KR20010110675A

KR20010110675A - 브루스터각 프리즘 역행반사기에 근거한 공동 링다운분광법을 위한 향상된 모드 매칭

Info

Publication number: KR20010110675A
Application number: KR1020017011934A
Authority: KR
Inventors: 레만케빈케이; 라비노츠폴
Original assignee: 추후제출; 트러스티스 오브 프린스턴 유니버시티
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2001-12-13
Also published as: CN1273807C; DE60112659D1; US6172823B1; DE60112659T2; EP1163498B1; TW505795B; EP1163498A1; ATE302405T1; KR100812431B1; WO2001053785A1; ES2246326T3; JP2003520955A; CN1397006A; CA2365260A1

Abstract

광축을 가지는 링다운 공동 분광셀을 위한 안정한 공진기로, 공진기는 곡면을 가지는 적어도 하나의 프리즘의 전체반사표면들 중 하나를 가지는 두 개의 브루스터각 역행반사기 프리즘을 포함하고 각각은 다수의 전체내부반사 표면을 가진다. 곡면은 연마된 곡면이거나 광학적 접촉 또는 접합제로 표면에 평철렌즈를 추가함에 의해 만들어진 곡면이다. 프리즘은 공진기의 광축을 따라 일렬로 위치된다. 요구되는 정도의 비점수차를 발생시키기 위해서 수직한 입사각으로부터 경사진 구형 거울 또는 렌즈에서 모드는 방사를 공진기에 매치시킨다. 프리즘 중 하나 또는 모두 회전될 수 있으므로, 광선은 프리즘 표면의 법선에 거의 브루스터각으로 프리즘의 표면을 들어가고 빠져나온다. 이 형태는 프리즘들 사이에 정렬을 유지시키고 공진기를 조절할 수 있게 한다.

Description

브루스터각 프리즘 역행반사기에 근거한 공동 링다운 분광법을 위한 향상된 모드 매칭{Improved Mode Matching for Cavity Ring-down Spectroscopy Based Upon Brewster's Angle Prism Retroreflectors}

도면을 참조하면 유사한 구성요소에는 유사한 번호가 부여되고, 도 1은 대수눈금의 전자석 스펙트럼을 나타내고 있다. 분광학은 스펙트럼을 연구한다. 스펙트럼의 다른 부분에 관계된 과학과 대조적으로, 광학은 특히 약 1mm에서 1nm의 파장에 이르는 상용 스펙트럼의 대단히 좁은 부분의 가시광선 또는 거의 가시광선에 가까운 광선을 포함한다. 가시범위에 가까운 광선은 적색(적외선)보다 더 적색의 색상과 자색(자외선)보다 더 자색의 색상을 가진다. 가시범위는 광선이 일반적인 재료로 만들어진 대부분의 렌즈나 거울에 의해 조절될 수 있는 가시도의 양측으로 충분히 멀리 연장한다. 재료의 광학적 성질인 파장 의존성은 종종 고려되어야 한다.

흡수형 분광법은 높은 감도, 마이크로초급의 응답시간, 중독에 대한 면역성, 연구대상종 이외의 분자종류로부터 한정된 간섭 등을 제공한다. 각종 분자종류, 특히 물과 같은 단순한 분자는 흡수 분광법에 의해 검출되거나 식별될 수 있다. 따라서 흡수분광법은 중요한 흔적종류을 검출하는 일반적인 방법을 제공한다. 기체상에서, 이러한 종류들은 일련의 예리한 스펙트럼선에 집중된 흡수강도를 갖기 때문에 상기 방법의 민감도와 선택성은 최적화된다. 스펙트럼의 좁은 선들은 대부분의 방해하는 종류들을 구별하기 위해서 사용된다.

많은 산업 공정에서, 유동 가스흐름 안에서 흔적종류의 농도는 고속도 및 고정밀도로 측정 및 분석되어야 한다. 오염물의 농도는 최종제품의 품질에 종종 치명적이기 때문에 이러한 측정 및 분석이 요구된다. N₂, O₂, H₂, Ar 및 He와 같은 가스는 예를 들면 집적회로의 제조에 사용되고, 비록 ppb(parts per billion) 수준이라도 물과 같이 불순물인 상기 가스들에 존재하면 작동회로의 생산을 감소시키고 손상을 초래한다. 따라서 물을 분광학적으로 관찰할 수 있을 정도의 상태적인 고감도는 반도체산업에서 사용되는 고순도 가스의 제조업자에게 중요하다. 각종 불순물은 다른 산업 분야에서도 검출되어야 한다.

분광법은 고순도 가스에서 물에 대한 ppm 수준의 검출을 행한다. 어떤 경우에는 ppb 수준의 검출감도로 행해진다. 따라서, 종래의 긴 통로길이 전해조의 흡수측정법, 광음향분광법, 주파수변소 분광법, 공동내 레이저 흡수분광법을 포함하여, 가스내 물의 양을 검출하는 분야에서 다양한 분광법이 적용되고 있다. 레흐만의 미국 특허 제5,528,040호에 기술된 바와 같이 이들 방법은 여러 특징이 있으나 산업적으로 적용하기 어렵다. 따라서 이들은 실험실 연구용으로 크게 한정되고 있다.

이에 비해, 공동 링다운 분광법(cavity ring-down spectroscopy: CRDS)은 과학분야, 산업 공정제어 및 대기 흔적가스 검출 등에 응용되는 중요한 분광기술이 되었다. CRDS는 종래방법에서는 부적절한 감도를 가지는 저 흡수대에서 뛰어난 광흡수 측정을 위한 기술로 증명되었다. CRDS는 관찰할 수 있는 흡수 감도로서 고정밀 광학 공진기 내의 광자의 평균수명을 이용한다.

전통적으로 공진기는 안정한 광학 공진기를 형성하기에 적합한 구조로 된 겉보기에 동등한 한쌍의 협대역(narrow band) 초고반사율 유전체 거울로 형성된다. 광자 왕복 통과시간, 공진기의 길이, 흡수단면 및 물질의 수밀도에 의존하는 평균수명과, 고유의 공진기손실(회절손실을 무시할 경우 대부분 주파수 의존형 거울반사율로부터 발생한다.)을 설명하는 인자를 시험하기 위해서 레이저 펄스가 공진기에 거울을 통해 주사된다. 따라서 광흡수 결정은 종래의 역률 측정으로부터 감퇴시간의 측정으로 전환된다. CRDS의 극한감도는 고유 공진기 손실의 크기에 의해 결정되고, 이 손실은 초저손실 광학물을 제조할 수 있을 정도의 초연마와 같은 기술로 최소화할 수 있다.

현재 CRDS는 고반사율 유전체 거울을 사용할 수 있는 분광영역에 한정되어 있다. 우수한 고반사율 거울은 현재로는 실현되지 않기 때문에, 대부분의 자외선과 적외선영역에서 이 방법의 유용성은 크게 제한되어 있다. 비록 적당한 유전체 거울을 사용할 수 있는 영역에서도, 각 거울세트는 작은 범위, 통상 수%의 범위에 한하는 파장에서만 작용 가능하다. 또한 많은 유전체 거울의 제조에서 특히 화학적인 부식 환경에 노출되었을 때 시간경과에 따라 저급화되는 재료를 사용해야 한다. 이러한 제약은 많은 잠재적 응용분야에서 CRDS의 사용을 제한하거나 방해하므로, 공진기 제조와 관련한 현재의 기술수준을 개선할 필요가 있음을 명백히 인식할 수 있다.

피피노(A. Pipino)의 "전체내부반사 소형공동을 가진 소멸파 공동 링다운 분광법"(Rev. Instrum. 68(8)(Aug. 1977))은 개선된 공진기 제작에의 하나의 접근방법을 제시한다. 이 접근방법은 안정성을 유도하기 위해 적어도 하나의 볼록절단면을 갖는 통상의 다각형 연결구조(4각형 및 8각형)의 모놀리스(monolithic)식 전체 내부반사(total internal reflection : TIR) 링 공진기를 사용한다. 광펄스는 공진기 부근의 외부에 위치한 제1 프리즘에 의해 전체적으로 반사되고, 공진기에 들어가 광자 터널링(tunneling)을 통해 공진기의 안정모드를 여기시키는 소멸파를 생성한다. 공진기의 전체 반사 표면에 위치하는 물체의 흡수 스펙트럼은 모놀리스식 공진기내의 광자의 평균수명으로부터 얻어지며, 이는 제2 프리즘(또한 공진기 외부에 단, 이것에 근접하여 위치한 전체 반사 프리즘)과 아웃(out) 커플링에 의해 검출기에서 수신된 신호의 시간의존도로부터 도출된 값이다. 그리하여 광학적 방사는 광자터널링에 의해 공진기에 출입하며 입력 및 출력 커플링의 정밀제어를 가능하게 해준다. 따라서 CRDS의 소형 공진기가 실현되고 또한 TIR-링 공진기는 CRDS 개념을 고밀도 물질 분광법으로 확장시킨다. TIR의 광대역 특징은 종래의 가스형태 CRDS의 유전체 거울에 의해 제공된 협대역 제약을 피할 수 있다. 피피노의 논문은 본질적으로 짧은 전체 흡수 통로길이와 강력한 흡수강도로 한정된 TIR 분광법에만 적용가능하다. 반대로 본 발명은 긴 흡수통로길이를 제공하고 약한 흡수강도를 검출할 수있다.

골드(Gould)의 "교차루프 프리즘 광간섭계"(Appl. Opt., Vol.1, 533-34(1962))에 제시된 바와 같이 교차축을 가진 두 개의 브루스터각 루프 프리즘에서 벗어나는 공진기를 제조할 수 있다. 이 공진기의 이점은 프리즘의 임의의 작은 각도편차에 대해 공진기가 정렬된 상태로 유진된다는 것이다. 단점은 프리즘 중 하나의 브루스터각이 프리즘 제작시 고정된다는 점, 즉 브루스터각은 프리즘 회전에 의한 파장의 조정이 불가능하다는 점이다. 브루스터각 조정기능의 손실을 허용할 수 있을 정도로 공진기를 튼튼히 배열해야 하는 응용분야(예를 들면, 특정파장에서)들이 있다. 그러나 브루스터각을 조정할 수 없기 때문에 그 응용이 제한된다. 또한 골드 등이 제안한 공진기는 광학적으로 안정하지 않으며 회절로 인해 저손실 공진기를 생산하는데는 사용할 수가 없다.

개선된 공진기 구성에 관한 공지된 접근의 단점을 극복하기 위해 CRDS를 위한 새로운 고정밀 공진기(또는 광학 공진기)를 제공한다. 본 발명의 목적은 종래의 유전체 거울을 브루스터각 프리즘 역행반사기로 대체하고, 이에 의해 개선된 공진기를 제공하는 것이다. 이에 관한 본 발명의 목적은 CRDS에 사용되는 종래의 유전체 거울의 협대역폭 제약을 피하는 것이다. 또 다른 목적은 CRDS를 다양한 분야로 응용확대하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 화학적 부식환경에서까지도 시간의 흐름에 따라 크게 저급화하지 않는 재료를 이용한 공진기를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 공진기의 프리즘을 회전시켜 공진기를 "조정" 혹은 정렬할 수 있게 하는 것이다.그 밖의 또 다른 목적은 저 고유에너지손실 및 광자 붕괴시간과 흡수작용간의 적절한 관계정립을 달성할 수 있는 혁신적인 CRDS 공진기 설계를 제공하는 것이다.

본 발명은 일반적으로 흡수분광법에 관한 것이며, 특히 브루스터각 (Brester's angle) 프리즘 역행반사기를 포함하는 링다운 공동 분광법을 위한 향상된 모드 매칭(mode matching)에 직접관계한다.

도 1은 대수눈금 기준으로 도시한 전자스펙트럼이며;

도 2는 프림즘내의 전체내부반사를 나타내며;

도 3은 프리즘을 통과하는 광선의 편차를 나타내며;

도 4는 코너반사기(역행반사기)가 본래의 방향으로 정확히 광선을 복귀시키는 형태를 나타내며;

도 5는 유리 표면상에 투사된 편광되지 않은 광선을 나타내며;

도 6은 자오선 및 축을 벗어난 물체가 비점수차 상태를 제공하는 상태를 도시한 렌즈의 측면도이며;

도 7은 화살표선 및 축을 벗어난 물체가 비점수차 상태를 제공하는 상태를 도시한 도 6의 렌즈의 평면도이며;

도 8은 본 발명에 따르는 2개의 브루스터각 역행반사기 프리즘을 사용하는 CRDS를 위한 개선된 공진기를 나타내며;

도 9a는 도 8에 나타낸 공진기에 사용되는 바람직한 프리즘의 평면도이며;

도 9b는 도 9a의 프리즘의 배면도이며;

도 10은 본 발명에 따라 제조되고, 프리즘 표면(용융 실리카로 만들어진 프리즘에 대해 계산된 각을 가진다.)에 수직하는 브루스터각 근처에서 광투사선이 들어가고 나가는 것을 도시한 것이며;

도 11은 본 발명에 따르는 곡률을 가진 연삭된 한 개의 프리즘 상에 있는 전체내부반사 표면 중 하나를 도시한 것이며;

도 12는 본 발명에 따르는 프리즘 표면에 광학적으로 접촉 또는 아교접착되는 평철렌즈를 나타내며;

도 13은 링 공진기의 하나의 암속에 중심으로 두고 광축에 대해서 브루스터각으로 경사진 본 발명의 다른 실시예에 따르는 렌즈를 나타내며;

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 링 공진기 속으로 방사를 커플링하기 위해 벗어난 축을 가진 구형 거울을 나타내며;

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 링 공진기 속으로 방사를 커플링하기 위해 벗어난 축을 가진 구형 렌즈 및 반사 표면을 나타내며; 그리고

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 링 공진기 속으로 방사를 직접 커플링하기 위한 구형 렌즈를 나타낸다.

상기 목적 및 다른 목적들을 달성하는 측면에서, 본 발명은 광축을 갖는 링다운 공동 분광셀을 위한 안정한 공진기를 제공한다. 공진기는 각각 다수의 전체내부반사면들을 갖는 2개의 브루스터각 역행반사기 프리즘들을 포함한다. 프리즘들은 공진기의 광축을 따라 정렬배치되어 있다. 하나 또는 양측 프리즘은 광선이 프리즘 표면에 수직인 브루스터각 근처에서 프리즘 표면에 들어가고 나올 수 있도록 서로 독립적으로 회전할 수 있다. 이 특징 때문에 프리즘간에 배열을 유지할 수 있고 또한 공진기를 조절할 수 있다. 프리즘들 중 적어도 하나의 전체내부반사 표면들 중 하나는 곡면(표면에 평철렌즈를 광학적으로 접촉시키거나 아교접착시켜 부가적으로 생기는 굴곡표면 또는 연삭된 곡면)일 수 있다. 또는 렌즈는 공진기의 하나의 암에 중심을 둘 수 있으며, 공진기의 광축에 대해서 브루스터각 만큼 경사질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 각 프리즘은 약 135°에서 브루스터각을 뺀 크기의 정점각, 약 90°의 제2각, 약 180°에서 2배의 브루스터각을 뺀 제3각을 갖는다.

본 발명은 또한 광축을 가지며, 곡선형의 내부반사 표면을 가지는 제1 브루스터각 역행반사기 프리즘, 공진기의 광축을 따라 제1 프리즘과 일직선으로 정렬된 제2 브루스터각 역행반사기 프리즘, 그리고 공진기 속으로의 커플링 방사를 위한 비점수차(astigmatic) 광학 요소를 가지는 링다운 공동 분광셀을 위한 공진기를 제공한다.

상기의 대략적인 설명과 하기의 상세한 설명은 일례로 든 것이며, 이들은 본 발명을 한정하지는 않는다.

첨부도면과 본 발명의 상세한 설명을 참조하면 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있다. 도면의 그림들은 정확한 눈금치수로 작성된 것이 아니며 명확하게 나타내기 위해 확대 또는 축소한 것이다.

1997년 10월 21일 출원된 미국 특허 출원 제08/955,126호(미국 특허 제5,973,864호)의 전체 내용은 참고문헌으로 서술된다.

본 발명에 관계된 일반적인 근대 광학의 원리의 요약을 아래 소개한다. 이 요약문은 본 발명을 명확히 이해를 위한 배경을 제공하고자 하는 것이다. 본 발명이 속하는 분야의 당업자들은 이를 무시하고 다음 장으로 넘어가도 된다.

I. 일반적인 원리

광선이 제1 매체로부터 보다 더 광학적으로 밀도가 높은 제2 매체로 이동하면, 광선은 수직한 방향을 향하여 굴절할 것이다. 밀도가 높은 매체로부터 밀도가 낮은 매체로 접근하면 수직 방향으로부터 벗어나는 방향으로 굴절할 것이다. 임계각이 존재하며 임계각 보다 큰 모든 입사각에 대해서 모든 광선은 반사되고 전혀 통과되지 않는다. 이러한 효과를 전체내부반사(TIR)라 하며 경계 바깥의 물질보다 광학적으로 더 큰 밀도를 가진 물질 내부에서 발생한다.

프리즘은 일종의 굴절 및 반사 장치이다. 도 2에서 보여지는 바와 같이 프리즘(10)은 입사각에 따라 광선을 굴절시키거나 또는 전부 반사시킬 수 있는 쐐기 모양의 광학물질이다. 도 2에서 나타낸 45°유리 프리즘은 하나의 표면에 수직하게 들어가는 입사 광선(12)이 다른 표면에서 90°로 방향을 바뀌어 전반사되기 때문에 특히 유용하다. 전반사는 광선이 유리에서의 임계각 41°보다 큰 45°로 내부 표면에 충돌함으로써 발생한다. 라인"N"은 표면에 수직한 선을 나타낸다.

도 3에 나타낸 것과 같이 어떤 각도로 프리즘(10)의 외부표면에 충돌하는 광 에너지는 부분적으로 굴절되고, 어떤 내부표면에 의해 부분적으로 반사되며 그리고 출사광(14)으로 나타날 때 다시 굴절된다. 새로운 각도로 나타나기 위해서 원래의 방향으로부터 벗어난다. 일반적인 결과는 이 광선은 그것이 입사하는 방향에서 부분적으로 뒤로 굴곡된다. 편차는 프리즘의 굴절지수, 입사각, 및 프리즘의 꼭지점 각도에 의존한다. 각각 입사광 및 출사광(12, 14)의 대칭적인 배열에 대해서 편차각은 최소이다. 더 복잡한 프리즘은 화상방위에서 복잡한 변화들을 수행하기 위해서 반사를 이용한다. 예를 들어, 도 4의 코너-튜브 프리즘(10)은 광선이 들어오는 방향과 정확히 일치하게 광선을 되돌려 보내는(즉, 광선을 '역행반사'시키는) 기하학적 성질을 가진다.

모든 전자기 방사와 같이, 광은 전자기 이론에 의해 진동하는 전기 및 자기 벡터들의 방향이 전파하는 방향에 직각인 횡파(종파에서는 전파하는 방향과 평행하다.)일 것으로 예측된다. 횡파는 또한 전자 벡터의 진동이 파동의 모든 포인트에 대해 서로 평행한(즉, 파동은 방향을 가지고 있거나 편향된다.) 특징을 갖는다. 실제로, 주어진 방향으로 전파되는 불일치한(레이저 아닌) 광은 전파하는 방향에 대해서 불규칙적인 방향을 가진 진동 평면을 가지는 짧고 독립적인 파열(波列)로 구성할 수 있다. 이러한 광은 비록 횡파라 하더라도 편광되지 않는다. 광은 반사에 의해 부분적으로 또는 완전히 편광된다.

도 5는 공기를 통과하여 유리 표면(16)으로 들어가는 편광되지 않은 입사광(12)을 나타낸다. 유리는 굴절지수(n)가 1.5다. 광에서 각 파열에 대한 전기 벡터는 두 개의 구성요소로 분리될 수 있다. 하나의 요소는 입사 평면에 수직한 것으로 도 5의 평면이며, 그리고 다른 하나는 입사 평면에 놓여 있다. 점으로 나타낸 제1 요소는 S-편광 구성요소이다(독일의 센크리트로부터 수직을 의미한다.). 화살표로 나타낸 제2 편광 구성요소는 P-편광 구성요소로 평행하다. 평균적으로 완전히 편광된 광선에 있어서 이들 2 구성요소들은 같은 진폭을 가진다.

유리 또는 다른 유전체 물질에 있어서는 편광각이라 불리는 특별한 각이 있으며(또한 데이비드 브루스터의 실험에 의해 발견되었기 때문에 브루스터각이라고도 한다.), 편광각에서 P-편광 구성요소의 반사계수는 0이다. 따라서 유리로부터 반사된 광(18)은 비록 낮은 강도일지라도 평면으로 편광되고, 입사평면에 직각인 각인 진동평면을 갖는다. 편광각에서 P-편광 구성요소는 굴절각로 모두 굴절되며,; S-편광 구성요소는 부분적으로만 굴절된다. 따라서, 높은 강도를 가진 투과된 광(20)은 부분적으로만 편광된다.

광은 파동이기 때문에 전반사가 일어나는 경계의 다른 면에서 갑자기 사라지지 않는다. 감쇠된 비전파형태의 파동은 누설되고 "소멸파(evanescent wave)"로서 경계를 따라 나타난다. 이러한 소멸파는 만약 수 파장내에서 다른 표면을 접촉면에 매우 근접하게 가져올 수 있다면 전파하는 파동으로 변환할 수 있다. 이러한 과정을 "무효로된(frustrated) 전체내부반사"라고 한다.

물질은 종종 광에 대한 반응에 있어서 광학적으로 이방성이다. 그러한 물질에서는 반응은 그 물질에 있어서의 가능한 세가지 독립된 방향에 대해서 다르며; 이에 비해 등방성 물질은 어떤 방향에 대한 선호성을 나타내지 않는다. 이 설명의 목적을 위해 물질은 세 개의 방향중 두 개에서 일치하는 반응을 가지는 것으로 한다. 제3(유일한) 방향은 광축을 말한다. 단일축으로 알려진 이들 물질에서, 광축을 따라 다른 어떤 방향에서 광을 전파시키기 위해서, 광은 유일한 편광을 가진 두 개의 개별적인 파동으로 분리될 수 있다; 하나는 광축에 직각으로 방향지워지는 전기장을 가지며(평상파), 다른 하나는 광축에 평행한 전기장의 요소를가진다(특별파). 다른 편광을 가진 이들 파동은 다른 굴절지수를 가져 다른 속도를 가지는 매질에서 다르게 굴절한다. 이는 광을 물리적으로 분리시키며 이중굴절 또는 복굴절이라도 한다. 광축을 따라 이동하는 광은 광축에 직각으로 항상 편광되어 있고 순수하게 평상파이다. 3차원 공간 방향에서 광에 대한 다른 반응을 가지는 보다 일반적인 경우(2축 시스템)에는 비록 분석하기에는 더 복잡하지만 유사한 복굴절이 발생한다. 일반적인 복굴절 물질은 방해석, 결정형 석영 및 사파이어를 포함한다.

렌즈(26)(도 6 및 도 7에서 축(24)을 따라 배치된)는 각 물체점(28)을 화상점(30)에 배치한다. 비점수차(난시)에서는 축을 벗어난 물체점으로부터의 광선은 다른 초점에 도달한다. 도 6의 측면도에 나타난 물체의 정상으로부터의 광선을 고려해보자. 광선(32)은 자오선평면에 있고, 렌즈(26)를 비대칭적으로 통과한다. 반면에, 도 7에 나타낸 렌즈(26)의 상면도에서는 동일한 포인트부터의 다른 한쌍의 광선(34)은 화살표 평면에 있고 렌즈(26)에 대칭적으로 충돌한다. 초점은 광선의 두평면에 대해서 분리되고, 화설표 광선(34)에 대한 초점은 자오선(32)보다도 렌즈(26)로부터 먼 거리에 위치하고 있다.

비점수차의 간단한 시험방법은 점들로 만들어진 시험패턴을 사용하는 것이다. 두 개의 다른 초점 평면, 자오선 평면 및 화살표 평면에서 패턴의 화상이 다른 두 개의 얼룩으로 나타날 것이다. 자오선 초점평면에서, 점들은 접선방향으로 얼룩질 것이고, 한편 화살표 초점평면에서는 점들은 작은 반지름 방향으로 얼룩지며 그리고 축방향을 가리키는 작은 화살표를 형성할 것이다. 이러한 비점수차는 구형으로대칭되는 렌즈에서 발생한다. 이들 효과들은 렌즈가 구형이거나 혜성형과 같은 다른 수차로부터 자유롭다면 상기 방법만으로도 볼 수 있다. 구형 수차는 축방향 광선보다도 렌즈에 더 가깝게 초점을 맞추는 가장자리 광선을 발생시킨다. 혜성형 수차는 경사광선이 렌즈의 어느 부분을 통과했는가에 따라 다른 초점을 갖는 수차이다.

II. 본 발명의 공진기

본 발명은 고품질의 광학 물질로 제조된 2개의 브루스터각 역행반사기 프리즘(50,52)을 사용한 것에 기초한 CRDS를 위한 개선된 공진기(100)를 제공한다. 도 8은 프리즘(50,52)과 광축(54), 각 프리즘(50,52)내의 예상 광로를 나타내는 개략도이다. 편광 또는 브루스터각은 프리즘(50)에 상대적으로 나타내었다. 도 8의 특정 각들은 비록 다른 물질이 사용될 수 있으나 용융 실리카로 프리즘을 제조하였다는 가정으로 그려진 것이다. 입사광(12) 및 출사광(14)은 각각 프리즘(52)에 들어가고 나오는 것을 나타내고 있다. 공진 광학 빔은 약 45°에서 각 프리즘(50,52)의 손실없이 2개의 전체내부반사를 받는다. 상기 각도는 용융된 석영 및 다른 일반적인 광학 프리즘 물질에 대한 임계각보다 큰 각이다.

공진기의 광학적 손실은 원칙적으로는 (1) 프리즘(50,52)의 표면에서의 결점과 먼지에 의한 산란, (2) 프리즘 기질 물질의 광축의 변형과 정렬오류에 기인한 잔류 복굴절, (3) 프리즘(50,52)의 커플링 표면의 평행성으로부터 벗어난 정렬오류, (4) 브루스터각으로부터의 편차 및 (5) 흡수 또는 산란에 기인한 프리즘 기질내의 내부 광학적 투과손실에 의해 발생한다. 프리즘(50,52)은 광학 스펙트럼의 넓은 범위에 걸쳐서 적은 손실(왕복당 0.01% 이하)을 제공하도록 구성될 수 있다. 또한 프리즘 기질로 사용하는 데 가장 바람직한 물질은 극히 단단하고 화학적으로 비활성이 상당히 크며 환경유해문제가 없는 물질로서, 특별히 한정하지는 않으나 용융 실리카, 사파이어, 다이아몬드, 이트륨-알루미늄-가넷(yttrium-aluminum- garnet)(YAG)등을 포함한다. 따라서 CRDS를 위한 공진기(100)는 이러한 프리즘(50,52)으로 제조되고 이는 CRDS의 적용범위를 크게 확장시키며 적용범위에 부합할 것이다.

III. 본 발명의 프리즘 설계

프리즘(50,52)의 바람직한 설계를 도 9a 및 도 9b에 나타낸다. 예를 들면, 프리즘(52)은 제1 표면(1), 제2 표면(2), 제3 표면(3) 및 제4 표면(4)을 갖는다. 도 9a는 프리즘(52)의 평면도이며 표면(1)(25.8mm), 표면(2)(15mm), 표면(3)(19mm)의 바람직한 길이 치수를 나타내고 있다. 도 9b는 프리즘(52)의 배면도이며, 표면(2),(3),(4)(12.5mm)의 바람직한 높이 치수와 결합된 표면(3) 및 표면(4)의 바람직한 폭 치수(25.4mm)를 나타낸다.

둘러싸인 매질에 상대적인 굴절지수 "n"(즉 n=n₂÷n₁, 여기서 n₂는 프리즘의 굴절지수, n₁은 프리즘을 둘러싸고 있는 매질의 굴절지수 통상 공기로 n₁=1)을 가진 물질로 구성된 프리즘에 대해서, 브루스터각은 n의 아크탄젠트값에 의해 주어진다. 도 9a 및 도 9b의 프리즘(52)에 대한 n값은 약 1.4607이며는 약 55°25′이다. 프리즘(52)은 약 0.532㎛의 설계 중심을 갖는다. 프리즘(52)의 정점각()은135°-와 같으며, 바람직한 실시예에서는 약 79°24′이다. 각는 바람직하게는 90°이다. 각는 180°-2와 같으며 바람직한 실시예에서는 68°48′이다.

도 10은 입사광(12)의 광선이 프리즘(52)으로 들어가고 표면(1)에 수직인 선(N)에 대해 거의 브루스터각(작은 편차 δ내의)으로 출사광(14)의 광선으로 나가는 것을 나타낸다. 이것은 브루스터각 표면에 대해서 P-편광을 가진 광학적 방사에 대한 작지만 제어되는 반사 손실을 가져온다. 도 10에 나타낸 프리즘(52)에 대한 n값은 약 1.45047이며,는 약 55°25′이다. 프리즘(52)은 1㎛의 설계 중심을 갖는다. S-편광에서의 광학적 방사는 큰 반사손실에 기인하여 빠르게 감쇠된다. 기호 "ω"는 광의 빔에 의해 발생된 반점의 크기를 특정하고, 무시할 수 있을 정도의 빔의 "클리핑(clipping)"이 일어난다. 가장 낮은 차수의 모드에 대한 반점 크기 표준 광학 공진기 이론으로부터 계산할 수 있다. 도 10에 나타낸 프리즘(52)에 대해서, 정점각()는 바람직하게는 약 79°35′(또는 79.58°)이다. 각는 바람직하게는 약 90°이다. 각는 약 69°10′(또는 69.17°)과 같게 설정된다.

IV. 구성 물질

프리즘(50,52)의 구성에 사용되는 최적의 물질을 선택하는 것은 응용에 달려있다. 표면연마가 요구된 허용치를 가지기 위해서는, "경질"이고 화학적으로 안정한 기질물질이 필요하다. 또한 관심있는 스펙트럼 영역에 대해서 낮은 흡수와 산란손실을 가진 물질이 바람직하다. 용융 실리카, 사파이어, 불화칼슘, 다이아몬드 및 이트륨-알루미늄-가넷(YAG) 등의 5가지 물질이 비록 안정하다고 알려져 있지만, 본발명은 이들 특정 물질에 한정하지 않는다.

용융 실리카는 정밀한 광학부품을 제조하기 위해 광학산업분야에서 광범위하게 사용되는 우수한 물질이다. 이것은 넓은 범위의 파장에 걸쳐서 낮은 흡수손실을 가진다. 그러나 이것은 유리이기 때문에 용융실리카는 특히 자외선영역에서 큰 레일레이(Raleigh) 산란손실을 일으키는 분자수준에서 냉각 무질서를 갖는다.

단결정 사파이어 기질이 유용하고 또한 정밀하게 제조될 수 있다. 사파이어는 용융실리카보다 낮은 흡수손실의 더 넓은 스펙트럼 범위를 갖는다. 고품질 샘플은 가시영역 전체 및 자외선에 가까운 영역에서의 산란손실이 거의 무시할 수 있는 정도이다. 사파이어는 복굴절물질이고, 공진기 광학물체 내에서 편광회전에 기인하는 초과 손실을 방지하기 위해 단일광축은 도 9a의 평면에 수직인 축을 따르는 방향을 가져야 한다. 이것은 요구되는 허용치에서 수행될 수 있다. 사파이어의 자연 복굴절 특성은 특히 프리즘을 기계적으로 불완전하게 장착한 전형적인 결과인 변형 복굴절에 의한 손실에 덜 민감한 물질이기 때문에 유용하다.

사파이어는 대부분의 응용 분야에 대해서 선택이 가능한 물질이다. 다이아몬드는 많은 방법에 있어서 물질이 고가이고 공정이 고가인 점을 제외하고는 이상적인 기질 물질일 수 있다.

V. 조정

"루프(roof)" 역행반사기의 사용은 루프선 주위에 대한 프리즘의 작은 회전에 대해 프리즘 광학 공진기의 정렬을 덜 민감하게 만들고 또한 더 튼튼한 정렬로 만든다. 이러한 공진기는 교차축을 가진 브루스터각 루프 프리즘을 사용하여 만들어 질 수 있다. 이 공진기의 이점은 프리즘의 어떤 작은 각도 편차에도 정렬상태를 유지하는 것이다. 단점은 프리즘들 중 하나의 브루스터각이 제조시 고정되어야 한다는 것이다. 즉 루프 축 주위로 프리즘이 회전함으로써 "조절"될 수 없다. 본 발명의 공진기(100)는 이러한 단점을 피할 수 있다.

공진기는 저장된 에너지를 주기당 손실된 에너지로 나눈값으로 정의된 품질계수 "Q"에 의해 특정될 수 있다. 보다 높은 "Q"값을 가진 공진기는 에너지 보존시 더 우수하며 따라서 공동 링다운 분광법에서 더 높은 감도를 유도한다. 본 발명에 따르면, 공진기 "Q"와 커플링은 반사손실의 수준을 조절하기 위해서 프리즘(50,52)을 경사시킴으로써 제어된다. 단위 표면 당 반사손실은 프레넬(Fresnel) 관계식에 의해 결정되고, 약이며, 여기서가 프루스터각으로부터 어느 정도의 편차이다.

광선은 프리즘 표면(2,3)에서 2차례의 내부 반동을 받고 표면(1)에서 투과에 의해 프리즘(50,52)을 벗어난다. 만약 각가 90°로 되어 있으면 프리즘(50,52)의 입력광선 또는 입사광(12) 및 출력광선 또는 출사광(14)은 평행할 것이나 만약 도 9a의 평면 안에 포함되어 있다면 변위될 것이다. 입사광(12) 및 출사광(14) 두 광선의 입사각은 같고 도 9a의 평편에 수직한 축(R)에 대한 프리즘의 회전에 의해 조정될 수 있다. 로크웰(Rockwell)에 의한 미국 특허 제5,483,343호의 도 3과 단락 7의 14-30줄에서는 프리즘의 회전을 위한 메카니즘을 제공하는 하나의 접근방법을 포괄적인 의미에서 담고 있다. 프리즘(50,52)은 90°각을 형성하는 루프선들이 도9a의 평면에 수직하도록 일직선으로 정렬된다. 프리즘(50,52)이 회전됨에 따라, 내부반사들에 대한 입사각은 하나의 표면상에 같은 각 만큼 증가할 것이고, 다른 표면 상에서 같은 양만큼 감소할 것이다. 이들 두 개의 전체내부반사 각들을 거의 같도록 하기 위해서 프리즘의 정점각()은 135°-와 같도록 구성되어야 한다.

용융 석영으로 제조된 프리즘에 대해서, 임계각이 43.4°에서 40.31°로 변하는 동안 파장이 적외선 근처에서 진공 자외선(200 nm)이 시작되는 부분까지 변화함에 따라 진공 브루스터각은 55.5∼57.1°로 변한다. 결과적으로 한 쌍의 프리즘(50,52)은 경사도가 파장의 상기 범위에 걸쳐 브루스터각에 도달하도록 하면서 전체내부반사를 제공하도록 설계할 수 있다. 각은 180°-2와 같도록 선택함으로써, 표면(1)로부터 반사에 의해 공진기 속으로 거플되는 광학빔은 수정체를 통하여 전파될 것이고 또한 브루스터각에 근접한 입사각으로 표면(4)을 통해 빠져나갈 것이다. 이것은 프리즘 내부에서 반사되는 광에너지의 양을 감소시킬 것이며 이는 기대하지 않은 광에너지의 손실원이 될 수 있다.

VI. 안정성 제어

광학 공진기(100)는 역행반사기로 작용하는 한 쌍의 프리즘(50,52)으로 형성된다. 안정한 광학 공진기(100)를 형성하여 전후방으로 변동시 광학 빔의 회절을 제어하기 위해서, 하나의 프리즘 상의 전체내부반사 표면들 중의 적어도 하나는 곡면으로 형성된다. 이러한 곡면(60)은 도 11에서 프리즘(50)의 표면(2)으로 나타난다.

브루스터각 표면과 또한 거의 45°의 곡면으로부터의 반사에 의해 생성된 비점수차를 교정하기 위해서는, 곡면(60)의 접선방향 곡률이이어야 하고 화살표 곡률(즉 도 11의 표면에 수직인 평면에서의 곡률)이이어야 한다. 여기서, f는 곡면(60)의 바람직한 유효 초점 길이이다. 초점 길이 f는 두 프리즘(50,52)간의 거리와 거의 같은 값으로 바람직한 실시예에서 1m 정도이며, 이는 절반 또는 접힌 공초점 공진기(100)를 형성하기 위해서이다.

이러한 비점수차적으로 보상된 공진기(100)는 원통형으로 대칭인 안정한 공진 모드를 가지며, 이는 방사를 광학 공진기(100) 속으로 커플시키기 위해서 사용되는 모드 매칭 광학의 설계를 단순화시킨다. 정밀한 곡률의 비점수차(난시)용 렌즈를 프리즘 표면들 중 하나 위에 연마 또는 중심화 해야할 필요가 있기 때문에 이러한 프리즘(50)을 제작하는 것은 어렵다는 것을 알 수 있다. 표면(2)과 같은 하나의 프리즘의 표면에 그라인드된 간단한 구형표면은 공진기의 광축(54)으로부터의 화살표편차를 갖는 광선에 안정성을 제공하기 위해서 선택된 곡률을 사용할 수 있다. 또한 공진기(100)의 내부에 초점요소가 존재하면 광축(54)의 작은 편차에도 불구하고, 안정성과 저손실을 유지하면서 프리즘(50,52)의 제조된 각도 및 위치결정의 작은 오차를 보상한다. 프리즘의 위치 결정시, 공진기 고유모드는 원통형 대칭이 아니다.

이와 별도로, 도 12에 나타낸 바와 같이 프리즘(50)의 제작은 다음의 두 가지 제조과정에 의해 단순화될 수 있다. 먼저, 프리즘(50)이 완전히 평평한 표면들(1,2,3 및 4)로 제조된다. 그 후, 평철렌즈(70)는 프리즘(50)과 같은 물질로제조되며, 그리고 적당한 비점수차를 갖도록 제조된다. 렌즈(70)의 평철표면은 광학적으로 프리즘 표면(예를 들면, 표면(2))에 접촉한다. 광학적으로 접촉될 때, 모노리식(또는 전체 또는 하나의) 구조와 동등한 광학적 성능을 제공하고 손실을 제거하면서 요소들간의 사이면은 사라진다. 적외선에 가까운 영역이나 가시파장에서 작업할 경우, 렌즈(70)는 광학접촉보다도 훨씬 간단한 공정인 지수-매칭 광학 접합제(80)로 프리즘(50)의 표면(2)에 접착할 수 있다.

도 13에 나타낸 것과 같이 추가적인 변화는 프리즘(50, 52) 중 하나의 몸체로부터 완전하게 렌즈를 분리하는 것이다. 이 경우, 비점수차(난시)용 렌즈(90)는 링 공진기(100)의 하나의 아암에 중심이 맞추어지고, 반사손실을 발생시키지 않고 광축(54)에 대해서 브루스터각으로 경사진다. 화살표 곡률과 접선 곡률은 광학 안정성에 적합한 적당한 곡률을 제공하면서 비점수차를 보상하기 위해 배치된다. 다음에 기술하는 바와 같이 커플링은 프리즘(50,52)의 하나의 평철표면(1,2 또는 3) 중 하나로부터 제공된다.

제1 실시예에서, 브루스터각 사이면을 가진 한 쌍의 직각 프리즘은 공진기(100)의 반사 광학을 구성한다. 거의 예외없이 공진기의 모드들은 공간적으로 타원형이라는 것을 알 수 있다. 이것은 비점수차에 의한 것이며, 비점수차는 브루스터각 표면을 통과하는 투과에 의해 그리고 또한 공진기에 대한 광학적 안정성을 제공하기 위해서 사용되는 전체적으로 반사하는 곡면으로부터의 수직하지 않는 입사각에서의 반사에 의해 발생된다. 도 8의 바람직한 실시예에서, 비점수차 곡률(60)(도 11에 도시됨)은 비점수차를 보상하기 위해서 그리고 모드 순환을 제공하기 위해서 연마되어 프리즘(50)이 교정된 표면을 갖게된다. 이는 원형 빔 윤곽을 가지는 레이저가 사용될 경우 커플링 효과를 향상시키기 위해서 그리고 공진기의 링다운율의 불안정성을 감소시키기 위해서 행해진다. 그러나, 바람직하지 못한 비점수차를 공진기에 원형 윤곽을 매칭시키기 위해서 필요한 정확성을 가지는 프리즘 표면으로 연마시키는 데는 비용이 많이 든다. 하나의 방법은 비록 상대적으로 비용이 많이 들지만, 상기 문제점을 해결하기 위해 비점수차(난시)용 렌즈를 가진 망원경을 사용하는 것이다.

커플링 문제를 해결하기 위해 비용면에서 보다 효과적이고 유연한 방법은 도 14의 실시예에 나타내었다. 프리즘(50)의 내부반사 표면들 중 하나로 연마된 구형 곡률을 가지도록 구성된 공진기를 가진 실시예를 고려해 보자. 45°또는 그 근접한 입사각으로 광선이 구형 표면에 부딪칠 때 발생된 비점수차 때문에 접선방향 광선(도면에서 평면에서의 광선)에 대한 최소 반점 크기는 화살표 광선(평면에 수직한 광선)에 대한 최소 반점 크기보다 더 작을 것이다. 접선방향 및 화살표 방향의 반점크기에 대한 정확한 값은 ABCD 행렬을 사용하여 공진기에 대해서 계산될 수 있다. ABCD 행렬은 시그만(A. Siegmann)저의 "Lasers"(University Science Books, Sausalito, CA, 1986)의 820 페이지 식 14, 15에 나타나 있다.

공진기에 들어오고 또는 나가는 공진기 모드의 발산각은 공진기 중앙부(94)에서 화살표 광선보다 더 작은 반점 크기를 가지는 접선 광선에 대해서 더 크기 때문에 빔은 접선방향으로 더 빠르게 성장할 것이다. 공진기 중앙부(94)는 도 14에나타난 바와 같이 모두 평평한 표면을 가지며 공진기(100)의 광학적 중심을 구성하는 프리즘(52)의 중심 근처에 위치한 평면이다. 성장에서의 이들 차이의 결과로, 두 쌍의 광선들에 대한 반점 크기는 같은 것이고 빔은 공진기(100) 외부의 특정 포인트에서 원형의 형태를 가질 것이다. 그 포인트 위치는 공진기 변수들 특히 공진기 모드의 화살표 및 접선 광선들의 레일레이(Rayleigh)값 범위들에 의해 계산할 수 있다. 도 14에서는, 들어오는 빔(12)에 대해서, 공진기 중앙부(94)가 입력 빔(12)을 공진기(100)로 반사하는 표면(1) 후방으로 거리를 가지고 위치되는 것을 보여준다. 그 결과 표면(1)로부터 실제 공진기 중앙부와 같은 광학적 거리에서 공진기 외부로 유효 입력 중앙부(96)가 존재한다.

유효 입력 중앙부(96)로부터 입구 포인트(102)까지 거리는 공진기 중앙부(94)로부터 입구 포인트(102)까지의 광학적 거리에 기초한다. 이 광학적 거리는 프리즘(52)의 굴질지수가 곱해진 공진기 중앙부(94)로부터 입구 포인트(102)까지의 물리적 거리이다. 바람직한 실시예에서, 공진기 중앙부(94)로부터 입구 포인트(102)까지의 광학적 거리는 유효 입력 중앙부(96)로부터 입구 포인트(102)까지의 물리적 거리와 거의 동일하다. 이것은 공진기(100)가 굴절지수가 1인 공기 안에 있기 때문이다. 만약 공진기(100)가 공기이외의 다른 매질안에 존재한다면 유효 입력 중앙부(96)와 입구 포인트(102) 사이의 광학적 거리는 매질의 굴절지수에 의존할 것이다. 이 경우, 유효 입력 중앙부(96)와 입구 포인트(102) 사이의 광학적 거리는 대략 공진기(94)와 입구 포인트(102)사이의 광학적 거리와 대략적으로 같을 것이다.

또한 도 14를 보면, 입력과 출력은 비점수차 광학 요소(92)의 위치에서 적절한 변화와 서로 교환할 수 있다는 것을 명백히 알 수 있다. 게다가, 하나는 커플링 프리즘으로 곡면(60)을 가진 프리즘(50)을 사용할 수 있다. 곡면(60)을 가진 프리즘(50)이 공진기 중앙부로부터 더 멀리 있기 때문에 공진기(100)에 더 가깝게 비점수차 광학 요소(92)를 이동시킬 필요가 있을 것이다. 이것은 보다 콤팩트한 설계에 바람직할 수 있다.

반점들이 동일한 위치(96)를 계산하기 위해서, 기준축 근사값 내의 가우스(Gaussian) 빔의 전파를 표현하는 다음 식을 사용한다. 레일레이 범위는 (식 1)에 의해 주어진다:

(식 1)

여기서는 공진기 중앙부(94)에서의 최소반점크기(광학영역이 가장 낮은 차수 모드에 대한 정상값인 1/e 로 떨어지는 빔 반경인 반점크기)이고는 광선의 파장이다. 전파모드의 다른 위치에서 반점크기의 자승값은 (식 2)에 의해 주어진다:

(식 2)

여기서, z는 중앙부로부터 측정된 거리이다. 그리고 마지막으로 중앙부로부터 거리 z에서 광학 영역의 곡률 반경r은 (식 3)에 의해 주어진다:

(식 3)

만약 화살표 및 접선 광선들에 대해 (식 2)를 사용하고 같다고 하면, (식 4)를 구할 수 있다.

(식 4)

및의 값에 대해서 (식 1)을 (식 4)에 대입하고 동일한 반점크기(원형 빔)에 대한 중앙부로부터 측정된 거리에 대해서 (식 5)를 구한다:

(식 5)

는 접선 및 화살표 방향의 반점크기라는 기하학적 의미의 반점 크기를 가진 빔에 대한 레일레이 범위와 같다.

두 번째 단계는 동일한 반점크기의 위치에서 광학적 파워를 가진 렌즈 또는 거울(92)을 위치시키는 것이며 그리고 나서 모드 비점수차를 보상하기 위해서 입사각 θ를 조절하는 것이다. 렌즈 또는 거울의 보상 효과를 이해하기 위해서, 공진기로 들어가며 그리고 공진기 모드를 매치시키도록 비점수차가 만들어지는 원형 빔을 상정할 수 있고, 또한 역으로 공진기를 나가며 그리고 원형 가우스 모드로 변환되는 비점수차 모드를 고려할 수 있다. 편의상, 공진기를 빠져나가고 있는 빔을 고려하자. 그러나 결과는 그 반대(공진기로 들어가는 빔)에도 동일하게 적용할 수 있다. 목적을 위해서 광학적 요소는 발생한 빔의 접선 및 화살표 방향의 광선들에 대해서 동일한 곡률 반경을 발생시키는 방법으로 작용할 필요가 있다. 경로에 추가적인 비점수차 요소들이 존재하지 않으면 모드는 그 포인트로부터 원형으로 남아있을 것이다. 또한 다른 반점 크기 및 곡률에 매칭하는 모드는 망원경 또는 당업자에게 익숙한 다른 수단을 사용하여 원형 빔 상에서 만들어질 수 있다. 각각 접선 및 화살표 방향의 광선들을 위한 렌즈 또는 거울 상에 수직하지 않는 입사각에 대한 단순한 렌즈 공식은 (식 6) 및 (식 7)에 의해 주어진다:

(식 6)

그리고

(식 7)

여기서 r_et및 r_es는 나가는 접선 및 화살표 방향의 광선들의 곡률 반경이고, r_it및 r_is는 입사 곡률반경, f는 렌즈 및 거울의 초점거리 그리고 θ는 입사각이다. f에 대한 양의 값은 초점을 이루는 렌즈 또는 거울을 가리킨다. 전파방향으로 확장하는 빔은 양의 곡률 반경을 가지며 반대로 수렴하는 빔은 음의 곡률 반경을 가진다. (식 3)으로부터, 입사 곡률 반경들에 대한 값을 (식 6) 및 (식 7)에 대입하고 그들을 계산하면 동일한 곡률반경을 가지고 나가며 원형인 빔을 발생시키는 f 및 θ에 대한 (식 8)을 얻는다. 그러나 물리적 결과는 0 ≤θ≤90°사이의 각 즉 0 ≤cos θ≤1 의 범위에 제한된다.

(식 8)

비율식을로 치환하면 값은 항상 단위값보다 크고 이차 방정식은 (식 9)로 된다.

(식 9)

이차 방정식(9)의 일반적인 해는 (식 10)에 의해 주어진다.

(식 10)

실수들의 자승값을 가지기 때문에 루트안의 값은 항상 양이다. f가 양의 값들을 가지는 경우에 대해서, 임의의 크기의 f값에 대해서 cosθ의 하나의 해는 0과 +1 내에 있으며 따라서 방정식을 만족시키고 원형 빔을 만들어내는 입사각이 존재한다. f가 음의 값을 가질 경우, 유효한 각 θ는 존재하지 않는다. 그러나 만약 하나가 평면으로부터 빔을 반사하려고 한다면 즉, 예를 들면 도 14에서 종이 밖으로 빔이 반사되기 위해서 거울(92)을 회전시키면, 거울의 화살표 및 접선 방향 초점길이가 서로 교환되고 음의 초점길이 거울은 원형 빔을 만들어낸다.

입사광 반사 또는 투과를 피하고 가능한 기준축 근사값을 초과하기 위해서, 렌즈 또는 거울(92)에 대해서 길든 짧든 초과하는 초점 길이는 사용하지 말아야 한다. 이러한 생각으로 바람직한 실시예에서, 입사각 θ는 약 60°이하이며, 그리고 거울 또는 렌즈(92)에 대한 적당한 초점길이는 그 상태를 만족시키도록 선택된다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 15에서, 입력 빔에 대해서 각 θ로 경사진 구형 렌즈(200)는 입력 빔(12)에 넣어진다. 입력 빔(12)을 광축(54)에 대략 평행하게 유지하기 위해서 거울과 같은 반사기(202)는 입력 빔(12)이 구형 렌즈(200)를 통과한 후에 공진기(100)의 프리즘(52)쪽으로 향하도록 다시 방향을 바꾸게 한다. 본 실시예에서, 거리는 구형 렌즈(200)으로부터 유효 중앙부(96)까지 측정된다. 또한 반사기(202) 각은 무관하며, 반사기(202)의 반사 표면에 입력 빔(12)이 부딪치도록 하기 위한 임의의 각일 수 있다.반사기(202)는 요구되지 않으며, 그리고 생략될 수 있다. 이러한 경우, 구형 렌즈(200)는 도 16에 나타낸 바와 같이 입력 빔(12)의 경로에 직접적으로 놓여진다.

방사는 두가지 방식 중 하나의 방식으로 공진기(100)에 커플될 수 있다. 표면(1)로부터 커플링을 제공하기 위해서 무효화된 전체내부반사는 평평한 내부반사표면(2) 또는 (3) 중의 하나에서 사용될 수 있으며-- 프리즘(50,52)은 브루스터각에서 약간 벗어나 경사질 수 있다. 두 번째 방법은 기술적으로 용이하지만 주어진 커플링 변수에 대한 손실을 두배나 발생시킨다. 만약 광선이 하나의 방향으로 커플된다면, 공진기(100)는 링을 형성하고 어떤 정상파도 가지지 않는다. 결과적으로 커플링을 위한 수단을 제공하기 위해서 하나의 프리즘 표면이 브루스터각으로부터 루프 축에 대해서 회전될 경우, 동일한 표면으로부터의 출력빔은 입력빔으로부터 공간적으로 분리되며, 이는 강한 입력빔으로부터 약한 출력빔을 분리하는 것을 쉽게 한다.

링 공진기(100)을 사용하면 광원에 대한 광학적 방사 피드백의 수준을 크게 감소시킬 수 있기 때문에 또 다른 이점을 갖는다. 이러한 피드백은 광원 레이저를 불안정하게 할 가능성이 있으며 이럴 경우 고정밀 광학분리기를 사용해야 하는데 이는 자체적으로 한정된 스펙트럼 대역폭을 갖고 또한 장치 전체의 복잡성과 비용을 증가시키는 문제를 가져온다. 본 발명에 따른 공진기(100)는 먼저 첫째, 광대역폭 CRDS 공진기를 구성할 수 있다. 공진기(100)는 CRDS 분광법을 위한 과학 및 상업적 분야로 그 이용을 확대할 수 있음이 명백하다. 개선된 CRDS 공진기의 광스펙트럼 대역폭은 다종류 센서의 개발을 가능하게 해준다.

특별한 실시예에 대해서 기술하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 또한 청구항의 내용과 동등한 기술 범위내에서 다양하게 변형될 수 있다.

본 발명의 목적은 유전체 거울을 브루스터각 프리즘 역행반사기로 대체하고, 이에 의해 개선된 공진기를 제공하는 것이다. 이에 따라 본 발명에 따른 공진기는 먼저 첫째, 광대역폭 CRDS 공진기를 구성할 수 있다. 공진기는 CRDS 분광법을 위한 과학 및 상업적 분야로 그 이용을 확대할 수 있음이 명백하다. 개선된 CRDS 공진기의 광스펙트럼 대역폭은 다종류 센서의 개발을 가능하게 해준다.

Claims

광축을 가지는 링다운 공동 분광셀을 위한 공진기로서:

곡면인 전체내부반사 표면들 중 하나를 가지는 다수의 전체내부반사 표면들을 포함하는 제1 브루스터각 역행반사기 프리즘;

다수의 전체내부반사 표면들을 포함하며 공진기의 광축을 따라 제1 프리즘과 일렬로 배치된 제2 브루스터각 역행반사기 프리즘;

제1 및 제2 프리즘 중 하나 속으로의 방사를 커플링시키기 위한 광학요소를 포함하는 것을 특징을 하는 공진기.
제1항에 있어서,

광학 요소는 비점수차 성질을 가지는 것을 특징으로 하는 공진기.
제2항에 있어서,

광학 요소는 적어도 렌즈 및 거울 중의 하나이며, 방사는 광학 요소의 표면에서 발생하는 것을 특징으로 하는 공진기.
제3항에 있어서,

광학 요소는 양의 초점길이를 가지는 것을 특징으로 하는 공진기.
제2항에 있어서,

광학 요소는 음의 초점길이를 가지는 렌즈 및 거울 중의 하나이며, 방사는 광학 요소의 표면에서 발생하는 것을 특징으로 하는 공진기.
제5항에 있어서,

광학 요소는 공진기의 광축에 의해 결정되는 평면으로부터 경사진 것을 특징으로 하는 공진기.
제1항에 있어서,

프리즘은 용융 실리카, 사파이어, 다이아몬드, 불화칼슘 및 이트륨-알루미늄-가넷(YAG) 중의 하나인 것을 특징으로 하는 공진기.
제1항에 있어서,

광학 요소로부터 반사된 방사는 화살표 광선 및 접선 광선을 가지며, 반사된 방사는 광학 요소로부터 위치 z_c에서 원형 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는 공진기.
제8항에 있어서,

위치 z_c는이며, 여기서 λ는 방사의 파장,는 화살표 광선의 최소반점크기, 및는 접선 광선의 최소 반점크기인 것을 특징으로 하는 공진기.
제1항에 있어서,

각각의 프리즘은 약 135°에서 브루스터각을 뺀 정점각, 약 90°의 제2각, 그리고 약 180°에서 2배의 브루스터각을 뺀 제3각을 가지는 것을 특징으로 하는 공진기.
제1항에 있어서,

제2 브루스터각 역행반사기 프리즘과 광학 요소 사이의 방사 축을 따라 위치하는 유효 중앙부 포인트를 더 포함하고, 제2 브루스터각 역행반사기 프리즘은 방사 및 중앙부 포인트에 대한 입구 포인트를 포함하며,

입구 포인트와 중앙부 포인트의 거리는 입구 포인트와 유효 중앙부 포인트 사이의 거리와 거의 같은 것을 특징으로 하는 공진기.
제11항에 있어서,

입구 포인트와 중앙부 포인트와의 거리는 광학적 거리이며, 상기 광학적 거리는 제2 브루스터각 역행반사기 프리즘의 굴절지수에 의해 곱해진 입구 포인트와 중앙부 포인트 사이의 물리적 거리와 같은 것을 특징으로 하는 공진기.
광축을 가지는 링다운 공동 분광셀을 위한 공진기로서:

다음의 특징을 가지는 제1 브루스터각 역행반사기 프리즘:

(a) 곡면인 전체내부반사 표면들 중 하나를 가진 다수의 전체내부반사표면들,

(b) 약 135°에서 브루스터각을 뺀 정점각,

(c) 약 90°의 제2각, 그리고

(d) 약 180°에서 2배의 브루스터각을 뺀 제3각;

다수의 전체내부반사 표면들을 포함하고 공진기의 광축을 따라 제1 프리즘에 일렬로 위치하는 제2 브루스터각 역행반사기 프리즘; 그리고

제1 및 제2 프리즘들 중 하나 속으로 방사를 커플링시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기.
제13항에 있어서,

상기 프리즘들 중 적어도 하나는 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제13항에 있어서,

프리즘은 용융 실리카, 사파이어, 다이아몬드, 불화칼슘 및 이트륨-알루미늄-가넷(YAG) 중의 하나인 것을 특징으로 하는 공진기.
제13항에 있어서,

커플링 수단은 제1 및 제2 프리즘 중 하나로부터 소정의 거리에 위치된 초점 렌즈 및 거울 중 하나인 것을 특징으로 하는 공진기.
제13항에 있어서,

커플링 수단은 공진기의 제2 비점수차를 보상하는 제1 비점수차를 가지는 것을 특징으로 하는 공진기.
제17항에 있어서,

커플링 수단은 제1 및 제2 프리즘 중 하나로부터 소정의 거리에 위치된 초점 렌즈 및 거울 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 공진기.
제18항에 있어서,

커플링 수단은 양의 초점길이를 갖는 것을 특징으로 하는 공진기.
제17항에 있어서,

커플링 수단은 음의 초점길이를 가지는 거울이며, 방사는 거울의 표면에서 발생하는 것을 특징으로 하는 공진기.
제20항에 있어서,

거울은 공진기의 광축에 의해 결정된 평면으로부터 경사진 것을 특징으로 하는 공진기.
제13항에 있어서,

곡면은 구형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 공진기.