多程单元的制作方法

1.本公开总体上涉及多程单元以及这类多程单元在吸收光谱法、光学和激光制造中的用途。


背景技术：

2.多程单元用于提供使腔体内的光横穿期望的总光学路径长度的光学腔体。反射镜或单元的其它反射表面用于在反射点处重定向光，并且这类反射表面的布置可用于将光限制在限定空间内(例如，由反射表面包围的体积)并使光在离开光学腔体之前沿受控路径行进。
3.多程单元的一个常见应用是吸收光谱法，它用于确定气态或液体介质中吸收物质的浓度。吸收光谱是一种非破坏性技术，它依赖于原子和/或分子在特定波长下对光的吸收。在这一过程中，光子的能量被电子或物质中的原子和/或分子吸收。光学技术用于分析穿过样品的衰减光。根据吸收光子的能量(这将取决于被分析样品的特定吸收特性)，使用紫外、可见或红外吸收光谱方法。分光光度计可用于定量测量样品的吸光度。透射光谱的表征允许确定物质的浓度、某些化学或生化反应的动力学测量以及某些化学或生物物种的标识。
4.由比尔-朗伯(beer-lambert)定律给出了波长λ处透射强度i(λ,x)的光吸收作为行进距离x的函数：
5.i(λ,x)＝i0(λ)exp(-α(λ)x)
6.方程(1)
7.溶液中气体或液体物质的吸收取决于吸收系数α(λ)(其本身取决于吸收介质的浓度)和光穿过吸收介质行进的距离x(以下称为光学路径长度)。吸收系数α(λ)是化学物质的固有属性，取决于所考虑的原子或分子的电子、振动或旋转线吸收。大多数化学物质在整个电磁光谱中具有一组吸收跃迁带。
8.驱动这些跃迁所需的光源常常无法在市场上买到或非常昂贵。大多数廉价光源仅适用于这类光谱的窄可见-近红外部分，其中若干种化学物质仅具有弱吸收大气跃迁带。举例来说，如水的气体物质或如氧气的双原子分子在光谱的可见光和近红外(vis-nir)部分具有弱吸收跃迁。因此，这些吸收跃迁对光的变化不太敏感，这使得低浓度的检测非常具有挑战性。
9.对于给定的α(λ)，可通过改变光学路径长度来改变吸收的灵敏度，因为这会改变发射光与被分析物质的相互作用时间。因此，更长的光学路径长度会导致更好的灵敏度和更低的检测限。然而，当需要大致若干米的光学路径长度时，增加光源和检测系统(所谓的单程系统)之间的直线上的光学路径长度并不是实际的解决方案。
10.多程单元是用于吸收光谱的已知工具，用于增加总光学路径长度并因此增加吸收光谱法测量的灵敏度。第一多程单元设计由white于1942年提出并演示，称为white单元。白色单元如图1所示。另外一种多程单元是herriott单元，它于1965年提出，如图2所示。这两
个单元均包括相对的凹面反射表面。
11.现有技术的多程单元存在若干个缺点。white单元中光学组件的稳定性为微弧度量级，这使得white单元对振动和机械失准敏感。herriott单元比white单元更稳定，但它不接受非常高的数值光束孔径，并且可实现的光学路径长度受到限制。此外，一些herriott系统的缺点在于所用组件的高价格以及与光学对准相关联的困难。另外，herriott单元类型依赖于在反射镜中创建孔隙(用于横穿光的输入和输出)，这代表了附加的工业步骤，显著增加了光学设置的总成本。因此，本公开的一个目的是解决现有技术的多程单元的这些和其它问题。


技术实现要素：

12.在此背景下且根据第一方面，提供了根据权利要求1所述的多程单元。还提供了使用本公开的多程单元的设备。举例来说，提供了根据权利要求30所述的吸收光谱仪、根据权利要求31所述的用于激光器的前置放大器和根据权利要求32所述的激光器。
13.本公开涉及高度稳定且制造相对便宜的多程单元。多程单元可用于吸收光谱，但也可用于各种其它领域。该单元具有光学腔体并可提供高达或大于50或100米的光学路径长度。本公开提供了一种光学结构，该光学结构可使用廉价的、可商购的组件制造，并且表现出显著的机械公差，使其适合于承受振动并简化工业实施方式中的机械对准。
14.本公开的一些多程单元基于两个棱镜和一个凹面(例如球面)镜的组合，它们分别用作多程单元的两端。棱镜限定第一端且凹面镜限定第二相对端。光可穿过单元的一端(典型地在棱镜之间)进入，并且在单元的第一端和第二端之间反复反弹。与现有的多程单元相比，两个棱镜组合的光学属性引起稳定性增强。例如，因为棱镜被布置为具有垂直表面，所以由凹面镜朝向棱镜反射的光至少部分地被棱镜回射。因此，可减少光在反复横穿单元时的扩散。尽管原则上，光的发散可由于光学系统的轻微失准、棱镜表面的缺陷和/或进入单元的光的波形缺陷而发生，但在目前描述的多程单元中，部分回射单元末端对这些缺陷不太敏感，因此它们的影响会降低。
15.通过使用三个相互垂直的反射表面(例如角反射器)也可实现由于减少光的传播而提高稳定性的优势。单元的部分(或完全)回射端与单元的另一端处的凹面(例如聚焦)反射器结合使用是特别有利的。
16.本公开的多程单元提供附加的益处。举例来说，虽然可使用例如两个反射镜来提供垂直反射表面，但是两个棱镜(尤其是横截面是直角等腰三角形的两个棱镜)的组合是特别有利的。两个直角等腰三角棱镜可并排放置(靠在由横截面的斜边限定的面上，棱柱的轴线平行)，这样它们就限定一对垂直的表面。此外，通过在棱镜的边缘(与棱镜的轴线平行的边缘)之间设置小狭缝来定位棱镜，可容易地提供允许光在棱镜之间通过的孔隙。三角棱镜是广泛可用的光学组件，易于精确布置(例如，使用安装结构)以提供上述优势，并且为安装在光学布置内提供更大的表面积，从而提高反射表面的稳定性。因此，棱镜为制造一对垂直反射表面提供了一种有效且可靠的方法。
17.由本公开的反射器布置提供的增强的稳定性允许单元为反射器之间的任何给定间隔提供极长的光学路径长度(并且因此还有光在单元内的长时间持续时间)。例如，可调节单元两端之间的间隔，以及可调节光进入单元的角度。通过改变单元几何形状的这些属
性，单元内光横穿的总路径可从小于1m调节到几十米甚至大于100m。这可为吸收光谱法分析提供相对较长的路径长度，并且可用于在双脉冲激光系统中提供脉冲之间的时间延迟。一般而言，单元末端之间更大的间隔导致更大的路径长度，并且增加的路径长度也可通过增加光进入单元的角度来实现(即通过以距单元的纵向轴线更大的角度进入光)。
18.由本公开的单元提供的对光学路径长度的控制程度和稳定性在各种情况下均是有用的，包含在吸收光谱法中，其中长的光学路径长度有助于从样品中获得显著的吸收峰。这些单元在双脉冲系统的情况下也是有利的，因为这些单元可用于在激光脉冲之间引入相对较长的延迟。这类双脉冲系统可用于例如双脉冲激光诱导击穿光谱(libs)，从而避免需要复杂的电子器件或多个激光器来提供具有足够长的时间延迟的双激光脉冲。
附图说明
19.现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的现有技术多程单元和实施例，在附图中：
20.图1示意性地示出了现有技术的white单元；
21.图2示意性地示出了现有技术的herriott单元；
22.图3a至3d示意性地示出了根据第一实施例的多程单元；
23.图4a至4c示出了第一实施例的多程单元的稳定性分析图。
24.图5示出了第一实施例的多程单元的驻波模式。
25.图6示出了水蒸汽的透射率曲线图；
26.图7示意性地示出了第二实施例中的多程单元；
27.图8示意性地示出了第一和第二实施例的多程单元的替代第一反射器布置；
28.图9a和9b示意性地示出了第一和第二实施例的多程单元的安装结构；
29.图10示意性地示出了利用本文所描述的多程单元的吸收光谱仪；
30.图11a至11d示意性地示出了利用本文所描述的多程单元的双脉冲激光系统；
31.图12a和12b示出了机械分光的原理和用于分光的光学布置；
32.图13示意性地示出了利用本文所描述的多程单元的双脉冲激光诱导击穿光谱仪；和
33.图14示意性地示出了利用本文所描述的多程单元的激光前置放大器。
具体实施方式
34.图1示出了现有技术的white单元。white单元包括具有相同曲率半径的一组三个球面镜a、a'和b。反射镜a和a'彼此相邻，并且每个面反射镜b。光束的进入和离开发生在单元外部，如图1所示，这使得可将white单元与外部相干激光束结合在一起。
35.图1示出了光在朝向位置4离开white单元之前可在反射镜a、a'和b之间横穿一系列不同的路径。光线路径上的箭头方向显示入射光线和反射光线。光在white单元中横穿的光学路径长度取决于所描绘的路径中的哪一条被横穿。显然，反射镜a、a'和b之间的距离将影响光在单元内横穿的光学路径长度。此外，光在单元内反射的次数会影响光学路径长度。
36.可通过对a或a'进行旋转调节来更改遍历次数，这会改变光穿过单元的特定路径。在图1所示的white单元配置中，光从光源进入并从反射镜a反射到反射镜b，然后在位置1或
3处入射。在位置1和3入射的光被反射到反射镜a'，在那里再次反射。如图1所示，从反射镜a'反射的光可经过两条路径。光可从反射镜a'向位置4反射并因此离开单元。另选地，可从反射镜a'反射回反射镜b并横穿反射镜布置内的另一个电路。在这种情况下，光被反射朝向反射镜b上的位置2，然后朝向反射镜a，然后朝向反射镜b，然后朝向反射镜a'。一旦光返回到反射镜a'，光可离开单元朝向位置4，或者可重复该过程以横穿反射镜布置一次或多次。
37.white单元的路径长度从小于一米到数百米不等。然而，如前所述，图1中描述的white单元布置对振动和机械失准很敏感。三个反射镜中的任何一个之间的轻微失准均可能导致光无法沿期望的方向离开单元，或者根本不离开单元。
38.在图2中，描绘了一个herriott单元，它包括两个反射镜m1和m2。反射镜m1和m2是平行的球面反射镜，其中一个反射镜具有圆形孔隙(可为轴线上的或离轴线的)，允许光束进入和离开单元，如由标签“输入”和“输出”所示。输入光被引导向并入射到反射镜m2上，反射镜m2将光反射回反射镜m1。然后，反射镜m1将光反射到m2，m2将光反射回m1，然后再反射回m2，最后被反射回输出光的孔隙。反射镜m1和m2之间的距离将影响光在单元内横穿的光学路径长度。反射镜的曲率和反射镜之间的间距决定了光在单元内横穿的路径。
39.另一种herriott单元使用两个在它们之间具有相对角度的像散镜，允许反射在镜面上跨越椭圆，从而更有效地利用整个镜面，从而增加光学路径长度。其中一个反射镜再次拥有中心圆形孔隙，以允许光束进入和离开单元。
40.如前所述，herriott单元比white单元更稳定，但它不能接受非常高的数值光束孔径且光学路径长度有限。此外，像散镜价格昂贵且难以对准。此外，带孔隙的反射镜不是标准光学组件，因此在反射镜中创建中心或离轴线孔隙会增加多程单元的制造复杂性和成本。因此，需要对这类现有技术的多程单元进行改进。
41.与这类现有的多程单元相比，概括地说，本公开提供了一种多程单元，包括：第一反射器布置；和第二反射器布置；其中第一反射器布置被配置为使得入射在第一反射器布置上的光至少部分地朝向第二反射器布置回射。有利地，使用至少部分回射的反射器布置提供改进的机械稳定性的效果，因为部分回射表面抑制入射在其上的光的散射，并且因此光以减少或最小散射被反射回其源。在这种情况下，光从第一反射器布置朝向第二反射器布置反射，这允许本公开的多程单元比现有技术的装置承受更多的机械失准，而现有技术的装置不能容忍明显的失准。
42.本公开的第一反射器布置可基于其结构而不是其部分回射性以替代术语来限定。举例来说，第一反射器布置可限定为具有两个垂直(或基本上垂直以提供部分回射性)的反射表面或三个相互垂直(或基本上垂直以提供回射性)的反射表面。平面镜只有当光完全垂直于反射镜且入射角为零时，才会将入射到其上的光反射回其光源。虽然激光表现出低程度的光束(或脉冲)发散度，但没有激光束是完全准直的。此外，没有反射镜是完全平面的。因此，对于真实的光源，典型地会发生一些来自平面镜的散射。因此，在本公开的上下文中，平面镜不被认为是部分回射的。相反，在本公开的上下文中，如果反射器布置为穿过一定范围(即多个)的入射角的光提供回射作用(与仅可回射以单个入射角入射的光的完美平面镜不同)，则反射器布置至少是部分回射的。
43.可使用角反射器获得回射率，该角反射器包括三个垂直的平面反射器，这些反射器使入射到角反射器中的任何光回射到其光源。仅使用两个垂直平面镜也可实现部分回
射，并且在这种情况下，从一系列方向入射的光将被回射。然而，缺少第三反射表面意指在由两个平面的交线限定的方向上具有分量的光将不会被完美地回射到其光源。相反，两个平面垂直反射镜对于垂直于由两个平面的交点限定的方向的光是回射的。
44.图3a、3b、3c和3d中描绘了多程单元300的第一实施例，图3a、3b、3c和3d示意性地示出了四种不同配置的多程单元300。图3a至3d的多程单元300被配置用于吸收光谱法。
45.多程单元300包括密封容器302形式的外壳以容纳待分析的气态样品。如图所示，容器302具有入口303a和出口303b点，它们分别充当样品的入口和出口。可为相干光(例如由激光器生成的光)的光301穿过光学窗口304进入容器302，该光学窗口对光源的选定波长是透明的。光301以相对于窗口304表面的法线的入射角θ被引导。角度θ也是光301的方向与单元的纵向轴线300z之间的角度。纵向轴线300z在图3a中示出，但为简单起见从图3b、3c和3d中省略。角度θ典型地为2
°
到10
°
(尽管可使用其它角度范围)。
46.多程单元300包括第一和第二反射器布置305和307。反射器布置305和307被布置为使得进入多程单元300的光在两个布置之间被重复反射(不从除了两个反射器布置的表面之外的任何表面反射)，并且反射器布置305和307限定光学腔体315。
47.第一反射器布置305包括两个棱镜305a、305b，它们被定位成使得典型地为2至10mm宽的小狭缝306限定在棱镜305a和305b之间。第一反射器布置包括基本上垂直的两个表面(两个棱镜的面)。狭缝306与窗口304对准并用作光束或光脉冲可穿过其进入和离开限定在多程单元300内的光学腔体315的孔隙。
48.此实施例的第二反射器布置307是球面圆形反射镜，其定位在距棱镜305a和305b距离d处。在此实施例中，第二反射器布置307没有孔隙，因此光不能穿过第二反射器布置。第二反射器布置307面对第一反射器布置的棱镜305a和305b。
49.在使用中，光301穿过光学窗口304和棱镜305a和305b之间的狭缝306进入单元。然后，光从球面镜307反射，球面镜将光反射并聚焦回第一反射器布置305。光从棱镜305a和305b中的一个反射到棱镜305a和305b中的另一个，并且由于棱镜305a和305b的位置使得它们的面垂直，因此光通过两个棱镜的组合被回射回球面镜307。反射器布置305和307的对称性使光遵循单元300内的特定路径，并且该路径相对于失准非常稳定。在光学腔体315内多次反射之后，光的路径最终入射在棱镜之间的狭缝306上，因此光308从单元300射出。当在横截面中(在垂直于棱镜305a和305b的轴线的平面中；或等效地在其法线向量是棱镜305a和305b的平面反射表面的交线的平面中)观察光学腔体315时，光308从单元300射出的角度θ等于(但在相反方向上)光301进入单元300的角度。
50.因此，两个棱镜305a和305b以及球面镜307的组合限定一组驻波模式，这些驻波模式可在沿光308的出射方向离开腔体315之前将光捕获在单元300内进行多次反射。反射次数以及因此在多程单元300内可实现的总光学路径长度取决于许多因素，包含：棱镜305a、305b的表面积；球面镜307的曲率半径；光301进入腔体315的角度；以及棱镜305a、305b和球面镜307之间的距离d。因此，光学路径长度取决于设置的几何特性。然而，光学路径长度不受光的物理特性(包含波长、每单位面积的光束能量，或者光301是脉冲波还是连续波)的影响。
51.几何结构对光学路径长度的影响如图3a至3d所示，它们描绘了不同配置的模拟光线轨迹。在图3a中，第一反射器布置305和第二反射器布置307之间的间隔是d＝150mm。这是
两个棱镜305a和305b与球面镜307之间的孔隙中心之间的距离。这种布置引起8次反射且总光学路径长度为1.2m。在图3b中，距离d增加到485mm，引起66次反射且总光学路径长度为31.9m。在图3c中，距离d另外增加到525mm，引起88次反射且总光学路径长度为46.3m。图3b和3c中的入射角与图3a中的相同。
52.图3d示出了多程单元300的特殊情况，其中距离d正好等于第二反射器布置307(在这种情况下是圆形镜)焦距的一半。可看出，在此布置中，入射光301穿过第一反射器布置305并照射到第二反射器布置307，然后被反射回第一反射器布置305。第一反射器布置305然后将光部分地回射回第二反射器布置，并且由于该配置的高度对称性，光返回到第一反射器布置的中心，在该中心它沿出射光308的方向从光学腔体315射出。确保第一和第二反射器布置305和307被第二反射器布置307的焦距的一半分离使得光正好四次横穿单元300的长度。
53.图3d被简化并省略了图3a、3b和3c的外壳。然而，图3d另外说明了用于将从单元300射出的光308指引至期望目的地的光学布置312(例如，检测器，其任选地可包含允许检测作为其波长函数的光的光谱仪)。在这种情况下，光学布置312包括反射镜和透镜，但是光学元件的各种组合可用于将光引导至期望的目的地。
54.因此，图3a至3d的实施例提供了基于两个棱镜305a和305b以及凹球面镜307的组合的新型多程单元300架构。从这些图中可看出，可实现宽范围的光学路径长度。这种架构可用于吸收光谱，并且可提供高达或大于50米的光学路径长度(相当于大约167纳秒的时间延迟)。
55.图4a、4b和4c描绘了图3a至3d的多程单元300在略微失准时的模拟。如前所述，本公开的实施例提供的优势是当反射器布置之间存在高达4
°
的失准时增加的稳定性。这可通过研究受控失准对相干光束追踪的光学路径的影响来证明。
56.图4a、4b和4c中的每一个均由3个子图组成，概述了不同的失准情景。图4a示出了针对图3a中呈现的几何形状的多程单元的稳定性研究，其中反射器布置305和307之间的间隔为d＝150mm。图4b是针对图3b中呈现的几何形状的多程单元的稳定性研究，其中反射器布置305和307之间的间隔为d＝485mm。图4c是针对图3c中呈现的几何形状的多程单元的稳定性研究，其中反射器布置305和307之间的间隔为d＝525mm。
57.在每种情况下，中心子图对应于通过在棱镜305a和305b与球面镜307之间创建驻波模式而在单个平面上遵循光学路径的良好对准的激光束。对于图4a至4c中描绘的稳定性分析，出射光束被收集到检测系统309上。
58.当光束在x维度上从-2
°
(左子图)到 2
°
(右子图)失准时，光学路径不再局限于单个平面，并且可跨越棱镜305a和305b与球面镜307之间的整个体积。此实施例中提出的几何结构允许在失准的情况下维持驻波模式的完整性，这意指即使在严重的失准条件下光束也可成功地离开单元300。在图4a、4b和4c中的每一个中，均示出了在x维度-2
°
至 2
°
)上具有高达4
°
的入射失准角的光束。这导致光学路径相对于对准的情况倾斜，其中所有反射均位于单个平面上。在这些边界内，光束仍然能够在多程单元内创建驻波模式并成功地离开以在检测系统309处进行检测。
59.图5示出了对本实施例的几何结构稳定性的另外研究，其中在x维度上将失准应用于球面镜307。模拟如图5(a)、5(b)和5(c)所示。如果反射镜307的中心位于源自光源301并
穿过狭缝306的中心(在棱镜305a和305b之间)的同一段上，则认为反射镜307是对准的。反射镜307在正方向上从该段移开10mm，然后在负方向上移开10mm。通过模拟光在棱镜305a上的撞击位置作为这些失准的函数来证明系统的稳定性。棱镜305b上的行为是类似的。
60.图5(b)对应于未发生失准的情况。在这种情况下，腔体315内的驻波模式位于棱镜305a上方的一条线上。当发生10mm的负(图5(a))或正(图5(b))失准时，驻波模式从单条线移动并形成一组两条抛物线。光依次横穿两条抛物线，一个接一个。这是重要的，并且允许光的入口点和出口点重合，这对于单元300的稳定性是重要的。
61.提供高度稳定的多程单元300的优势在于，通过改变球面镜307与两个棱镜305a和305b之间的距离d可容易地调节单元300中光横穿的光学路径长度。如图6所示，通过将不同气态浓度的比尔-朗伯方程(方程(1))视为不同光学路径长度的函数，可了解增加吸收光谱法的光学路径长度的益处。
62.在图6中，假设直径为1mm的相干光束提供模拟透射率曲线图，示出相干激光束的水蒸汽吸收与光学路径长度的关系。光束穿过的体积与光束本身的横截面成正比，乘以行进的光学距离。在本示例中，考虑了820nm处水蒸汽(h2o)的弱大气旋转-振动吸收跃迁。假设温度为20℃且压力为105pa。图6(a)描述了104vpm(百万分之一的体积)浓度，即1％vol的水蒸汽吸收情况。在这种情况下，当光束穿过气体行进时，长度小于1m的短光学路径长度足以将相干光束强度强烈降低到10％以下。因此，单程吸收设置可引起气态水对激光的显著吸收。
63.然而，从图6(b)可看出，对于10vpm的较低水蒸汽浓度，为了获得相同的灵敏度(光束强度降低到10％以下)，需要30m的光学路径长度。这需要使用更长的路径长度。本公开中呈现的多程结构对于容易地获得这类光学路径长度是理想的。
64.然而，只需确保单元不充满水蒸汽即可，就可直接避免激光脉冲强度的显著降低(例如，当需要双脉冲激光系统时，应避免被气体吸收)。例如，如果单元在常压和常温下含有空气或其它干燥气体(不含水蒸汽)，则即使在使用约100m的光学路径长度时，它也可用于提供双脉冲发生器，而不会由于吸收而导致脉冲强度显著降低。另选地，可将单元抽真空(使用真空泵)，或者用非吸收气体(在入射光波长下透明)填充或冲洗，如氩气、氦气或氮气。
65.因此，从图4a至4c和5可看出，第一实施例的多程单元300提供了稳定的系统，即使在光学组件之间存在失准的情况下也可提供长的光学路径长度，而图6展示了这类多程单元300在激光吸收光谱法中的实用性。然而，可省略或修改图3a至3d的多程单元的许多特征，同时保留这些优势。
66.举例来说，该单元可用作光延迟线而不是吸收光谱仪，因此在不需要存储气态样品时，密封容器302、入口303a和出口303b以及光学窗口304时可省略。此外，可使用两个基本上垂直的平面镜而不是棱镜305a和305b来实现提高稳定性的优势。这类布置将提供对于入射在其上的光部分回射的相同效果。另外，光穿过其进入腔体315的孔隙306可放置在第二反射器布置中而不是第一反射器布置中。此外，球面镜307不必是球面的，并且可具有各种其它形式，同时受益于部分回射棱镜305a和305b。因此，可看出，此实施例的多程单元300是有利布置的一个具体示例，但是可进行各种改变和变化。
67.因此，回到之前使用的广义术语，本公开的第一反射器布置优选地包括具有反射
性的第一表面和第二表面。第一反射器布置可被配置为使得入射在其上的光从第一表面反射到第二表面，并且反射到第二反射器布置。从第二表面反射的光可在反射到第二反射器布置之前入射到第一反射器布置的第三表面上，或者从第二表面反射的光可直接反射到第二反射器布置而不被任何另外表面反射。
68.第一和第二表面优选地基本上垂直。第一和第二表面优选地是基本上平面的。这种布置可用于提供对光的回射作用，以提高多程单元的机械稳定性。完全平坦的垂直表面将表现出完全的回射性，但可容忍与完全平坦的垂直表面的一些偏差。例如，表面可偏离完全平面和/或完全垂直，前提是仍然实现(至少)部分回射性的效果。当光具有一些不垂直于第二反射器布置的表面的组分(例如球面镜)时，那么这些组分将进入腔体并可形成一组驻波状图案，如图4a至4c和5所示。
69.另外，不需要整个第一或第二表面是完全平坦的。例如，除了平面部分之外，表面中的一个或两个可具有弯曲部分(例如在一个或多个边缘处)。在这种情况下，只要第一和第二表面的基本平面部分基本上彼此垂直，它们仍然可一起工作以部分或完全回射入射在其上的光。
70.因此，本公开提供了一种多程单元，包括：第一反射器布置；和第二反射器布置；其中第一反射器布置包括具有反射性的第一表面和第二表面，其中第一表面和第二表面基本上垂直和/或基本上平面。
71.第一和第二表面的平面可限定公共轴线，并且第一反射器布置可对于垂直于公共轴线入射的光是回射的。在平面的上下文中，公共轴线是由含有平面的平面限定的交线。任何两个不平行的平面均限定一条交线。因此，即使两个平面表面实际上并不相交，这些表面所在的平面也将限定一个相交轴线。如果平面具有无限的空间范围，则可将相交轴线视为平面表面相交的线。
72.优选地，第一反射器布置包括第一和第二棱镜，并且第一和第二表面分别是第一和第二棱镜的面。棱镜是广泛可用的光学组件，其允许先前描述的有利实施例准确且容易地制造。举例来说，棱镜的横截面可为直角等腰三角形(即内角为90
°
、45
°
和45
°
)。在这种情况下，通过将两个这类棱镜彼此相邻放置，两个棱镜均放在它们的较短(非斜边)面上，可容易地制造部分回射表面(由在这种布置中垂直的棱镜的两个表面限定)。因此，此实施例有利地使用廉价的、可商购的组件来提供用于制造稳定的多程单元的成本有效且可靠的方法。
73.第二反射器布置优选地被配置为使得入射在其上的光朝向第一反射器布置反射。举例来说，第二反射器布置可被配置为使得从第一反射器布置接收的光被反射到第一反射器布置，并且由于第一反射器布置至少部分地回射，因此可使光在第一和第二反射器布置之间重复反弹。这可通过确保第一和第二反射器布置彼此面对来实现。举例来说，第一反射器布置至少部分是回射的，因此对于从一系列方向接收的光是回射的。因此，第二反射器布置可定位在第一反射器配置是回射的方向范围内。当第二反射器布置具有凹面时，该面可面向第一反射器布置的至少部分回射部分。这样，第一和第二反射器布置可限定稳定的光学腔体。
74.第二反射器布置优选地被配置为使得入射在其上的光朝向第一反射器布置聚焦。第二反射器布置的聚焦作用与第一反射器布置的回射作用一起工作，以抑制光的扩散并提
高稳定性。反射器布置的间距和第二反射器布置的焦距之间的关系将影响光在单元内横穿的次数。
75.第二反射器布置可包括反射的凹面。凹面可为椭球面、类球面或球面。举例来说，可使用具有平行于由两个反射平面限定的交线的一个细长轴线的椭圆形反射器。在这类情况下，细长轴线会影响机械公差，因为用于补偿失准的有用表面将在一个方向上伸长并在另一个方向上缩短。因此，具有更高程度的空间对称性的表面提供了改进的稳定性，因此，球面(即，具有允许光进入的开口的球体表面的一部分)是最优选的。可容忍与球形的微小偏差。两个平面棱镜与一个球面(即中心对称)镜的组合提供了最大的稳定性，因为这意指球面镜的轻微失准不会被另外放大，并且光学路径仍将位于腔体的镜内的体积之间。
76.有利地，在本公开中，第一和第二反射器布置之间的间隔是可调节的。因此，多程单元被配置为使得光横穿的光学路径长度是可调节的。尽管为了简单起见未在图3a至3d中示出，但第一和第二反射器布置305和307是相对可移动的(例如，通过移动一个或两个)。这允许控制间隔并因此调节光学路径长度。相对运动可通过例如致动反射器布置中的一个或两个来提供。可通过改变光横穿多程单元的次数来调节光学路径长度。例如，增加间隔可能会导致光在单程内横穿的距离增加，但它也可能导致光在单元内横穿不同数目的路程，从而另外增加光学路径长度。本公开的改进的稳定性允许获得相对长的光学路径长度，同时提供对路径长度的控制。
77.使用本公开的单元，光学路径长度可调节至：大于或等于30cm(且优选不大于1m、5m、15m、25m、40m、50m或100m)；大于或等于1m(且优选不大于5m、15m、25m、40m、50m或100m)；大于或等于5m(且优选不大于15m、25m、40m、50m或100m)；大于或等于15m(且优选不大于25m、40m、50m或100m)；大于或等于25m(且优选不大于40m、50m或100m)；大于或等于40m(且优选不大于50m，或100m)；大于或等于50m(且优选不大于100m)；或大于或等于100m(且优选不大于150m)。通过注意光速约为3x 108ms-1
，可将这些值转换为等效的时间值。
78.所描述的实施例表现出出乎意料的高机械公差以提供适合承受振动并简化工业实施方式中的机械对准的多程单元。与以前的多程单元相比，本公开的优势很多，包含增加了高达4
°
(约70毫弧度)的失准稳定性、可轻松调节的长光学路径长度以及易于可靠且高效地制造的架构。
79.在图3a至3d、图4a至4c和图5的实施例中，光穿过其进入光学腔体315的孔隙306位于第一反射器布置305的两个棱镜305a和305b之间。然而，图7描绘了第二实施例，其中通过在第二反射器布置707中而不是在棱镜705a和705b之间提供孔隙706可实现先前描述的许多优势。
80.图7的实施例示出了包括第一反射器布置705的多程单元700，该第一反射器布置包括两个棱镜反射器705a和705b，其被定位成使得棱镜705a和705b的两个面是垂直的并提供部分回射表面。面向棱镜705a和705b提供呈球面镜707形式的第二反射器布置。球面镜707包括中心孔隙706，用于允许光进入和离开多程单元700的光学腔体715。进入701单元700的光在沿出射光708的方向经由孔隙706离开腔体715之前在第一反射器布置705和第二反射器布置707之间重复反射。由于高度的几何相似性，由第一反射器布置705和第二反射器布置707提供的驻波模式类似于第一实施例的布置305和307。然后，从单元射出的光经由光学布置712被引导至其目的地，光学布置在图7中示出为包括反射镜和透镜。第二实施例
提供了第一实施例提供的改进的稳定性和可调节性的益处。
81.接下来转向图8，描绘了反射器布置805，其包括相互垂直的三个平面反射表面805a、805b和805c。三个表面805a、805b和805c限定回射的角反射器。在角反射器805的角处提供孔隙806以允许光穿过角反射器。描绘了穿过角反射器805的后侧的光801。
82.图8的反射器布置805可用于多程单元，如在第一和第二实施例中描述的那些，代替棱镜305a和305b，或代替棱镜705a和705b。如果在图7的实施例中使用图8的反射器布置805，则可省略孔隙806。由于使用回射器来抑制光在光学腔体中的扩散，反射器布置805再次提供改进的机械稳定性。
83.因此，回到之前使用的通用语言，在本公开的多程单元中，第一反射器布置可另外包括具有反射性的第三表面，其中第一、第二和第三表面基本上相互垂直。因此，可提供角反射器以提高机械稳定性。
84.第一和第二反射器布置可限定光学腔体，并且第一和第二反射器布置中的至少一个优选地包括用于允许光进入和/或离开光学腔体的孔隙。孔隙的大小可为可调节的，以提供对进入腔体的光束或脉冲的大小的控制。孔隙可采用多种形式。
85.当第一反射器布置包括第一和第二棱镜时，第一和第二棱镜的边缘之间的狭缝可限定孔隙。这种布置的一个特别的优势是，通过安装棱镜使得它们之间有狭缝，可简单地在两个棱镜之间提供孔隙，而无需在反射器中创建孔隙(例如，通过在球形反射器或角反射器中制造孔隙，这可能会导致损坏或反射镜缺陷)。因此，这种布置很容易准确地进行，并且不会有损坏精密光学组件的风险。可通过将棱镜致动得更近或更远来调节孔隙的大小。棱镜可为相对可移动的以提供这类调节。
86.当第一反射器布置包括第一、第二和第三表面时，在第一、第二和第三表面的拐角处的开口(例如，三个表面的平面相交的点)可限定孔隙。类似地，第二反射器布置的中心处的开口(例如，第二反射器表面上与单元的纵向轴线基本上对准的点)可限定孔隙。例如，这可能是凹面反射表面中心的一个小孔。这类孔隙允许光以机械稳定的布置进入和/或离开光学腔体。在这类情况下，可通过用不透明材料(其可为可移动的)部分地覆盖孔隙来调节孔隙的大小。
87.接下来转向图9a和9b，为包括两个棱镜905a和905b的反射器布置905描绘了两个安装结构913a和913b。棱镜905a和905b可分别是多程单元300或700的棱镜305a、305b或705a、705b。因此，安装结构913a和913b可用于图3a至3d和7的多程单元300和700。
88.图9a的安装结构913a是被配置为固持棱镜905a和905b的框架。图9a中的安装结构913a从一对棱镜905a和905b的一端示出。安装结构可沿棱镜的长边(进入页面，沿棱镜轴线)延伸，并且安装结构913a的相对端以相同的方式固持棱镜905a和905b的相对端。安装结构913a的尺寸使得它可固持棱镜905a和905b的非反射边缘，从而将棱镜905a和905b牢固地固持在适当位置。安装结构的一小部分覆盖反射表面(即棱镜905a和905b的斜边)，但反射表面的大部分被暴露以允许棱镜905a和905b在单元内反射光。
89.安装结构913a可具有摩擦涂层(例如橡胶)以确保棱镜905a和905b被牢固地固持在适当位置。棱镜905a和905b可使用过盈配合装配在安装结构913a内。另选地，棱镜905a和905b可用粘合剂固持到安装结构913a。在任何情况下，安装结构确保棱镜905a和905b的反射表面基本上垂直，以便结合以提供部分回射表面。
90.图9b示出了另外的安装结构913b，该安装结构可用于补充或代替图9a的安装结构913a。图9b的安装结构913b可用作图9a的安装结构913a的底座，或者安装结构913b本身可为独立组件。图9b的安装结构913b包括棱镜905a和905b可附接到其上的材料的平坦部分。安装结构913b包括用于允许光穿过的狭缝906。棱镜905a和905b可安装在狭缝906的任一侧，使得棱镜905a和905b的面基本上垂直。因此，可使用其中具有狭缝的单片材料以及作为标准光学组件的两个棱镜905a和905b容易地提供部分回射反射器布置。
91.图9a和9b的安装结构913a和913b可用于确保两个棱镜905a和905b之间的相对角度为零或基本上为零(例如足够接近于零以确保获得至少部分回射性)。在这类情况下，两个反射镜可一起旋转大约 /-1
°
，并且在与前面描述的多程单元一起使用时仍然提供稳定的多程图案。然而，如果两个棱镜之间的相对角度大于0.1
°
，则图案可能会受到负面影响。使用这类安装结构可确保棱镜905a和905b之间的相对角度为零或足够接近于零以提供良好的性能。图9a和9b的安装结构913a和913b可由各种材料(例如金属如铝)并使用各种构造技术(例如焊接、模制或3d打印)形成。
92.因此，在之前使用的通用语言中，第一反射器布置优选地包括安装结构，该安装结构被配置为安装第一和第二棱镜，使得第一和第二表面基本上垂直。安装结构的使用可帮助确保将表面正确定位到可接受的失准程度内。
93.图3a至9b中所示的实施例已经主要参考吸收光谱法中使用的多程单元进行了论述。在这类情况下，使用前面论述的通用语言，多程单元优选地包括用于容纳气态样品的外壳，其中第一和第二反射器布置在外壳内。这确保了待分析的样品可固持在单元中。在这类情况下，外壳优选地包括用于允许光进入多程单元的光学窗口。光学窗口优选地与孔隙(例如，反射器布置中的孔隙)对准，使得光可从单元的外壳外部进入光学腔体。可使用任何用于光学窗口的材料，只要该材料对于具有所用光源波长的光是透明的。多程单元优选地另外包括用于气态样品的入口和/或出口。可使用各种入口和出口机构。在多程单元用于双脉冲激光系统的实施例中，入口和/或出口可用于净化气体(例如氩气)，该净化气体对于具有激光波长的光是透明的。
94.在图10中，示意性地示出了这类吸收光谱法系统的一个示例。该系统包括多程单元1000，其可为前述的任何多程单元，以提供光与样品相互作用的光学路径。单元具有入口1003a和出口1003b，用于允许样品进出单元。该系统还包括光源1010，其可为激光器。光源提供光束1001，该光束被引导至光学布置1012，该光学布置确保来自光源1010的至少一些光被引导至多程单元1000中以与样品相互作用。该系统另外包括检测器1011，该检测器被布置为检测穿过多程单元1000、与样品相互作用并从多程单元1000射出的光。光学布置1012将一些光引导至检测器1011而不进入多程单元1000。
95.光学布置包括四个反射镜1012b、1012c、1012d和1012e，它们将一些光引导至单元1000的外部周围以在检测器1011处被接收。光学布置还包括分束器1012a，其允许一些光进入多程单元1000，同时确保一些光不进入多程单元1000，而是从反射镜1012b反射到反射镜1012c、反射镜1012d、反射镜1012e，以供检测器1011检测。
96.光束分束可用于获得由不穿过单元1000的光的强度指示的光源1010的基线强度水平i0。这可与已穿过单元到达检测器的光强度id进行比较，以获得单元1000中的样品吸收了多少光的量度。检测器1011可包括多个检测器元件：一个或多个用于测量i0的元件和一
个或多个用于测量id的元件。另选地，检测器1011可包括用于交替测量i0和id的单个检测器元件(例如，两个光束可穿过一个光束斩波器，该斩波器一次阻挡一束光束，使得检测器与斩波器同步地在测量i0光束和id光束之间交替)。
97.光源1010可为任何类型的激光器，包含例如可调谐二极管激光器、波长稳定的激光二极管、分布式反馈激光二极管或外腔体二极管激光器。虽然优选可调谐二极管激光器，但可使用任何固态、气体、液体、化学、金属蒸汽、染料或半导体激光器。检测器1011可包括一个或多个用于检测由光源1010产生的光1001的任何类型的光电二极管。可使用具有极低发散度的其它类型的光束(即近似准直的光束)。例如，在一些情况下，可提供具有几度发散的led或其它光学发射器(例如，通过使用准直光学元件)，但激光器典型地表现出大致十分之一度的发散，并且因此在本公开中是优选的。
98.如前所述，光进入第一和第二实施例的多程单元300和700的角度可用于控制光横穿单元的反射器布置的次数并因此控制光学路径长度。因此，在图10所示的实施例中，光源1010可能能够改变光进入单元1000的方向(例如通过可旋转或通过可旋转安装)。另选地，可提供另外的光学元件(例如可调节的反射镜)以允许改变进入单元的光的角度。例如，可调节反射镜可定位在分光器1012a和单元1000之间，以便改变光1001进入单元1000的角度。
99.概括地说，本公开提供了一种系统，包括：前面描述的任何多程单元；以及光学布置，其被配置为将光引导至多程单元中。光学布置优选地被配置为使得光被引导至多程单元中的角度是可调节的。该角度可相对于由多程单元限定的轴线(例如纵向轴线，如在第一和第二反射器布置的中心/中点之间延伸的轴线)限定。光被引导至多程单元中的方向与多程单元限定的纵向轴线之间的角度可为：0
°
至20
°
；1
°
至15
°
；或2
°
至10
°
。如果单元的孔隙和/或单元的光学窗口垂直于由单元限定的轴线，则光进入单元的角度可改为相对于孔隙的法线表示，因为在这类情况下，孔隙的法线将平行于单元的纵向轴线。
100.提供可调节的角度允许控制光学路径长度，同时保持稳定的配置和与这类稳定性相关联的优势。这类光学布置可独立于检测器或光源来提供。光学元件可固定到多程单元(例如附接到单元的外部)或与单元外壳一体形成。
101.该系统可另外包括被配置为将光引向光学布置的光源。该系统还可包括被配置为检测来自多程单元的光的检测器。当单元、激光器和检测器结合使用时，提供了一种改进的激光吸收光谱仪。光学布置优选地被配置为将来自多程单元的光引导至检测器。
102.本公开的多程单元可用于光学吸收光谱法以外的环境中。例如，在图11a、11b、11c和11d中，描绘了用于生成第一和第二激光脉冲的双脉冲激光系统的四种配置。因为与现有的多程单元相比，多程单元提供了相对较长的光学路径长度，所以单元有效地用作在两个激光脉冲之间引入相对长的时间延迟的延迟线。此外，单元的几何形状确保从单元射出的光1108与从单元的外表面1114反射的光共线。
103.图11a至11d的双脉冲激光系统与前述系统的相似之处在于它包括具有两个棱镜1105a和1105b的多程单元和限定光学腔体1115的球面反射器1107。如前所述，光1101以微小的角度进入单元。双脉冲激光系统还包括光学布置1112，用于指引从单元射出的光1108朝向可为样品的目标目的地1116。光学布置包括反射镜1112b。双脉冲激光系统和前面描述的多程单元之间的一个重要区别在于棱镜1105a和1105b的外表面是反射性的，并且包括小孔隙(与棱镜1105a和1105b之间的狭缝对准)以用于允许光1101进入单元。该具有孔隙的反
射表面充当用于分束光的光学分束装置1112a，并且形成光学布置1112的一部分。
104.更具体地，在图11a至11d的双脉冲系统的示意性设置中，准直脉冲激光束1101被引导向棱镜1105a和1105b的外部(后表面)上的平面镜1112a。脉冲激光束路径在图11a至11d中表示为实心连续线，但不应将这些线误认为是连续波激光发射。脉冲光束1101的角度相对于反射镜1112a的法线略微倾斜，并且典型地为2-6
°
。反射镜1112a的法线平行于单元的轴线(即，在棱镜1105a和1105b之间的狭缝与球面镜1107的中心之间延伸的纵向轴线)。
105.反射镜1112a包括直径为1mm的中心圆形孔隙，允许激光脉冲1101的一部分穿过它被采样，并且允许激光脉冲1101的一部分沿路径1108从它反射。与前述实施例类似，从单元射出的光1108的角度(相对于孔隙的法线)与入射光1101的角度大小相同但方向相反，这是由于单元的几何形状引起的。
106.光学分束装置1112a的孔隙被设计成使得入射光脉冲1101被分束(例如分成两个不同的脉冲)，其中大约一半的光从外表面1114朝向光学布置1112b反射，而一半的光进入单元，在那里光在最终离开单元并到达光学布置1112b之前被多次反射。尽管在图11a至11d中孔隙为1mm，但可根据所使用的激光束的宽度使用其它宽度(例如0.5mm、1.5mm、2mm、2.5mm等的直径)。在图11a至11d中描绘的特定系统中，脉冲激光束1101具有1mm的半高宽(fwhm)。
107.该系统被配置为使得脉冲1101以反射镜1112a的孔隙边缘为中心，并且反射镜1112a具有25mm的半径(即，具有与棱镜1105a和1105b类似的大小)。可使用各种光学元件以这种方式将脉冲1101引导至反射镜1112a。脉冲的一半被反射镜1112a的表面反射，而另一半穿过孔隙。反射脉冲被引导向平面镜1112b，然后朝向样品1116的表面。透射的脉冲被引导向单元的球面凹面镜1107，其曲率半径r＝1000mm且直径为50mm。如图11a至11d所示，该反射镜1107将脉冲反射并聚焦回两个直角棱镜1105a和1105b。两个直角棱镜1105a和1105b具有25mm的段大小。在此上下文中，段大小是直角三角形的以直角相交的两条边的长度(即棱镜1105a和1105b的三角形横截面的非斜边长度的长度)。反射镜1105a、1105b和1107的组合形成腔体1115系统，其中穿过反射镜1112a进入的脉冲在最终从反射镜1112a的孔隙离开之前被来回反射多次。
108.由图11a到11d的系统提供的总光学路径长度差(opd)限定为：a)脉冲穿过反射镜1107并在从反射镜1112a的中心孔隙射出并到达样品1116之前在腔体1115内反射的距离；以及b)在到达样品1116之前，在反射镜1112a处反射的脉冲部分所行进的距离。有利地，通过调节以下项之间的距离d可容易地调谐opd：第一反射器布置1105，包括(直角)棱镜1105a和1105b；第二反射器布置，在这种情况下是反射镜1107。opd可通过仅调节间隔d来控制，同时保持其它组件的几何形状不变。通过调节opd，可调节第一脉冲(由反射镜1112a反射)和第二脉冲(通过反射镜1112a透射)之间的时间延迟δt。
109.图11a的系统可调节为各种配置，如图11b、11c和11d所示，并且可模拟以研究可达到的opd和时间延迟。在模拟中，激光脉冲被取为高斯的、准直的、非偏振的，波长为532nm，由数目等于104的光线组成，以达到统计学意义。在图11a中，距离d＝150mm使透射的脉冲被反射4次，并且这致使opd为1.13m且对应的δt＝3.8纳秒。在图11b中，距离d＝300mm使透射的脉冲被反射21次，并且致使opd为6.75m且对应的δt＝22.5纳秒。在图11c中，距离d＝400mm使透射的脉冲被反射28次，并且致使opd为12.46m和δt＝41.5纳秒。
110.随着距离d的增加和反射次数的增加，光学系统的机械对准所需的公差变得更加苛刻。对于图11a中显示的布局，这大约为～1.5mm和～2
°
旋转角(x,y)，对于图11b中显示的布局，这大约为～1mm和～1
°
角，以及对于图11c中显示的布局，这大约为～0.5mm和～0.5
°
角。所需的对准限制了可实现的opd。然而，使用本公开的系统可容易地实现这类对准，并且因此可实现大致50纳秒的时间延迟δt。因此，使用多程单元实现的时间延迟可为1纳秒或更大(例如高达10纳秒、高达50纳秒、高达80纳秒、高达100纳秒、高达150纳秒或大于150纳秒)，或5纳秒或更大(例如高达10纳秒、高达50纳秒、高达80纳秒、高达100纳秒、高达150纳秒或大于150纳秒)，或10纳秒或更大(例如高达50纳秒、高达80纳秒、高达100纳秒、高达150纳秒或大于150纳秒)，或50纳秒或更长(例如高达80纳秒、高达100纳秒、高达150纳秒，或大于150纳秒)，或80纳秒或更大(例如高达100纳秒、高达150纳秒，或大于150纳秒)，或100纳秒或更大(例如，高达150纳秒，或大于150纳秒)。根据单元设计参数，也可获得更短的延迟，例如0.1纳秒或更大。
111.为了降低对准要求的严格性，可增加直角镜1105a和1105b的大小，使得它们的段大小(非斜边尺寸)为50mm，并且将球面镜1107的大小增加到直径为75mm。这放宽了机械公差要求，并且允许在可比较的距离d下获得更高的opd。图11d中描绘了这类布局的一个示例，其中d＝400mm的距离使透射的脉冲被反射31次，并且致使opd为25.30m且对应的δt＝84.3纳秒。此布局的公差大约为～1mm和1
°
(x,y)。因此，大致100纳秒(或更高)的时间延迟很容易实现。
112.如前所述，图11a至11d描绘了一个系统，其中激光脉冲1101被具有孔隙的反射表面1112a分束。在图11a、11b、11c和11d中，描绘了用于生成第一和第二激光脉冲的双脉冲激光系统的四种配置。因为与现有的多程单元相比，多程单元提供了相对较长的光学路径长度，所以单元有效地用作在两个激光脉冲之间引入相对长的时间延迟的延迟线。此外，单元的几何形状确保从单元射出的光1108与从单元的外表面1114反射的光共线。
113.在图12a中，另外详细地描述了机械分束的原理。上曲线图表示高斯激光脉冲在某一时刻的一维空间截面。下曲线图显示了由分束顶部脉冲形成的两个脉冲的时间分布，这两个脉冲通过时间延迟分离。本公开提出使用反射表面将由脉冲激光器生成的单个脉冲机械地分成两个脉冲的双(优选共线)组，并且使用多程单元引入延迟。脉冲的透射部分(即图12a的上曲线图中描绘的脉冲的左侧部分)没有受到任何延迟，因此沿图12a的下曲线图的时间轴线定位在左侧。反射脉冲(即，上曲线图中描绘的脉冲的最右边部分)受到延迟，因此定位在图12a的下曲线图中的时间轴线上的右侧。因此，可看出，可在通过机械分束单个激光脉冲生成的两个激光脉冲之间引入时间延迟δt。因此，可提供双脉冲激光器架构。
114.在许多应用中(例如在双脉冲libs实验中)，重要的是两个脉冲入射到同一位置(例如，在样品表面上)。为了验证双脉冲系统的有效性，可进行光束轮廓研究，研究表明，当使用圆形孔隙生成第一和第二激光脉冲时，脉冲在与样品的撞击点处提供圆形高斯轮廓。非圆形孔隙会致使叠加脉冲的质量下降。因此，当采用机械分束时，优选用于分束单个激光脉冲的圆形孔隙。
115.图12b示出了用于分割激光脉冲的多程单元1200和光学布置1212的替代示例。在图12b(i)、(ii)和(iii)中，描绘了单个激光脉冲1201入射在光学布置1212上，该光学布置包括分束器1212a-e，用于将光指引至多程单元1200中并朝向样品。图12b的多程单元1200
可为本文所描述的它们中的任何多程单元。图12b(i)描绘了光学布置1212，该光学布置生成第一和第二激光脉冲但未能将这两个脉冲引导向期望的目的地。图12b(ii)和12b(iii)描绘了成功地生成具有相对时间延迟的第一和第二激光脉冲的光学布置1212。在图12b(ii)中，将单个激光脉冲中入射的总能量的75％最终引导向样品。在图12b(iii)中，将单个激光脉冲中入射的总能量的100％最终引导向样品。
116.图12b的光学布置1212利用分束器。分束器可为非偏振的(有时被描述为非偏振的)或偏振的。偏振分束器将光分成两个正交偏振状态的光束。除了分束器之外，光学布置1212还包括用于将脉冲引导向适当分束器的反射元件(例如反射镜)。分束器的类型包含：半镀银镜；粘合在一起的成对三角棱镜；沃拉斯顿棱镜；和二向色镜面棱镜组装件(其使用二向色光学涂层)。
117.在图12b(i)中，描绘了单个非偏振分束器1212a。如果激光脉冲1201穿过一个非偏振分束器，如12b(i)所示，则50％被透射(朝向样品)而50％被反射。在图12b(i)中，这被示出为相对于入射脉冲的传播轴线呈90
°
顺时针角。光的反射部分进入多程单元1200，并且一旦脉冲沿出射光1208的方向离开单元1200，它就再次入射到相同的分束器1212a上。在那里，该脉冲的50％(即，总初始脉冲能量的25％)将沿入射光1201的方向反射回激光源(这是危险的，因为可能损坏光源)，并且50％将直接穿过分束器1212a且不会到达样品。这类似于michelson干涉仪，它依靠连续发射来“抵消”以相消干涉返回激光的部分光束。由于图12b描绘了具有时间延迟的脉冲系统(而不是像michelson干涉仪中那样的连续波)，因此不会发生干扰。使用这种布置是不可能实现双激光脉冲的。
118.图12b(ii)描绘了包括两个非偏振分束器1212b和1212c的光学布置1212。图12b(ii)通过添加相对于第一分束器1212b旋转180
°
的第二分束器1212c来改进配置(i)。第一分束器1212a将单个激光脉冲分成第一和第二激光脉冲。第一激光脉冲直接穿过第二分束器1212c，第一激光脉冲也直接穿过第二分束器1212c。因此，第一激光脉冲沿样品方向行进。第二激光脉冲(即延迟脉冲)进入多程单元1200，横穿单元一次或多次，并且沿出射光1208的方向射出，然后被指引至第二分束器1212c。50％的第二激光脉冲直接穿过第二分束器1212c，并且50％的第二激光脉冲被引导向样品。这样，避免了对激光源的反向反射，75％的原始激光能量到达样品，其中25％的原始激光脉冲能量是相对于第一激光脉冲具有时间延迟的第二个激光脉冲。由于损失了25％的激光能量，这不是最佳情景。
119.图12b(iii)描绘了包括两个偏振分束器1212d和1212e的光学布置1212。第一分束器1212e根据脉冲的偏振对其进行分束。因此，如果圆偏振光击中分束器1212e，则水平和竖直分量被分离。每个分量对应于50％的脉冲能量，因为原始脉冲是圆极化的。因此，50％的脉冲向样品透射，并且50％被反射到多程单元1200。为了避免与图(i)中相同的情景，第二偏振分束器1212e(相对于第一偏振分束仪1212d旋转180
°
)使两个脉冲瞄准样品。这种情景的优势在于100％的入射激光被保存，从而提高了相对于图12b(ii)的效率。
120.因此，概括地说，本公开提供了其中光学布置被配置为将第二激光脉冲引导至多程单元中的实施例。光学布置优选地被配置为从单个激光脉冲(例如通过将单个脉冲分成两个)生成第一和第二激光脉冲。本公开提供了用于生成具有时间延迟的第一和第二激光脉冲的布置，其中时间延迟的程度取决于所使用的多程单元的特性(例如，光学路径长度)并可由其控制。本公开的光学布置可包括一个或多个非偏振分束器。附加地或另选地，光学
布置可包括一个或多个偏振分束器。取决于所采用的分束器的组合，光可为偏振的或非偏振的。这类布置是有利的，因为它们不需要激光和光学腔体之间特别严格的对准。此外，它们可高效且有效地制造。
121.另选地，概括地说，光学布置可包括用于通过分束单个激光脉冲来生成第一和第二激光脉冲的光学分束装置。这种分束可机械地执行。光学分束装置可附接到多程单元或与多程单元成一体。举例来说，光学分束装置可在多程单元的外表面上。多程单元可包括限定光学腔体的第一和第二反射器布置，并且光学分束装置可在第一和第二反射器布置之一的外表面上。
122.光学分束装置可包括具有孔隙的反射表面，激光脉冲的至少一部分可通过该孔隙。光学分束装置的反射表面可为基本上平坦的。当棱镜用于第一反射器布置时，将反射表面固定到后侧是直接的，从而便于容易地制造本文所公开的有利装置。光学分束装置的孔隙可定位在反射表面的中心或基本中心(例如，比边缘更靠近中心)。反射表面的中心可与孔隙重合。因此，当使用棱镜时，光学分束装置可允许一半的光通过棱镜之间的狭缝并进入单元，同时将另一半的光转向远离单元。光学分束装置的孔隙优选为圆形。圆形孔隙允许后续激光脉冲表现出高度的空间相干性。光学分束装置的孔隙优选地与多程单元的孔隙(例如，用于允许光进入单元的孔隙)对准。
123.因此，概括地说，光学布置优选地被配置为将单个激光脉冲引向光学分束装置的孔隙，使得单个激光脉冲的一部分穿过光学分束装置的孔隙并进入多程单元，从而生成第二激光脉冲，并且单个激光脉冲的一部分被光学分束装置的反射表面反射，从而生成第一激光脉冲。这允许光的高比例能量被保存，因为当光从反射表面反射或当光穿过孔隙时损失最小的能量。因此，这类布置是高效的。此外，生成两个脉冲，并且可容易地将脉冲之间的时间延迟应用于(其可为可调节的)进入单元的脉冲。光学布置可被配置为将单个激光脉冲引向孔隙的边缘，使得一半的光穿过其中。
124.在图13中，描绘了一个双脉冲激光诱导击穿光谱法系统，该系统根据前面描述的原理进行操作。图13的libs系统使用双脉冲激光系统，如图11a至11d所示。图13的系统包括单元1300，该单元可为先前描述的任何单元，并且其包括第一反射器布置1305，第一反射器布置包括两个棱镜1305a和1305b以及限定腔体1315的球面镜1307。
125.该系统包括能够发射单个激光脉冲1314的激光源1310。该系统还包括光学布置1312，该光学布置包括用于将光指引至单元1300然后从单元1300指引至样品1316的多个光学元件1312b-d。光学布置还被配置为借助于光学分束装置1312a从单个激光脉冲1314生成第一和第二激光脉冲，该光学分束装置是在单元1300的第一反射器布置1305上具有孔隙的反射表面。光学分束装置1312a与单元1300的第一反射器布置1305一体形成。光学布置1312还包括用于将激光脉冲从单元1300指引和聚焦到样品1316的可旋转镜1312c和透镜1312d。
126.在图13中可看出，当激光源1310发射激光脉冲1314时，它由光学布置1312b的反射镜指引至单元1300。如前所述，单脉冲1314的一部分被光学分束装置1312a反射以形成第一激光脉冲，并且单脉冲1314的一部分进入单元1300的腔体1315以相对于第一脉冲被延迟，从而形成第二激光脉冲。
127.一旦第一和第二脉冲分别从分束装置1312a反射并从单元1300射出，它们就被光学布置1312b的另外反射镜指引至可旋转反射镜1312c，旋转反射镜可微调脉冲的方向，使
得它们被引导向透镜1312d。然后，透镜1312d聚焦脉冲，使得它们撞击样品1316上的一个点。
128.第一激光脉冲撞击样品1316并从样品1316的表面生成等离子体1317，然后第二激光脉冲撞击等离子体1317以增加其温度并附加地撞击表面以生成另外的等离子体。因此，第一和第二脉冲引起等离子体1317的生成和随后从等离子体1317发射等离子体光1318。等离子体光被位于样品附近的反射镜1312e反射。反射镜1312e将等离子体光指引至检测器(例如光谱仪)1319以分析发射。反射镜1317可被认为是光学布置1312的一部分或者可为单独的光学布置。
129.在图13中描绘的具体示例中，反射镜1312c是振镜(例如，电动双轴线振镜系统，其允许在二维上扫描激光脉冲在表面上的位置，例如，以实现样品的表面映射)，并且透镜1312d是f-θ透镜。然而，可使用其它类型的可调节反射镜和聚焦元件。另外，可在光学布置1312内使用任意数目的反射镜和/或透镜，并且可使用附加的等离子反射镜1312e(例如将来自等离子体的发射光1318引导至一个或多个另外的检测器，该检测器可为与检测器1319不同的类型)。此外，光学布置1312的光学分束装置1312a可由分束器布置代替，如图12b中描绘的布置。
130.因此，可看出，本公开总体上提供了一种用于通过使第一和第二激光脉冲撞击样品来分析样品的双脉冲激光诱导击穿光谱仪，其中该光谱仪包括任何前述用于生成第一和第二激光脉冲的双脉冲激光系统；以及用于检测由样品发射的光的检测器。
131.如前所述，光进入本公开的多程单元的角度可用于控制光横穿单元的反射器布置的次数，从而控制光学路径长度。因此，在所描述的实施例中，光源可能够改变光进入单元的方向(例如通过可旋转或通过可旋转安装)。另选地，可提供另外的光学元件(例如可调节的反射镜)以允许改变进入单元的光的角度。光学布置可被配置为将第一和第二激光脉冲沿共线路径指引至样品。检测器可为任何类型的检测器，包含光谱仪、光电二极管、电荷耦合装置(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)相机、增强电荷耦合装置(iccd)、电子倍增器ccd，或一个或多个微通道板检测器。
132.因此，概括地说，本公开的系统可包括：前面描述的任何多程单元；其中光学布置被配置为使得光被引导至多程单元中的角度是可调节的。该角度可相对于由多程单元限定的轴线(例如纵向轴线，如在第一和第二反射器布置的中心之间延伸的轴线)来限定。光被引导进入多程单元的方向与多程单元限定的轴线之间的角度可为：0
°
至20
°
；1
°
至15
°
；或2
°
至10
°
。如果单元的孔隙垂直于由单元限定的轴线，则可将光进入单元的角度表示为相对于孔隙的法线，因为在这类情况下，孔隙的法线将是平行于单元的纵向轴线。
133.提供可调节的角度允许控制光学路径长度，同时保持稳定的配置和与这类稳定性相关联的优势。这类光学布置可独立于检测器或光源来提供。换句话说，本公开的光学布置和多程单元可一起提供，以与任何检测器和/或光源一起使用。光学元件可固定到多程单元(例如附接到单元的外部)或与单元外壳一体形成。
134.前面描述的用于在libs系统中用于生成双激光脉冲的系统可用于需要多个激光脉冲的任何情景。因此，本公开还提供了一种用于生成第一和第二激光脉冲的双脉冲激光系统，该系统包括在此描述的被布置为相对于第一激光脉冲延迟第二激光脉冲的任何多程单元。该光学布置可被配置为：从单个激光脉冲生成第一和第二激光脉冲；以及将第二激光
脉冲引导至多程单元中，以便相对于第一激光脉冲延迟第二激光脉冲。光学布置可包括用于生成第一和第二激光脉冲的任何前述机构，包含：光学分束装置，其用于通过分束单个激光脉冲(例如使用具有孔隙的反射表面)来生成第一和第二激光脉冲；和/或一个或多个非偏振分束器，其用于生成第一和第二激光脉冲；和/或一个或多个偏振分束器，其用于生成第一和第二激光脉冲。
135.本公开的多程单元也可用于激光制造。例如，可证明多程单元可用作多程激光前置放大器。这类激光前置放大器如图14所示。增益介质由一组脉冲激发，每个脉冲的泵浦脉冲持续时间典型地为1-10纳秒。增益介质典型地是玻璃和激光晶体。在泵送时，能量会在这类增益介质中存储几微秒或几毫秒，然后在很短的时间内(大致为飞秒到纳秒)释放。
136.激光前置放大器包括光源1410，该光源将光沿路径1401引导至多程单元1400，该多程单元可为前述多程单元中的任何一个。光横穿单元1400并沿路径1408射出。可使用飞秒级的增益射流放大光脉冲，以获得光的放大。例如，多程单元可用于确保来自光源1410的光重复穿过增益介质。将要放大的一个或多个光脉冲从光源1410引导至单元中(任选地经由如前所述的光学布置)。增益介质可被光脉冲激发。放大的总程度可取决于单元1400内的总程次数，因此本公开的单元在这类情景下可能是特别有利的，因为大量路程表现出令人惊讶的高稳定性。在这类应用中，确保增益介质靠近单元的棱镜(例如，在第一反射器布置包括孔隙的情况下靠近棱镜之间的狭缝)可能是有利的，因为光束通过的密度在这一区域是最高的。
137.因此，概括地说，本公开还提供了一种用于激光器的前置放大器，包括：本文所描述的任何多程单元；其中：多程单元被配置为含有增益介质；并且多程单元被配置为引导光穿过增益介质，以便放大光。还提供了一种包括前置放大器的激光器。由于其稳定性，本文所描述的单元可提供长路径长度，因此可有效用于激光制造。
138.本公开还提供了用于制造本文所描述的系统、装置、多程单元和光学布置的方法。例如，一种用于制造多程单元的方法可包括提供：第一反射器布置；和第二反射器布置；其中第一反射器布置被配置为使得入射在第一反射器布置上的光至少部分地朝向第二反射器布置回射。该制造方法可另外包括提供本文所描述的多程单元的任何特征(例如任何结构特征)。用于制造系统和装置的方法可包括提供本文所描述的任何结构特征。
139.应理解，可对上述设备和方法进行许多变化，同时保留前面提到的优势。举例来说，虽然在提供回射或部分回射表面的上下文中主要参考平面反射表面描述了上述实施例，但应理解，可使用表现出回射性的任何材料。此外，本公开中的任何反射表面可为完全反射的或部分反射的。
140.已经参考通用激光器描述了本公开，并且应理解，任何激光器均可与本文所描述的系统和单元一起使用。例如，虽然优选可调谐二极管激光器，但可使用任何固态、气体、液体、化学、金属蒸汽、染料或半导体激光器。其它优选的示例包含nd:yag激光器、co2激光器、准分子激光器和红宝石激光器。
141.还应理解，尽管本公开已参考特定类型的装置和应用进行描述，并且尽管本公开在这类情况下提供了特定优势，但如本文所论述，本公开可应用于其它类型的装置和应用。例如，本公开的多程单元可用于需要对光的光学路径长度进行精确控制的任何情景。
142.除非另外说明，否则本说明书中所公开的每个特征均可替换为用于相同、同等或
类似目的的替代特征。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列的等价或相似的属性特征的一个示例。
143.如本文所使用(包含在权利要求书中)，除非上下文另有指示，否则本文中的术语的单数形式应被理解为包含复数形式，且当上下文允许时，反之亦然。例如，除非上下文另有指示，否则本文中包含在权利要求书中的单数形式，如“一(a/an)”(如一个激光脉冲或一个反射器)意指“一个或多个”(例如，一个或多个激光脉冲，或一个或多个反射器)。在本公开的描述和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包含(including)”、“具有(having)”和“含有(contain)”以及这些词语的变型，例如，“包括(comprising)”和“包括(comprises)”或类似词语表示“包含但不限于”，且并不意图(且并不)排除其它组件。
144.本文提供的任何和所有实例或示例性语言(“例如(for instance)”、“如(such as)”、“例如(for example)”以及类似语言)的使用旨在仅更好地说明本公开，并且除非另外要求，否则并不指示对本公开范围的限制。本说明书中的任何语言均不应被解释为指示实践本公开所必需的任何未要求的要素。
145.除非另有说明或上下文另外要求，否则本说明书中所描述的任何步骤可按任何顺序或同时执行。此外，在一个步骤被描述为在一个步骤之后执行的情况下，这并不排除正在执行的中间步骤。例如，如果激光脉冲被描述为从第一表面反射到第二表面，这并不排除激光脉冲在到达第二表面之前被其它表面反射。
146.本说明书中所公开的所有方面和/或特征可按任何组合进行组合，这类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合除外。具体地，本公开的优选特征适用于本公开的所有方面和实施例并且可按任何组合使用。同样，以非必需组合形式所述的特征可单独(不按组合形式)使用。