[发明专利]使用球面反射镜同时获得密集光斑图案的多通道池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月24日提交的第61/467,171号美国临时申请的权益，该临时申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及一种光学多通道池（MPC）构型，并更具体地，涉及一种使用直接射线追踪技术配置的以产生光斑图案的安排，这些光斑图案布满各反射镜表面的大部分，而无明显的光束光斑重叠。

发明背景

一种用于检测环境中少量气体的已知成功系统是通过使用吸收光谱学。通过这种技术，特定气体高度吸收的具有选定波长的光束穿过该气体的一个样品，其中设计了仪表来检测该特定气体。该光束的吸收率被用作该光束中的该气体浓度水平的指标。为了通过光谱吸收提高检测低浓度水平气体的灵敏度，有必要让该光束穿过该气体样品的一个较长的通路。换言之，由于吸收的增多，当穿过一个样品的光束的长度增大时，该仪表检测到非常小的气体水平的灵敏度也增强。

容易理解的是，如果将一个光束穿过一个很长的含有一个气体样品的管道，这些要求这个长度的管道的仪表将会非常笨重并因此不便携带。为了克服这个问题，其他人设计的系统中，光束在相对的反射镜之间反复反射，由此以可以将该仪表的尺寸实质性减小的方式扩展该光束暴露在一个气体样品中的长度。

这种类型的典型吸收池被称为“多通道池”并包括一个狭长圆柱，在该圆柱中，多个反射镜在相对端放置，并通过这些反射镜之一中的一个孔将光引到这些池中。由于来自各光斑的散射光可以反射到重叠光斑的光束方向中，从而造成干扰标准具条纹图案，这些多通道池必要地避免让反射镜反射光斑位置重叠。这些池还普遍使用凹面镜面在每次反射时将光束重聚焦，从而防止激光束在该长光程上发散。

图1展示了一个示例性现有技术多通道池安排1，包括一对反射镜2、3，这些反射镜被隔开一预定间距d以形成一个光学腔。在该示例中反射镜2、3各自具有相同的曲率半径，并采取具有一个焦点的球面反射镜的形式。为了产生一个光斑图案，将一个入射激光束在一个离轴取向上（即相对于安排1的光轴OA的离轴）引入该腔。参照图1，示出了由一个激光源5提供的并通过在反射镜3中形成的孔4引入该系统的入射激光束I。然后入射激光束I在反射镜2和3之间多次反射，最终如图所示通过孔4射出，并进入一个检测器6。因为该输出激光束与该输入光束穿过相同的孔径，所以该具体的现有技术实施例被描述为一个“重入”构型。

在图1中还示出了由这些反射形成的一个示例性光斑图案。明显地，通过增加反射次数（因此增加光斑数量），光程长度才增加。对许多安排，例如如上所述的微量气体感测中，在一个较小的物理尺寸内（也就是，大多趋向于厘米级别的一个间隔d）利用一个较长的光程长度（以米计量，有时候是几十个反射镜）是优选的。在提高光斑密度提供这个期望的结果的同时，防止这些光斑重叠也同样重要（否则会产生不想要的干扰效果、条纹图案等）。因为现有技术构型通常利用球面构件，这些构件产生的光斑图案的形式要么是一个单圆图案要么是一个单椭圆图案，这些池被限制在发生重叠之前可以形成的光斑数目以内。