专利名称：测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量对象的性质的光学测量的测量装置。
背景技术：
当今在市场上有多种用来对测量对象的性质进行光学测量的测量装置。例如，使用激光的测量装置被用在各种用途中，如化学分析、频谱学、光盘阅读器、及计量学。
用来测量能够改变光程长度的较小距离和其它物理参数的一种这样的测量装置在GB 1038140中描述。该装置包括He-Ne激光器、与激光器对准的外部反射器、及光检测器。反射器是可运动的，从而返回到激光器中的反射光的相位可以相对于从激光器发射的光而调节，借此激光光束的产生分别被加强或抵消。该产生由光检测器检测，借此光检测器的读数是周期性的，具有周期λ/2。因而，由光检测器的读数可以确定外部反射器的运动，即在激光器与反射器之间的光程的变化。
然而，与在GB 1038140中公开的测量装置有关、以及与其它已知测量装置有关的问题在于，它由于构造对误对准(misalignment)敏感，特别是对于外部反射器的误对准，并且同时制造十分昂贵且难以控制。况且，在GB 1038140中的读数是周期性的，即非单调的，由此不可能直接得到例如距离的绝对测量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种与已知测量装置相比改进的测量装置。
具体目的在于，提供一种可以以成本高效方式实现并且容易控制的测量装置。
这些和其它目的由一种通过引言提到的种类的测量装置实现，该测量装置还包括主谐振器，具有限定谐振腔(cavity)的第一和第二反射端部，该谐振腔具有有效光谐振腔长度；光学增益元件，用来产生沿在第一与第二反射端部之间的光束路径传播的光；及色散聚焦谐振器元件，沿在光学增益元件与第二反射端部之间的光束路径定位，其中测量对象布置成至少部分地定位在主谐振器的光束路径内，并且其中测量装置还包括用来检测从主谐振器发射的光的特性的检测装置，检测特性的值是测量对象的性质的度量。
本发明基于如下理解测量对象影响主谐振器的有效谐振腔长度和/或谐振器损失，从而由于色散聚焦元件的性能影响从谐振器发射的光的特性。当有效谐振腔长度和/或谐振器损失变化时，发射的光的特性根据本发明可以单调地变化。由此，可以实现一种容易控制和容易读取的测量装置。况且，因为简单的构造，该测量装置可以以较低成本制造。
而且，根据本发明的测量是谐振的，因为测量发生在主谐振器内，借此有效测量距离变得非常长。因而，由于发明的布置，有可能实现一种具有长有效测量长度、而仍然具有增强的使用性的小物理尺寸的测量装置。
优选地，待由检测装置检测的光的特性是发射光的波长、功率、偏振、及相位的至少一个。
在本发明的一个实施例中，待测量的对象是固体对象。优选地，测量对象构成测量装置的第二反射端部。因而，测量对象起反馈元件的作用，并且把光反射回谐振器谐振腔中。根据这个实施例的测量装置例如可以用来对测量对象的性质进行测量。测量对象的位置影响主谐振器的有效光谐振腔长度，这又影响从谐振器发射的光的特性，从而该特性是测量对象的位置的度量。
也优选地，测量对象和测量装置的其余部分可以布置成，在与测量对象反射的光束的方向基本上相垂直的方向上，即在与光束正交的平面中，彼此相对地运动。因而，可以使测量对象运动，而剩余的测量装置基本上保持固定。可替换地，使剩余的测量装置运动，而测量对象保持基本固定。作为另外的替换例，测量对象和剩余的测量装置都相对于周围环境运动。
通过使测量对象和测量装置的其余部分彼此相对地运动，可以便利地测量具有表面凹凸的对象。表面凹凸使主谐振器的有效光谐振腔长度变化，借此发射光的特性由于色散聚焦谐振器元件的性能而变化，并且借此发射光的特性的值是表面凹凸的度量。这能够实现一种简单和可行的测量装置，该测量装置例如可以用在扫描显微镜中。根据这个实施例的测量装置也可以便利地用作为在例如CD播放机、DVD播放机、或CD-ROM播放机中的拾取装置，以便读在盘上的数据轨迹。在这种情况下，与摆动补偿有关的拾取装置运动没有必要，因为根据本发明的拾取装置基本上是自对准的。因而，拾取装置可以用较少可移动部分建造，这例如便于制造并且保证稳定的操作。而且，拾取装置可以便利地布置成同时从多层读取信息，例如在双层光盘上。
根据本发明的另一个实施例，测量对象例如是布置成穿过主谐振器的光束路径流动的气体、液体或颗粒悬浮质。所述流依据用途可以具有0m/s或更大的流动速度。测量对象的流动影响主谐振器的有效光谐振腔长度，借此从谐振器发射的光的特性变化。例如发射光的波长或功率的变化可以由检测装置检测。测量装置可以便利地用于几种类型的测量，例如用来对测量对象的存在进行测量。
在本发明的另外实施例中，测量装置也包括可调节驱动器，用来激励主谐振器；和电流检测装置，用来检测由驱动器使用的电流。当测量对象影响谐振器损失时，从主谐振器发射的光将变化，借此驱动器被调节，从而发射的光的功率保持恒定，并且借此由所述可调节器使用的电流是测量对象的性质的度量。另外，通过移动所述第二反射端部，例如镜像元件，测量装置可以构造成，在某些波长下操作，以及/或者在波长的宽范围上扫描，例如确定在什么波长下谐振器损失发生，借此损失可以是例如吸收和/或散射的结果。根据这个实施例的测量装置可以便利地用来检测例如已知测量对象的含量或浓度，或者检测在混合物中存在什么物质、以及在混合物中物质的浓度。
优选地，由检测装置检测的光从主谐振器的第一和第二反射端部的至少一个发射。
现在参照附图将进一步描述本发明的当前优选实施例，在附图中图l示意表示根据本发明第一实施例的第一替换例的一种测量装置；图2示意表示用于本发明的工作原理；图3示意表示根据本发明第一实施例的第二替换例的一种测量装置；图4a-4b示意表示由在图3中的测量装置产生的输出数据的图；图5示意表示本发明的第二实施例；图6示意表示本发明的第三实施例；图7-8示意地表示由在图6中的测量装置产生的输出数据的图；及图9a-9b示意表示在根据本发明的一种测量装置的谐振器中循环的光束的多重往返路径。
具体实施例方式
本发明第一实施例的第一替换例公开在图1中。图1表示一种包括主谐振器11的测量装置6，该主谐振器11具有限定谐振腔7的第一和第二反射端部1、2，其中第二反射端部2由对其测量性质的测量对象12构成。光学增益元件3布置在谐振腔7内。光学增益元件3可以例如是如在图1中那样的边缘发射半导体元件。可替换地，光学增益元件可以是表面发射半导体元件。
术语边缘发射半导体元件要理解成一种其中光束在与构成光学增益元件的活性材料的外延层的表面法线基本上相垂直的方向传播的光学增益元件。术语表面发射半导体元件要理解成一种其中光束在与构成光学增益元件的活性材料的外延层的表面法线基本上相平行的方向传播的光学增益元件。
光学增益元件具有第一和第二相对端面3a、3b，借此第一端面3a在这种情况下布置成构成主谐振器11的第一反射端部1。
测量装置6还包括色散、聚焦元件5，该色散、聚焦元件5布置在光学增益元件3的第二端面3b与谐振腔的第二反射端部2(即测量对象12)之间的谐振腔内。色散、聚焦元件5呈现波长依赖焦距，该波长依赖焦距产生图像平面的波长依赖位置，如在图2中指示的那样。在图2中，示意表示具有第一波长λ1的光聚焦在第一平面中，具有第二波长λ2的光聚焦在第二平面中，及具有第三波长λ3的光聚焦在第三平面中。因而，例如定位在第一平面中的反射元件将反射具有第一波长λ1的光。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件构成。下面将进一步描述色散、聚焦元件5的结构。
再参照图1，测量装置6也包括检测装置8。检测装置8在这种情况下布置成与主谐振器11相邻，以便检测光的特性，例如从主谐振器发射的光的波长、功率、偏振、或相位。依据待测量的特性，检测装置8可以例如是波长检测器或光强度检测器。
作为以上提到的色散、聚焦元件5的性能的结果，通过在不同的纵向位置之间，即沿谐振器的光束路径，移动测量对象，并由此改变谐振腔7的有效长度，测量装置6可以布置成发射具有不同波长的光，借此发射的具有一定波长的光唯一地与测量对象的一定纵向位置相对应。色散、聚焦元件能够实现对于谐振器的高Q值，即对于测量对象的每个位置对于窄波长间隔的较小损失。
因此，通过检测与在距离色散、聚焦元件5一段距离处的图像平面相对应的波长，实现测量对象沿z轴的位置测量，其中在该平面中定位测量对象的反射表面。可以使波长相对于测量对象的运动单调地变化。
可以在较大距离范围(及相应的波长范围)上进行测量，而不引起谐振器的模式跳跃。这归因于如下事实色散聚焦元件5形成为，在谐振器中模式的腰部以与波节图案的伸展相同的速度沿谐振腔的光轴运动，借此在谐振器中的总相移在测量对象的运动下保持恒定，这意味着避免模式跳跃。根据本发明的测量装置的波长范围仅由光学增益元件的带宽限制。
优选地，光通过主谐振器11的第一反射端部1耦合出，即在这种情况下通过光学增益元件3的第一端面3a，借此光可以由相邻谐振腔布置的检测装置8检测。而且，由检测装置8检测的一定波长与主谐振器谐振腔7的一定长度相对应。如以上描述的那样，主谐振器11在这种情况下由第一反射端部1和测量对象12限定，因而可以容易地得到测量对象的绝对位置。测量装置6也可以用于连续测量，借此由检测装置8检测的波长变化与在测量对象与测量装置之间的相对位置的变化相对应。
根据本发明第一实施例的这个第一替换例的测量装置可以用在与例如检测到测量对象的距离或检测未知表面地貌相关的几种用途中。后者可以通过在x-y平面中相对于测量装置运动测量对象而实现，借此可以检测表面凹凸。可替换地，可以使测量装置在x-y平面中相对于测量对象运动。例如，该装置可以用在扫描显微镜中，其中测量装置扫过测量对象。由对象的表面反射的波长然后由检测装置检测，借此谐振波长的变化成为表面地貌的度量，这可以用来显示所述对象的放大图像。
根据本发明第一实施例的第二替换例，测量装置可以用作在光盘播放机中的拾取装置，例如紧致盘(CD)播放机、数字多用途盘(DVD)播放机、或CD-ROM播放机。根据第一实施例的这个第二替换例的布置示意表示在图3中。图3表示具有限定谐振腔7的第一和第二反射端部1、2的主谐振器11，其中第二反射端部2由测量对象构成，在这种情况下由CD 15构成。光学增益元件3，例如关于这个第一实施例的第一替换例所描述的边缘发射半导体元件，布置在谐振器谐振腔内。可替换地，表面发射半导体元件可以用作光学增益元件。光学增益元件3具有第一和第二相对端面3a、3b，借此第一端面3a在这种情况下布置成构成主谐振器11的第一反射端部1。
测量装置6还包括色散、聚焦元件5，该色散、聚焦元件5布置在光学增益元件3的第二端面3b与测量对象之间的谐振腔7内。色散、聚焦元件5呈现波长依赖的焦距，该波长依赖的焦距产生图像平面的波长依赖位置，如在图2中表示的那样。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件构成。
在图3中的测量装置也包括检测装置8。检测装置8布置成与主谐振器11相邻，以便检测从主谐振器发射的光的性质。检测装置可以例如是检测功率的光电二极管、和/或波长检测装置。
检测对象，即CD 15，包含以数字形式存储的数据。数字数据由形成嵌在盘中的表面凹凸16的小凹腔代表。凹腔布置在盘上的螺旋数据轨迹中。凹腔代表第一数据值，并且在数据轨迹上的非凹腔区域代表第二数据值。
盘相对于测量装置定位，从而凹腔代表沿谐振器的光束路径与非凹腔相比不同的纵向位置。由此，作为以上所提到的色散、聚焦元件5的性能的结果，凹腔和非凹腔将反射具有不同波长的光，该波长分别与在沿z轴离色散、聚焦元件一段距离处的图像平面相对应。因而，第一波长代表凹腔，并且第二波长代表非凹腔。
这里应该注意，当聚焦光以便读取CD轨迹时，光的聚焦读取区域覆盖得比轨迹的凹腔的宽度大。这意味着，当读取光处于在凹腔处的位置中时，光的第一部分将在凹腔中反射，并且光的第二部分将由凹腔周围的盘区域反射。这意味着，反射光的第一部分由于色散聚焦元件将具有一定波长，而反射光的第二部分将具有另一种波长。因而，在具有凹腔的区域中，谐振器模式的不同横向部分看到不同的相移，这有效地增大谐振腔损失并且导致谐振器的减小输出功率。
因此，通过检测从谐振器发射的光的功率并且把输出转换成一和零可以实现在光盘上的数据的再现，从而一和零的串随后可以译码和解调及转换成例如音乐。与盘的位置相关的功率输出示意表示在图4a中。
优选地，光通过主谐振器11的第一反射端部1耦合出，即在这种情况下通过光学增益元件3的第一端面3a，借此发射光的功率可以由检测装置检测。
再参照图2，具有波长λ1的光聚焦在平面z31中，并且具有波长λ3的光聚焦在平面z33中。最大范围z31-z33取决于光学增益元件的带宽。在优选布置中，范围z31-z33远大于在光盘上由拾取装置读取的凹腔的深度。依据盘沿z轴线的位置，不同的波长和相应的功率级如以上描述的那样将由拾取装置检测。然而，在由凹腔产生的功率与由非凹腔产生的功率之间的相对差对于所有位置基本上相同，这意味着，可以实现在光盘上数据的再现。因此，盘可以定位在沿x轴的范围z31-z33内的任何位置处。这示意地表示在图4b中。
在图4b中，表明由检测装置检测的两种不同示意数据信号。y轴指示波长或盘的轴向位置，而标有“位置”的x轴指在盘表面上沿数据轨迹的位置。即使两个信号在不同的波长级处(指示盘沿z轴的两个不同位置)，它们对于光盘播放机也仍将产生基本上相同的输出，因为在不同数据信号中的第一和第二数据值(例如一和零)的相对位置是相同的。因而，拾取装置相对于沿在图3中的z轴的位置是自对准的。在图4b中两条曲线的波长的较小变化导致光的功率的变化，这代表在盘上的信息，如以上描述的那样。
当出现摆动补偿时自对准是一个优点。当盘不完全平时摆动发生，因而当盘旋转时，在盘与拾取透镜之间的距离改变。在已知的光盘播放机中，伺服机构典型地用来使拾取装置向和远离盘而运动，以便保持焦点，即摆动补偿。然而，通过使用根据本发明的拾取装置，避免摆动问题，因为透镜不必为了保持焦点的跟踪而运动。而是，拾取装置是自对准的，并且不需要伺服机构。这意味着，拾取装置可以用较少可移动部分建造，这导致更牢固和更容易制造的拾取装置。
根据本发明的拾取装置也可以便利地用来从在光盘上的不同层同时读取信息。诸层，例如在盘一侧上的两个层，代表沿z轴距离色散聚焦元件的不同距离，借此从不同层反射的光将具有不同的波长，如以上描述的那样。假定盘的诸个层沿z轴足够地分离，可以抽取凹腔产生的较小波长变化和对应功率变化，从而可以实现在光盘上的数据的再现。当然，摆动补偿方面也可以应用于这种多层读取。
本发明的第二实施例表示在图5中。图5表示一种包括主谐振器11的测量装置6，该主谐振器11具有由第一和第二反射端部1、2限定的谐振腔7。光学增益元件3，例如以上关于第一实施例的第一可替换例所描述的边缘发射半导体元件，布置在谐振器谐振腔7内。可替换地，表面发射半导体元件可以用作光学增益元件。光学增益元件3具有第一和第二相对端面3a、3b，借此第一端面3a在这种情况下布置成构成主谐振器11的第一反射端部1。测量装置6还包括色散、聚焦元件5，该色散、聚焦元件5布置在光学增益元件3的第二端面3b与第二反射端部2之间的谐振腔7内。色散、聚焦元件5呈现波长依赖的焦距，该波长依赖的焦距产生图像平面的波长依赖位置，如在图2中指示的那样。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件构成。
再参照图5，测量装置6也包括检测装置8。检测装置在这种情况下布置成与主谐振器11相邻，以便检测从主谐振器发射的光的特性。检测装置可以例如是波长检测器。
在根据这个实施例的测量装置中，测量对象，例如气体、液体或颗粒悬浮质，布置成穿过主谐振器11的光束路径流动，借此流动可以具有0m/s或更大的流动速度。测量对象可以在色散、聚焦元件5的任一侧上流动。
反射端部2，在这种情况下可以由例如镜面元件构成，沿谐振器的光束路径布置在固定纵向位置处，由此当没有测量对象存在于谐振腔中时，谐振器可以布置成发射具有恒定波长的光。这个恒定波长可以由检测装置8检测。
然而，当测量对象(例如气体18)存在于主谐振器11中时，气体18的存在和性能使谐振器介质的折射率改变。这又导致谐振器的有效光谐振腔长度改变，由此从主谐振器发射的光的波长由于以上相对于第一实施例的第一可替换例所描述的色散、聚焦元件5而改变。
因此，根据本发明的这个实施例的测量装置可以用来检测在测量装置中测量对象的存在，由此存在由从谐振器发射的光的波长或功率的变化指示，该光由检测装置8检测。图5的测量装置也可以用来测量例如改变谐振器的折射率的压力、温度、和/或温度等等的变化。
在图5中，由检测装置8检测的光通过主谐振器11的第一反射端部1耦合出，即通过光学增益元件3的第一端面3a。对于这种变形，第二反射端部2布置成是反射宽带平面镜，而第一端面3a布置成发射可以由检测装置检测的光的希望预定部分。可替换地，光可以通过主谐振器11的第二反射端部2耦合出。对于这种变形，第二反射端部2布置成发射可以由检测装置检测的光的一部分。
而且，反射端部2，例如镜面元件，可以具有在元件的横截面上以这样一种方式变化的反射率，从而它对于谐振腔的主模式是高度反射性的，而对于更高阶模式具有较低反射率。这导致空间滤波，即抑制更高阶空间模式，并且有利于谐振器的主模式，这对于某些用途，如气体分析，可能是希望的。以上效果可以通过把抗反射涂层、吸收层、铺层、光散射层、或反射性或透射性衍射表面凹凸施加到用于主模式的高度反射中央区域外的元件区域上而实现。
本发明的第三实施例表示在图6中。图6表示一种包括主谐振器11的测量装置6，该主谐振器11具有由第一和第二反射端部1、2限定的谐振腔7。第二反射端部2可以例如是具有以上关于第二实施例所描述的特性的镜像元件。光学增益元件3，例如以上关于第一实施例的第一可替换例所描述的边缘发射半导体元件，布置在谐振器谐振腔7内。可替换地，表面发射半导体元件可以用作光学增益元件。光学增益元件3具有第一和第二相对端面3a、3b，借此第一端面3a在这种情况下布置成构成主谐振器11的第一反射端部1。
测量装置还包括色散、聚焦元件5，该色散、聚焦元件5布置在光学增益元件3的第二端面3b与第二反射端部2之间的谐振腔7内。色散、聚焦元件5呈现一个波长依赖焦距，该波长依赖焦距产生图像平面的波长依赖位置，如在图2中指示的那样。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件构成。
再参照图6，测量装置6也包括检测装置8，该检测装置8布置成与谐振腔相邻，以便检测从主谐振器发射的光的性质，例如光的波长和/或功率。如在上述第二实施例中那样，光可以通过主谐振器11的第一反射端部1、和/或第二反射端部2耦合出。测量装置也包括驱动器9，该驱动器9连接到检测装置8上，并且连接到光学增益元件3上。驱动器布置成激励光学增益元件3，并且是可调节的，以便能够实现用来激励光学增益元件3的驱动电流的变化。而且，测量装置包括适于检测由驱动器9使用的电流的电流检测装置10。
在根据这个实施例的测量装置中，测量对象，例如气体、液体或颗粒悬浮质，布置成存在于主谐振器11的光束路径中。测量对象可以穿过光束路径流过谐振器，从而所述流依据用途可以具有0m/s或更大的流动速度。测量对象可以在色散、聚焦元件的任一侧上流动。
在图6中表示的本发明的实施例基于如下理解在谐振器中存在的诸如气体、液体或颗粒悬浮质之类的测量对象影响谐振器损失，借此穿过测量对象的光的功率以及因而由检测装置检测的光的功率减小。
功率减小例如可以由如下事实引起气体、液体或颗粒悬浮质可以吸收光的某些波长。
根据这个实施例的测量装置6例如可以用来测量已知测量对象的含量和浓度。在例如吸收具有已知波长(下文由λabs指示)的光的已知气体的测量之前，通过沿主谐振器11的光束路径把反射端部2移动到一定纵向位置而调节测量装置的反射端部2，由此改变谐振器的有效光学长度，从而测量装置的谐振波长与波长λabs相对应。谐振波长的调节以与以上关于第一实施例的第一可替换例所描述的相同方式实现。因为发明的布置，调谐间隔比较大，这提高测量装置的使用性。其中所期望波长可设置的间隔仅由光学增益元件的带宽限制。从谐振器发射的波长可以由检测装置8监视。
当测量对象，这里例如气体18，存在于谐振器中时，谐振器损失由于波长λabs的吸收而增加。然而，用来激励光学增益元件3的驱动器9被控制，以调节用来激励光学增益元件3的驱动电流，从而发射光的功率基本上保持恒定。这由在驱动器9与检测装置8之间的反馈环路实现。因而，增益元件3的驱动电流的变化补偿归因于通过气体的吸收的光的功率损失，借此发射光的功率基本上保持恒定。为了保持发射光的功率为恒定水平而由所述驱动器使用的电流则是气体的浓度的度量，如在图7中示意表示的那样。由驱动器9使用的电流由电流检测装置10检测。
由图7应该理解，把发射光的功率保持在恒定级处需要的电流越大，则气体浓度越高。优选地，测量装置在使用之前校准，以便确定用于不同测量对象的电流-浓度比值。
应该注意，气体可以布置成流过谐振器，借此有可能随着时间连续地测量气体含量。也应该注意，由于根据本发明的谐振测量，光传播经过测量对象多次，就像对较大体积的测量对象进行测量那样。这意味着，测量装置的尺寸与传统装置相比可以显著减小，在该传统装置中，光从测量对象的一侧发射，传播过测量对象，及在测量对象的相对侧被检测。
而且，根据这个实施例的测量装置6可以用来基于吸收而分析例如气体的混合物，以便检测在所述混合物中存在的气体的种类。在这种情况下，当混合物存在于谐振器中时，测量装置的反射端部2沿主谐振器11的光束路径纵向地运动，从而上述测量装置适于发射具有对应范围的波长的光。当扫描波长频谱时，某些波长将或多或少地由在混合物中的不同气体所吸收，这导致在这些波长处的光的功率的损失。这些功率损失由调节光学增益元件3以保持发射光的功率在这些波长处恒定的驱动器9所使用的电流的增大来指示。示例性扫描的结果示意表示在图8中。通过知道什么波长由什么气体吸收，由图8有可能确定在提供的混合物中存在什么种类的气体。
通过测量装置的校准、和通过知道光学增益元件的增益曲线，也有可能基于电流-波长图确定在混合物中气体的绝对含量。
这里应该注意，这种做法也可以用来分析具有几种吸收波长的气体。也应该注意，按照本发明，由于聚焦色散元件5的性能，在宽范围波长上可以进行上述扫描。扫描范围仅由光学增益元件的频谱带宽限制。这意味着，测量装置可以用来检测和测量宽范围的不同测量对象。
根据第三实施例的测量装置也可以用于基于光散射的测量。这种变形基于如下理解在诸如气体、液体或悬浮质之类的测量对象中的颗粒呈现波长依赖散射。当例如气体经受从一定方向入射的一定波长的光时，光散射。由此，谐振器损失变化，从而从谐振器发射的功率变化。例如气体的浓度越大，散射一定波长的光越多。
如以上那样，当测量对象，例如气体18，流过测量装置6的主谐振器11时，驱动器9被控制以调节所述光学增益元件3的驱动电流，从而发射光的功率基本上保持恒定。因而，光学增益元件的驱动电流的变化补偿由通过气体的散射造成的光的功率损失，从而发射光的功率基本上保持恒定。
为了保持发射光的功率在恒定水平而由所述驱动器9使用的电流随后由电流检测装置10检测，从而该电流是测量对象的性质的度量。
同样如以上那样，第三实施例的这种变形例如可以用来测量散射具有已知波长λscatter的光的已知测量对象的含量或浓度。在这种情况下，谐振器在使用之前通过反射端部2的调节而被调节以在这个波长下谐振。测量装置也可以用来通过扫描波长频谱以确定在什么波长下光被散射，而检测在混合物中存在什么物质、以及在混合物中物质的浓度。扫描可以在宽频谱上进行，这是因为测量装置的发明设置仅由光学增益元件的带宽限制。
下文将更详细地描述以上实施例的色散、聚焦元件。根据直接的方式，色散、聚焦元件由具有色散和聚焦特性的单个折射凸透镜元件构成。折射元件的折射率取决于入射光的波长，并由此实现色散效应。可替换地，色散、聚焦元件可以由一起起凸透镜作用的折射透镜的组合构成，即使组合的一个或多个透镜可以是凹的。在这种情况下，组合的焦距随入射光的波长而变。通过在组合中挑选适当的材料组合，有可能调节其色散，以便平衡由波长变化造成的谐振器的光学长度的变化，并因此提供没有模式跳跃的谐振器。况且，色散、聚焦元件可以由一个折射和一个衍射元件构成。这可以例如借助于一种透镜提供，该透镜具有一个折射表面、和带有衍射表面凹凸的相对的折射表面。这样一种元件也可以提供成衍射透镜元件和分离衍射元件，其例如可以布置成在携带第二反射端部的元件上的衍射表面凹凸(如在一个表面上具有衍射表面凹凸并且在相对表面上设有镜面的玻璃板)。这样一种分离衍射元件也可以与第二反射端部分离。然而要注意，在第二端部与衍射表面凹凸之间必须存在一定距离，以便实现所希望的功能性。在非直线谐振腔几何形状的情况下，如折叠谐振腔，色散聚焦元件可以提供为聚焦、反射表面，设有衍射表面凹凸。作为又一个替换例，色散聚焦元件可以布置成所谓的GRIN元件(梯度指数元件)，优选地在其表面之一上设有衍射表面凹凸。作为另一个可替换例，色散聚焦元件可以构成为在平面或弯曲表面上的衍射表面凹凸，该平面或弯曲表面是携带反射端部2的本体的部分。况且，有可能把全息光学元件，或者单独地或者与上述替换例的任一个相组合地，用作色散聚焦元件。而且上述替换例的其它组合是可能的。
关于以上描述色散聚焦元件，要注意，测量装置能够在不同波长下谐振，只要聚焦元件具有适当的色散，而与色散的符号无关。然而，在某些情况下模式跳跃可能是问题。通过以样一种方式平衡色散，从而谐振器Q值对于与在谐振器内的恒定相移相对应的波长依赖谐振器长度最大，可以得到没有模式跳跃的测量装置。色散将被选择成，模式的腰部以与波节图案的伸展相同的速度沿谐振腔的光轴运动。与波长相关的腰部的运动速度，对于某些透镜色散，可以通过调节在光学增益元件与色散聚焦元件之间的距离而控制。
所以，按照本发明，实现一种测量装置，该装置具有谐振间隔，即测量间隔，该间隔仅由光学增益元件的频谱宽度限制。相反，如果不使用色散聚焦元件，则实现一种测量装置，该装置仅呈现窄的、有限谐振间隔(在谐振器的约一个自由频谱宽度的数值的量级中)。
也要注意，通过本发明的配置，当使用边缘发射半导体增益元件时，光学增益元件的第二端部成像在谐振器的第二反射端部上，并且当使用表面发射半导体增益元件时，第一反射端部成像在谐振器的第二反射端部上，所述成像使谐振器配置稳定。所以，在一个反射镜平面中的任何物点成像在其它反射镜平面中。这种原理对于使用边缘发射半导体增益元件的情形显示在图9a中，其中反射端部2，例如测量对象，被倾斜地误对准。在图9a中标为21的光线碰到反射端部2，并且沿标为2的光束路径重新引导回谐振器。当标为22的光线达到表面3b时，该模式与光学增益元件的波导模式相卷绕，并且向第一反射端部3a继续，及在光学增益元件内反射，并且再次入射在表面3b上，此后重复以上过程。这可能看起来就像循环谐振器模式在波导/增益元件中被空间滤波，在谐振器中每个往返一次。在使用表面发射半导体增益元件的情况下，具有倾斜误对准的反射端部2的谐振器的稳定性表明在图9b中，表示在谐振器中重新引导的标为21-25的光线。基本原理与以上参照图9a描述的基本相同。
因而，由于在第一反射端部、或光学增益元件的第二端部上的任何物点，根据具体情况(见以上)，成像在第二反射端部上(并颠倒)的事实，测量装置的谐振器非常稳定，并且对于误对准不敏感。
还要注意，增益元件的端面3b可能设有或不设有抗反射涂层。在其中表面3b具有反射性的情况下，主谐振器包括两个耦合谐振器，一个由表面3a和3b限定，并且一个由表面3b和反射端部2限定。这导致得到的单调测量信号也包括周期变化。该变化由表面3b引起。周期性可以通过色散聚焦元件的色散的选择而控制。
最后，要注意，本发明和其元件的多种其它修改和变更对于本领域的技术人员，当研究本公开和附属权利要求时，是显然的。
例如，在以上实施例中光学增益元件的第一端面和谐振器的第一反射端部可以分离，其中第一端面在这种情况下可以设有抗反射涂层。
而且，尽管在以上实施例中的光学增益元件是半导体增益元件，但光学增益元件可以由各种材料制造，如半导体材料、掺杂波导材料，如铒掺杂光学纤维、或掺杂固态晶体。
而且，测量装置可以具有非直线谐振腔几何形状，如折叠谐振腔。
权利要求
1.一种用来对测量对象(12；15；18)的性质进行光学测量的测量装置(6)，该测量装置(6)包括主谐振器(11)，具有限定谐振腔(7)的第一和第二反射端部(1，2)，该谐振腔(7)具有一个有效光谐振腔长度；光学增益元件(3)，用来产生沿在所述第一与第二反射端部(1，2)之间的光束路径传播的光；色散聚焦谐振器元件(5)，沿在所述光学增益元件(3)与所述第二反射端部(2)之间的光束路径被定位，测量对象被布置成至少部分地定位在所述主谐振器(11)的光束路径内，测量装置(6)还包括用来检测从所述主谐振器发射的光的特性的检测装置(8)，所述被检测特性的值是所述测量对象的性质的度量。
2.根据权利要求1所述的测量装置(6)，其中，待由所述检测装置(8)检测的光的特性是从所述主谐振器(11)发射的光的波长(λ)、功率(P)、偏振、或相位的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，所述测量对象是固体对象。
4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其中，反射端部(2)由所述测量对象构成。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述测量对象和测量装置的其余部分被布置成，在与由所述测量对象反射的光束的方向基本上相垂直的方向上彼此相对地运动。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其中，所述检测装置(8)被布置成检测在所述测量对象上存在的表面凹凸。
7.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，所述测量对象是气体、液体或颗粒悬浮质的一种。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述测量对象被布置成流过所述主谐振器(11)的光束路径，从而影响所述有效光谐振腔长度。
9.根据以上权利要求任一项所述的测量装置，其中所述测量装置还包括用来以可变驱动电流激励所述光学增益元件(3)的可调节驱动器(9)。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其中所述测量装置还包括电流检测装置(10)，用来检测由激励所述光学增益元件的所述驱动器(9)使用的电流。
11.根据以上权利要求任一项所述的测量装置，其中所述光学增益元件(3)具有第一和第二相对的端面(3a，3b)，所述第二表面(3b)定位在所述主谐振器(11)内。
12.根据以上权利要求任一项所述的测量装置，其中从主谐振器(11)发射的光从所述反射端部(1，2)的至少一个发射。
全文摘要
本发明涉及一种用来对测量对象(12；15；18)的性质进行光学测量的测量装置(6)，该测量装置包括主谐振器(11)，具有限定谐振腔(7)的第一和第二反射端部(1，2)，该谐振腔(7)具有一个有效光谐振腔长度；光学增益元件(3)，用来产生沿在第一与第二反射端部(1，2)之间的光束路径传播的光；及色散聚焦谐振器元件(5)，它沿在光学增益元件(3)与第二反射端部(2)之间的光束路径定位，其中测量对象被布置成至少部分地定位在主谐振器的光束路径内，并且其中测量装置还包括用来检测从主谐振器发射的光的特性的检测装置(8)，所述被检测特性的值是测量对象的性质的度量。
文档编号G11B7/135GK1890730SQ200480036052
公开日2007年1月3日 申请日期2004年12月3日 优先权日2003年12月5日
发明者肯尼特·维尔海尔姆森 申请人:阿尔法艾斯股份公司