との間で交互する）。

光源１０１０は、例えば、チューナブルダイオードレーザー、波長安定化レーザーダイオード、分布帰還型レーザーダイオード、または外部空洞ダイオードレーザーを含む任意のタイプのレーザーであり得る。チューナブルダイオードレーザーが好ましいが、任意の固体、気体、液体、化学、金属蒸気、染料、または半導体レーザーが、使用されてもよい。検出器１０１１は、光源１０１０によって生成された光１００１を検出するための任意のタイプの１つ以上のフォトダイオードを備え得る。極めて低い発散を示す他のタイプのビーム（すなわち、ほぼコリメートされたビーム）が使用されてもよい。例えば、場合によっては、数度の発散を示すＬＥＤまたは他の発光体を提供することが（例えば、コリメート光学要素を使用することによって）可能であるが、レーザーは、典型的には、１０分の１度程度の発散を示すため、本開示では好ましい。

前述のように、光が、第１および第２の実施形態のマルチパスセル３００および７００に入る角度を使用して、光が、セルの反射器装置をトラバースする回数、したがって光路長を制御することができる。したがって、図１０に示される実施形態では、光源１０１０は、（例えば、回転可能であることによって、または回転可能に装着されることによって）光がセル１０００に入る方向を変えることが可能であり得る。代替的に、セルに入る光の角度を変化させることが可能なように、さらなる光学要素（例えば、調整可能なミラー）が、提供されてもよい。例えば、光１００１がセル１０００に入る角度を変化させるために、調整可能なミラーが、スプリッタ１０１２ａとセル１０００との間に位置付けられ得る。

一般的に言えば、本開示は、前述のマルチパスセルのうちのいずれかと、光をマルチパスセル内に向けるように構成された光学装置とを備えるシステムを提供する。光学装置は、好ましくは、光がマルチパスセルに向けられる角度が調整可能であるように構成される。この角度は、マルチパスセルによって画定される軸（例えば、第１および第２の反射器装置の中心／中点の間に延びる軸などの長手方向軸）に対して定義され得る。光がマルチパスセル内に向けられる方向と、マルチパスセルによって画定される長手方向軸との間の角度は、０°～２０°、１°～１５°、または２°～１０°であり得る。セルのアパーチャおよび／またはセルの光学窓が、セルによって画定される軸に垂直である場合、光がセルに入る角度は、そのような場合にはアパーチャの法線は、セルの長手方向軸に平行であろうため、代わりに、アパーチャの法線に対して表現され得る。

調整可能な角度を提供することにより、安定した構成およびそのような安定性に関連付けられる利点を維持しながら、光路長を制御することが可能になる。そのような光学装置は、検出器または光源とは独立して提供され得る。光学要素は、マルチパスセルに取り付けられる（例えば、セルの外側に取り付けられる）か、またはセルハウジングと一体的に形成され得る。

システムは、光を光学装置に向けるように構成された光源をさらに備え得る。システムはまた、マルチパスセルからの光を検出するように構成された検出器を備え得る。セル、レーザー、および検出器が組み合わせて使用されると、改善されたレーザー吸収分光計が、提供される。光学装置は、好ましくは、光をマルチパスセルから検出器に向けるように構成される。

本開示のマルチパスセルは、光吸収分光法以外の文脈で使用され得る。例えば、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄには、第１および第２のレーザーパルスを生成するためのダブルパルスレーザーシステムの４つの構成が示されている。マルチパスセルは、既存のマルチパスセルと比較して、比較的長い光路長を提供するため、セルは、２つのレーザーパルスの間に比較的長い時間的遅延を導入する遅延線として効果的に機能する。さらに、セルの形状が、セルから出てくる光１１０８が、セルの外面１１１４から反射された光と同一直線上にあることを確実にする。

図１１Ａ～１１Ｄのダブルパルスレーザーシステムは、光空洞１１１５を画定する、２つのプリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂと、球面反射器１１０７とを有するマルチパスセルを備える点で、前述のシステムと同様である。前述のように、光１１０１は、わずかな角度でセルに入る。ダブルパルスレーザーシステムはまた、セルから出てくる光１１０８を、サンプルであり得る標的目的地１１１６に向けて案内するための光学装置１１１２を備える。光学装置は、ミラー１１１２ｂを備える。ダブルパルスレーザーシステムと、前述のマルチパスセルとの間の重要な違いは、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂの外面が、反射性であり、光１１０１がセルに入るのを可能にするための小さなアパーチャ（プリズム１１０５Ａとプリズム１１０５Ｂとの間のスリットと整列されている）を備えることである。アパーチャを有するこの反射面は、光を分割するための光分割デバイス１１１２ａとして機能し、光学装置１１１２の一部を形成する。

より具体的には、図１１Ａ～１１Ｄのダブルパルスシステムの概略構成では、コリメートおよびパルス化されたレーザービーム１１０１は、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂの外部（背面）上の平面ミラー１１１２ａに向けられる。パルスレーザービームの経路は、図１１Ａ～１１Ｄでは実線で表されているが、これらの線を連続波レーザー放射と間違えてはならない。パルスビーム１１０１の角度は、ミラー１１１２ａの法線に対してわずかに傾斜しており、典型的には２～６°である。ミラー１１１２ａの法線は、セルの軸（すなわち、プリズム１１０５Ａと１１０５Ｂとの間のスリットと、球面ミラー１１０７の中心との間に延びる長手方向軸）に平行である。

ミラー１１１２ａは、直径１ｍｍの中央の円形アパーチャを備え、レーザーパルス１１０１の一部が、ミラーを通してサンプリングされ、かつレーザーパルス１１０１の一部が、経路１１０８に沿ってミラーから反射されることを可能にする。前述の実施形態と同様に、セルから出てくる光１１０８の角度（アパーチャの法線に対する）は、同じ大きさであるが、入射光１１０１の角度とは反対の方向であり、これは、セルの形状に起因して起こる。

光分割デバイス１１１２ａのアパーチャは、入射光パルス１１０１が分割される（例えば、２つの別個のパルスに分割される）ように寸法決定され、光の約半分は、外面１１１４から光学装置１１１２ｂに向かって反射され、かつ光の半分は、セルに入り、そこで複数回反射された後、最終的にセルを出て光学装置１１１２ｂに到達する。図１１Ａ～１１Ｄでは、アパーチャは、直径１ｍｍであるが、使用されるレーザービームの幅に応じて、他の幅（例えば、０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍなどの直径）が、使用され得る。図１１Ａ～１１Ｄに示される特定のシステムでは、パルスレーザービーム１１０１は、１ｍｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。

システムは、パルス１１０１が、ミラー１１１２ａのアパーチャの縁を中心とし、ミラー１１１２ａが、２５ｍｍ（すなわち、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂと同様のサイズ）の半径を有するように構成される。このようにして、パルス１１０１をミラー１１１２ａに向けるために、様々な光学要素が、使用され得る。パルスの半分が、ミラー１１１２ａの表面によって反射される一方、残りの半分は、アパーチャを通過する。反射パルスは、平面ミラー１１１２ｂに、次いで、サンプル１１１６の表面に向けられる。透過パルスは、曲率半径ｒ＝１０００ｍｍおよび５０ｍｍの直径を有するセルの球形凹ミラー１１０７に向けられる。このミラー１１０７は、図１１Ａ～１１Ｄに示されるように、２つの直角プリズムミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂに向かってパルスを反射および集束させて戻す。２つの直角プリズムミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂは、２５ｍｍのセグメントサイズを有する。この文脈において、セグメントサイズは、直角に交わる直角三角形の２つの辺の長さ（すなわち、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂの三角形断面の非斜辺長さの長さ）である。ミラー１１０５Ａ、１１０５Ｂ、および１１０７の組み合わせが、空洞１１１５システムを形成し、ミラー１１１２ａを通って入るパルスは、何度も反射されて往復した後、最終的にミラー１１１２ａのアパーチャから出る。

図１１Ａ～１１Ｄのシステムによって提供される総光路長差（ＯＰＤ）は、ａ）ミラー１１０７を通過し、空洞１１１５内で反射された後、ミラー１１１２ａの中央アパーチャから出てサンプル１１１６に到達するパルスによってカバーされる距離と、ｂ）ミラー１１１２ａで反射された後、サンプル１１１６に到達するパルスの一部によって移動された距離との間の差として定義される。有利には、ＯＰＤは、（直角）プリズムミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂを備える第１の反射器装置１１０５と、この場合はミラー１１０７である第２の反射器装置との間の距離ｄを調整することによって、容易に調整され得る。ＯＰＤは、他の構成要素の形状を変更せずに、間隔ｄだけを調整することによって制御され得る。ＯＰＤを調整することにより、第１のパルス（ミラー１１１２ａによって反射される）と、第２のパルス（ミラー１１１２ａを透過する）との間の時間的遅延Δｔが、調整され得る。

図１１Ａのシステムは、図１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄに示されるように、様々な構成に調整され得、シミュレーションして、達成可能なＯＰＤおよび時間的遅延を調査することができる。シミュレーションでは、レーザーパルスは、ガウス形で、コリメートされ、非偏光であり、５３２ｎｍの波長を有し、統計的有意性を達成するために１０⁴に等しい数の光線で構成されると考えられる。図１１Ａでは、距離ｄ＝１５０ｍｍにより、透過パルスが４回反射され、それにより、１．１３ｍのＯＰＤおよび対応するΔｔ＝３．８ｎｓがもたらされる。図１１Ｂでは、距離ｄ＝３００ｍｍにより、透過パルスが２１回反射され、６．７５ｍのＯＰＤおよび対応するΔｔ＝２２．５ｎｓをもたらす。図１１Ｃでは、距離ｄ＝４００ｍｍにより、透過パルスが２８回反射され、１２．４６ｍのＯＰＤおよびΔｔ＝４１．５ｎｓをもたらす。

距離ｄが増加し、反射の数が増加するにつれて、光学システムの機械的整列に必要な公差が、より厳しくなる。これは、およそ、図１１Ａに示されるレイアウトの場合、約１．５ｍｍおよび約２°の回転角（ｘ、ｙ）、図１１Ｂに示されるレイアウトの場合、約１ｍｍおよび約１°の角度、および図１１Ｃに示されるレイアウトの場合、約０．５ｍｍおよび約０．５°の角度である。必要な整列により、達成され得るＯＰＤが制限される。それにもかかわらず、そのような整列は、本開示のシステムを使用して容易に達成可能であり、したがって、約５０ｎｓの時間的遅延Δｔが、達成され得る。したがって、マルチパスセルを使用して達成される時間的遅延は、１ｎｓ以上（例えば、最大１０ｎｓ、最大５０ｎｓ、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは５ｎｓ以上（例えば、最大１０ｎｓ、最大５０ｎｓ、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは１０ｎｓ以上（例えば、最大最大５０ｎｓ、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは５０ｎｓ以上（例えば、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは８０ｎｓ以上（例えば、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは１００ｎｓ以上（例えば、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）であり得る。セルの設計パラメータによっては、より短い遅延、例えば、０．１ｎｓ以上が得られ得る。

整列要件の厳しさを低減するために、直角ミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂのサイズを、それらのセグメントサイズ（非斜辺の寸法）が５０ｍｍであるように増大させ、かつ球面ミラー１１０７のサイズを７５ｍｍの直径に増大させることが可能である。これにより、機械的公差の要件が緩和され、同等の距離ｄでより高いＯＰＤを得ることが可能になる。そのようなレイアウトの例が、図１１Ｄに示されており、距離ｄ＝４００ｍｍにより、透過パルスは、３１回反射されて、２５．３０ｍのＯＰＤおよび対応するΔｔ＝８４．３ｎｓをもたらす。このレイアウトの公差は、約１ｍｍおよび１°（ｘ、ｙ）である。したがって、約１００ｎｓ（およびそれ以上）の時間的遅延が、容易に達成可能である。

前述のように、図１１Ａ～１１Ｄは、レーザーパルス１１０１が、アパーチャを有する反射面１１１２ａによって分割されるシステムを示す。図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄには、第１および第２のレーザーパルスを生成するためのダブルパルスレーザーシステムの４つの構成が示されている。マルチパスセルは、既存のマルチパスセルと比較して、比較的長い光路長を提供するため、セルは、２つのレーザーパルスの間に比較的長い時間的遅延を導入する遅延線として効果的に機能する。さらに、セルの形状が、セルから出てくる光１１０８が、セルの外面１１１４から反射された光と同一直線上にあることを確実にする。

図１２Ａには、機械的なビーム分割の原理が示されている。上のグラフは、ある瞬間におけるガウスレーザーパルスの一次元空間セクションを表す。下のグラフは、上のパルスを分割することから形成された２つのパルスの時間プロファイルを示し、２つのパルスは、時間的遅延によって分離されている。本開示は、パルスレーザーによって生成された単一のパルスを２つのパルスの二重（好ましくは同一直線上）のセットに機械的に分割するため、およびマルチパスセルを使用して遅延を導入するために、反射面の使用を提案する。パルスの透過部分（すなわち、図１２Ａの上のグラフに示されているパルスの左側の部分）は遅延を受けず、したがって、図１２Ａの下のグラフの時間軸に沿って左側に位置付けられている。反射パルス（すなわち、上のグラフに示されているパルスの最も右側の部分）は遅延を受け、したがって、図１２Ａの下のグラフの時間軸上で右側に位置付けられている。このように、時間的遅延Δｔが、単一のレーザーパルスを機械的に分割することによって生成された２つのレーザーパルスの間に導入され得ることが分かる。したがって、ダブルパルスレーザーアーキテクチャが、提供され得る。

多くの用途（例えば、ダブルパルスＬＩＢＳ実験）で、２つのパルスが同じ位置（例えば、サンプルの表面）に入射することが重要である。ダブルパルスシステムの有効性を検証するために、ビームプロファイルの研究が実行され得、この研究は、第１および第２のレーザーパルスを生成するために円形アパーチャが使用されると、パルスは、サンプルとの衝突点において円形のガウスプロファイルを提供することを示す。非円形のアパーチャは、重ね合わされたパルスの品質の低下をもたらす。したがって、機械的な分割が使用される場合、単一のレーザーパルスを分割するための円形アパーチャが好ましい。

図１２Ｂは、レーザーパルスを分割するためのマルチパスセル１２００および光学装置１２１２の代替例を示す。図１２Ｂ（ｉ）、（ｉｉ）、および（ｉｉｉ）では、単一のレーザーパルス１２０１は、光をマルチパスセル１２００内に、およびサンプルに向けて誘導するためのビームスプリッタ１２１２ａ～ｅを備える光学装置１２１２に入射するように示されている。図１２Ｂのマルチパスセル１２００は、本明細書に記載のそれらにマルチパスセルのいずれかであり得る。図１２Ｂ（ｉ）は、第１および第２のレーザーパルスを生成するが、両方のパルスを所望の目的地に向けることができない光学装置１２１２を示す。図１２Ｂ（ｉｉ）および１２Ｂ（ｉｉｉ）は、相対的な時間的遅延を有する第１および第２のレーザーパルスを首尾よく生成する光学装置１２１２を示す。図１２Ｂ（ｉｉ）では、単一のレーザーパルスの入射した全エネルギーの７５％が、最終的にサンプルに向けられる。図１２Ｂ（ｉｉｉ）では、単一のレーザーパルスの入射した全エネルギーの１００％が、最終的にサンプルに向けられる。

図１２Ｂの光学装置１２１２は、ビームスプリッタを利用している。ビームスプリッタは、非偏光性（無偏光性と呼ばれることもある）または偏光性であり得る。偏光ビームスプリッタは、光を直交偏光状態の２つのビームに分割する。ビームスプリッタに加えて、光学装置１２１２はまた、パルスを適切なビームスプリッタに向けるための反射要素（例えば、ミラー）を備える。ビームスプリッタのタイプとしては、半透鏡、互いに接着した三角プリズムの対、ウォラストンプリズム、および（ダイクロイック光学コーティングを使用する）ダイクロイックミラープリズムアセンブリが挙げられる。

図１２Ｂ（ｉ）には、単一の非偏光ビームスプリッタ１２１２ａが、示されている。図１２Ｂ（ｉ）に示されるように、レーザーパルス１２０１が、１つの非偏光ビームスプリッタを通過する場合、５０％が（サンプルに向かって）透過され、５０％が、反射される。図１２Ｂ（ｉ）では、これは、入射パルスの伝搬軸に対して時計回りに９０°の角度にあるとして示されている。光の反射部分は、マルチパスセル１２００に入り、パルスが、出射光１２０８の方向に沿ってセル１２００を出ると、パルスは、再び同じビームスプリッタ１２１２ａに入射する。そこで、このパルスの５０％（すなわち、全初期パルスエネルギーの２５％）が、入射光１２０１の方向に沿ってレーザー光源に向かって反射されて戻され（これは、光源を損傷する可能性があるため危険である）、５０％が、ビームスプリッタ１２１２ａを真っ直ぐ通過し、サンプルに到達しないであろう。これは、破壊的な干渉を伴ってレーザーに戻るビームの一部を「相殺する」ために、連続放射に依存するマイケルソン干渉計に似ている。図１２Ｂは（マイケルソン干渉計におけるような連続波ではなく）時間的遅延を伴うパルスシステムを示しているため、干渉は発生しないこの装置を使用すると、ダブルレーザーパルスは不可能である。

図１２Ｂ（ｉｉ）は、２つの非偏光ビームスプリッタ１２１２ｂおよび１２１２ｃを備える光学装置１２１２を示す。図１２Ｂ（ｉｉ）は、第１のビームスプリッタ１２１２ｂに対して１８０°回転した第２のビームスプリッタ１２１２ｃを追加することにより、構成（ｉ）を改善している。第１のビームスプリッタ１２１２ａは、単一のレーザーパルスを第１および第２のレーザーパルスに分割する。第１のレーザーパルスは、第２のビームスプリッタ１２１２ｃに向かって真っ直ぐ通過し、第１のレーザーパルスは、第２のビームスプリッタ１２１２ｃも真っ直ぐ通過する。したがって、第１のレーザーパルスは、サンプルの方向に進む。第２のレーザーパルス（すなわち、遅延パルス）は、マルチパスセル１２００に入り、セルを１回以上トラバースし、出射光１２０８の方向に沿って出てきた後、第２のビームスプリッタ１２１２ｃに誘導される。第２のレーザーパルスの５０％は、第２のビームスプリッタ１２１２ｃを真っ直ぐ通過し、第２のレーザーパルスの５０％は、サンプルに向けられる。このようにして、レーザー光源への後方反射が回避され、元のレーザーエネルギーの７５％が、サンプルに到達し、元のレーザーパルスエネルギーの２５％が、第１のレーザーパルスに対して時間的遅延を有する第２のレーザーパルスである。レーザーエネルギーの２５％が失われるため、これは、最適なシナリオではない。

図１２Ｂ（ｉｉｉ）は、２つの偏光ビームスプリッタ１２１２ｄおよび１２１２ｅを備える光学装置１２１２を示す。第１のビームスプリッタ１２１２ｅは、その偏光に従ってパルスを分割する。したがって、円偏光光がビームスプリッタ１２１２ｅに当たると、水平成分と垂直成分とが分離される。元のパルスが円偏光されるので、各成分は、パルスエネルギーの５０％に対応する。したがって、パルスの５０％が、サンプルに向かって透過され、５０％が、マルチパスセル１２００へ反射される。図（ｉ）と同じシナリオを避けるために、第２の偏光ビームスプリッタ１２１２ｅ（第１の偏光ビームスプリッタ１２１２ｄに対して１８０°回転している）が、２つのパルスにサンプルを目標とさせる。このシナリオの利点は、入射レーザー光の１００％が保存され、図１２Ｂ（ｉｉ）と比較して向上した効率をもたらすことである。

したがって、一般的に言えば、本開示は、光学装置が、第２のレーザーパルスをマルチパスセル内に向けるように構成されている実施形態を提供する。光学装置は、好ましくは、（例えば、単一パルスを２つに分割することによって）単一のレーザーパルスから第１および第２のレーザーパルスを生成するように構成される。本開示は、時間的遅延を伴う第１および第２のレーザーパルスを生成するための装置を提供し、時間的遅延の程度は、使用されるマルチパスセルの特性（例えば、光路長）に依存し、それによって制御可能である。本開示の光学装置は、１つまたは複数の非偏光ビームスプリッタを備え得る。追加的または代替的に、光学装置は、１つまたは複数の偏光ビームスプリッタを備え得る。光は、使用されるビームスプリッタの組み合わせに応じて、偏光されるか、または偏光されなくてもよい。そのような装置は、レーザー光と光空洞との間の特に厳密な整列を必要としない点で、有利である。さらに、そのような装置は、効率的かつ効果的に製造され得る。

代替的に、一般的に言えば、光学装置は、単一のレーザーパルスを分割することによって第１および第２のレーザーパルスを生成するための光分割デバイスを備え得る。この分割は、機械的に実行され得る。光分割デバイスは、マルチパスセルに取り付けられるか、またはそれと一体であり得る。例えば、光分割デバイスは、マルチパスセルの外面上にあり得る。マルチパスセルは、光空洞を画定する第１および第２の反射器装置を備え得、光分割デバイスは、第１および第２の反射器装置のうちの一方の外面上にあり得る。

光分割デバイスは、レーザーパルスの少なくとも一部分が通過し得るアパーチャを有する反射面を備え得る。光分割デバイスの反射面は、実質的に平面であり得る。プリズムが、第１の反射器装置に使用される場合、反射面を背面に取り付けることが簡単であり、本明細書に開示される有利なデバイスの容易な製造を促進する。光分割デバイスのアパーチャは、反射面の中心に、または実質的に中心に（例えば、縁よりも中心に近く）位置付けられ得る。反射面の中心は、アパーチャと一致し得る。したがって、プリズムが使用される場合、分割デバイスは、光の半分が、プリズムの間のスリットを通ってセルに入ることを可能にする一方で、光の残りの半分をセルから離れる方向にそらす。光分割デバイスのアパーチャは、好ましくは円形である。円形のアパーチャは、後続のレーザーパルスが、高度な空間コヒーレンスを示すことを可能にする。光分割デバイスのアパーチャは、好ましくは、マルチパスセルのアパーチャ（例えば、光がセルに入ることを可能にするアパーチャ）と整列される。

したがって、一般的に言えば、光学装置は、好ましくは、単一のレーザーパルスの一部分が、光分割デバイスのアパーチャを通過してマルチパスセルに入り、それにより、第２のレーザーパルスを生成し、かつ単一のレーザーパルスの一部分が、光分割デバイスの反射面によって反射され、それにより、第１のレーザーパルスを生成するように、単一のレーザーパルスを光分割デバイスのアパーチャに向けるように構成される。これにより、光が反射面から反射するとき、または光がアパーチャを通過するときに、最小限のエネルギーが失われるため、光のエネルギーの大部分が、保存され得る。したがって、そのような装置は、非常に効率的である。さらに、２つのパルスが生成され、パルス間の時間的遅延（調整可能であり得る）が、セルに入るパルスに容易に適用され得る。光学装置は、光の半分がアパーチャを通過するように、単一のレーザーパルスをアパーチャの縁に向けるように構成され得る。

図１３には、前述の原理に従って動作するダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光システムが示されている。図１３のＬＩＢＳシステムは、図１１Ａ～１１Ｄに示されているものなどのダブルパルスレーザーシステムを使用する。図１３のシステムは、セル１３００を備え、セル１３００は、前述のいずれかのセルであり得、空洞１３１５を画定する、２つのプリズム１３０５Ａおよび１３０５Ｂを備える第１の反射器装置１３０５と、球面ミラー１３０７とを備える。

システムは、単一のレーザーパルス１３１４を放出することができるレーザー源１３１０を備える。システムはまた、光をセル１３００に、次いで、セル１３００からサンプル１３１６に導くためのいくつかの光学要素１３１２ｂ～ｄを備える光学装置１３１２を備える。光学装置はまた、セル１３００の第１の反射器装置１３０５上にアパーチャを有する反射面である光分割デバイス１３１２ａによって、単一のレーザーパルス１３１４から第１および第２のレーザーパルスを生成するように構成される。光分割デバイス１３１２ａは、セル１３００の第１の反射器装置１３０５と一体的に形成されている。光学装置１３１２はまた、セル１３００からサンプル１３１６にレーザーパルスを誘導および集束するための回転可能なミラー１３１２ｃおよびレンズ１３１２ｄを備える。

図１３において、レーザーパルス１３１４がレーザー源１３１０によって放出されると、レーザーパルス１３１４は、光学装置のミラー１３１２ｂによって、セル１３００に導かれることが分かる。前述のように、単一パルス１３１４の一部は、光分割デバイス１３１２ａによって反射されて第１のレーザーパルスを形成し、単一パルス１３１４の一部は、セル１３００の空洞１３１５に入り、第１のパルスに対して遅延され、それにより、第２のレーザーパルスを形成する。

第１および第２のパルスが、それぞれ、分割デバイス１３１２ａから反射される、およびセル１３００から出てくると、それらのパルスは、光学装置のさらなるミラー１３１２ｂによって、回転可能なミラー１３１２ｃに導かれ、回転可能なミラー１３１２ｃは、パルスがレンズ１３１２ｄに向けられるように、パルスの方向を微調整し得る。次に、パルスがサンプル１３１６上の点に衝突するように、レンズ１３１２ｄが、パルスを集束させる。

第１のレーザーパルスが、サンプル１３１６に衝突して、サンプル１３１６の表面からプラズマ１３１７を生成し、次いで、第２のレーザーパルスが、プラズマ１３１７に衝突してその温度を上昇させ、さらに表面に衝突して、さらなるプラズマを生成する。このようにして、第１および第２のパルスが、プラズマ１３１７の生成、およびそれに続くプラズマ１３１７からのプラズマ光１３１８の放出を引き起こす。プラズマ光は、サンプルの近くに位置付けられているミラー１３１２ｅによって反射される。ミラー１３１２ｅは、発光の分析のために、プラズマ光を検出器（例えば、分光器）１３１９に導く。ミラー１３１７は、光学装置１３１２の一部であると見なされ得るか、または別個の光学装置であり得る。

図１３に示される具体例では、ミラー１３１２ｃは、（例えば、サンプルの表面マッピングを可能にするために、例えば、表面全体でレーザーパルスの位置を二次元でスキャンすることを可能にする電動二軸ガルボシステムの）ガルボミラーであり、レンズ１３１２ｄは、ｆシータレンズである。しかしながら、他のタイプの調整可能なミラーおよび集束要素が、使用されてもよい。さらに、任意の数のミラーおよび／またはレンズが、光学装置１３１２内で使用され得、追加のプラズマミラー１３１２ｅが、（例えば、プラズマから放出された光１３１８を、検出器１３１９とは異なるタイプであり得る１つ以上のさらなる検出器に向けるために）使用され得る。さらに、光学装置１３１２の光分割デバイス１３１２ａは、図１２Ｂに示される装置などのビームスプリッタ装置によって置き換えられてもよい。

したがって、本開示は、一般的に言えば、第１および第２のレーザーパルスをサンプルに衝突させることによってサンプルを分析するためのダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計であって、該分光計が、第１および第２のレーザーパルスを生成するための前述のダブルパルスレーザーシステムのいずれかと、サンプルによって放出された光を検出するための検出器とを備える、ダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計、を提供することが分かる。

前述のように、光が、本開示のマルチパスセルに入る角度を使用して、光が、セルの反射器装置をトラバースする回数、したがって光路長を制御することができる。したがって、説明された実施形態では、光源は、（例えば、回転可能であることによって、または回転可能に装着されることによって）光がセルに入る方向を変えることが可能であり得る。代替的に、セルに入る光の角度を変化させることが可能なように、さらなる光学要素（例えば、調整可能なミラー）が、提供されてもよい。光学装置は、第１および第２のレーザーパルスを同一直線上の経路に沿ってサンプルに導くように構成され得る。検出器は、分光器、フォトダイオード、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、強化電荷結合素子（ＩＣＣＤ）、電子増倍ＣＣＤ、または１つ以上のマイクロチャネルプレート検出器など、任意のタイプの検出器であり得る。

したがって、一般的に言えば、本開示のシステムは、前述のマルチパスセルのいずれかを備え得、光学装置は、光がマルチパスセル内に向けられる角度が、調整可能であるように構成される。この角度は、マルチパスセルによって画定される軸（例えば、第１および第２の反射器装置の中心の間に延びる軸などの長手方向軸）に対して定義され得る。光がマルチパスセル内に向けられる方向と、マルチパスセルによって画定される軸との間の角度は、０°～２０°、１°～１５°、または２°～１０°であり得る。セルのアパーチャが、セルによって画定される軸に垂直である場合、光がセルに入る角度は、そのような場合にはアパーチャの法線は、セルの長手方向軸に平行であろうため、代わりに、アパーチャの法線に対して表現され得る。

調整可能な角度を提供することにより、安定した構成およびそのような安定性に関連付けられる利点を維持しながら、光路長を制御することが可能になる。そのような光学装置は、検出器または光源とは独立して提供され得る。言い換えれば、本開示の光学装置およびマルチパスセルは、任意の検出器および／または光源と共に使用するために、一緒に提供され得る。光学要素は、マルチパスセルに取り付けられる（例えば、セルの外側に取り付けられる）か、またはセルハウジングと一体的に形成され得る。

前述のＬＩＢＳシステム内でダブルレーザーパルスを生成するためのシステムは、複数のレーザーパルスが必要なシナリオで使用され得る。したがって、本開示はまた、第１および第２のレーザーパルスを生成するためのダブルパルスレーザーシステムを提供し、このシステムは、第１のレーザーパルスに対して第２のレーザーパルスを遅延させるように構成された、本明細書に記載のマルチパスセルのいずれかを備える。光学装置は、単一のレーザーパルスから第１および第２のレーザーパルスを生成することと、第１のレーザーパルスに対して第２のレーザーパルスを遅延させるために、第２のレーザーパルスをマルチパスセル内に向けることとを行うように構成され得る。光学装置は、（例えば、アパーチャを有する反射面を使用して）単一のレーザーパルスを分割することによって第１および第２のレーザーパルスを生成するための光分割デバイス、および／または第１および第２のレーザーパルスを生成するための１つまたは複数の非偏光ビームスプリッタ、および／または第１および第２のレーザーパルスを生成するための１つまたは複数の偏光ビームスプリッタを含む、第１および第２のレーザーパルスを生成するための前述の機構のいずれかを備え得る。

本開示のマルチパスセルは、レーザー加工にも使用され得る。例えば、マルチパスセルが、マルチパスレーザープリアンプとして使用され得ることを示すことができる。そのようなレーザープリアンプが、図１４に示されている。利得媒体は、各々が、典型的には１～１０ナノ秒のポンピングパルス持続時間を有する一連のパルスによって励起される。利得媒体は、典型的には、ガラスおよびレーザー結晶である。ポンピングの間、エネルギーは、マイクロ秒またはミリ秒の間、そのような利得媒体内に保存され、その後、非常に短い時間（フェムト秒～ナノ秒程度）内に放出される。

レーザープリアンプは、光源１４１０を備え、光源１４１０は、光を経路１４０１に沿って、前述のマルチパスセルのいずれかであり得るマルチパスセル１４００に向ける。光は、セル１４００をトラバースし、経路１４０８に沿って出てくる。光の増幅を得るために、フェムト秒レジームでゲインジェットを使用して、光パルスを増幅することが可能である。例えば、マルチパスセルを使用して、光源１４１０からの光が、利得媒体を繰り返し通過することを確実にすることができる。増幅される１つ以上の光パルスは、光源１４１０からセル内に（任選択で、前述の光学装置を介して）導かれる。利得媒体は、光のパルスによって励起され得る。増幅の全体の程度は、セル１４００内の総パス数に依存し得るので、本開示のセルは、多数のパスで示される驚くほど高い安定性のために、そのようなシナリオにおいて特に有利であり得る。そのような用途では、利得媒体がセルのプリズムの近く（例えば、第１の反射器装置がアパーチャを備える場合、プリズム間のスリットの近く）に保持されることを確実にすることが、ビームパスの密度がこの領域で最も高いので、有利であり得る。

したがって、一般的に言えば、本開示はまた、レーザー用プリアンプであって、本明細書に記載のマルチパスセルのいずれかを備え、マルチパスセルが、利得媒体を収容するように構成され、かつマルチパスセルが、光を増幅するために、利得媒体を通して光を導くように構成されている、レーザー用プリアンプ、も提供する。プリアンプを備えるレーザーも、提供される。本明細書に記載のセルは、その安定性により、長い経路長を提供し得るため、レーザー加工での使用に効果的である。

本開示は、本明細書に記載のシステム、デバイス、マルチパスセル、および光学装置を製造するための方法も提供する。例えば、マルチパスセルを製造するための方法は、第１の反射器装置と、第２の反射器装置とを提供することを含み得、第１の反射器装置は、第１の反射器装置に入射する光が、少なくとも部分的に第２の反射器装置に向かって再帰反射されるように構成される。製造方法は、本明細書に記載のマルチパスセルの特徴（例えば、任意の構造的特徴）のいずれかを提供することをさらに含み得る。システムおよびデバイスを製造するための方法は、本明細書に記載の任意の構造的特徴を提供することを含み得る。

前述の利点を保持しながら、多くの変形が、上記の装置および方法に対して行われ得ることが理解されよう。例えば、上記の実施形態は、再帰反射面または部分的再帰反射面を提供するという文脈で、主に平面反射面を参照して説明されてきたが、再帰反射性を示す任意の材料が使用され得ることが理解されよう。さらに、本開示における任意の反射面は、完全に反射性であるか、または部分的に反射性であり得る。

本開示は、一般的なレーザーを参照して説明されており、任意のレーザーが、本明細書に記載のシステムおよびセルと共に使用されることが理解されよう。例えば、調整可能なダイオードレーザーが好ましいが、任意の固体、気体、液体、化学、金属蒸気、染料、または半導体レーザーが、使用されてもよい。他の好ましい例としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、ＣＯ２レーザー、エキシマレーザー、およびルビーレーザーが挙げられる。

本開示は、特定のタイプのデバイスおよび用途を参照して説明されてきたが、本明細書で論じられるように、本開示は、そのような場合に特定の利点を提供する一方で、本開示は、他のタイプのデバイスおよび用途に適用され得ることも理解されよう。例えば、本開示のマルチパスセルは、光の光路長の正確な制御が必要とされる任意のシナリオで使用され得る。

本明細書に開示される各特徴は、別段の指定のない限り、同一、同等または類似の目的を果たす代替の特徴と置き換えられてもよい。したがって、別段の指定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の同等または類似の特徴の単なる一例である。

特許請求の範囲内を含む、本明細書において使用される場合、文脈が別様に示さない限り、本明細書における用語の単数形は、複数形を含むものとして解釈され、文脈により可能な場合、その逆も同様である。例えば、文脈が別様に示さない限り、（レーザーパルス（ａ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ）または反射器（ａ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）などの）「ａ」または「ａｎ」などの、特許請求の範囲を含む本明細書における単数形の言及は、「１つ以上」を意味する（例えば、１つ以上のレーザーパルス、または１つ以上の反射器）。本開示の明細書および特許請求の範囲を通じて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む」（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」などの語、ならびに、語の変形、例えば、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または同様のものは、「～を含むが、これに限定されない」ことを意味し、他の構成を排除することを意図したものではない。

本明細書において提供されるありとあらゆる例、または例示的な文言（「例えば（ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ）」、「～など（ｓｕｃｈ ａｓ）」、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、および同様の文言）の使用は、単に、発明をより良く例示することを意図され、特に特許請求されない限り、本開示の範囲への限定を示すものではない。本明細書におけるいずれの文言も、本開示の実施に不可欠なものとして主張されていないいかなる要素をも示すものとして解釈されるべきではない。

本明細書に記載された任意のステップは、異なるように記載されていない限り、または文脈により別の意味が必要とされない限り、任意の順序で、または同時に実行され得る。さらに、あるステップがあるステップの後に実行されると説明されている場合、これは、介在ステップが実行されていることを排除するものではない。例えば、レーザーパルスが、第１の表面から第２の表面に反射されると記載される場合、これは、レーザーパルスが、第２の表面に到達する前に追加の表面によって反射されることを排除しない。

本明細書で開示される態様および／または特徴の全ては、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除いて、任意の組み合わせで組み合わせることができる。特に、本開示の好ましい特徴は、本開示の全ての態様および実施形態に適用可能であり、任意の組み合わせで使用され得る。同様に、必須ではない組み合わせで記述された特徴は、（組み合わせてではなく）別々に使用されてもよい。

Claims (28)

1. マルチパスセルであって、
   第１の反射器装置と、
   第２の反射器装置と、を備え、前記第１および第２の反射器装置が、それらの間の光空洞および前記セルを画定し、
   前記第１の反射器装置は、前記第１の反射器装置に入射する光が、少なくとも部分的に前記第２の反射器装置に向かって再帰反射されるように構成され、前記第２の反射器装置が、反射性である凹面を備え、前記第１の反射器装置は、光が前記光空洞に入る、および前記光空洞を出ることを可能にするためのアパーチャを備える、マルチパスセル。
2. 前記第１の反射器装置が、反射性である第１および第２の表面を備え、前記第１の表面は、前記第２の表面に対して実質的に垂直である、請求項１に記載のマルチパスセル。
3. 前記第１の反射器装置に入射する光が、前記第１の表面から前記第２の表面に、かつ前記第２の反射器装置に反射されるように、前記第１の反射器装置が構成されている、請求項２に記載のマルチパスセル。
4. 前記第１および第２の表面が、実質的に平面である、請求項２または３に記載のマルチパスセル。
5. 前記第１および第２の表面の前記平面が、共通軸を画定し、
   前記第１の反射器装置が、前記共通軸に垂直に入射する光に対して再帰反射性である、請求項４に記載のマルチパスセル。
6. 前記第１の反射器装置が、第１および第２のプリズムを備え、前記第１および第２の表面が、それぞれ前記第１および第２のプリズムの面であり、好ましくは、前記プリズムの断面が、直角二等辺三角形である、請求項２～５のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
7. 前記第１の反射器装置が、前記第１の表面が前記第２の表面に対して実質的に垂直であるように、前記第１および第２のプリズムを装着するように構成された装着構造を備える、請求項６に記載のマルチパスセル。
8. 前記第１の反射器装置が、反射性である第３の表面を備え、前記第１、第２、および第３の表面が、実質的に相互に垂直である、請求項２～７のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
9. 前記第２の反射器装置に入射する光が、前記第１の反射器装置に向かって反射されるように、前記第２の反射器装置が構成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
10. 前記第２の反射器装置に入射する光が、前記第１の反射器装置に向かって集束されるように、前記第２の反射器装置が構成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
11. 前記凹面が、楕円面、回転楕円面、または球面である、請求項１～１０のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
12. 前記第１および／または第２の反射器装置の前記アパーチャのサイズが、調整可能である、請求項１～１１のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
13. 前記第１の反射器装置が、第１および第２のプリズムを備え、前記第１および第２のプリズムの縁間のスリットが、前記第１の反射器装置のアパーチャを画定する、請求項１～１２のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
14. 前記第１の反射器装置が、第１、第２、および第３の表面を備え、前記第１の表面と、前記第２の表面と、前記第３の表面は、実質的に互いに垂直であり、前記アパーチャが、前記第１、第２、および第３の表面のコーナーにある、請求項１～１３のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
15. 前記アパーチャが、前記第２の反射器装置内にある、請求項１～１４のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
16. ガス状サンプルを収容するためのハウジングをさらに備え、前記第１および第２の反射器装置が、前記ハウジング内にある、請求項１～１５のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
17. 前記ハウジングが、光が前記マルチパスセルに入ることを可能にするための光学窓を備える、請求項１６に記載のマルチパスセル。
18. ガス状サンプル用の入口および／または出口をさらに備える、請求項１～１７のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
19. 前記第１の反射器装置と前記第２の反射器装置との間の分離が、調整可能である、請求項１～１８のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
20. 光によってトラバースされる光路長が調整可能であるように、前記マルチパスセルが構成されている、請求項１～１９のいずれか一項に記載のマルチパスセル。
21. システムであって、
    請求項１～２０のいずれか一項に記載のマルチパスセルと、
    光を前記マルチパスセル内に向けるように構成された光学装置と、を備える、システム。
22. 光が前記マルチパスセルに向けられる角度が調整可能であるように、前記光学装置が構成されている、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記マルチパスセルが、長手方向軸を有し、前記光学装置が、レーザーパルスを
    ０°～２０°、
    １°～１５°、または
    ２°～１０°の前記長手方向軸に対する角度で前記マルチパスセル内に向けるように構成されている、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記光学装置が、光をある角度で前記マルチパスセル内に向けて、前記光を前記第１の反射器装置と前記第２の反射器装置との間で複数回反射されて往復させるように構成されている、請求項２１～２３のいずれか一項に記載のシステム。
25. 光を前記光学装置に向けるように構成された光源をさらに備える、請求項２１～２４のいずれか一項に記載のシステム。
26. 前記マルチパスセルからの光を検出するように構成された検出器をさらに備える、請求項２１～２５のいずれか一項に記載のシステム。
27. 前記光学装置が、光を前記マルチパスセルから前記検出器に向けるようにさらに構成されている、請求項２６に記載のシステム。
28. 請求項１～２０のいずれか一項に記載のマルチパスセル、または請求項２１～２７のいずれか一項に記載のシステムを備える吸収分光計。

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