(57)【要約】  調節可能な光学セルアセンブリーは、共振器を画定する中空の本体と、共振器内にしっかりと装着された複数の光学素子とを含む。第１のアクチュエーターは、中空の本体の外面に、中空の本体の一部を少なくとも一部を弾性変形させられるだけの十分な力を、当該弾性変形に応じて複数の光学素子のうちの第１の光学素子と第２の光学素子との間の距離および相対的な向きの一方が変化するような形で印加するよう構成されている。
2014516405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学セル装置と第１のアクチュエーターとを含むアセンブリーであって、
前記光学セル装置は、
前記光学セル装置の壁を含む中空の筒状本体であって、長手方向に間隔のあいた第１の本体端と第２の本体端とを有し、前記光学セルの長手方向の軸を囲んで前記筒状本体内に部材管を画定する、前記筒状本体と、
実質的に剛性で、前記第１の本体端に取り付けられて第１の光学セル端を画定する第１の端部材と、
前記部材管内に位置し、前記第１の端部材に固定して取り付けられた第１の光学素子と、
実質的に剛性で、前記第２の本体端に取り付けられて第２の光学セル端を画定する第２の端部材と、
前記光学セル内に位置し、前記第２の端部材に固定して取り付けられた第２の光学素子と、
を含み、
前記第１のアクチュエーターは、
前記部材管の外側に装着され、前記光学セル装置の少なくとも一部を弾性変形させるのに十分な力を、前記光学セル装置の外面に、前記長手方向の軸に対して実質的に平行な方向で、当該弾性変形に応じて前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間の長手方向の距離が変化するような形で印加するよう構成された、
アセンブリー。
【請求項２】
前記第１のアクチュエーターは、第１の位置で前記光学セル装置に力を印加するよう構成され、前記アセンブリーは、前記部材管の外側に装着され、前記第１の位置とは異なる第２の位置で、前記第１の光学素子および前記第２の光学素子の相対的な向きを選択的に変更できるような形で前記光学セル装置に力を印加するよう構成された第２のアクチュエーターをさらに含む、請求項１に記載のアセンブリー。
【請求項３】
前記部材管は円筒であり、前記第１および第２のアクチュエーターは、複数のアクチュエーターのうちの第１および第２のアクチュエーターを含み、前記複数のアクチュエーターは各々、前記部材管の外側に装着され、かつ、関連の位置で前記光学セル装置に力を印可するよう構成され、前記複数のアクチュエーターの前記関連の位置は、全体として、前記筒状部材によって画定される前記円筒の軸に対してｎ回回転対称であり、ここで、ｎは２以上の整数である、請求項２に記載のアセンブリー。
【請求項４】
前記第１の端部材および前記第２の端部材は各々、前記長手方向の軸に対して垂直に取った前記筒状部材の断面をこえて横方向に延在し、前記第１のアクチュエーターは、前記部材管の横方向外側に位置する前記第１の端部材の一部に固定して取り付けられ、かつ、前記第２の端部材に力を印可して、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間の前記長手方向の距離を増すよう構成されている、請求項１に記載のアセンブリー。
【請求項５】
前記第１のアクチュエーターに装着され、前記第１のアクチュエーターと前記第２の端部材との間に長手方向に延在して、前記第１のアクチュエーターと前記第２の端部材との間で力を伝達する剛性のロッドをさらに含む、請求項３に記載のアセンブリー。
【請求項６】
前記光学セル装置は、前記第１の端部材と前記第２の端部材との間の点で前記筒状本体の外面にしっかりと装着された中間部材をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリー。
【請求項７】
前記第１のアクチュエーターは、前記第１の端部材および前記中間部材のうちの選択された１つに装着され、前記第１の端部材および前記中間部材のうちの他方に力を加えるように構成されている、請求項６に記載のアセンブリー。
【請求項８】
前記中間部材は、第１の中間部材であり、前記光学セル装置は、前記第１の端部材と前記第２の端部材との間の前記筒状本体の外面にしっかりと取り付けられた第２の中間部材をさらに含み、前記第１のアクチュエーターは、前記第１の中間部材に装着され、前記第２の中間部材に力を加えるように構成されている、請求項６に記載のアセンブリー。
【請求項９】
前記筒状本体の外側の表面に共振器が与えられ、前記第１のアクチュエーターは、少なくとも部分的に前記共振器内に装着される、請求項３に記載のアセンブリー。
【請求項１０】
前記第１のトランスデューサーは圧電トランスデューサーである、請求項１に記載のアセンブリー。
【請求項１１】
前記第１および第２の光学素子は、第１および第２のミラーである、請求項１に記載のアセンブリー。
【請求項１２】
前記筒状本体は、ステンレス鋼およびインバーのうちの一方で形成される、請求項１に記載のアセンブリー。
【請求項１３】
前記第１のアクチュエーターと直列に配置された第２のアクチュエーターであって、前記第１のアクチュエーターおよび前記第２のアクチュエーターの各々が、前記外側の表面の同じ位置に力を印加するように配置された第２のアクチュエーターをさらに含む、請求項１に記載のアセンブリー。
【請求項１４】
請求項１に記載のアセンブリーと、
前記光学セル装置に光を与えるよう構成されたレーザーアセンブリーと、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間の距離をあらかじめ定められた範囲内で動的に選択できるように、前記第１のアクチュエーターを制御するよう構成されたシステム制御部と、
前記光学セル装置から放出される光を検出し、前記放出された光を示す電気信号を前記システム制御部に出力するよう構成された検出器と、
を含む、キャビティリングダウン分光装置。
【請求項１５】
共振器を画定する剛性で中空の本体と、
前記共振器内にしっかりと装着された複数の光学素子と、
前記中空の本体の少なくとも一部を弾性変形させるのに十分な力を、前記中空の本体の外面に、当該弾性変形に応じて前記複数の光学素子のうちの第１の光学素子と第２の光学素子との間の距離および相対的な向きの一方が変化するような形で印加するよう構成された第１のアクチュエーターと、
を含む、アセンブリー。
【請求項１６】
前記中空の本体は、ステンレス鋼およびインバーのうちの一方で作製される、請求項１５に記載のアセンブリー。
【請求項１７】
請求項１に記載のアセンブリーと、
前記光学セル装置に関連の波長の光を与えるよう構成されたレーザーアセンブリーと、
前記中空の本体の前記外面に印加される力が、前記レーザーアセンブリーによって与えられる前記光の関連の波長の１／２をこえる量だけ前記中空の本体を伸ばすのに十分になるように、前記第１のアクチュエーターを制御するよう構成されたシステム制御部と、
を含む、キャビティリングダウン分光装置。
【請求項１８】
検体の濃度を求めるための方法であって、
剛性の本体と、前記剛性の本体に装着された第１および第２の光学素子とを含む光共振器を、実質的に一定の波長の光を生じるレーザーで励起させ、
前記剛性の本体を、少なくとも第１の位置で弾性変形させて、前記レーザーおよび前記共振器を共振させ、
前記共振器から放出される光を検出し、
前記検出された光を評価して、前記検体の濃度を求めることを含む、方法。
【請求項１９】
前記剛性の本体を少なくとも第１および第２の位置で弾性変形させ、前記第１および第２の光学素子の相対的な向きを変化させることをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記剛性の本体を少なくとも第１の位置で弾性変形させることが、前記剛性の本体を、前記実質的に一定の波長の少なくとも１／２だけ伸ばすことを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に分光法の分野に関し、特に、分光装置に適合可能なセルデザイン用のシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学的な成分と、そのそれぞれの濃度との両方を含めて試料の組成を求めることのできる方法のひとつに、光吸収がある。この方法には、化学的なプロセス制御、製造時における不純物の監視および制御、排ガス規制に対するコンプライアンスの監視、天然および擬人種の分散と化学的分解の監視、燃焼診断、医療診断、生物医学的研究など、幅広い状況で用途がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一態様によれば、調節可能な光学セルアセンブリーが提供される。このアセンブリーは、共振器を画定する中空の本体と、共振器内にしっかりと装着された複数の光学素子とを含む。第１のアクチュエーターは、中空の本体の外面に、中空の本体の一部を少なくとも一部を弾性変形させられるだけの十分な力を、当該弾性変形に応じて複数の光学素子のうちの第１の光学素子と第２の光学素子との間の距離および相対的な向きの一方が変化するような形で印加するよう構成されている。
【０００４】
本発明のもうひとつの態様によれば、アセンブリーは、光学セル装置を含む。この光学セル装置は、光学セル装置の壁を有する中空の筒状本体を含む。筒状本体は、長手方向に間隔のあいた第１の本体端と第２の本体端とを有し、光学セルの長手方向の軸を囲んで筒状本体内に部材管を画定する。第１の端部材は、実質的に剛性で、第１の本体端に取り付けられて第１の光学セル端を画定する。第１の光学素子は、部材管内に位置し、第１の端部材に固定して取り付けられている。第２の端部材は、実質的に剛性で、第２の本体端に取り付けられて第２の光学セル端を画定する。第２の光学素子は、光学セル内に位置し、第２の端部材に固定して取り付けられている。第１のアクチュエーターは、部材管の外側に装着され、光学セル装置の少なくとも一部を弾性変形させるのに十分な力を、光学セル装置の外面に、長手方向の軸に対して実質的に平行な方向で、当該弾性変形に応じて第１の光学素子と第２の光学素子との間の長手方向の距離が変化するような形で印加するよう構成されている。
【０００５】
本発明のさらに別の態様によれば、検体の濃度を求めるための方法が提供される。剛性の本体と、剛性の本体に装着された第１および第２の光学素子とを含む光共振器を、実質的に一定の波長の光を生じるレーザーで励起させる。剛性の本体は、少なくとも第１の位置で弾性変形され、レーザーおよび共振器を共振させる。共振器から放出される光を検出する。検出された光を評価して、検体の濃度を求める。
【０００６】
＝＝関連出願＝＝
本出願は、本出願と同一の譲受人に譲渡された、Kevin K. Lehmannの名前で２０１１年３月２５日にファイルされた仮特許出願第６１／４６７，４６７号（発明の名称CELL DESIGN FOR CAVITY RING-DOWN AND OTHER FORMS OF CAVITY ENHANCED SPECTROSCOPY AND RELATED METHOD THEREOF（キャビティリングダウンおよび他の形態のキャビティエンハンスト分光法用のセルデザインおよびこれに関連した方法））の優先権の利益を主張する。また、本出願は、本出願と同一の譲受人に譲渡された、Kevin K. Lehmannの名前で２０１１年１２月１２日にファイルされた仮特許出願第６１／５６９，５２７号（発明の名称CELL DESIGN FOR CAVITY RING-DOWN AND OTHER FORMS OF CAVITY ENHANCED SPECTROSCOPY AND RELATED METHOD THEREOF（キャビティリングダウンおよび他の形態のキャビティエンハンスト分光法用のセルデザインおよびこれに関連した方法））の優先権の利益も主張する。これらの出願を各々、その全体を本明細書に援用する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
添付の図面を参照して以下の説明を読むことで、本発明の上記の特徴および他の特徴は、本発明が関連する分野の当業者に明らかになるであろう。
【図１】本発明の一態様による長さ調節可能な光学セル装置を提供するためのアセンブリーの長手方向の軸に沿った断面図である。
【図２】本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーの一実施形態の長手方向の軸に沿った断面図を示す。
【図３】図２のアセンブリーの横方向の軸に沿った断面図である。
【図４】本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーのもうひとつの実施形態の横方向の軸に沿った断面図である。
【図５】本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーのさらに別の実施形態の長手方向の軸に沿った断面図を示す。
【図６】本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーのさらに別の実施形態を示す。
【図７】本発明の一態様による長さ調節可能なセルの一例を利用したキャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）システムを示す。
【図８】本発明の一態様による、検体の濃度を求めるための方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
キャビティエンハンスト分光法では、試料、主に気体試料の弱い吸収を検出可能にするのに低損失の光共振器を用いる分光技術のうち、いくつかの関連した技術を対象にしている。これらの技術を、携帯機器または加速や振動の生じる環境におかれる機器で使用するために、光共振器を構成するミラーまたはプリズムの厳密なアライメントを維持するセルデザインが提供されている。狭帯域幅レーザーからこのような共振器に相当量の光を入射させるには、レーザーと共振器を共振させる必要がある。検出波長を不安定にし、測定精度を落とす、励起レーザーの波長を変調するのではなく、リジッドセルの長さを調整できる調節可能なセルを提供して、共振を達成する。これは、２つまたは３つ以上の高反射率ミラーまたはプリズムで形成される光共振器にも適用可能である。
【０００９】
このセルはモノリシックであり、共振器内の光学素子の厳密なアライメントを維持する。１つまたは２つ以上の高分解能・高出力トランスデューサーを用いて、セル本体の弾性変形によってセルの長さを掃引する。共振器長を、共振器の励起に用いる光の半波長の整数倍で走査するが、これによって共振器の少なくとも１つのＴＥＭ００モードが、レーザーとの共振を通過できるようになる。このセルの１つの利点は、周波数同期レーザーのｃｗ−ＣＲＤＳ技術で用いられることであり、これによって、共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）に沿ってレーザーの周波数を掃引する別の手法よりも測定の周波数精度が高くなる。ただし、このセルは、非常に厳密であるが安定した光学エタロンが望ましい用途であれば、どのような用途にも利用できることは、理解できよう。
【００１０】
図１は、本発明の一態様による長さ調節可能な光学セル装置２０を提供するためのアセンブリー１０の長手方向の軸に沿った断面図である。光学セル装置２０は、光学セル装置の壁を形成する中空の筒状本体２２を含む。筒状本体２２は、長手方向に間隔のあいた第１の本体端２４および第２の本体端２６を有し、光学セルの長手方向の軸を囲んで本体内に部材管２８を画定している。一実施形態では、筒状本体２２は、関連の光源（図示せず）の数波長程度の膨張に耐えられるだけの弾性限界を有する、剛性の金属で形成された硬い円筒であってもよい。たとえば、筒状本体２２は、ステンレス鋼またはインバーで形成されてもよい。
【００１１】
第１の端部材３０および第２の端部材３２は、それぞれ第１の本体端２４および第２の本体端２６に取り付けられ、各々第１および第２の光学セル端を画定している。第１の端部材３０および第２の端部材３２は、実質的に剛性で、筒状本体２２との組み合わせで、光学セルアセンブリー用の実質的に気密な共振器を形成する。第１の端部材３０および第２の端部材３２はどちらも、筒状本体２２と一体であってもよいし、適当な方法で取り付けられて、耐性があり実質的に気密の封止状態を形成する別部品であってもよいことは、理解できよう。一実施形態では、第１の端部材３０は、Ｃｏｎｆｌａｔフランジなどの真空フランジを含んでもよい。
【００１２】
第１の光学素子３４および第２の光学素子３６は、部材管内に位置し、それぞれ第１の端部材３０および第２の端部材３２に固定されている。光学素子３４および３６は、光線の方向の変更、偏光、コヒーレンスのための１つまたは２つ以上のミラー、ビームスプリッター、プリズム、レンズまたは他の任意の構成要素を含んでもよい。一実施形態では、光学素子３４および３６は各々、光源に関連した周波数で高反射率の材料で作られるか、そのような材料でコーティングされた少なくとも１つの表面を有するミラーである。一実施形態では、ミラーは、凹形で、近共焦点配置されていてもよい。光学素子３４および３６が加速または振動下におかれた場合でもアライメントを維持できるようにするために、これらを、それぞれの端部材３０および３２の表面に押圧してもよい。
【００１３】
本発明の一態様によれば、光学セル装置２０は、その剛性にもかかわらず、検出に用いる光の波長の少なくとも１／２の距離だけ光学素子３４と３６との距離を変更できるだけの量で光学セル装置２２を伸ばし、セルを、対象となる検体の吸収線のピークに固定されたレーザーと共振させられる程度に、十分弾性であることがわかっている。この目的のために、第１のアクチュエーター４０を、部材管の外に装着して、光学セル装置の少なくとも一部を弾性変形させるのに十分な力を、光学セル装置２０の外面上の位置に、この弾性変形に応じて第１の光学素子３４と第２の光学素子３６との間の長手方向の距離が変化するような形で印加するよう構成してもよい。一例では、第１のアクチュエーター４０を、圧電トランスデューサーとして実現してもよい。
【００１４】
アクチュエーター４０は、筒状本体２２を伸ばして光学素子３４と３６との間の距離を長くする力を印加するよう位置決め可能である。光学素子の変位量ΔＬを、印加力Ｆ、筒状本体２２を構成する材料のヤング率Ｅ、筒状本体の断面積Ａから、以下のようにして計算できる。  
2014516405.tif 000003
〔式１〕
式中、Ｌ０は筒状本体の元の長さである。
【００１５】
材料の長さ、面積、材料特性は既知であり、なおかつ一定でもあるので、アクチュエーターによって印加される力を調節することで、光学素子３４と３６との間の距離を制御できる。市販の高出力アクチュエーターを使用して、関連する光源のいくつかの波長で距離を変更できることがわかっている。
【００１６】
システム１０は、たとえば、アクチュエータースタックの第１のアクチュエーターと直列に実装され、光学セルアセンブリー２０の外面上の同じ位置に適用されるように構成された追加のアクチュエーターを含んでもよいことは、理解できよう。一実施形態では、第１のアクチュエーター４０は、第１の端部材３０に装着され、システム制御部（図示せず）からのコマンドに応答して第２の端部材３２に力を印加するよう構成されている。２つの端部材３０と３２との間の距離で力を印加しやすくするために、第１のアクチュエーター４０にロッド４２を装着し、これが第１のアクチュエーターと第２の端部材との間で長手方向に延在して、第１のアクチュエーターと第２の端部材との間で力を伝達してもよい。たとえば、ロッド４２は、組み立て時に自己に加わるトルクを最小限に抑えるためのサファイア球を有するアクチュエーター４０に装着された、１インチの金属製ロッド（たとえば、ステンレス鋼またはインバー）として実現できる。ロッド４２に他のサイズや材料を使用してもよいが、アクチュエーター４０によって生じる力でロッドが圧縮されると、光学セル装置２０を所望の量だけ変形させるのにアクチュエーターに必要な変位量が大きくなるため、剛性の材料が好ましいことは理解できよう。
【００１７】
図２および図３は、本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーの一実施形態を示す。図１と共通の要素には、同じ参照符号を付す。図２は、アセンブリー１０の長手方向の軸に沿った断面図である。図３は、第１の端部材３０近傍でのアセンブリー１０の横方向の軸に沿った断面図であり、第１のアクチュエーター４０および第２のアクチュエーター４４の配置を示す。第１の端部材３０および第２の端部材３２は各々、筒状本体２２に対して実質的に気密の封止状態を提供するよう構成された真空フランジを含む。フランジ３０および３２は、筒状本体２２の断面をこえて横方向に延在する。
【００１８】
図示の実施形態では、第１のアクチュエーター４０および第２のアクチュエーター４４は各々、圧電トランスデューサーを含む。これらの圧電トランスデューサーは、第１の端部材３０に装着され、それぞれ第１および第２の位置で第２の端部材３２に力を印加するよう構成されている。第２のアクチュエーター４４には、第２のロッド４６が装着され、このロッドが第２のアクチュエーターと第２の端部材３２との間で長手方向に延在して、第２のアクチュエーター４４と第２の端部材との間で力を伝達する。第２のアクチュエーター４４を加えることには多数の利点があり、一例として、セル本体を変形させるのに必要な力を複数のアセンブリーで共有でき、各アクチュエーターの必要な容量を小さくできる上、アクチュエーターが長手方向の軸に対して対称に配置されていると仮定すると、アクチュエーターを追加することで、共振器長を走査する際にセルの光軸が動く原因となり得るセルの反りが生じる尤度を小さくできることがあげられる。最後に、複数のアクチュエーターを使用する場合、セル本体が不均一に変形して光学素子３４および３６の相対的な向きが変わるような形で、これらのアクチュエーターを、異なるレベルの力を与えるように構成してもよい。
【００１９】
図４は、本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーのもうひとつの実施形態を示す。ここでは、第１の端部材３０近傍でのアセンブリー１０の横方向の軸に沿った断面図に示されるように、３つのトランスデューサーが対称配置で用いられている。図中、第１のアクチュエーター４０、第２のアクチュエーター４４、第３のアクチュエーター４８の配置が示されている。さらに多くのアクチュエーターを使用することで、セル本体のむらのある膨張によって生じるセルのミスアライメントを補償できるようになる。また、さらに多くのアクチュエーターを使用することで、個々のアクチュエーターから必要な力が小さくなり、ミラー３４および３６の相対的な向きを一層正確に制御できることも、理解できよう。一般に、このアセンブリーでは、光学セル装置に力を印加するのに実用的な個数ｎであれば、何個のアクチュエーターを使用してもよく、複数のアクチュエーターの各々が、光学セルアセンブリーの外面上の異なる位置で力を印加する。この場合、これらの位置は、全体として、筒状本体２２によって画定される円筒の軸に対してｎ回回転対称である。
【００２０】
図５は、長手方向の軸に沿った断面図として、本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーのさらに別の実施形態を示し、図１と共通の要素には、同じ参照符号を付す。図５では、１つまたは２つ以上の中間部材５２および５４は、第１の端部材３０と第２の端部材３２との間の点で、筒状本体の外面にしっかりと装着されている。たとえば、特定の中間部材５２および５４は、溶接、接着または同様の接合工程で永久的に、あるいは、クランプまたは同様のアセンブリーで一時的に、セル本体にしっかりと取り付けられたフランジを含み得る。中間部材をセル本体に一時的に装着することで、後に位置を変更して異なる波長の励起源を使用できるようになる。
【００２１】
図示の実施形態では、２つの中間部材５２および５４を使用し、アクチュエーター４０を一方の中間部材（たとえば、５２）に装着して、第２の中間部材（たとえば、５４）に力を加えるように構成する。しかしながら、アクチュエーター４０を、端部材３０および３２のうちの一方と単一の中間部材５２との間に配置して、端部材３０および３２のうちの一方からの力を中間部材５２に印加する、あるいは、中間部材からの力を端部材に印加することもできるのは、理解できよう。また、アクチュエーターを直列に接続して、たとえば第１のアクチュエーターが端部材（たとえば、３０）からの力を第１の中間部材（たとえば、５２）に印加し、第２のアクチュエーターが第１の中間部材からの力を第２の中間部材（たとえば、５４）に印加し、第３のアクチュエーターが第２の中間部材からの力を第２の端部材（たとえば、３２）に印加してもよいことも、理解できよう。さらに、中間部材は、筒状本体２２の長手方向の断面の弧の一部のみを囲む形で図示されているが、本体の弧全体を囲んでもよいことも、理解できよう。このように、１つまたは２つ以上の中間部材５２および５４で複数のアクチュエーター（図示せず）を同時に使用することが可能である。
【００２２】
中間部材５２および５４を用いると、図２の端部材３０と３２との間で力を伝達するのに必要なロッドの長さを分をなくすか、あるいは短縮できる。これによって、力がセル本体に作用する距離が短くなるため、同じ変位量を得るのにＰＺＴで生成しなければならない力が大きくなる。しかしながら、ＰＺＴが伸びたときに図２および図３のアセンブリーで力を伝達するのに用いられるロッドがいくらか圧縮されるため、ＰＺＴ素子に必要な延長は短くなる。
【００２３】
図６は、本発明の一態様による調節可能なセルアセンブリーのさらに別の実施形態を示し、図１と共通の要素には、同じ参照符号を付す。図示の実施形態では、筒状本体２２の外側の表面に共振器６２が提供され、第１のアクチュエーター４０は、少なくとも部分的に共振器内に実装される。たとえば、アクチュエーター４０は、筒状本体２２に機械加工で形成されたノッチに圧入できる。簡略化目的で、図面にはアクチュエーターを１つしか示していないが、筒状本体の円周に沿って複数の共振器を提供できることは、理解できよう。共振器６２の長さは、精密機械加工によって各アクチュエーターの長さに合わせることができる。あるいは、シムを用いて、アクチュエーター４０と共振器６２の壁とを隙間なく嵌合させることもできる。一実施形態では、アクチュエーターの取り出しを可能にするよう、セルの中央に最も近いアクチュエーター４０の側面に工具が到達できるように共振器６２を形成する。
【００２４】
説明を簡単にするために、本明細書のアセンブリーは直線状の２素子共振器として示されているが、本明細書のアセンブリーおよび方法、特に図６の共振器付きアクチュエーターは、このような配置に限定されるものではないことは、理解できよう。単純な例をあげると、アセンブリーがＬ字形の配置で角で合う２本の管状部材を含み、この２本の管状部材間で光が自由に通過できるように第３の光学素子を配置してもよい。複数のアクチュエーターを使用して、２本の管状部材を弾性的に変形させ、素子内距離と、第１、第２、第３の光学素子の相対的な向きとを調節してもよい。本明細書に記載のシステムおよび方法を考慮すれば、当業者には他の構成も自明であろう。
【００２５】
図１〜図６に示すシステムは、リングダウン分光法のシステムで用いられる場合に多数の利点を提供する。たとえば、共振器長を走査し、関連の励起レーザーと共振させることができるが、これは、共振器の減衰を観察するための大きな空洞透過を得るのに必要である。励起レーザーの周波数ではなく共振器長を変えることで、システムの感度を適度に高め、さらに重要なことに、検出波長での吸収断面のばらつきを最小限にできる。共振器の減衰率で観察された変化から試料濃度を計算するには、吸収断面で除算する必要があるため、上記の形は、この計算での不確かさの原因を排除し、よって、濃度測定の精度を高めることになる。
【００２６】
上述した調節可能な共振器を用いることで、共振器がほとんど連続的に励起されるように、共振器の共振近辺でのレーザーの走査を最小限に維持することができる。キャビティエンハンスト分光法で広く用いられる多くのレーザーの短時間の線幅は、吸収線幅のごく一部であるため、これは大きな効果であり、可能な検出速度を２桁分と大幅に改善できる。また、吸収線のピークとそのすぐ周囲で稼働させることで、レーザー波長とレーザーのスペクトル幅を判断する際の誤差による影響が最小限になる。また、調節可能な共振器では、共振器を監視して検体の吸収線のピークからの周波数オフセットを計算する必要性がなくなることも、注目すべきである。周波数依存性のバックグラウンド吸収を持つ試料において、周波数オフセットの補正は、そのバックグラウンドの厳密な周波数依存性に左右されるため、このような補正をしないでおくほうが望ましいであろう。最後に、いくつかのバージョンのキャビティエンハンスト吸収分光法、特にNoise-Immune Cavity-Enhanced Optical Heterodyne Molecular Spectrometry(NICE-OHMS)として知られる方法は、レーザーを空洞共振に厳密にロックすることを必要とし（残留ジッタ約１ＫＨｚまたはそれ未満）、よって、吸収線上でレーザーを繰り返し走査することとは両立できない。本明細書に記載の調節可能な共振器は、このような方法で用いるのに適している。
【００２７】
また、複数のアクチュエーターを加えると、一方のミラーを他方に対して傾斜させることができるようになる。これによって、共振器の光軸が移動する。このような形態は、入力レーザーと共振器との相対アライメントを微調整するのに使用できる。これは、共振器の最低次数の横モード（ＴＥＭ００モード）への光のカップリングを最適化し、ミラーコーティングの局所的な欠陥がゆえに損失を増すミラーの局所的なスポットを回避するのに有用である。さらに、ミラーを共振器の表面にしっかりと装着することで、システムは、出荷時またはキャビティエンハンスト分光法を用いるであろう多くの環境において起こりやすい高いレベルの振動または加速下におかれたときに、重要な光学アライメントを維持できる。
【００２８】
図７は、本発明の一態様による長さ調節可能なセルの一例を利用したキャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）のシステム１００を示す。微量種の検出は、光学的分光技術の重要な用途のひとつであり続けている。光路長が長く感度が高いことから、ここ数十年、これらの種の検出にはＣＲＤＳが使用されている。その利点は、ＣＲＤＳが共振器でのレーザー出力の減衰率を測定するため、レーザー強度の変動に耐えられることである。パルスレーザーＣＲＤＳと比較して、連続波（ｃｗ）ＣＲＤＳは狭帯域幅を提供し（これが高分解能と共振器のＴＥＭ００モードだけでの安定した励起を提供するが、それは励起レーザーが共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）よりも狭い帯域幅を有するときにのみ可能である）、一層安定した共振器の減衰率、よって、ＩＲ領域、特に低圧での本方法のさらに高い感度につながり、回転振動遷移の幅は、都合のよい長さの共振器のＦＳＲに匹敵し、共振器のｃｗ励起は、実験によって求めたスペクトルの精度と、そこから推論される分子濃度にとって重要である。
【００２９】
共振器のＦＳＲ未満で線幅□□Ｌの狭スペクトルレーザーを使用する場合、共振器および〆レーザーの一方もしくは両方をチューニングして共振させ、共振器の１つのＴＥＭ００モードで効率的な共振器励起を可能にする。これは、共振器長またはレーザー周波数のいずれかを掃引することで実施できる。共振器長が少なくとも□／２（ここで、□はレーザー周波数に対応した波長である）または少なくとも１つのＦＳＲのレーザーの走査振幅は、掃引ごとに少なくとも１つのＴＥＭ００モードがレーザーと共振することになるのを保証する。
【００３０】
ダイオードレーザーの場合ならびに、他の多くのシングルモードレーザーでもそうであるが、レーザーを数百ＭＨｚほど電子的に掃引することが可能である。これは、共振を確実にする上で一般に必要なことである。これの欠点は、追加の測定をしないと、試料の吸収を測定する光周波数がレーザー走査振幅および結果として共振器の少なくとも１つのＦＳＲがゆえに不確かだということにある。十分な共振器伝達によってキャビティリングダウンイベントが開始されるときに、レーザー走査のランプ電圧を測定可能であり、これによって、レーザーの周波数変調を補正することができるが、これには許容できない誤差が生じることが多い。この誤差の一因は、レーザーの周波数変調（ＦＭ）を生じるトランスデューサーの位相シフトである。このため、極めて正確な測定をするには、所望のシステム１００のレーザー周波数を、たとえば吸収線または光コムの歯にロックし、周波数変調を完全に避けるか、共振器モードの前後でランプするのに用いられる周波数変調の必要性を最も少なく回避する。
【００３１】
図示のシステムでは、ＣＲＤＳ共振器を構成する少なくとも１つのミラーを、１つまたは２つ以上の圧電トランスデューサーアクチュエーターによって移動させ、ミラー位置の電子制御を可能にする。これには、最初はレーザーの帯域幅の範囲内で、共振器内の光で各共振器の減衰が起こるという利点がある。共振器を走査すると、移動しているミラーからの光のドップラーシフトによって、共振器内での光が走査モードと共振して維持される。ドップラー効果によって幅を持った線またはこれより広い線での実験については、この共振器内周波数のシフトは無視できる。移動するミラーを持ちながら、セルの真空完全性の維持を可能にするには、セル本体を弾性変形させてミラー位置を調節するために外側にトランスデューサーを実装した状態でステンレス鋼のセルを利用する（図１〜図６で説明したシステムなど）。共振器の外側にアクチュエーターを維持することで、アクチュエーターを気体試料に曝露することを、これに伴う汚染、アクチュエーターの化学的な損傷または電気絶縁破壊の危険とともに回避できる。これは、圧力の広がりがドップラー効果による広がりと一致する所望の圧力範囲で稼働させるときに特に共通である。それは、信号対雑音比と効果的なスペクトル分解を同時に最大限にするのに望ましい。ミラーを直接装着した鋼製のリジッドセルを用いると、セルが加速または大きな振動下におかれたときにミスアライメントの尤度が低下する。
【００３２】
システム１００は、光共振器１１１を形成するステンレス鋼のセル１１０を含む。ステンレス鋼のセル１０２は、長さが約４０センチメートルであり、これによってＦＳＲが３８０メガヘルツになる。外径は２．９センチメートルである。末端の真空フランジは外径７．５センチメートルである。２つの予荷重をかけた圧電トランスデューサー（ＰＺＴ）１１２および１１３は、長さが６．５センチメートルであり、末端フランジ１１４および１１５と垂直なステンレス鋼のセル１１０の第１の末端フランジに装着され、共振器１１１の長さを掃引して第１のミラー１１６と第２のミラー１１７との距離を調節するのに用いられる。直径１．８センチメートルで長さ３３センチメートルの２本のステンレス鋼ロッド１１８および１１９を、力を伝達するための１／４−２０ねじ切りロッドによってセルの第２の末端フランジ１１５に取り付ける。ねじ切りロッドの圧縮を最小限にするために、ロッド１１８および１１９の端と第２の末端フランジ１１５とがぴったり嵌るように厚さを選択したＣ字形のスペーサー（図示せず）を、ロッドとＰＺＴ１１２および１１３の実装後に圧入する。ロッド１１８および１１９を締めたときのＰＺＴ１１２および１１３に加わるトルクを最小限にするために、両者の間にサファイアボール（図示せず）を使用する。
【００３３】
ＰＺＴ１１２および１１３は、最大１００ボルトの電圧をシステム制御部１２０から印加したときに、分解能３／１０ナノメートルで、オープンループの最大移動距離が３０マイクロメートルになるように選択される。一例としてのシステム１００では、抵抗がまったくないときに、ＰＺＴを４．８マイクロメートル延長するのに十分な、１ボルト前後から１７ボルトの間で印加電圧を掃引した。ミラー１１６、１１７の観察される移動距離は、１ＦＳＲより若干大きかった（約０．８８マイクロメートル）。掃引時、システム制御部１２０と関連した関数発生器によって生成し、ピエゾドライバーで増幅した２０ヘルツの三角波でＰＺＴを駆動した。
【００３４】
末端フランジ１１４および１１５に対する力によって生じるミラー１１６、１１７の変位は、上記の式１で与えられる。末端フランジ間の長さＬについて距離が０．４メートル、共振器本体の断面積Ａが１５立方センチメートル、ステンレス鋼のヤング率Ｅが２０７ギガパスカルであると仮定すると、１マイクロメートル変位させるごとに７７５ニュートンの力が必要である。図示の実施形態では、ＰＺＴアクチュエーター１１２および１１３は、３００キロニュートンの力と、対応する３０マイクロメートルの変位（比較的長い赤外線波長ですら必要な半波長で共振器を掃引するのに必要なよりもかなり大きい）を印加できる。２つの対称に配置されたＰＺＴアクチュエーター１１２および１１３を使用して、共振器長の走査時にセルの光軸を移動させるであろう、セルの潜在的なワープを回避する。セルの両端間で力の伝達に用いられるステンレス鋼ロッド１１８および１１９は、それ自体が縮むのに対し、中央のセル本体は膨張することに注意されたい。各ロッド１１８および１１９がステンレス鋼で、面積Ａ’、長さＬ’の場合、各ＰＺＴ１１２および１１３は、
2014516405.tif 000004
【００３５】
図示のセル１０２では、共振器の入力ミラー１１６は平坦で、出力ミラー１１７は曲率半径が１メートルである。どちらのミラーも、共振器にレーザーが戻らないように裏側が０．５５°くさび状になっているが、これによって共振器の減衰率が変わることがある。各ミラー１１６および１１７と、ミラーが押圧されるセル表面との間に、ステンレス鋼のボールベアリングレース（図示せず）を配置する。ステンレス鋼のワッシャーとステンレス鋼の保持ナットを連続的に用いて、ミラーをそれぞれのベアリングレースに対して保持する。各ミラー１１６および１１７の保持ナットを調節して、セル１０２のリングダウン時定数を最適化する。共振器を形成するステンレス鋼の管に機械加工で形成したステップにミラー１１６および１１７をしっかりと装着することで、アセンブリーの加速または振動時でもミラーのアライメントを維持できる。
【００３６】
システム１００は、光共振器１１１を励起させるためのコヒーレントな光ビームをセル１１０に伝達するよう構成された少なくとも１つのレーザーアセンブリー１２２をさらに含む。一実施形態では、レーザーアセンブリー１２２は、波長が１６５０ナノメートル前後の赤外光を発生する分布帰還型レーザーを含む。超低ノイズ電流源によってレーザーアセンブリー１２２を駆動し、温度制御装置を用いてレーザー温度を安定させる。これらはいずれも、システム制御部１２０に関連している。たとえば、システム制御部１２０は、温度制御装置の設定電圧を決めるための１６ビットまたは１２ビットのＡ／Ｄボードに与えるのに、汎用プロセッサ実行ソフトウェアのみならず、アクチュエーター１１２および１１３を駆動するための関数発生器を各々制御し、関連の光検出器１２６からデータを収集するための適当なソフトウェアを含んでもよい。レーザー温度を変更することで、レーザー波長／波数も調節できる。
【００３７】
共振器１１１の裏側から離れる光は、軸外放物面鏡１２８を用いることで集められ、光検出器１２６に送られる。たとえば、光検出器１２６は、適当な波長の受信光を電気信号に変換し、これを増幅するＩｎＧａＡｓ検出器／増幅器を含んでもよい。検出器でのレーザー強度があらかじめ設定された閾値を超えた場合は、システム制御部１２０に関連したパルス／遅延発生器を使用して、レーザーアセンブリー１２２に関連した半導体光増幅器をオフにする。システム制御部１２０は、データ点の重みを同じにした非線形フィッティングアルゴリズムを用いて、それぞれのリングダウン減衰過渡現象を単一指数的減衰にフィットさせる。得られる共振器の減衰率は、ミラーによる損失率すなわち（１−Ｒ２）×ＦＳＲ（ここで、Ｒはミラーのパワー反射率である）と、試料の消散すなわちｃ×α（ｖ）（ここで、ｃは光の速度、α（ｖ）は、ミラー間での気体の消散係数である）による損失の合計である。
【００３８】
上述した構造的および機能的な特徴に鑑みると、本発明のさまざまな態様による方法論を、図８を参照することで、さらに良く理解できよう。説明を簡単にする目的で、図８の方法論は、シリアルに実行するものとして図示し、説明してあるが、本発明は図示の順序に限定されるものではなく、いくつかの態様は、本発明によれば、本明細書にて図示し、説明した他の態様とは異なる順序でおよび／またはこれと同時に起こり得ることは、自明であろうし、また、理解されたい。さらに、本発明の一態様による方法論を実現するのに、図示の特徴がすべて必要なわけでもない。
【００３９】
図８は、本発明の一態様による、検体の濃度を求めるための方法１５０を示す。１５２において、剛性の本体と、この剛性の本体に装着された第１および第２の光学素子とを含む光共振器を、実質的に一定の波長の光を生じるレーザーで励起させる。１５４では、剛性の本体を少なくとも第１の位置で弾性変形させ、レーザーと共振器とを共振させる。たとえば、剛性の本体は、剛性の本体上の関連の位置に力を印加して本体を伸ばし、第１のミラーと第２のミラーとの間の距離を増すよう構成された１つまたは２つ以上のアクチュエーターを含んでもよい。複数のアクチュエーターを用いる場合、複数の位置で剛性の本体を不均一に変形させ、第１の光学素子および第２の光学素子の相対的な向きを変更できる。一実施形態では、各アクチュエーターを選択し、実質的に一定の波長の少なくとも１／２で剛性の本体を伸ばすのに必要な十分な力を印加する。１５６では、共振器から放出される光を検出する。１５８では、検出した光を評価して、検体の濃度を求める。
【００４０】
本発明の上記の説明から、当業者であれば、改善、変更、改変を認識するであろう。このような当業者の技能内の改善、変更、改変は、添付の特許請求の範囲に包含されることが想定されている。
【図１】
2014516405.tif 000005
【図２】
2014516405.tif 000006
【図３】
2014516405.tif 000007
【図４】
2014516405.tif 000008
【図５】
2014516405.tif 000009
【図６】
2014516405.tif 000010
【図７】
2014516405.tif 000011
【図８】
2014516405.tif 000012
【国際調査報告】
2014516405.tif 000013