光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和光谱测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及光谱学领域，尤其涉及一种光学谐振腔用反射棱镜及其光学谐振腔和 光谱测量仪。
【背景技术】
[0002] 光谱学学科研究的是光谱。与关注频率的其他部分学科不同的是，光谱学专门研 究可见光和近可见光一一一个可以获得的光谱范围中很窄的一部分，该光谱的波长范围在 约1毫米至1纳米之间。近可见光包括比红外线和紫外线。这个范围在可见光波段两侧都 有足够远的延伸，但大部分由普通材料制成的透镜和反射镜仍对该光波段有效，必须经常 考虑到材料的光学性能是依赖于光波长的。
[0003] 吸收式光谱学可以探测或识别各种不同的分子类型，尤其是简单分子类型，比如 水。同时，光谱测量仪提供了高灵敏度、微秒量级的响应时间、抗干扰能力，以及有限的来自 除所研究物质种类以外的其他分子种类的干扰。因此，吸收式光谱作为一种探测重要微/ 痕量物质类别的通用方法。在气体状态下，由于物质的吸收能力能够集中于一组尖锐的光 谱线上，使得这种技术的灵敏度和选择性均发挥到最佳状态。光谱中这种尖锐的光谱线可 以用来与绝大多数的干扰物质进行区分。
[0004]在许多生产过程中，对流动气流中微量物质的浓度进行迅速、准确的测量和分析 是十分必要的，因为污染物的浓度往往至关重要地影响成品的质量。例如，氮气N2、氧气02、 氢气H2、氩气Ar、氦气He用来制造集成电路，存在于这些气体中的杂质，比如水，即使只有 十亿分之（ppb)几的含量水平也是有害的，它会减少集成电路合格品产量。因此，在需要高 纯气体的半导体工业中，较高的灵敏度对生产者来说是非常重要的，借助于光谱学的高灵 敏度性能能检测出水分杂质。在其它工业生产过程中，也有必要对各种各样的杂质进行检 测 。
[0005]光谱学可以在高纯气体中检测含量为百万分之（ppm)几的水份，在某些情况下， 还能够获得十亿分之几（ppb)的检测灵敏度水平。因此，已有数种光谱学方法被用于监 测气体含水量，包括：传统长通路元件[longopticalpathcells]的吸收测定、光声光 谱学、频率调制光谱学以及内腔激光吸收光谱学。但是，如莱曼（Lehmann)在美国专利号 5, 528, 040的专利中所述，这些光谱方法具有多种特性，这使得它们在实际工业应用中是不 切实际的和难以使用的。因此，它们在很大程度上仅限于实验室研究。
[0006]然而，回路衰减光谱技术（CRDS，cavityring-downspectroscopy)已成为一种重 要的光谱技术被应用于科学研究、工业生产控制、大气微/痕量气体监测。作为光吸收测定 技术，已证实CRDS优于在低吸光度状态下灵敏度不很理想的传统方法。CRDS把高精密光学 谐振腔中的光子平均寿命作为吸收灵敏度的可观测量。
[0007] -般地，光学谐振腔由一对名义上相同的、窄带的、超高反射性介电反射镜形成， 经适当配置形成一个稳定的光学光学谐振腔。一个激光脉冲通过一个反射镜射入光学谐振 腔以经历一个平均寿命时间，该平均寿命决定于光子往返渡越时间（transittime)、光学 谐振腔长度、吸收横截面和物质的浓度数量、内部光学谐振腔耗损因子（主要产生于当衍 射损耗可忽略不计时，来自取决于频率的反射镜的反射率）。因此光吸收的测定由传统的功 率比测量转化成了时间衰减测量。CRDS的最终灵敏度由光学谐振腔内部的损耗量值决定， 使用诸如精细抛光的技术生产的超低损耗光学器件可以使这个耗损值减至最小。
[0008]由于目前尚不能制造出具有足够高反射率的反射镜，因此在应用高反射率介电反 射镜的光谱领域内，CRDS的应用还有局限，这就大大限制了该方法在大部分红外线的、紫外 线领域的使用。即使在有适当反射率的介电反射镜的领域，每组反射镜也只能在小波长范 围内有效，一般仅几个百分点的波长范围片段。而且，许多介电反射镜的制造需要使用一些 材料，这些材料会随时间而变质，尤其是当暴露在化学腐蚀环境中时。这都限制或阻止了 CRDS的许多潜在应用。
[0009]为解决上述问题，专利号为"CN1397006A"名称为"基于布儒斯特角棱镜反射器回 路衰减空腔光谱仪匹配模式"的专利文件中记载了一种光学谐振腔，该光学谐振腔包括带 有一组全反射面的第一布儒斯特角反射棱镜，其中一个全反射面为曲面；带有一组全反射 面的第二布儒斯特角反射棱镜，该棱镜与第一反射棱镜沿着谐振腔光轴准直排列成一条直 线；以及用来把光辐射耦合进入第一或第二棱镜两者之一中的光学元件。
[0010] 但是，上述光学谐振腔在使用过程中的光路为双光路闭环，光学谐振腔的反射棱 镜中的入射面同时也作为出射面，为防止光路重叠，因此该光学谐振腔的反射棱镜的几何 尺寸受限于此而难以将装置小型化，造成光线在穿过反射棱镜时被反射棱镜的吸收损耗较 大，影响整个光谱仪的测量灵敏度。
【发明内容】
[0011] 鉴于现有技术的不足，本申请提供一种光学谐振腔用反射棱镜、光学谐振腔和光 谱测量仪，以能够有利于光学谐振腔的反射棱镜小型化，进而利于降低光线的材质吸收损 耗。
[0012] 为达到上述目的，本申请提供一种光学谐振腔用反射棱镜，所述光学谐振腔具有 样品测量区域，所述反射棱镜包括用于接收穿过所述样品测量区域的光线的第一面、用于 向所述样品测量区域发出光线的第二面、位于所述第一面与所述第二面之间的第三面；所 述第三面用于将接收自所述第一面的光线全反射至所述第二面。
[0013]作为一种优选的实施方式，所述第一面及所述第二面为布儒斯特面，所述第三面 为全内反射面。
[0014]作为一种优选的实施方式，所述反射棱镜的至少一个面为曲面。
[0015]为达到上述目的，本申请还提供一种光学谐振腔，其能接收和发出光线，并能将接 收到的光线在内部传播，所述光学谐振腔包括：
[0016]光学元件，所述光学元件包括至少一个如上任一所述的反射棱镜；
[0017]所述光学谐振腔具有样品测量区域，所述样品测量区域能容置有待测样品。
[0018]作为一种优选的实施方式，所述光学元件能形成闭合光路。
[0019]作为一种优选的实施方式，所述光学元件至少为三个。
[0020] 作为一种优选的实施方式，每个所述光学元件均为所述反射棱镜。
[0021] 作为一种优选的实施方式，所有所述反射棱镜包括第一反射棱镜、第二反射棱镜 以及第三反射棱镜；所述第一反射棱镜的第二面与所述第二反射棱镜的第一面通过第一光 路连接，所述第三反射棱镜的第二面与所述第一反射棱镜的第一面通过第二光路连接，所 述第二反射棱镜的第二面与所述第三反射棱镜的第一面通过第三光路连接；所述第一光路 与所述第二光路之间的夹角、所述第二光路与所述第三光路之间的夹角以及所述第三光路 与所述第一光路之间的夹角均大于万仍./" !(丨/，;）+仍7>?!(丄(-(A)))-艮），其中，ΘΒ为布 η 儒斯特角。
[0022] 作为一种优选的实施方式，每个所述反射棱镜中，所述第三面与所述第二面的夹 角等于所述第三面与所述第一面的夹角，等于〇. 5倍的所述第一光路与所述第二光路的夹 角加上ΘΒ。
[0023] 作为一种优选的实施方式，还包括：匹配光学元件，所述匹配光学元件能将光源的 光学模式与光学谐振腔的光学模式相匹配。
[0024] 作为一种优选的实施方式，至少一个所述光学元件能够旋转和/或平移。
[0025] 为达到上述目的，本申请还提供一种光谱测量仪，其特征在于，包括：如上实施方 式任一所述的光学谐振腔。
[0026] 通过以上描述可以看出，本申请所提供的所述光学谐振腔用反射棱镜通过设有用 于在光学谐振腔中接收光线的所述第一面以及用于在光学谐振腔中发出光线的第二面，且 所述第一面与所述第二面为相互独立的不同面，进而可以保证光线在反射棱镜的面上仅留 有单个光斑，这就使得所述反射棱镜的边长仅需要大于单个光斑的大小即可满足要求，所 以本申请所提供的光学谐振腔用反射棱镜能够有利于光学谐振腔的反射棱镜小型化，进而 利于降低光线的材质吸收损耗。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图1是高斯光束沿Ζ轴传播示意图；
[0029] 图2是复参数为q的高斯光束示意图；
[0030] 图3是一种由两个反射镜组成的两镜光学谐振腔示意图；
[0031] 图4是一种光学谐振腔中的折叠腔示意图；
[0032] 图5是图4所示折叠腔的等效多元件直腔示意图；
[0033] 图6是一种光学谐振腔中的环形腔示意图；
[0034] 图7是图6所示环形腔的等效多元件直腔示意图；
[0035] 图8是一种平行平面腔示意图；
[0036] 图9是非偏振入射光线在空气中入射到玻璃表面的不意图；
[0037]图10是本申请一个实施方式所提供的反射棱镜示意图；
[0038]图11是本申请一个实施方式所提供具有曲面的反射棱镜示意图；
[0039]图12是本申请另一个实施方式所提供的具有曲面的反射棱镜示意图；
[0040] 图13是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
[0041] 图14是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
[0042] 图15是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
[0043] 图16是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
[0044] 图17是本申请一个实施方式所提供的光学谐振腔示意图；
[0045]图18是本申请一个实施方式所提供的光学元件的光路上设有透镜的示意图；
[0046]图19是本申请一个实施方式所提供的光学元件设有反射镜的示意图；
[0047]图20是本申请一个实施方式所提供的光谱测量仪模块示意图。
【具体实施方式】
[0048] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实 施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保 护的范围。
[0049] -、一般原理
[0050] 下面将给出与本发明有关的光学的一般原理的综述导论。此综述导论将提供一个 背景知识，以便对本发明有一个完整的理解。
[0051]A:高斯光束
[0052] 高斯光束是亥姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以很好的描述基模 激光光束的性质。图1中给出了高斯光束沿z轴传播的示意图。
[0053] 式（1. 1)给出了高斯光束在空间传播的规律。
[0054]
(11)
[0055] 其中，R(z)、ω (ζ)、Ψ的表达式如下所示：
[0056]
(1,2)
[0057]R(z) =Z0(z/Z〇+Z〇/z) (1. 3)
[0058] Ψ=tan1 (z/Z〇) (1. 4)
[0059] 式（1. 2)表示了高斯光束的束宽，式（1. 3)表示了高斯光束的等相面曲率半径，式 (1.4)表示了高斯光束的相位因子，其中
[0060] 高斯光束由R(Z)、ω(Z)、Z中的任意两个