TW505795B - Rosonator for a ring-down cavity spectroscopy cell having an optical axis - Google Patents
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Description
505795 A7 一 _ B7__ 一 " _ ——--- 五、發明說明（1 ) 發明領域 本發明關於吸收式光譜學，特別是有關匹配於空穴振於 式光譜學之改良模式，其運用於布魯斯特角棱鏡後向反射 器。 發明背景 現在參見圖式，其中相似之參數表示相似之元件，圖又 顯示對數刻度上之電磁光譜。光譜學係研究光譜之科學， 與研究光譜其他部份之科學不同，光學特別’是關於可見光 及近可見光-有效光譜相當狹窄之部份，其波長範圍由約i mm至1 nm。近可見光包含比紅色更紅之顏色光線（紅外線） 以及比紫色更紫之顏色光線（紫外線），其範圍係正好大於 可見光範圍之上下限’该光線仍能以一般材料所製造之大 部份透鏡及反射鏡加以處理，且該材料光學特徵之波長依 存關係須加以考量。 吸收型式之光if·學具有鬲感光性，微秒之反應時間，免 於中毒以及受不同分子種類之干擾有限。不同之分子種 類，特別是例如水之簡單分子可利用吸收式光譜學加以偵 測及鑑別。因此，吸收式光譜學提供一種用以偵測重要探 索種類之常用方法。在氣相中，由於種類之吸收強度係集 中在一組清晰（光譖線中，該方法之感光性及分離性係最 佳的。光譜中狹窄之光線可用以辨別大部份之千擾種類。 在冻夕工業製私中，流動氣流内探索種類之濃度須快速 準確的加以量測及分析，由於污染物之濃度對最終產品之 品質甚爲重要，故該量測及分析係有必要的。例如n 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛) 裝·！ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂* - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505795 A7 B7_ 五、發明說明（2 ) 02，H2，Ar及H e等氣體係用以製造積體電路，若這些氣 體中有例如水之不純物質之存在，既使是十億分之一（ppb) 程度，對積體電路皆造成不良影響並降低產量。因此，對 運用在半導體工業中高純度氣體製造而言，以光譜學監測 水份之高感光性是相當重要的。在其他工業應用中須偵測 各種不純物質。 光譜學可偵測出高純度氣體中百萬分之一（ppm)水份之 程度，在某些情況下可偵測出十億分之一（ppb)程度。因 此，數種光譜學方法已運用於監測氣體中水含量之應中， 其包括：傳統長徑細胞吸收量測，光音響式光譜學，調頻 式光譜學以及内孔雷射吸收式光譜學。這些方法具有數項 特徵，其揭示於拉曼（Lehmann)之U.S.第5,528,040號專利 中，惟其不易運用於工業製程中。因此，其大部份適用於 實驗室之檢測。 相反的，空穴振鈐式光譜學（CRDS )在科學，工業製程 控制及大氣探索氣體偵測之應用中已成爲一重要之光譜學 技術。CRDS已證實可做爲光學吸收量測技術，其優於感 光性較差之傳統低吸收性方法。當感光吸收性係可觀察 時，CRDS利用高靈敏光學共振器中光子之平均壽年。 共振器一般由一對相同狹窄頻寬之高度反射性電介體反 射鏡所形成，其構造適合形成一穩定之光學共振器。一雷 射波經由反射鏡射入共振器以瞭解平均壽年，其取決於光 子來回經過時間，共振器之長度，種類之吸收剖面及數量 密度以及共振器内部損失之考量因素（當繞射損失忽略 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505795 A7 _B7___ 五、發明說明（3 ) 時，其主要來自於考量頻率之反射鏡反射率）。因此，光 學吸收性之測定由傳統之功率比値量測轉換爲衰變時間量 測。C RD S之最佳感光性由共振器内部損失大小加以決 定，該損失可利用例如表面磨光技術而降至最低，該技術 可用以製造超低損失之透鏡。 目前CRDS係限定於光譜學範圍，其可利用高度反射率 之電介體反射鏡，由於具有高度反射率之反射鏡目前無法 取得，此項適用方法明顯的限定於紫外線及紅外線範圍。 既使在電介體反射鏡適合之範圍中，每組反射鏡僅能在波 長之小範圍内操作，一般爲數個百分比之片斷範圍。此 外，許多電介體反射鏡之構造須使用長時間上會劣化之材 料，特別是暴露於化學腐#之環境。由於這些限性無法或 妨礙CRDS用在許多之可能應用項中，其清楚的認知到有 關共振器構造之目前技藝狀態須加以改良。 由皮皮諾（A. Pipino)等於1997年8月所發表之”具有全内 部反射微小空穴之衰退波空穴振鈐式光譜學’’（Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity) 9 Rev. Sci. Instrum. 68(8)提出一種改 良式共振器構造之方法，該方法利用一多邊形（即方形及 八邊形）之整體全内部反射式（TIR)環狀共振器，其具有 至少一凸面截面使產生穩定性。光波由位於共振器外侧及 四周之第一稜鏡完全反射，其所形成之衰退波進入共振器 並藉由光子隧道應激發共振器之穩定模式。共振器完全反 射表面處之吸收光譜内容由整體式共振器中光子之平均壽 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -裝— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505795 A7 _____B7___ 五、發明說明（4 ) 年所形成，其係取自偵測器所接收訊號之時間關係並藉由 與第二稜鏡外部聯結（該第二棱鏡亦爲共振器外侧之完全 反射棱鏡）。光學照射以光子隧道效應進入及離開共振 器，其能精準的控制輸入及輸出之聯結。CRDS之小型共 振器產生了聚光式光譜學概念，TIR —環狀共振器將該概 念範圍擴大了。TIR之寬頻寬克服了傳統氣相CRDS中電 介體反射鏡所引起之窄頻寬限制。皮皮諾等之技藝僅適用 於TIR光譜學，其完全限定於較短之吸收路徑長度以及強 烈之吸收強度。相反的，本發明提供了較長之吸收路徑長 度並能夠偵測微弱之吸收強度。 其亦可能建立一具有交叉軸線之兩布魯斯特角頂面棱鏡 之共振器，如高德（Gould )等之π交叉式頂面棱鏡干擾儀’’ (Crossed Roof Prism Interferometer) Appl. Opt., Vol. 1? 533-34(1962)所揭示，此共振器之優點在於其仍可校準棱鏡之 任何小角度偏差，其缺點爲一稜鏡之布魯斯特角須在構造 配置，即布魯斯特角不能藉由棱鏡之轉動而配合波長加以 調整。在特定波長處該共振器之準確校準係有必要的，其 允許布魯斯特角無需調整。然而，無法調整布魯斯特角限 制了共振器應用範圍。此外，高德等所述之共振器光學穩 定性不佳，故無法用以製造低損失共振器，其原因爲繞 射。 爲克服已知方法之缺點以便改良共振器構造，吾人提供 一種用於CRDS之全新高精密度共振器或光學共振器。本 發明一目標係以布魯斯特角棱鏡後向反射器取代傳統之電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ ^-----------------Aw.. jkjj / yj A7 B7 五、發明說明（5 介體反射鏡’因此提供一改良之並振 良I /、振詻。本發明一相關目 標係克服CRDS中傳統電介^土、士 丁丨予凡把反射鏡〈窄頻寬限制，另一 相關目標係擴大CRDS可能之應用範圍。 本發明另一目標係提供—並^ 铋你扠仏共振态，其運用之材料在長時 間後並不m,既使是在化學腐蚀的環境下。本發明另 一目標係藉由共振器稜鏡之轉動而，，調整"或校準共振 备。本發明另一目標在於提一 捉仏創新〈CRDS共振器設 計，其内部能量損失少且在光子衰 ϋ 丁衣災呼間及吸收I間且有 良好之界定關係。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 馬達成本發明這些及其他目標，其提供一穩定之共振 t，该共振器係用於具有透鏡轴線之空穴振鈴式光譜學構 共振器包含兩個布魯斯特角後向反射器棱鏡，其皆具 构二^個①王内σ卩反射表面，且該棱鏡沿著共振器透鏡轴 。該-或兩個稜鏡可獨立旋轉，因此光線以棱 =面法線近似爲布魯斯特角進入及離開稜鏡表面。此項 特欲t持稜鏡之間的校準，並允許共振器之調整。至少一 妗凡王内冲反射表面可爲曲線表面（研磨或抛光 =表面或加入光學接觸或黏合平凸透鏡至表面而形成曲 "面）。或者是一透鏡中心對準共振器一臂部，並以布 :斯特角相對於共振器之透鏡軸線傾斜。在―較佳具體實 施例中，稜鏡之頂角約爲135。減去布魯斯特角，第二角度 約馬90。以及第三角度約爲18〇〇減去兩倍之布魯斯特角。 本發明亦提供-共振器’其配合具有—透鏡軸線之空穴 -8 -
本紙張尺度翻鮮（CNS)A4規格⑵下 x 297公釐）
訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 參 505795 A7 B7 五、發明說明（6 振铃式光譜學’且包含第一布魯斯特角後向反射器棱鏡， 第二布魯斯特角後向反射器棱鏡以及一散光光學元件，該 第一布魯斯特角後向反射器棱鏡具有一曲線狀内部反射表 面，該第二布魯斯特角後向反射器棱鏡沿著共振器透鏡軸 線與第一稜鏡校準，該散光光學元件將照散光線導入共振 器。 吾人瞭解上述一般説明及下列詳述皆係本發明之範例， 且未對本發明有所限制。 圖説概述 下列詳述及附圖對本發明有著詳細的説明。根據共同之 貝例’圖説中各種特徵並非按比例尺纟會製。相反的，各種 特徵之尺寸可視必要加以擴大或縮小以利説明。下列爲本 發明附圖，其中： 圖1顯示對數刻度上之電磁光譜； 圖2顯示棱鏡中完全内部反射； 圖3顯示光線通過稜鏡時所造成之偏向； 圖4顯示邊角反射鏡（後向反射器）如何將光線之原始方 向反射； 圖5顯示非偏光光束入射在一玻璃表面上； 圖6爲一透鏡侧視圖，其顯示子午射線並説明偏離軸線 之物件如何造成散光； 圖7爲圖6中透鏡之頂視圖，其顯示矢狀射線並説明偏 離軸線之物件如何造成散光； 圖8顯示用於CRDS之改良式共振器，其利用根據本發明 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ I 0 ϋ· m ·ϋ an 1*1 1 l 一口，I m m Ha 1^1 n ϋ· i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505795 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7 〈兩個布魯斯特角後向反射器稜鏡； ® 9 A爲圖8中共振器所使用之較佳稜鏡； 圖9 B爲圖9 A中棱鏡之後視圖； 圖1 〇顯示入射光線如何以近似棱鏡表面法線爲布魯斯 特角（计算熱融矽石棱鏡之角度）之入射光線進入及離開根 據本發明構造之稜鏡； 圖1 1頭示稜鏡 < 一芫全内部反射表面，該表面以根據 本發明之曲率加以研磨； 圖12頜tf —平凸透鏡，其光學接觸或黏合至根據本發 明之棱鏡表面； 圖13顯示一透鏡，其中心對準根據本發明另一具體 施例之振鈴式共振器一臂部，並以相對於透鏡軸線^ 斯特角傾斜； 圖1 4顯示一偏離軸線之球面反射鏡，其將照射光線 入根據本發明另一具體實施例之振鈐式共振器； 、7 圖1 5顯示一偏離軸線之球面透鏡及一反射表面，其 ，射光線導入根據本發明另一具體實施例之振鈐^ 器；與 /、 圖1 6顯示一球面透鏡，其將照射光線導入根據 另一具體實施例之振鈴式共振器。 發 發明詳述 1997年i 〇月2 i日錄案之u s第〇8/955，126號 主 案，目前爲U.S.第5,973,864號專利，其爲本案說 考列舉者- 曰 10- ‘紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 實 魯 導 將 振 明 利 所參 參 505795
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 下列敘述爲本發明相關之現今透鏡一般原則之概述，其 目的在於完全的瞭解本發明，接著將説明本發明。 I. 一般原則 當光線由第一媒介物到達光學密度較大之第二媒介物 時，光線將朝向法線折射。當光線自密度較大之媒介物到 達密度較小之媒介物時，光線將遠離法線折射。其存在一 角度，所謂t臨界角，若入射角度大於臨界角，所有的 光線將反射而不會傳導。此種效應係所謂之完全内部反射 (TIR )，其發生在内郅密度大於周遭環境密度之材料中。 棱鏡爲一種折射及反射裝置。如圖2所示，棱鏡1〇爲光 學材料之楔形物，其視入射角度而折射或完全反射光線。 由於入射光線12垂直於一表面，其完全反射由另一表面 離開且角度變化爲90。，圖2中45。玻璃稜鏡有其特定用 返。光線以45。角度到達内側表面，其大於玻璃約4 i。之臨 界角度，故其係完全反射。直線” N，，表示垂直於一表面之 直線。 如圖3所示’以一角度到達棱鏡1 〇 _外側表面之光線係 部份折射及部份由任何内部表面反射，當離開時再次折射 爲光線1 4，其偏離原始方向以新的角度射出。該偏向係 取決於棱鏡之折射係數，入射角度以及梭鏡之頂角。對稱 配置之入射及射出光線1 2及1 4之偏向角度最小。較複雜 之棱鏡利用反射完成映射方向中複雜之變化，例如圖4中 正角錐（corner-cube )棱鏡1 〇之幾何特徵可將入射光線以完 全相反之方向射出，即後向反射光線。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,裳 訂i 黌 五、發明說明（9 ) :員似所有的電磁赛射，由電磁理論預測之 電及磁向量振動之方向垂直^光線前進之方向（其並非ί =㈣波）。橫向波之特徵爲電向量之振動對光波中所 有點而τ係相互平行的(即光波已定向或偏光）。事實上在 已知万向傳導（非系統化（非雷射）光線可形成較短個別之 波列’其以傳導方向之振動面方位無—定規律性。此種光 線雖然爲橫向&，但係非偏光的。光線可藉由反射而部份 或完全偏光。 圖5顯示在空氣中傳導之非偏光入射光線丨2到達玻璃表 面1 6，孩玻璃之折射係數n爲i · 5。配合光線中波列之電 向量可分解爲兩個成份，一成份垂直於圖5中入射面，另 一成份位於入射平面中。以圓點表示之第一成爲s偏光成 份（來自德文’’senkrecht"，表示垂直的），第二成份以箭頭 表示，其爲P偏光成份（表示平行）。對完全非偏光之光線 而言，該兩成份之大小相同。 對玻璃或其他電介體材料而言，其具有一特定之入射 角’所謂之偏光角度（亦所謂之布魯斯特角θ B，因爲其由 大衛布魯斯特（David Brewster)所實驗發現），p極化成份 在偏光角度處之反射係數爲0。因此，由玻璃反射之低強 度光線1 8係平面偏光的’其振動平面垂直於入射面。於 偏光角度處之P偏光成份以折射角完全折射，S偏光成 份僅部份折射。因此’高強度之傳導光線2 0僅部份偏 由於光線爲一光波，其不會在完全反射之另一侧邊處突 -12- 本紙張尺度巾_ 祕（2W 公釐) 505795 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明說明（1〇) 然的消失。受到阻礙非傳導形式之光波通過時消耗能量並 沿著邊界呈現爲”逐漸消逝之光波”，若另_ 而 衣面非常接 近界面，孩逐漸消耗之光波在數個波長範圍内轉換爲傳導 波此私序爲所謂的’’無效之完全内部反射”。 ' 材料對光線之反應通常係非方向性的，在該材料中三個 相互獨立方向之反應並不相同；相反的，等方向性材二並 操方向上之優先差異。爲配合此揭示項目之目的，材料在 兩或三個方向中具有相同之反應，第三個（唯一的）方向係 表示透鏡軸線。在這些單軸線材料中，除了沿著透鏡軸線 之外在任何方向中傳導之光線，光線可分解爲具有獨特偏 光之兩不同光波，其中一光波爲對於透鏡軸線爲右向角度 万位之電場成份（普通光波），另一光波爲平行於透鏡軸線 万位之電場成份（異常光波）。這些不同偏光之光波在介質 中t折射不同，折射係數並不相同且速度不同，其使光線 分離並表示爲雙重折射或雙折射。沿著透鏡軸線前進之光 線以相對於軸線右向角度偏光，且完全爲一種普透光波。 在常見之情況中，光線在三個空間方向之反應並不相同 (雙軸線系統），雖然更複雜之情況係在分析中，其亦發生 類似之雙折射。一般之雙折射材料包括方解石，結晶石英 石及藍寶石。 沿著圖6及7中軸線2 4配置之透鏡2 6將每個物件點2 8映 射成爲映像點3 0。在散光現象中，來自偏離軸線物件點 之射線以不同之焦點到達。參見圖6側視圖中來自物件頂 端之射線3 2，射線3 2位於子午平面中並非對稱的通過透 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .壯衣
ϋ n ·ϋ 一：口，I n ϋ —ϋ n ϋ -ϋ H 脅 A7
鏡2 6，此時參見圖7之楱π。 U <义麵;2 6頂視圖，來自相同點之另— 組射線3 4位於矣壯羊石山 、 中並對稱的到達透鏡2 6。兩射線 平面之焦點係分_ ’矢狀射線34之焦點與透鏡26之間 的距離大於子午射線3 2之焦距。 一種散光現象之簡單測試方法係利用由圓點組成之測試 圖樣，在兩不同之焦點平面巾，子午及矢狀平面，其具有 兩種不同之模糊映像圖#。在子午焦點平面中圓點切線模 糊，在矢狀焦點平面中圓點係徑向模糊並自微小箭頭 (sagitta纟拉丁又中表示箭頭)處指向軸線。此散光現象 發生在球面對稱透叙中’若透鏡並無例如球面及髮狀光之 其他像差’⑦些現象僅能此方法加以觀視。邊緣射線中所 產生球面像差 < 焦距小於軸線射線之焦距；髮狀光為不同 '、:…“:、斜射、、泉所產生之像差，其視射線通過透鏡不同部位 而有差異。 II.本發明共椐器 f發明提供—種用於CRDS之改良式共振器⑽，其利用 由问口口貝光子材料製成之兩個布魯斯特角後向反射器棱鏡 50、52。圖8概要顯示稜鏡5〇、52，透鏡軸線“以及在棱 鏡50、52中所期望之光學路徑。圖中之偏光或布魯斯特角 係與棱鏡50有關’圖8中特定角度係假設稜鏡5〇、52由 煞融矽石製成’惟其他材料亦可加以利用（其揭示於後）。 入射光線12及射出光線14分別以稜鏡52之輸入及輸出。 ”振光束以45角度在棱鏡5〇、52中完全内部反射且無損 失，該角度大於熱融石英石以及大部份其他常見光學棱鏡 -14- _______ 本紙張尺度適财H a家料(CNS) Α视格(21ί)χ 29_：ΐ^7 505795 A7 ---— B7____ 五、發明説明（12 ) 材料之臨界角。 共振裔光學損失之主要原因為（丨）棱鏡5〇、52表面處之 灰塵或不完全之散射；（2 )光學材料中殘餘之雙折射，其 原因為棱鏡基質材料之透鏡軸線未校準或應變；（3 )棱鏡 50、52接合表面平行處未校準；（4)來自布魯斯特角之偏 向|以及（5 )由於吸收或散射而在棱鏡基質中之内部光學 傳導損失。棱鏡50、52之構造可在光譜較大之範圍上提供 較低之損失（即每次來回行程小於0.01%)。此外，某些最 可用以做為棱鏡基質之材料包含但不限定於熱融矽石，藍 寶石以及金剛石，以及釔-鋁-石榴子石（YAG)皆為相當堅 硬及無化學活性之材料，其強調適用於不佳之環境。因 此，用於CRDS由稜鏡50、52所組成之共振器1〇〇將滿足並 明顯的擴大CRDS之適用範圍。 ΙΠ · 主普明穂鏡諸 圖9 A及9 B顯示稜鏡5〇、52之較佳設計。舉例而言，稜 叙具有第一表面i、第二表面2、第三表面3及第四表面 4/圖9A為稜鏡52之頂視圖，並顯示表面i(258mm)，表 mm)及表面3(19 mm)之較佳長度。圖為稜鏡w 之後視圖，並顯示表面2、3&4(12.5mm)之較佳長度以及 表面3及4組合之較佳寬度（25 4 mm)。 對相對於環境介質折射係數”n"之稜鏡材料而言（即 η-η 2^ηι，其中&為棱鏡之折射係數，~為稜鏡四周環境 介質之折射係數，一般空氣之ηι=ι) ’布魯斯特角心 (反正切。圖9A及9B中棱鏡52之以直約為丨.4607 ,心約 -15-
505795 A7 B7 五、發明説明（13 為55。36’。棱鏡52之設計中心約為0.532/^ni，頂角59(01) 設定為135。- ，在較佳實例中約為79。24，，角度02約為 9〇。，角度h設定為18〇。-2心，在較佳實例中約為6S〇48,。 圖1 0顯示進入棱鏡5 2之入射光線1 2以及射出光線丨4， 其對表面1之法線"N”而言近似布魯斯特角（包含微小之偏 向5。此結果對偏光之光學照射而言反射損失很小且受 表面。圖1 0中稜鏡 且設計中心為1 v m 到控制，該已偏光係相對於布魯斯特角 52 之η值約為 1.45047，約為 55。25'， 。由於大量之反射損失，S偏光中光線照射快速的衰退 符號”ω”表示光束所產生光點之尺寸，其忽略了光束所形 成之”削波”。最低位數模式之光點尺寸可由標準之光學 共振理論加以計算。對圖10之棱鏡52而言，頂角（Θ : 為79〇35'(79·58。），角度心約為⑽。，角度θ3約為69。1(；(或 69.17。）。 I V . 構造材料 棱鏡50、52構造所使用最佳材料之選用係取決於 用途。為了能將表面拋光至所需之公差，纟需 ^化學狀之基板材料，且該材料在所需光譜 有較低之吸收及散射損失。雖然吾人已知 材 料，即熱融矽石、藍寶石、赢 、口又材
榴子石（YAG)，惟本發明未限定於這此材料。 U 熱融梦石為-極佳之材料，其廣泛料用 以便製造精密之光學元件， 予工業中 收損失較低。然而，由㈣範圍之光波長中其吸 田於热岫矽石為一種玻璃，其具有分 '16- 本紙張尺度適用中國國
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505795 A7 _B7_ 五、發明說明（14) 子程度之冷康失序（frozen disorder)，將導致明顯之Raleigh 散射損失，特別是在紫外線區域中。 單晶藍寶石基質爲適當之材料，並可用以製造精密之規 格尺寸。藍寶石之低吸收損失光譜範圍大於熱融矽石，在 可見光及近紫外線區域中藍寶石爲無散射損失之最佳材 料。藍寶石爲一種雙折射材料，且唯一之透鏡軸線方位係 沿著垂直於圖9 A中平面之軸線，以防止因共振器透鏡中 偏光旋轉所產生之過多損失，這點可藉由所需之公差加以 完成。由於藍寶石之應變雙折射損失較少，其自然之雙折 射特徵係有利的，該應變雙折射損失係來自於棱鏡不完美 之機械安裝。 藍寶石爲適合大部份應用之材料，金剛石在許多應用中 爲理想之基質材料，除了其價格及加工成本之外。 V. 調整 利用π屋頂n (roof)後向反射器所形成之棱鏡光學共振器 校準對棱鏡環繞屋頂線之少量旋轉並不產生反應，其校準 結果較佳。此一共振器之構造可利用具有交叉軸線之布魯 斯特角屋頂稜鏡，該共振器之優點爲對稜鏡任何小角度之 偏向仍保持在校準狀況下，其缺點爲稜鏡之布魯斯特角須 構造設定，即無法藉由棱鏡環繞屋頂軸線而加以π調整•’ 。本發明之共振器1〇〇克服了此項缺點。 共振器具有一品質因素Q，其定義爲儲存能量除以每循 環所損失之能量。具有較高” Q ”値之共振器能保存較多的 能量，因此在空穴振鈴式後向反射鏡中感光度較佳。根據 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
505795 A7 _________ B7 五、發明説明（15 ) 本發明’共振器” Q ”及映射由棱鏡5〇，52之傾斜加以控 制’以便調整反射損失之程度。表面之反射損失由Fresnel 關係決足’其約為1 〇_4 5供，其中仰為自布魯斯特角偏向之 角度。 光線在棱鏡表面2及3處經過兩次内部反射，之後在表 面1處傳導離開棱鏡50、52。若角度為9〇。，入射光線 1 2及稜鏡50、52之射出光線丨4係平行的，若在圖9 A之平 面中係偏移的。入射光線丨2及射出光線丨4之入射角相 同’其可藉由棱鏡以軸線，，R"之轉動加以調整，該軸線 R係垂直於圖9A之平面。羅克威爾（R0Ckweu)發表之us. 第5,483, j43號專利中第7攔（c〇lunm )，第14至30行以及圖 3已概要的揭示轉動棱鏡之機構，吾人瞭解棱鏡5〇、52經 過权準使形成9 0。角度之屋頂線係垂直於圖9 A之平面。當 棱鏡50、52轉動時，内部反射之入射角在一表面上增加相 同 <角度’另一表面上減少相同之角度。為了使該兩完全 内邵反射角度大約相同，棱鏡之頂角應等於135。-0^。 對由法石英石製造之稜鏡而言，當波長由近紅外線範 圍變化至真空紫外線起始值時（200 nm)，布魯斯特角由 55.5。變化至57.1。，此時臨界角由43.4。變化至40.31。。其結 木使一對稜鏡5 0、5 2能提供完全内部反射，並允許在該波 長範圍内傾斜至布魯斯特角。由於角度&等於18〇。2~， 經由表面1反射入共振器之光束將傳導經過結晶體，並以 近似布魯斯特角之入射角離開表面4。這點可減少在棱鏡 内邵反射之光線能量，該能量係吾人所不欲見到之雜散光 -18- 本紙張尺度適用中国国家標準(CNS) M规格（21〇x 297公埜） 505795 A7 -------------------------- 一_丨丨·丨 —__B7 五、發明説明（彳6 ) 線能量來源。 . 穩定性控制 光學共振器1 0 0由一對稜鏡50、52所形成，其做為後向 反射器。為了形成一穩定之光學共振器1 〇 〇，以及控制光 束反射及向前傳導之繞射，棱鏡至少一完全内部反射表面 係主曲線狀。如圖1 1所示，該曲線表面6 〇位於棱鏡5 〇之 表面2中。 為了修正由布魯斯特角表面及近45◦曲線表面反射所產 生之散光現象，曲線表面6〇之正切曲率須為2n2V^f，矢 狀曲率（即垂直於圖i i之平面曲線）須為，其中f為曲 線表面所需之有效焦距。焦距f約等於稜鏡5〇、52之間的 距離，在較佳具體實施例中為1米，以形成近似一半或折 半之共焦共振益1 0 0。 此一散光補償共振器1 〇 〇具有穩定之共振模式，其為圓 柱狀對稱並簡化模式匹配透鏡之設計，該透鏡將照射導入 光學共振器100中。由於需要拋光以及將精密曲率之^光 透鏡中心對準一棱鏡表面，棱鏡5〇係不易製造的。研磨 為一棱鏡表面之簡單球面表面，例如表面2，其曲率係經 設定使來自共振器透鏡軸線5 4之射線散光偏向具有穩定 性。共振器1 〇 〇中聚焦元件亦可補償製造角度之微小嗜差 以及定位移鏡50、52，無論透鏡軸線54之微小偏向次其 保持著穩定性及少量之損失。在後者之情況下，共振器之 本徵模式係非圓柱狀對稱的。 " 如圖1 2所示’棱鏡5 〇之製造可藉由下$ 1 表I」褙田下列兩步騾之程序 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格( wo X 297公:费) 505795
加以簡化 製成，之 、、、，、-後以棱鏡50相同之材料製造平凸透鏡7〇並具有 通當I散光。透鏡70之平坦表面與棱鏡表面（表面2)光學 ㈣、，此時元件之間的界面消失，其不會造成損失並提供 等同於完整（整體或單件式）構造之光學性能。當在近紅外 線及可見光波長範圍時，透鏡70以係數匹配之光藤接么 劑80黏合至棱鏡5G之表面2，此程序較光學接㈣單; 多。 如圖13所示，一附加之變化係將透鏡完全自稜鏡50或 5 2 <本體處分離，此時散光透鏡9 〇中心對準振鈴式共振 器100-臂部，並以布魯斯特角相對於透鏡軸線^傾斜， 其不會造成反射損失。矢狀及切線曲率之配置係用：補償 散光現象，並提供光學穩定性所需之適當曲率。如後文所 述，接合係來自於棱鏡50、52平坦表面丨、2或3之一。 在第-具體實施例中，一對具有布魯斯特角界面之直角 棱鏡組成共振器1〇〇之反射透鏡，吾人瞭解除了少數例 外:共振器之模式係空間橢圓形的。此為傳導經過布魯斯 特角表面所形成散光現象之結果，以及自曲線狀完全反射 表面之非垂直入射處反射，其可提供共振器所需之光學穩 定性。在圖8之較佳具體實施例中，散光曲率6〇(圖 示）係拋光為棱鏡50之修正表面，以補償散光現象並提供 模式圓形。當配合圓形光束輪廓之雷射使用時，此項動作 可改進映射效率並降低共振器振鈴速率之不穩定性。然 而，為匹配共振器圓形輪廓所需精密度而將棱鏡表面拋光 -20-
發明説明（. 無散光現象之成本係昂貴的，火 光透鏡之望遠鏡來解決此問題。 〃可利用具有散 圖14所^时施例為解決映射問題之節省成本並有 =万法’該具體實施例中共振器⑽之構造將一球面 广面6 0置於稜鏡5 〇 一内部反射表面中。當射線以45。 或近似45°之人射角到達球面表面時產生散光現象，切線 射線（在圖說平面中彳之蓋丨、# 、：“ τ )之取J光點尺寸〇0t小於矢狀射線（垂 直於圖說平面）之尺寸〜。共振器所需切線及矢狀光點尺 寸之正確值可利用ABCD矩陣加以計算，其揭示於
Lasers印中第820頁之方程式14、15，作者為席格曼 (A· Siegmann)，由位於加州〜㈣出。市之㈤爾吻
Science Books公司於1986年出版。 由於進入或離開共振器之共振器模式角狀擴散大於切線 射線’該切線射線在共振器中間部位9 4處之光點尺寸小 於矢狀射線之尺寸，光束在切線方向中之成長速度較快。 共振器中間部位9 4為靠近棱鏡5 2中心之平面，如圖1 4所 示’其具有完全平坦表面並成為共振器100之光學中心。 由於此項成長差異之結果，兩組射線之光點尺寸相同且光 束在共振器外侧特定位置處為圓形，該位置可利用共振器 參數加以計算，特別是共振器模式矢狀及切線射線之 Rayleigh範圍。對圖丨4中入射光束1 2而言，共振器中間 部位94位於表面1後方，表面1將入射光束12反射入共振 器1 0 0中。其結果係共振器外侧之有效入射中間部位9 6與 表面1之間的光學距離與真實共振器中間部位與表面1之 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(2i〇 X 297公釐)
505795 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ----——______B7______ 五、發明說明（19) 間的距離相同。 有政入射中間部位9 6至入射點1 〇 2之距離係基於共振器 中間邵位9 4至入射點1 0 2之距離，此光學距離爲共振器中 間邵位9 4至入射點1 〇 2之間實際距離乘以稜鏡5 2之折射 係數。在該較佳具體實施例中，共振器中間部位9 4至入 射點1 0 2之光學距離約等於有效入射中間部位9 6至入射點 1 〇 2之實際距離，其原因爲共振器丨〇 〇所處之空氣折射係 數爲1。若共振器1〇〇位於不同於空氣之介質中，有效入 射中間部位9 6至入射點1 〇 2之間的光學距離係取決於介質 I折射係數。此時有效入射中間部位9 6至入射點1 〇 2之間 的光學距離約等於共振器中間部位94至入射點1〇2之間的 光學距離。 由圖14可瞭解散光光學元件92位置之適切變:更使輸入 及輸出能相互變換。此外，吾人可利用具有曲竦表面6 〇 之棱鏡5 0做爲映射棱鏡。由於具有曲線表面6 〇之棱鏡$ 〇 距離共振器中間部位較遠，其須將散光光學元件9 2移至 較罪近共振器1 0 0 I位置。這點對較精簡之設計而言爲必 要的％ 爲了計算光點相同之有效入射中間部位9 6之位置，吾 人利用下列方程式，其揭示近似平行軸線中光束 之傳導：Rayleigh範圍z〇由方程式（！）加以計算 (1) ζ〇=^ω02/Λ 其中ω 0爲共振器中間部位9 4處最小井點 元點尺寸（光點尺寸爲 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 儀 --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·
:束半徑在光學範圍於其最低位數模式最大値之·i/e，入爲 波長）。在傳導模式任何其他部位處光點尺寸之 由方程式（2 )加以計算： 丨牡衣丨 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (2) α2 =<[ι + (ζ/ζ〇)2]， 其中ζ爲自中間部位處量測之距離。最後，自中間部位距 離Ζ位置處光學範社曲率半徑r由方程式⑴加以計算： \ ⑶-〜。(ζ/ό〇/ζ)， 、若。人利用方私式（2 )於矢狀及切線射線並需要—等 式，吾人得到方程式（4 ) ⑷ <[l + (^、)X[l + (z/z。,)2]， 將f程式（1)代入方程式（4)以計算〜及〜値，吾人得到 计算距離z。之方程式（5 ) , z c係自相同光點尺寸（圓形光束） 處加以量測： (5) \=咖〇凡/义， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 z C等於一光束之Rayleight範圍，該光束之光點尺寸爲切線 及矢狀光點尺寸之幾何平均。 第二步驟將具有光學倍率之透鏡或反射鏡92置放在相 同光點尺寸之位置，之後調整入射角度Θ以補償模式散 光。爲了瞭解透鏡或反射鏡之補償效應，吾人假設一圓形 光束進入共振器並產生散光以匹配共振器模式式反向考 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
五、發明說明（21) 量離開共振器之散光模式並轉換爲圓形Gausslan模式。爲 了方便之理由，吾人考量光束離開共振器，惟吾人暸解其 結果亦適用於反向假設。爲達成目的，光學元件作用之方 式係對射出光束之切線及矢狀射線產生相同之曲率半徑， 這點可確保爲圓形模式，其在光學路徑上無多餘之散光元 件。利用望遠鏡或其他類似技藝中技術之機構，模式可進 一步的匹配不同光點尺寸且圓形光束上具有所有所需之曲 率。方私式（6 )及（7 )分別爲配合切線及矢狀射線之透鏡 或反射鏡上非垂直入射之簡單透鏡公式： ⑹ \/ret =1/^ -l/Zcos^, 與 ⑺C0SW/， 其中ret及res爲射出切線及矢狀射線曲率半徑，及、爲入 射曲率半徑，f爲透鏡或反射鏡之焦距以及β爲入射角。 爲正値表示一聚焦透鏡或反射鏡，傳導方向中擴張光 束具有正的曲率半徑，收歛光束係具有負的曲率，半徑。將 方程式（3 )所計算之値代入方程式（6 )及（7 )之入射曲率半 徑並計算之，吾人得到計算f及Θ値之方程式（8 )，其產生 相同之射出曲率半徑以及一圓形光束。然而，該方法適用 範圍限定於〇幺Θ幺90。，其表示〇 < cos0 S 1。 ⑻ Θ + /cos一 β)/[〜)] 一 ！ = 〇 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^!^· ·裝--------訂--------« (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505795 A7 B7 五、發明說明（22) 以α取代ω 〇s / ω 〇t之比率’其得到之値大於1，該二次方考呈 式可重寫爲方程式（9): (9) cos θ λ- f z〇s〇{a2 —1)/zc(a2 +1)-1 =： 〇 二次方程式（·9)之一般答案爲方程式（10): (10) cos (9 -/(α2 -1) 2zc(a2 +1) 土 f2(a2-l)2㈤(α2+1)2 \1/2 +1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由於其爲實數之平方，開根號項目中之値爲正的。對f爲 正値而、言，f之任一値對應cos Θ唯一値，其，.在〇與+ ；[之範 圍中，因此入射角度符合方程式之要求並產生一圓形光 束。對f爲負値而言，任何之角度Θ皆不恰當。然而，若 吾人欲將光束反射離開圖14中平面，其轉動反射鏡92使 光束反射離開紙張平面，因此反射鏡之矢狀及切線焦距已 相互變換，以及一負焦距之反射鏡可用以產生一圓形光 束。 爲了避免破壞反射或傳導以及可能超越近軸近似現象， 透鏡或反射鏡9 2之焦距不宜太大或太小。考量到這點， 在一較佳具體實施例中入射角度沒小於約60。，反射鏡.或 透鏡9 2之適當焦距須能符合本項條件。 參見圖15，其揭示本發明另一具體實施例。圖15中相 對於入射光束1 2以Θ角度傾斜之球面透鏡2 0 0係插置在入 射光束1 2中，爲了使入射光束丨2與例如反射鏡之反射器 202透鏡軸線54平行，在入射光束通過球面透鏡200之後 •25- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） ----------I --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂.- 505795 A7 _______—_B7 五、發明説明（23 ) 再次反射，故入射光束i 2係指向共振器i 〇 〇之棱鏡5 2。 在此具體實施例中，距離z c由球面透鏡2 〇 〇量至有效入射 中間部位9 6。此外，反射器2 〇 2之角度可為任何角度，其 允許入射光束12到達反射器202之反射表面。吾人瞭解反 射器2 0 2並非必要的，其可加以省略，如圖丨6所示，此時 球面鏡2 0 0直接位於入射光束丨2之路徑中。 照射光射以一或兩種方式映射至共振器1 〇 〇中。完全内 部反射可用於平坦之内部反射表面2或3、或棱鏡5〇、52 可略微的自布魯斯特角處傾斜以便自表面1處提供映射。 第二個方法在技術上較為簡單，但對一已知之映射參數而 a產生兩倍的損失。若光線在一方向中映射入共振器 中，共振器形成一振鈐且無不變之光波。因此，當一稜鏡 表面以其屋頂軸線轉動偏離布魯斯特角以提供一映射機構 時，來自相同表面之輸出與輸入係分開的，其易於將微弱 之射出光束自強烈之入射光束處分離。 振铃共振器1 〇 〇之運用具有某些附加之優點，其原因在 於明顯的降低到達光源之光學照射回饋程度，此項回饋可 能破壞須利用高精確度光學隔離器之雷射光源穩定性，其 限足於一足之光譜頻寬範圍中且增加整個系統之複雜性及 成本。根據本發明之共振器1〇〇可組成頻寬較大之CRds 共振器，且共振器100將擴CRDS後向反射器之科學及商 業用途。改良式CRDS共振器之較大光譜頻寬可用以 多種偵測器。 雖然本文之說明及揭示係參考某些特定具體實施例， -26-
505795 第 0% 100626 修正/私嫩^
本發明並未限定於所示詳述中。此外，各種改良皆 申請專利範圍之範疇以及本發明之精神中。 附 符號說明 1 第一表面 3 4 矢狀射線 2 第二表面 50 棱鏡 3 第三表面 52 棱鏡 4 第四表面 54 透鏡軸線 10 棱鏡 60 曲線表面 12 入射光線 70 平凸透鏡 14 射出光線 80 光學接合劑 16 玻璃表面 90 散光透鏡 18 光線 92 光學元件 20 傳導光線 94 共振器中間部位 24 轴線 96 入射中間部位 26 透鏡 100 共振器 28 物件點 102 入射點 3 0 映像點 200 球面透鏡 32 子午射線 202 反射器 -27- m用中國國家標^(c NS) Λ4規格（210 X 297公赞.)
Claims (1)
- 505795 第〇9〇10〇626號專利申請案 A8 中文申請專利範圍修正本(9丨年8月） 新/年牙月曰修正/更正/補充 •、申請專利範圍~"" ' -------— 1· 一種用於具有一透鏡軸線之空穴振鈐式後向反射器 振器，包括： ^ 一第一布魯斯特角後向反射棱鏡，其具有複數個完全 内部反射表面，其中一完全内部反射表面為曲線表面； 第一布魯斯特角後向反射器棱鏡，其具有複數個完 全内部反射表面，並沿著該共振器之透鏡軸線與第一稜 鏡校準配置；與 一光學元件，其將照射光線映射入第一或第二棱鏡 中0 2·根據申請專利範圍第丨項之共振器，其中該光學元件具 有散光特性。 3·根據申請專利範圍第2項之共振器，其中該光學元件至 少為一透鏡或反射鏡，照射光線投射在光學元件一表面 上。 4.根據申請專利範園第3項之共振器，其中該光學元件具 有正焦距。 5·根據申請專利範圍第2項之共振器，其中該光學元件為 具有負焦距之透鏡或反射鏡，照射光線投射在該光學元 件一表面上。 6. 根據申請專利範圍第5項之共振器，其中該光學元件傾 斜偏離共振器透鏡軸線所決定之平面。 7. 根據申請專利範圍第1項之共振器，其中該棱鏡為熱融 矽石、藍寶石、金剛石、氟化鈣或釔-鋁-石榴子石 (YAG)。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 505795 六 9 (年？月*^修正/、更正/ 申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 8. 根據中請專利範園第Η之共振器，其中㈣學元件之 反射照射光線具有矢狀射線及切線射線，該反射照射光 線在距離光學兀件％位置處具有圓形剖面。 9. 根據中請專利範圍第8项之共振器，其中該位置“為 πω〇_/λ，其中λ為照射光線之波長，為矢狀射線之 最小光點尺寸以及ω〇ΐ為切線射線之最小光點尺寸。 1〇·根據中請專利範園第Η之共振器，其中該棱鏡皆具有 了為135。減去布魯斯特角之頂角，一為9〇。之第二個角 度以及一為180。減去兩倍布魯斯特角之第三個角度。 11. 根據申請專利範園第i項之共振器，其另包括一有效之 中間點’該中間點沿著第二布魯斯特角後向反射器稜鏡 f光學元件之間的轴線配置，第二布魯斯特角後向反射 器棱鏡包含一配合照射光線及中間點之入射點， 其中該入射點與中間點之間的距離等於入射點與有效 中間點之間的距離。 12. 根據申請專利範圍第丨丨項之共振器，其中該入射點與 中間點之間的距離為光學距離，其等於入射點與中間點 之間的實際距離乘以第二布魯斯特角後向反射器棱鏡之 折射係數。 13. —種用於具有一透鏡軸線之空穴振鈐式後向反射器之共 振器，包括： "" 一第一布魯斯特角後向反射器棱鏡，其具有： (a)複數個完全内部反射表面，其中一完全内部反 射表面為曲線表面， -2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ297公釐) 505795(b) 頂角，其為135。減去布魯斯特角， (c) 一弟一個角，其為9〇。，與 ⑷一第三個角’其為180。減去兩倍布魯斯特角； 入-第二：魯斯特角後向反射器稜鏡，其具有複數個完 王内#反射表面並沿著共振器之透鏡㈣與第—棱鏡校 準配置；與 一機構，其用以將照射光線映射入第一或第二棱鏡。 14·根據申請專利範圍第丨3項之共振器，其中該至少一棱 鏡係可轉動的。 15·根據申請專利範圍第丨3項之共振器，其中該棱鏡為熱 融矽石、藍寶石、金剛石、氟化鈣或釔·鋁_石榴子石 (YAG)。 16·根據申請專利範圍第丨3項之共振器，其中該映射機構 為聚焦透鏡或反射鏡，其位於自第一或第二棱鏡·預先 設定位置處。 17·根據申請專利範園第i 3項之共振器，其中該映射機構 具有第一散光現象，其用於補償共振器之第二散光現 象。 18·根據申請專利範園第1 7項之共振器，其中該映射機構 為聚焦透鏡或反射鏡，其位於自第一或第二稜鏡一預先 設定位置處。 19·根據申請專利範圍第1 8項之共振器，其中該映射機構 具有一正焦距。 20.根據申請專利範圍第1 7項之共振器，其中該映射機構 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 505795 8 8 8 8 A BCD 彳(年&月vl日修正/奠石充 r、申請專利範圍 為具負焦距之反射鏡，照射光線投射在該反射鏡表面 上。 21. 根據申請專利範圍第2 0項之共振器，其中該光學元件 傾斜偏離共振器透鏡軸線所決定之平面。 22. 根據申請專利範圍第1 3項之共振器，其中該曲線表面 為球面輪廓。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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