(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチパス光学セルにおいて、
前記マルチパス光学セルの第１の終端部を形成する第１のミラー要素と、
前記マルチパス光学セルの第２の終端部を形成する少なくとも１つの第２のミラー要素と、
を備え、
前記第２のミラー要素が、前記マルチパス光学セルに注入される入力光ビームが前記第１のミラー要素と前記第２のミラー要素との間で複数回反射して、前記入力光ビームが前記第１及び第２のミラー要素の反射面に衝突する位置のスポットパターンを生成するように、前記第１のミラー要素に対して配置され、１つ又は複数のセルパラメータが、前記第１及び第２のミラー要素の実際の曲率値を利用した、前記入力光ビームを形成する複数の別個の光線の直接的な三次元の光線追跡を介する最適化を使用して調整され、入り組んだ高密度スポットパターンを生成することを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項２】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記セルパラメータが、前記第１のミラー要素の光軸に対する前記入力光ビームの向き、前記第１のミラー要素と前記第２のミラー要素との間隔、前記第１及び第２のミラー要素のうちのいずれか一方の出射穴の位置からなる群から選択されることを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項３】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記入力光ビームが、前記第１のミラー要素に形成される入射穴を通して注入され、前記セルパラメータは、前記第１のミラー要素の前記入射穴の位置をさらに含むことを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項４】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記第１及び第２のミラー要素が凹球面要素を含むことを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項５】
請求項４に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記第１のミラー要素の前記曲率が、前記第２のミラー要素の曲率と同じであり、対称マルチパス光学セルを形成することを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項６】
請求項３に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記第１のミラー要素の前記曲率が、前記第２のミラー要素の曲率と異なり、非対称マルチパス光学セルを形成することを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項７】
請求項３に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記第１及び第２のミラー要素の構成が、再入球面ミラーマルチパス光学セルと共に利用されるものよりも多数のパス数を定義する高密度スポットパターンを生成するように最適化されることを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項８】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記第１及び第２のミラー要素が非点収差ミラー要素を含むことを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項９】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
少なくとも１つのミラー要素が円筒鏡要素を含むことを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１０】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記第１のミラー要素はスプリット球面ミラー要素を含むことを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１１】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記少なくとも１つの第２のミラー要素は、前記第１のミラー要素と位置合わせされて、マルチパスセルを形成する複数のミラー要素を備え、前記マルチパスセルにおいて、前記入力光ビームは、前記セル内を移動する際、前記複数のミラー要素の各ミラー要素から反射されることを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１２】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記セルパラメータが、入り組んだスポットパターンを発見するように、反復人工知能ベースの最適化プロセスを使用して変更されることを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１３】
請求項１２に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記人工知能ベースの最適化プロセスが、遺伝アルゴリズム最適化プロセスを利用して、前記入り組んだスポットパターンを発見することを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１４】
請求項３に記載のマルチパス光学セルにおいて、
構成を生成するために分析される追加のセルパラメータが、前記ミラー要素に形成された前記入射穴と出射穴との間の最小の隔たり、スポットと前記出射穴との最小間隔、及びミラー開口部を含むことを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１５】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記マルチパス光学セルが、前記入力光ビームを前記マルチパスセル光学セルに注入するとともに、前記マルチパス光学セルから出力光ビームを抽出する光学結合構成をさらに備えることを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１６】
請求項１５に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記光学結合構成が光ファイバベースの結合構成を備えることを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１７】
請求項１５に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記光学結合構成が前記セルの第１及び第２の両終端部に結合され、いずれか一方の第１又は第２の終端部に、注入される入力光ビームを提供することを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１８】
請求項１７に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記光学結合構成が、前記入力光ビームの注入位置を変更するスイッチをさらに含むことを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項１９】
請求項１に記載のマルチパス光学セルにおいて、
前記マルチパス光学セルが、ガス充填吸収セル、光音響分光法、ファラデー回転分光法、キャビティ増強分光法、軸外積分キャビティ出力分光法、及びレーザ利得媒質からなる群から選択される用途に利用されることを特徴とするマルチパス光学セル。
【請求項２０】
マルチパス光学セル内に高密度スポットパターンを生成する方法において、
ａ）第１のミラー要素を前記マルチパス光学セルの第１の終端部として位置決めするステップであって、前記第１のミラー要素は第１の定義された曲率を有する、ステップと、
ｂ）第２のミラー要素を前記マルチパス光学セルの第２の終端部として位置決めするステップであって、前記第２のミラー要素は第２の定義された曲率を有し、前記第１及び第２のミラー要素は距離ｄだけ隔てられる、ステップと、
ｃ）入力光ビームを複数の別個の光線として定義するステップと、
ｄ）別個の各光線が前記第１及び第２のミラー要素と相互作用する際、前記第１及び第２のミラー要素の実際の曲率の関数として、前記別個の各光線の反射の三次元の光線追跡を行うステップと、
ｅ）人工知能最適化を使用して、前記第１のミラー要素の前記入射穴の位置、前記第１のミラー要素の光軸に対する入力光ビームの向き、前記第１のミラー要素と前記第２のミラー要素との間隔、前記第１及び第２のミラー要素のうちのいずれか一方の出射穴の位置のうちの１つ又は複数の変更をシミュレートし、高密度スポットパターンを生成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
人工知能を使用するステップｅ）が、以下：最小スポットサイズ、ミラー開口部、光路長、ビームの出射位置、出射角度、入射穴と出射穴との隔たり、出射穴に対するスポットの位置のうちの１つ又は複数の最適化をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、
ステップａ）及びｂ）を実行するに当たり、球面ミラーが提供されることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、
前記最適化は、再入球面ミラーマルチパス光学セルに関連するものよりも高密度のスポットパターンを有する構成を生成することを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法において、
遺伝アルゴリズムが前記最適化プロセスに使用されることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２０に記載の方法において、
入力ビーム整形に関連するパラメータが、所定の形状の出力光ビームを生成するように最適化されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１１年３月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／４６７，１７１号明細書の利益を主張するものであり、この仮特許出願を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、光学マルチパスセル（ＭＰＣ）構成に関し、より詳細には、直接光線追跡技術を使用して、大きなビームスポット重複なしで各ミラーの表面の大部分を充填するスポットパターンを作成するように構成される構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
環境中の小量のガスを検出する既知の成功したシステムは、吸光分析の使用によるものである。この技術により、機器が検出するように設計された特定のガスにより高度に吸収される選択された波長の光ビームは、ガスの試料を通過する。光ビームの吸収率は、光ビーム内のガスの濃度レベルの指標として使用される。スペクトル吸収による低レベルのガス濃度を検出する感度を向上させるために、光ビームをガス試料の比較的長い経路に通す必要がある。言い換えれば、試料を通過する光ビームの長さが増大するほど、吸収が増大するため、非常に小さなレベルのガスを検出する機器の感度も増大する。
【０００４】
ビームが、ガス試料を含む非常に長い管を通過する場合、そのような長い管を必要とする機器が極めて扱いづらく、それ故、可搬が容易には不可能であることを理解するのは容易である。この問題を克服するために、光ビームが対向するミラー間で繰り返し反射され、それにより、機器のサイズを実質的に低減することができるように、ガス試料へのビーム露出長を増大させるシステムが考案された。
【０００５】
この種の典型的な吸収セルは、「マルチパスセル」と呼ばれ、細長い円筒形を備え、細長い円筒形内で、ミラーが両端部に配置され、光がミラーのうちの１つの穴を通ってセル内に導入される。これらのマルチパスセルは必然的に、ミラー跳ね返りスポット位置の重複を回避するが、その理由は、各スポットからの散乱光が重複スポットビーム方向に反射して、干渉エタロンフリンジパターンを生じさせるおそれがあるためである。これらのセルは一般に、凹面鏡面を使用して、ビームを各跳ね返りで再集束して、レーザビームが長い光路にわたって分散しないようにもする。
【０００６】
図１は、一対のミラー２、３を備える従来技術による例示的なマルチパスセル構成１を示し、一対のミラー２、３は所定の間隔ｄだけ離間されて、光キャビティを形成する。ミラー２、３のそれぞれは、この例では同じ半径曲率を有し、集束点を有する球面ミラーの形態をとる。スポットパターンを生成するために、入力レーザビームは、軸外向き（すなわち、構成１の光軸ＯＡに対して軸外）でキャビティ内に導入される。図１を参照すると、入力レーザビーム１は、レーザ源５により提供され、ミラー３に形成された穴４を通してシステム内に導入されるものとして示される。次に、入力レーザビーム１は、ミラー２と３との間で複数回跳ね返り、示されるように、最終的に穴４を通って出射し、検出器６に入る。この特定の従来技術による実施形態は、出力レーザビームが入力ビームと同じアパーチャを通るため、「再入」構成として説明される。
【０００７】
跳ね返りにより形成される例示的なスポットパターンも図１に示される。明らかなことに、跳ね返りの数（ひいてはスポット数）を増大させることにより、光路長は増大する。上述した追跡ガス検知等の多くの構成では、比較的小さな物理的サイズ内で（すなわち、数ｃｍのオーダである可能性が高い傾向を有する隔たりｄ）比較的長い光路長（時には数十のミラーで、ｍ単位で測定される）を利用することが好ましい。スポット密度の増大により、この所望の結果が提供されるが、スポットの重複を回避することも重要である（スポットの重複は、回避されない場合、不要な干渉効果、フリンジパターン等を生じさせる）。従来技術による構成は通常、単一円形又は単一楕円形パターンのいずれの形態のスポットパターンを生成する球形部材を利用するが、これらのセルは、重複が生じるまでに形成することができるスポット数に関して制限される。
【０００８】
比較的高密度パターンでスポットを重複させない様々なマルチパスセル構成が当該技術分野において既知である。これらの構成は一般に、従来の球面ミラーを使用するのではなく、純粋な非点収差セル又は円筒鏡ベースのマルチパスセルのいずれかの形態をとる。純粋な非点収差セルのミラーは、正確な非点収差量を達成するために、極めて高い許容差まで機械加工されなければならず（それにより、全体のシステムコストが増大する）、不一致ミラーは、ミラーの一方を回転させて、所望の再入状況（すなわち、米国特許第５，２９１，２６５号明細書に記載され、後述されるように、安定性を最大にするために、入力ビーム位置と出力ビーム位置との一致）を提供する必要がある。非点収差セルは初めて、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３，ｐａｇｅ  ５２３  ｅｔ  ｓｅｑ．，１９６４に掲載されたＤ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔらによる論文「Ｏｆｆ−ａｘｉｓ  ｐａｔｈｓ  ｉｎ  ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｍｉｒｒｏｒ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ」に記載された。非点収差構成の大きな問題は、安定した予測可能な再入パターンを達成するために、厳密な焦点距離を有する極めて高精度許容差ミラーのコストが高いことである。精密許容差の研磨ミラーに対する代替は、一軸に沿って応力を圧縮させて、ミラーを湾曲させ、非点収差ミラーを達成する球面ミラーを使用することであるが、これは安定した構成ではない。許容差を緩和した非点収差ミラーを使用するそのようなセルの開発に対する改良形態は、１９９４年３月１日にＰ．Ｌ．Ｋｅｂａｂｉａｎに発行された米国特許第５，２９１，２６５号明細書に開示されるように、Ａｅｒｏｄｙｎｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．により開発されており、その改良形態は、半径曲率の比率が実際に、シミュレーションから計算される値よりも大きいように製造された一対のミラーを利用する。この改良形態では、ミラーの軸を中心としたミラーの回転により、再入状況を達成することができ、より低い許容差のミラーを使用することができる。これらのセルは、ミラーの菱形エリアのみを充填するリサジューパターンを生成し、円形ミラーの周縁の周りのスペースが無駄になる。
【０００９】
円筒鏡ベースのマルチパスセル（少なくとも１つのミラーが円筒形）は、同じ非点収差構成のスポットを提供し、より低コストである。しかし、円筒形パターンは、各ミラー跳ね返りでビームを垂直方向及び水平方向の両方で再集束させず、したがって、位置合わせがより難しく、非常に高い跳ね返り数の用途で要求されるパターン密度を達成することが難しい。円筒鏡を使用する最近の種類の非点収差セルが、「Ｎｅａｒ  Ｒｅｅｎｔｒａｎｔ  Ｄｅｎｓｅ  Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｕｌｔｉｐａｓｓ  Ｃｅｌｌ」という名称で、２００７年１２月１１日にＪ．Ａ．Ｓｉｌｖｅｒに発行された米国特許第７，３０７，７１６号明細書に記載されている。円筒鏡は通常、より低い精度の表面品質（λ）で研磨され、光ビームの散乱を生じさせ、λ／４、往々にしてλ８よりも良好に研磨される市販の球面ミラーと比較した場合、フリンジングを増大させるおそれがある。上述したＫｅｂａｂｉａｎ構成と同様に、この円筒形ベースの設計もリサジューパターンを形成する（鏡面上のスペースが無駄になる）。
【００１０】
より新しい種類のマルチパスセルの１つは、Ｃ．Ｒｏｂｅｒｔによる「Ｓｉｍｐｌｅ，ｓｔａｂｌｅ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｃｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ｆｏｒ  ｖｅｒｙ  ｌｏｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｔｈｓ」という名称の、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．２２，Ａｕｇｕｓｔ  ２００７，ｐ．５４０８  ｅｔ  ｓｅｑ．に掲載された論文に記載のように、一終端部として「スプリット球面ミラー」を利用する特別に設計された球面ミラーベースの構成を利用する。スポット密度の増大（その結果、光路長の増大）を提供するが、この種のセルは、スポットパターンを移動するビームが対称表面で反射されず、一方向へのビームの大きな歪みを生じさせるため、スポットパターンを中心に向けて螺旋状にし、いくつかのビーム品質問題を呈する。ビームが、反作用効果なしでこのように歪む場合、ミラー上に多数のスポットを形成することはより困難である。
【００１１】
これら及び他の従来技術による構成の大半では、マトリックス光線追跡（ｍａｔｒｉｘ  ｒａｙ  ｔｒａｃｉｎｇ）技術を実施して、実施前にスポットパターンをシミュレートする。一般に、薄レンズ近軸近似を用いる標準のＡＢＣＤマトリックスにより、高速シミュレーションが可能であり、特にミラー上の同じ近似ｚ平面にすべてのスポットを有する（例えば、単一円形スポットパターン）、標準球面Ｈｅｒｒｉｏｔｔコール（ｃａｌｌｓ）のスポット位置の良好な近似を示す。ＡＢＣＤＥＦマトリックスを使用して、変位表面及び傾斜表面を説明するが、近軸及び薄レンズ近似を保持する、より複雑なトレーサーが開発されている。
【００１２】
しかし、これらの近似に頼り続けることにより、様々な従来技術による技術は、特に長路及び複数の反射後に、相当なエラーを光線追跡結果にもたらす。例えば、５°の角度では、θ≒ｓｉｎθの近軸近似は０．１％の誤差であり、これらの誤差はこれらのマトリックスベースの計算で説明されない。
【発明の概要】
【００１３】
当該技術分野に残っている必要性は本発明により対処され、本発明は、光学マルチパスセル（ＭＰＣ）構成に関し、より詳細には、薄レンズ及び近軸近似を利用しないＭＰＣを設計する新規の技術に関する。薄レンズ及び近軸近似の代わりに、本発明は、真の球面を有するものとしてシミュレートされる（すなわち、「厚レンズ」と定義される）ミラーを用いる直接光線追跡を介する反復人工知能ベースの最適化を利用して、特定のセル構成を識別し、その結果、スポットが大きく重複しない、各ミラー表面の大部分を充填するスポットパターン（以下、「入り組んだ非重複スポットパターン」又は考察の便宜上、単に「入り組んだ」と呼ぶ）を生成する。以下の考察から明らかになるように、様々な構成の本発明は、非点収差円筒形セルに関連する菱形パターンとは対照的に、円形の高密度スポットパターンを生成し、円形ミラー全体をスポットで充填する。
【００１４】
本発明によれば、入力レーザビームは、光線の集合（ビーム幅境界を画定する幾何学的形状パターンに配置される）としてシミュレートされ、各光線は、一対のミラー間を移動する際、三次元（ベクトル）で独立して追跡される。このベクトルベースの光線追跡に基づく反復コンピュータシミュレーションを使用して、新規の入り組んだスポットパターンを生成する。様々な因子が操作されて（単独で、又は他のパラメータと組み合わせて）、大きな重複なしで鏡面の大部分を充填するこれらの新しい入り組んだスポットパターンを生成する。特に、人工知能（ＡＩ）遺伝アルゴリズムを使用して、パラメータの様々な組み合わせを選択してテストし、所望の高密度の入り組んだスポットパターンを生成する構成を識別する。このプロセスは、マルチパスセル構成の異なる構成要素の側面を最大化する異なるレベルを経る、情報に基づくモンテカルロ最適化型の分析を実行する。様々なパラメータは「遺伝子」として使用され、異なるランダムな組み合わせの様々な混合は、異なるレベルの適応性をもたらし、最強の組み合わせが次の反復に向けて生き残る。
【００１５】
本発明によれば、許容可能な解を探すプロセス中に変更され得る入力パラメータセットは以下を含む：入力レーザビームの鏡面での位置（ｘ０，ｙ０）（ミラーの入射穴）、システムの光軸に対するこの入力ビームの配向角θｘ、θｙ、セルを形成する対向ミラーを隔てる距離ｄ、及びビームがセルを出る前に経る通過数Ｎ。
【００１６】
重要な設計目標は、高密度スポットパターンを達成する（すなわち、隣り合うスポットの間隔を最小化する）ことであるが、特定の構成を評価する際に考慮し得る他の基準としては、以下のうちの１つ又は複数が挙げられる：光線が球面ミラーの表面の「境界以内」に留まることの保証、十分に長い光路長の生成、入射穴に対する出射穴の位置、及び「最後」のスポットの近隣スポットに対する出射穴の位置（出射ビームに十分なサイズの穴を形成する物理的プロセスが、ミラー上の別のスポットに近すぎないことを保証する）。
【００１７】
本発明の構成の利点は、単純な平凹球面ガラス基板をミラーとして使用することができることであり、特別に設計された非点収差ミラー、円筒鏡、スプリットミラー等を使用する必要がある従来技術による高密度スポットパターン構成と比較して、製造費用の大きな節減を提供する。しかし、本発明の直接光線追跡反復最適化方法を、必要に応じて、これらの他のミラー設計と共に使用して、無駄な鏡面面積を低減することも可能なことを理解されたい。
【００１８】
例示的な一実施形態では、本発明は、マルチパス光学セルの第１の終端部を形成し、入力光ビームの入射口を形成する入射穴を含む第１のミラー要素と、マルチパス光学セルの第２の終端部を形成する第２のミラー要素と、を含むマルチパス光学セルを備え、第２のミラー要素は、入力光ビームが第１のミラー要素と第２のミラー要素との間で複数回反射して、ビームが第１及び第２のミラー要素の反射面に衝突する位置のスポットパターンを生成するように、第１のミラー要素に対して配置され、１つ又は複数のセルパラメータが、入力光ビームを形成する複数の別個の光線の直接追跡を介して、反復人工知能ベースの最適化を使用して構成され、第１及び第２のミラー要素の実際の曲率値を利用して、入り組んだ高密度スポットパターンを生成する。
【００１９】
別の実施形態では、本発明は、マルチパス光学セル内に高密度スポットパターンを生成する方法を開示し、本方法は、ａ）第１のミラー要素をマルチパス光学セルの第１の終端部として位置決めするステップであって、第１のミラー要素は第１の定義された曲率を有する、ステップと、ｂ）第２のミラー要素をマルチパス光学セルの第２の終端部として位置決めするステップであって、第２のミラー要素は第２の定義された曲率を有し、第１及び第２のミラー要素は距離ｄだけ隔てられる、ステップと、ｃ）入力ビームを複数の別個の光線として定義するステップと、ｄ）別個の各光線が第１及び第２のミラー要素と相互作用する際、第１及び第２のミラー要素の実際の曲率の関数として、別個の各光線の反射を追跡するステップと、ｅ）人工知能最適化を使用して、第１のミラー要素の入射穴の位置、第１のミラー要素の光軸に対する入力ビームの向き、第１のミラー要素と第２のミラー要素との間隔、第１及び第２のミラー要素のうちのいずれか一方の出射穴の位置のうちの１つ又は複数の変更をシミュレートして、高密度スポットパターンを生成するステップと、を含む。この方法実施形態では、所定の形状の出力ビーム（例えば、球形出力ビーム等）を生成するように、入力ビームの形状を最適化することも可能である。
【００２０】
他の代替の実施形態では、本発明の技術を、３つ以上のミラーを利用するマルチパスセル構成と併用し、各光線が、セルを横断し、各ミラーと相互作用する際に経路で個々に追跡されるのと同じ直線光線追跡反復最適化技術を適用することができる。さらに、ビームをセルに注入するために、ミラーの穴以外の構成を利用するマルチパスセル構成も、本発明の技術を利用することができる（適した構成を見つけるために最適化されたパラメータの適宜調整を伴って）。
【００２１】
本発明の他及びさらなる態様及び利点が、以下の考察の過程において、関連する図面を参照することにより明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、従来技術による例示的なマルチパスセルの図である。
【図２】図２は、光ビームの周縁を縁取るように配置された複数の別個の光線としての光ビームのシミュレーションを示す。
【図３】図３は、球面と相互作用する際に複数の別個の光線が辿る様々な経路を示す。
【図４】図４は、本発明の直接光線追跡プロセスを使用して作成された例示的なスポットパターンを示す。
【図５】図５は、図４のスポットパターンのコンピュータ生成された光線追跡図である。
【図６】図６は、図４の設計に関連するパラメータに基づいて構成された実際のマルチパスセルの写真である。
【図７】図７は、本発明の技術を使用して作成された別の例示的なスポットパターンを示し、この場合、マルチパスセル内のミラー間で通過が４５９回生じる。
【図８】図８は、図７の実施形態の写真である。
【図９】図９は、マルチパスセルの入力においてモード整合レンズを含むことにより作成される図７のスポットパターンの変更を示す。
【図１０】図１０は、本発明により形成されるさらに別のマルチパスセル構成のコンピュータ生成の光線トレースであり、この場合、２つの重複する「Ｃ」として現れるスポットパターンが生成される。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
上述したように、従来技術によるマトリックスベースの光線追跡方法が、スポットパターンが非常に大きな曲率を有する表面から反射する場合を除き、近軸及び薄レンズ近似の使用により、長路及び複数の反射後に大きな誤差を含み得ることが分かっている。例えば、５°の角度では、近軸近似θ≒ｓｉｎθは０．１％の誤差内にあり、曲率のより高い表面はさらに斜めの反射を生成する。従来、方程式に基づく解決策の直接光線追跡を行い、このより厳密な光線追跡に合うように最終的な構成を調整することにより、何らかの補正が得られた。しかし、近軸及び薄レンズ近似はこのプロセスでも同様に保持される。これらの近似の存在及び実際のセル設計に合う方程式に基づく設計の不在は、さもなければ実行可能なＭＰＣ構成を提供し得る他のスポットパターンを生成する能力を制限してきたと考えられる。特に、マトリックスベースの手法では容易にシミュレートされない球面収差の影響を考慮していないことは、これらの設計努力の主な限界と考えられる。
【００２４】
本発明は、異なる技術の使用を紹介し、この技術は、従来可能であると考えられていたよりも高密度の構成を提供する多くの異なるスポットパターンの識別をもたらす（従来、一般に、球面ミラーを使用する高スポット密度を追求する唯一の構成は、円形又は楕円形であったため）。特に、三次元ベクトル光線追跡技術が本発明により使用され、従来技術の薄レンズ近似とは対照的に、光線が真の球面（「厚レンズ」と考えられる）と相互作用する際に、入力レーザビームを形成する光線がとる経路を直接計算する。
【００２５】
特に、図２に示されるように、入力レーザビームＩは複数の光線Ｒ−１〜Ｒ−Ｎによりシミュレートされ、各光線Ｒ−ｉの点源はまず、円形輪郭Ｉに配置されて、入力レーザビームＩのビーム形状を画定する。図３は、光線Ｒのこの点源の側面図であり、真の球面Ｓに向かう光線Ｒ−１〜Ｒ−Ｎの初期方向をさらに示す。曲率は、説明のために誇張されるが、各光線がとる異なる経路を明確に示す。これは、これらの異なる経路を無視する、従来技術により使用される「薄レンズ」近似が、マルチパスセル設計を開発する全体プロセスに影響する重要な潜在的要因を欠くことを示す。したがって、これとは対照的に、本発明の方法論は、この真の球面設計情報を利用して、光線が一対の球面ミラー表面間を前後に跳ね返る際に、個々の各光線の進行を追跡し、それにより、重複がわずかであるか、又は重複がない高密度の入り組んだスポットパターンを生成する様々な異なるセル構成を定義する。
【００２６】
図２及び図３を参照すると、光線Ｒは、ビーム波長を有する入り組んだビームパラメータをシミュレートすることにより計算し得る初期方向を有し、実際の実施に使用される特定のレーザの発散に等しい発散を示し得る。図３に示されるように、各光線の初期位置は、三次元ベクトル経路に沿って球Ｓとの相互作用まで追跡され、各光線の跳ね返りが球への角度から計算される。追跡プロセスは、各光線が対向する球面ミラー（図示せず）から跳ね返る際に継続される。特定のプロセスは線−球交点を使用して、光線の交点及び跳ね返りをシミュレートする。図２及び図３に示される例示的な構成は、ビームの周縁を画定する様に配置された複数の光線を利用するが、周縁が明確に画定される限り、光線位置の他の幾何学的形状を使用し得ることを理解されたい。例えば、追加の光線を設計の内部に位置決めし、同じ方法を使用してそれらの経路を追跡し得る。実際に、本発明の技術を使用して、好ましい幾何学的形状の出力ビームを形成する入力ビームの「最適化された」（例えば、球形出力ビームを形成する）形状を定義することがさらに可能である。
【００２７】
従来技術の薄レンズ近似を使用する代わりに、本発明のプロセスは実際の球面（すなわち、「厚レンズ」）を利用し、例えば、調整可能な様々なパラメータ（第１のミラーの入射穴の位置（ｘ０，ｙ０）、入力ビームの軸外向き、ミラーの間隔、所望のパス数Ｎ、球面ミラーの直径、及び球面ミラーの焦点距離ｆ）のすべてを探査することにより、従来技術による従来の球面ミラーベースのマルチパスセルと比較した場合、充填因子を実質的に増大させる様々な異なるスポットパターンが見つけられる。
【００２８】
特に、適合度関数を利用して、許容可能なＭＰＣ設計を決定することができ、次に、上で定義した様々なパラメータに関して繰り返すことができる。許容可能な一適合度関数は、以下の形態：
（Ｎ＊ｄ）２＋ｉｄ２＋ｈｄ２
をとり、式中、ｄはミラーの間隔であり、Ｎはパス数であり、ｉｄは最小スポット間隔であり、ｈｄはスポットと入射穴又は出射穴のいずれか一方との最小間隔である。鏡面の「境界」（ミラー開口部）を超える光線を生成する解は無視され、ゼロ又は負の近似に設定することができる。
【００２９】
図４は、本発明の直接光線追跡反復プロセスを使用して発見された例示的な一スポットパターンを示し、図４の図は、一対の球面ミラーを使用し、入力レーザビームがミラー間で２００回通過する場合に生成されるシミュレーションパターンである。図４を参照すると、入射穴１１及び出射穴１３は両方ともこの構成の一部をなし、非再入構成をもたらす。複数の別個の楕円形領域を含むこの種のパターンは、従来技術の構成に関連する標準の単一円形又は楕円形パターンとは大きく異なる。この場合、生成されたパターンは５つの別個のスポット領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、及びＶを含むため、鏡面に形成されるスポットの数（その結果、スポット密度）を大幅に増大させる。
【００３０】
光線追跡プロセス中、マルチパスセルパラメータのうちの１つ又は複数に小さな変更を導入することにより、最終的なスポット位置の感度を分析することも可能である。この特定のプロセスは、非再入パターンが出力ビーム位置及び角度の安定性にいかに影響するかを理解するのに役立つ。
【００３１】
図５は、図４の構成の商用光線追跡図を示し、これらの５つの別個のスポット領域を生成する結果を検証する。図５は特に、第１の球面ミラー１２及び第２の球面ミラー１４を含むマルチパスセル１０の形態でのこの実施を示す。従来では、再入条件に基づく球面マルチパスセルを使用して、非常に単純な方程式（近軸及び薄レンズ近位を用いる）が提供されて、マルチパス円形又は楕円形構成が生成された。しかし、本発明によれば、各光線が、セル内を移動する際に個々に追跡されるため、入力ビームの個々の各光線がわずかに異なる反射角を経験すること（実際の球面ミラー表面により）が考慮される。そのような複雑なプロセスは、式によりマルチパスセル設計パラメータの計算を可能にする（従来技術のように）任意の式と併用するには複雑すぎる。
【００３２】
図６は、本発明により形成されるマルチパスセルの写真であり、図４及び図５の構成と同様のスポットパターンの生成を示す。この特定の構成は、物理的長さ約３．５１ｃｍ（ミラーの間隔ｄ）を有するが、光路長３．７ｍ（合計で１０７回の跳ね返り）を生成する。
【００３３】
本発明により形成されるこれらのマルチパスセルは、焦点距離ｆが短い用途に特に適する。短い焦点距離は、凹面境の大きな曲率を生み出し、比較的大きな球面収差を提供する。したがって、従来技術による「薄レンズ」近似を使用する場合、この球面収差は無視され、単純な設計式の使用が可能であるが、本明細書に記載されるものと同様の入り組んだパターンをシミュレーションすることは不可能である。
【００３４】
本発明のシミュレーションプロセスの関心パラメータは以下を含む：（１）最小スポット間隔（各ミラーでの）−すなわち、重複しない最小間隔、（２）「境界内」−すべての光線が鏡面に「着陸」しなければならないという制限、（３）合計光路長（「最終距離」として定義される）、（４）光線が跳ね返るべきではないミラー内の任意の事前に定義されるギャップからの隙間、（５）入力ビームに対するミラーの入射穴のｘ、ｙ位置、（６）出力ビームに対するミラーの出射穴のｘ、ｙ位置、（７）入力ビームの角度（セルの光軸に対する）、（８）出力ビームの角度（セルの光軸に対する）、（９）ミラーの間隔、（１０）ミラーの焦点距離、及び（１１）ミラーの直径。
【００３５】
本発明により最適化を実行するに当たり、許容可能な解を見つけるために反復される入力は以下のうちの１つ又は複数を含む：（ａ）第１のミラーでの入力ビームの入力位置（ｘ，ｙ）、（２）入力ビームの角度（システムの光軸に対して測定される）、（３）ミラーの間隔ｄ、及び（４）パス数Ｎ。
【００３６】
最適化することが望まれる出力は以下を含む：（ａ）最小スポットサイズ、（ｂ）すべてのスポットが鏡面の境界内にあることの保証、（ｃ）光路長、（ｄ）ビームの出射位置、（ｅ）出射角度、（ｆ）入射アパーチャと出射アパーチャとの間隔、及び（ｇ）出射穴に対する「最後のスポット」の位置（例えば、製造要件に十分なスペースがあることを確認するために）。
【００３７】
人工知能ベースの最適化（遺伝アルゴリズムを使用して実施することができる）が、識別された入力パラメータのうちの１つ又は複数を変更して、マルチパスセルの最終設計を最適化することにより、本発明により許容可能なスポットパターンを生成する判断プロセスにおいて使用される。遺伝アルゴリズムは、選択、交差、及び突然変異等の自然に見られる進化の原理に基づく汎用検索アルゴリズムである。特定の「遺伝子」値は通常、定義された境界内のランダム値に初期化される。「染色体」は遺伝子の集まりからなり、したがって、適合度関数により評価されて、解の品質が特定される。
【００３８】
上述したように、入力パラメータのうちの１つ又は複数を変更し、ＡＩベースの最適化を使用することにより、いくつかの非常に異なるスポットパターンが、高密度構成を生成するものとして識別される。図７及び図８は、本発明の直接光線追跡及びＡＩ最適化手順を使用して形成される例示的な高充填高密度マルチパスセルのシミュレートパターンを示す。特に、図７は、図８に示される関連付けられたマルチパスセルの写真と共に、４５９回のパスを含むマルチパスセルのシミュレーション結果の図である。モード整合レンズを構成の入力に追加することにより、図９に示されるように、スポットパターンサイズを変更することができる。この特定の実施形態は、１２．６ｃｍ離間された直径１．５インチの平凹球面ミラーを使用して、光路長５７．６ｍを生成する。
【００３９】
図１０は、本発明の技術を使用して形成されたさらに別のマルチパスセル構成のコンピュータ生成された光線トレースであり、入り組んだスポットパターンは重複する２つのＣとして現れ、ここでも高密度スポットパターンを鏡面に生成する。
【００４０】
上述したように、本発明の直接光線追跡技術は、より複雑なミラー構成と併用することもできる。例えば、２枚のミラーの焦点距離が異なる非対称セルを設計することができる。この場合、焦点距離の差は単に、光線がミラー間で跳ね返る際に光線を追跡するシミュレーションプロセスに追加される別のパラメータになる。すなわち、コンピュータ追跡アルゴリズムは単に、一方のミラーの半径曲率を変更することができ、同じＡＩベースの反復最適化プロセスを利用して、異なるセル構成解を見つけることができる。オフセット及び傾斜（及び異なる反射率）は単に、コンピュータ追跡アルゴリズムにおいてミラーの特徴を調整することにより対処することができる。異なる入力波長及びビームを形成する光線数の調整を利用することもできる。
【００４１】
さらに、本発明の技術は、入力ビームが穴のないセルに注入されるマルチパスセル構成と併用することができる。したがって、この場合、「穴位置」変数は明らかに、最適化プロセスからなくなり、ミラー近傍の「注入位置」を定義する情報で置換される。キャビティ増強分光法及び積分キャビティ出力分光法（ＩＣＯＳ）は両方とも、ビームが、高反射率コーティング（通常＞９９％）を有するミラーで形成されるキャビティに注入される用途であり、これにより、一度に多くの横断モードがキャビティ内で可能になり、ビームは一般に再入しない。
【００４２】
３つ以上のミラーを利用する他の可能なマルチパスセル構成も、本発明の直接光線追跡反復最適化技術を用いて分析することができる。一対のミラーを超えるミラーを利用する任意の構成は、設計がより複雑であり、より独立した光線の直接追跡を必要とするが、本発明の教示を、３枚以上のミラーを使用するマルチパスセル構成の発見に拡張することが可能である。
【００４３】
広範囲の光学用途が、本発明により形成される高密度スポットマルチパスセルを用いて可能な相互作用長の増大から恩恵を受けると考えられる。例えば、上述した構成を、光音響分光法又はファラデー回転分光法（ＦＲＳ）等の他の分光方法と組み合わせることができる。光音響分光法では、吸収変調光からの変調エネルギーが、音響周波数に設定することができ、後でマイクロホンを用いて検出することができる圧力波を生成する。ＦＲＳでは、光ビーム路に沿った偏極回転量は路長に依存する。したがって、本発明のコンパクトなマルチパスセル設計では、小容積で極めて長い路長を生成することが可能である。
【００４４】
軸外積分キャビティ出力分光法等のキャビティ増強方法では、ガスセルが超高反射率ミラーを使用し、ビームを標準のマルチパスセルよりも多くの回数、跳ね返すことができる。これらのセルは通常、注入が穴を通して行われず、スポットが通常、個々の各光線が再入する前にミラーの多くの別個のスポット位置に配置するためにかなり重複するため、わずかに異なる方法で実施される。しかし、２球面ミラー軸外構成に注入されるスポットパターンは、これらのパターンが球面ミラーに基づく２ミラーセルに唯一のパターンであると仮定されていたため、円形である。これらの軸外キャビティのスポット間隔は、可能な限り再入解を回避するように設定される。これらのセルも非点収差スポットパターンから恩恵を受けるが、製造コストは通常高すぎて、正確な非点収差ミラー特徴及び超高反射率誘電コーティングの両方を提供することができないため、これらの種類の実施の大半は単純な球面ミラーを使用する。本発明は、スポットをミラーにわたって分散させ、標準の円形パターンよりも多くの跳ね返りで再入状況を回避することにより、球面ミラーを使用するそのような軸外キャビティに新しいパターンを提供することができる。
【００４５】
本発明にマルチパスセルの他の変更形態は、光路の方向を容易に変更することができる光学結合を使用することにより、入射穴及び出射穴の身元を「切り替える」能力を含む（例えば、ファイバベースの結合が、ポート位置を比較的容易に変更し切り替える）。さらなる光学系（上述したレンズ等）を入力信号路に追加して、入力ビームの属性を変更し、その結果、生成されるスポットパターンを変更し得る。取り付けられたセンサ及び制御方法を使用して、温度及び圧力等の他の環境要因をセル内で制御することができる。
【００４６】
本発明の趣旨又は範囲から逸脱せずに、様々な変更及び変形を本発明のシステム及び方法において行い得ることが当業者には明らかだろう。したがって、本発明が、本発明の変更形態及び変形形態を、それらが添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物内にある場合は、包含することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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