光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请设及光谱学，尤其设及一种光学谐振器用反射镜及其光学谐振器和光谱测 量仪。
【背景技术】
[0002] 目前，空腔回路衰减光谱技术（C畑S，cavity ring-down spectroscopy)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 谐振器中的光子平均寿命作为吸收灵敏度的可观测量。
[0003] -般地，光学谐振器由一对名义上相同的、窄带的、超高反射性介电反射镜形成， 经适当配置可W形成一个稳定的光学谐振器。一个激光脉冲通过一个反射镜射入谐振器W 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（transit time)、谐振器长 度、吸收横截面和物质的浓度数量、内部谐振器耗损因子(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的最终灵敏度由谐振器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W使运个耗损值减至最小。
[0004] 从现有资料来看，组成空腔回路衰减光谱吸收光谱仪的谐振器的长度一般都在1 米W内，典型的长30厘米至70厘米，其吸收系数表达式为a(v) = <-i片-To^i)。因此，从吸收 系数表达式可W看出，使用基于由高反射率镜片组成的谐振器可W具有很高的测量灵敏 度，一般在PPb量级甚至更高。
[000引在谐振器中，反射镜的反射面锻设有高反射膜层，进而提高光线的反射率。所述高 反射膜层为金属反射膜或介质反射膜。若使用金属反射膜，由于单层的金属膜硬度较低，极 易被擦伤，因此，常在金属膜上加锻保护膜，且金属反射膜本身就需经多次锻设而成，得到 的金属反射膜一般包含多层膜层。类似地，当使用介质反射膜时，介质反射膜一般也需要通 过多次锻设而成，因此，得到的介质反射膜也包含多层膜层。
[0006] 在实际使用中，基于反射镜的谐振器，由于其高反射膜层是锻在前表面的（即镜片 锻外反射膜)的，此时，反射镜的反射面和接触样品的接触面重合，即同为一个面，所W在实 际使用时该高反射膜层和谐振器中的样品会直接接触。
[0007] 无论是金属反射膜还是介质反射膜，由于各膜层之间的粘附性、膜层和基底材质 之间的粘附性、W及膜层的致密性有限，当将高反射膜层置于高溫、高湿、高粉尘、腐蚀性等 恶劣环境中时，环境中的气体、水汽及杂质容易进入到高反射膜层的各个膜层之间W及高 反射膜层与玻璃基底的连接处，使得高反射膜层容易被破坏;另外，在高反射膜层的制备过 程中，一般会引入颗粒异物，所引入的颗粒异物会造成高反射膜层的缺陷，当有膜层缺陷的 反射镜置于恶劣环境中时，会加剧破坏作用，运不仅使得高反射膜层的反射率降低，损失光 能，而且破坏过程脱落的膜层还可能会阻挡光路，进一步降低光能的收集效率，甚至会使得 玻璃在高反射膜层的应力的作用下变形破裂。
[0008] 因此，基于反射镜的谐振器在使用中其膜层容易被样品W及样品中的杂质所破 坏，影响光谱测量工作的正常进行。 【实用新型内容】
[0009] 现有技术中，谐振器中使用锻设外反射膜的反射镜为一种沿用设计，运是由于在 使用单片锻设外反射膜的反射镜进行反射光线时光线无须进入玻璃层(基底)而直接被外 反射膜反射，进而具有损耗低、高反射率的优点。考虑到运一优点，本领域技术人员在设计 谐振器时直接沿用上述设计，而未考虑其他设计方案。
[0010] 鉴于现有技术的不足，本申请提供一种谐振器用反射镜及其谐振器和光谱测量 仪，W能够使反射镜的膜层难W被样品W及样品中的杂质所破坏。
[0011] 为达到上述目的，本申请一种用于样品测量的谐振器用反射镜，该反射镜包括：
[0012] 第一面，其具有反射区域;所述反射区域上锻设有反射膜W用于将光线反射；
[0013] 至少一个第二面，其将所述反射区域与待测样品隔离，W使所述反射膜不与待测 样品接触。
[0014] 作为一种优选的实施方式，所述第一面与所述第二面沿着光路行进方向前后设 置，被所述反射区域反射的光线经所述第二面入射或出射。
[0015] 作为一种优选的实施方式，所述光线W布儒斯特角出入射所述第二面。
[0016] 作为一种优选的实施方式，所述反射镜包括至少一个面为曲面。
[0017] 为达到上述目的，本申请还提供一种光学谐振器，其能接收和发出光线，并能将接 收到的光线在其内部传播，所述光学谐振器包括：
[0018] 光学元件，所述光学元件包括至少一个如上任一实施方式所述的反射镜。
[0019] 作为一种优选的实施方式，所述光学元件至少为两个，所有所述光学元件将光线 形成闭合光路。
[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镜。
[0021] 作为一种优选的实施方式，还包括:匹配光学件，所述匹配光学件能将光源光线与 光学谐振器的模式匹配。
[0022] 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。
[0023] 为达到上述目的，本申请还提供一种光谱测量仪，包括如上任一实施方式所述的 光学谐振器。
[0024] 通过W上描述可W看出，本申请所提供的所述谐振器用反射镜通过设有将所述第 一面与待测样品隔离的所述第二面，保证所述反射区域不会与待测样品进行接触，进而保 证所述反射区域上的反射膜不会与待测样品接触，使得待测样品W及样品中的杂质难W进 入到反射膜中，所W本申请所提供的谐振器用反射镜能够使反射镜的膜层难W被样品W及 样品中的杂质所破坏。
【附图说明】
[0025] 为了更清楚地说明本实用新型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 是本实用新型的一些实施例，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W根据运些附图获得其他的附图。
[0026] 图1是高斯光束沿巧由传播示意图；
[0027] 图2是复参数为q的高斯光束示意图；
[0028] 图3是一种由两个反射镜组成的两镜谐振器示意图；
[0029] 图4是一种谐振器中的折叠腔示意图；
[0030] 图5是图4所示折叠腔的等效多元件直腔示意图；
[0031 ]图6是一种谐振器中的环形腔示意图；
[0032] 图7是图6所示环形腔的等效多元件直腔示意图；
[0033] 图8是一种平行平面腔示意图；
[0034] 图9是非偏振入射光线在空气中入射到玻璃表面的示意图；
[0035] 图10是本申请一个实施方式提供的反射镜示意图；
[0036] 图11是本申请一个实施方式提供的反射镜示意图；
[0037] 图12是本申请一个实施方式提供的反射镜示意图；
[0038] 图13是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0039] 图14是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0040] 图15是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0041 ]图16是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0042] 图17是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0043] 图18是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0044] 图19是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[004引图20是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0046] 图21是本申请一个实施方式提供的谐振器示意图；
[0047] 图22是本申请一个实施方式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，都应当属于本实用新 型保护的范围。
[0049] -、一般原理
[0050] 下面将给出与本实用新型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，W便对本实用新型有一个完整的理解。
[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W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。
(丄1)
[00巧]其中，R(Z)、CO (Z)、W的表达式如下所示：
[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宽，式（I.3)表示了高斯光束的等相面曲率半径，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中的任意两个即可确定，一般用复参数q表示高斯光束， 如式(1.5)所示。
(1.5)
[0063]高斯光束复参数q通过变换矩阵
1的光学系统的变换遵守ABCD定律：
(L6)
[006引如图2所示，如果复参数为qi的高斯光束顺次通过变换矩阵为：
(1. 7)
[0067]的光学系统后变为复参数为q的高斯光束，此时ABCD定律亦成立，但其中ABCD为下 面矩阵M的诸元：
[006 引 M=Mn...M2 化（1.8)
[0069] B:光学谐振腔
[0070] 稳定的光学谐振腔是指可使高斯光束的复参数q在传播一个周期后(往返一周或 环绕一周)满足自再现条件，即q = q(T)或腔内存在着高斯分布的自再现模。所W光学谐振 腔具有两个特点：1、谐振腔的尺寸远大于光波的波长;2、一般为开腔。
[0071]