光學諧振器用反射鏡及其光學諧振器和光譜測量儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本申請設及光譜學，尤其設及一種光學諧振器用反射鏡及其光學諧振器和光譜測 量儀。
【背景技術】
[0002] 目前，空腔回路衰減光譜技術（C畑S，cavity ring-down spectroscopy)已成為一 種重要的光譜技術被應用于科學研究、工業生產控制、大氣微量氣體監測。作為光吸收測定 技術，已證實CRDS優于在低吸光度狀態下靈敏度不很理想的傳統方法。CRDS把高精密光學 諧振器中的光子平均壽命作為吸收靈敏度的可觀測量。
[0003] -般地，光學諧振器由一對名義上相同的、窄帶的、超高反射性介電反射鏡形成， 經適當配置可W形成一個穩定的光學諧振器。一個激光脈沖通過一個反射鏡射入諧振器W 經歷一個平均壽命時間，該平均壽命決定于光子往返渡越時間（transit time)、諧振器長 度、吸收橫截面和物質的濃度數量、內部諧振器耗損因子(主要產生于當衍射損耗可忽略不 計時，來自取決于頻率的反射鏡的反射率）。因此光吸收的測定由傳統的功率比測量轉化成 了時間衰減測量。CRDS的最終靈敏度由諧振器內部的損耗量值決定，使用諸如精細拋光的 技術生產的超低損耗光學器件可W使運個耗損值減至最小。
[0004] 從現有資料來看，組成空腔回路衰減光譜吸收光譜儀的諧振器的長度一般都在1 米W內，典型的長30厘米至70厘米，其吸收系數表達式為a(v) = <-i片-To^i)。因此，從吸收 系數表達式可W看出，使用基于由高反射率鏡片組成的諧振器可W具有很高的測量靈敏 度，一般在PPb量級甚至更高。
[000引在諧振器中，反射鏡的反射面鍛設有高反射膜層，進而提高光線的反射率。所述高 反射膜層為金屬反射膜或介質反射膜。若使用金屬反射膜，由于單層的金屬膜硬度較低，極 易被擦傷，因此，常在金屬膜上加鍛保護膜，且金屬反射膜本身就需經多次鍛設而成，得到 的金屬反射膜一般包含多層膜層。類似地，當使用介質反射膜時，介質反射膜一般也需要通 過多次鍛設而成，因此，得到的介質反射膜也包含多層膜層。
[0006] 在實際使用中，基于反射鏡的諧振器，由于其高反射膜層是鍛在前表面的（即鏡片 鍛外反射膜)的，此時，反射鏡的反射面和接觸樣品的接觸面重合，即同為一個面，所W在實 際使用時該高反射膜層和諧振器中的樣品會直接接觸。
[0007] 無論是金屬反射膜還是介質反射膜，由于各膜層之間的粘附性、膜層和基底材質 之間的粘附性、W及膜層的致密性有限，當將高反射膜層置于高溫、高濕、高粉塵、腐蝕性等 惡劣環境中時，環境中的氣體、水汽及雜質容易進入到高反射膜層的各個膜層之間W及高 反射膜層與玻璃基底的連接處，使得高反射膜層容易被破壞;另外，在高反射膜層的制備過 程中，一般會引入顆粒異物，所引入的顆粒異物會造成高反射膜層的缺陷，當有膜層缺陷的 反射鏡置于惡劣環境中時，會加劇破壞作用，運不僅使得高反射膜層的反射率降低，損失光 能，而且破壞過程脫落的膜層還可能會阻擋光路，進一步降低光能的收集效率，甚至會使得 玻璃在高反射膜層的應力的作用下變形破裂。
[0008] 因此，基于反射鏡的諧振器在使用中其膜層容易被樣品W及樣品中的雜質所破 壞，影響光譜測量工作的正常進行。 【實用新型內容】
[0009] 現有技術中，諧振器中使用鍛設外反射膜的反射鏡為一種沿用設計，運是由于在 使用單片鍛設外反射膜的反射鏡進行反射光線時光線無須進入玻璃層(基底)而直接被外 反射膜反射，進而具有損耗低、高反射率的優點。考慮到運一優點，本領域技術人員在設計 諧振器時直接沿用上述設計，而未考慮其他設計方案。
[0010] 鑒于現有技術的不足，本申請提供一種諧振器用反射鏡及其諧振器和光譜測量 儀，W能夠使反射鏡的膜層難W被樣品W及樣品中的雜質所破壞。
[0011] 為達到上述目的，本申請一種用于樣品測量的諧振器用反射鏡，該反射鏡包括：
[0012] 第一面，其具有反射區域;所述反射區域上鍛設有反射膜W用于將光線反射；
[0013] 至少一個第二面，其將所述反射區域與待測樣品隔離，W使所述反射膜不與待測 樣品接觸。
[0014] 作為一種優選的實施方式，所述第一面與所述第二面沿著光路行進方向前后設 置，被所述反射區域反射的光線經所述第二面入射或出射。
[0015] 作為一種優選的實施方式，所述光線W布儒斯特角出入射所述第二面。
[0016] 作為一種優選的實施方式，所述反射鏡包括至少一個面為曲面。
[0017] 為達到上述目的，本申請還提供一種光學諧振器，其能接收和發出光線，并能將接 收到的光線在其內部傳播，所述光學諧振器包括：
[0018] 光學元件，所述光學元件包括至少一個如上任一實施方式所述的反射鏡。
[0019] 作為一種優選的實施方式，所述光學元件至少為兩個，所有所述光學元件將光線 形成閉合光路。
[0020] 作為一種優選的實施方式，每個所述光學元件均為所述反射鏡。
[0021] 作為一種優選的實施方式，還包括:匹配光學件，所述匹配光學件能將光源光線與 光學諧振器的模式匹配。
[0022] 作為一種優選的實施方式，至少一個所述光學元件能夠旋轉和/或平移。
[0023] 為達到上述目的，本申請還提供一種光譜測量儀，包括如上任一實施方式所述的 光學諧振器。
[0024] 通過W上描述可W看出，本申請所提供的所述諧振器用反射鏡通過設有將所述第 一面與待測樣品隔離的所述第二面，保證所述反射區域不會與待測樣品進行接觸，進而保 證所述反射區域上的反射膜不會與待測樣品接觸，使得待測樣品W及樣品中的雜質難W進 入到反射膜中，所W本申請所提供的諧振器用反射鏡能夠使反射鏡的膜層難W被樣品W及 樣品中的雜質所破壞。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下， 還可W根據運些附圖獲得其他的附圖。
[0026] 圖1是高斯光束沿巧由傳播示意圖；
[0027] 圖2是復參數為q的高斯光束示意圖；
[0028] 圖3是一種由兩個反射鏡組成的兩鏡諧振器示意圖；
[0029] 圖4是一種諧振器中的折疊腔示意圖；
[0030] 圖5是圖4所示折疊腔的等效多元件直腔示意圖；
[0031 ]圖6是一種諧振器中的環形腔示意圖；
[0032] 圖7是圖6所示環形腔的等效多元件直腔示意圖；
[0033] 圖8是一種平行平面腔示意圖；
[0034] 圖9是非偏振入射光線在空氣中入射到玻璃表面的示意圖；
[0035] 圖10是本申請一個實施方式提供的反射鏡示意圖；
[0036] 圖11是本申請一個實施方式提供的反射鏡示意圖；
[0037] 圖12是本申請一個實施方式提供的反射鏡示意圖；
[0038] 圖13是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0039] 圖14是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0040] 圖15是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0041 ]圖16是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0042] 圖17是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0043] 圖18是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0044] 圖19是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[004引圖20是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0046] 圖21是本申請一個實施方式提供的諧振器示意圖；
[0047] 圖22是本申請一個實施方式提供的光譜測量儀模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0048] 為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實 施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本實用新 型保護的范圍。
[0049] -、一般原理
[0050] 下面將給出與本實用新型有關的光學的一般原理的綜述導論。此綜述導論將提供 一個背景知識，W便對本實用新型有一個完整的理解。
[0051 ] A:高斯光束
[0052] 高斯光束是亥姆霍茲方程在緩變振幅近似下的一個特解，它可W很好的描述基模 激光光束的性質。圖1中給出了高斯光束沿Z軸傳播的示意圖。
[0053] 式(1.1)給出了高斯光束在空間傳播的規律。
(丄1)
[00巧]其中，R(Z)、CO (Z)、W的表達式如下所示：
[0056] W(二）=化、(1.2)
[0057] R(z)=Zo(z/Zo+Zo/z) (1.3)
[005引 W =l：an-i(z/Zo) (1.4)
[0059] 式（I. 2)表示了高斯光束的束寬，式（I.3)表示了高斯光束的等相面曲率半徑，式 (1.4)
[0060] 表示了高斯光束的相位因子，其中
[0061] 高斯光束由R(Z)、CO (z)、z中的任意兩個即可確定，一般用復參數q表示高斯光束， 如式(1.5)所示。
(1.5)
[0063]高斯光束復參數q通過變換矩陣
1的光學系統的變換遵守ABCD定律：
(L6)
[006引如圖2所示，如果復參數為qi的高斯光束順次通過變換矩陣為：
(1. 7)
[0067]的光學系統后變為復參數為q的高斯光束，此時ABCD定律亦成立，但其中ABCD為下 面矩陣M的諸元：
[006 引 M=Mn...M2 化（1.8)
[0069] B:光學諧振腔
[0070] 穩定的光學諧振腔是指可使高斯光束的復參數q在傳播一個周期后(往返一周或 環繞一周)滿足自再現條件，即q = q(T)或腔內存在著高斯分布的自再現模。所W光學諧振 腔具有兩個特點：1、諧振腔的尺寸遠大于光波的波長;2、一般為開腔。
[0071]