(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有するリングダウン空洞分光法セル用の安定な共振器であって、該共振器は、以下を包含し：
第一ブリュースタ角逆反射体プリズムであって、該第一プリズムは、複数の全反射面および第一ルーフラインを有する；
第二ブリュースタ角逆反射体プリズムであって、該第二プリズムは、複数の全反射面および第二ルーフラインを有し、そして該共振器の該光軸に沿って、該第一プリズムと一直線上に配置されている；
照射線がプリズムの表面の垂線とほぼブリュースタ角で該プリズム面に入って出ていくように、少なくとも１個が回転し得るプリズムであって、それにより、該プリズム間の整列は、維持され、そして該共振器は、調整され；そして
該第一ルーフラインおよび該第二ルーフラインが互いに実質的に平行に配置される、共振器。
【請求項２】
前記プリズムの両方が、回転可能である、請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
前記プリズムが、溶融シリカ、サファイア、ダイアモンドおよびフッ化カルシウムのうちの１種から形成される、請求項１に記載の共振器。
【請求項４】
前記プリズムの各々が、約１３５°マイナスブリュースタ角の頂角、約９０°の第二角、および約１８０°マイナス２倍ブリュースタ角の第三角を有する、請求項１に記載の共振器。
【請求項５】
前記プリズムの少なくとも１個の前記全反射面が、曲面である、請求項１に記載の共振器。
【請求項６】
前記曲面の接線方向曲率が、
【数１】
0004195551.tif 000004
であり、そして前記曲面のサジタル方向曲率が、
【数２】
0004195551.tif 000005
であり、ここで、ｆが、該曲面の有効焦点距離であり、そしてｎが、前記少なくとも１個のプリズムの屈折率である、請求項５に記載の共振器。
【請求項７】
さらに、前記第一プリズムと同じ材料のレンズを包含し、該レンズが、平面および凸面を有し、該レンズの該平面が、前記第一プリズムの前記全反射面の１個と係合する、請求項１に記載の共振器。
【請求項８】
前記レンズが、前記第一プリズムの前記係合した全反射面と光学的に接触している、請求項７に記載の共振器。
【請求項９】
さらに、光接合剤を包含し、該光接合剤が、前記レンズを、前記第一プリズムの前記係合する全反射面と接着する、請求項７に記載の共振器。
【請求項１０】
前記光軸は、i)前記第一プリズムから前記第二プリズムに向けて放射される第一光経路と、（ii）該第二プリズムから該第一プリズムに放射される第二光経路とを備え、該第一光経路または該第二光経路のうちのひとつにレンズの中心が置かれ、そして該共振器の該それぞれの光経路に関して、ブリュースタ角で傾けられている、請求項１に記載の共振器。
【請求項１１】
前記レンズが、該レンズの傾きを含めて、前記共振器の非点収差のための非点収差補正を有する、請求項１０に記載の共振器。
【請求項１２】
さらに、減衰全反射に基づいて前記共振器へのおよびそこからの前記照射線を合わせるための手段を包含する、請求項１に記載の共振器。
【請求項１３】
光軸を有するリングダウン空洞分光法セル用の共振器であって、該共振器は、以下を包含する：
第一ブリュースタ角逆反射体プリズムであって、該第一プリズムは、複数の全反射面を有し、該全反射面の１個は、曲面である；
第二ブリュースタ角逆反射体プリズムであって、該第二プリズムは、複数の全反射面を有し、そして該共振器の該光軸に沿って、該第一プリズムと一直線上に配置されている；および
照射線が該プリズム表面の垂線とほぼブリュースタ角で各プリズム面に入って出くように、各プリズムを独立して回転させるための手段であって、それにより、該プリズム間の整列は、維持され、そして該共振器は、調整される、
共振器。
【請求項１４】
前記プリズムが、溶融シリカ、サファイア、ダイアモンドおよびフッ化カルシウムのうちの１種から形成される、請求項１３に記載の共振器。
【請求項１５】
前記プリズムの各々が、約１３５°マイナスブリュースタ角の頂角、約９０°の第二角、および約１８０°マイナス２倍ブリュースタ角の第三角を有する、請求項１３に記載の共振器。
【請求項１６】
前記曲面の接線方向曲率が、
【数３】
0004195551.tif 000006
であり、そして前記曲面のサジタル方向曲率が、
【数４】
0004195551.tif 000007
であり、ここで、ｆが、該曲面の有効焦点距離であり、そしてｎが、屈折率である、請求項１３に記載の共振器。
【請求項１７】
さらに、減衰全反射に基づいて前記共振器へのおよびそこからの前記照射線を合わせるための手段を包含する、請求項１３に記載の共振器。
【請求項１８】
光軸を有するリングダウン空洞分光法セル用の共振器であって、該共振器は、以下を包含する：
以下を有する、第一ブリュースタ角逆反射体プリズム：
（ａ）複数の全反射面であって、該全反射面の１個は、曲面である、
（ｂ）約１３５°マイナスブリュースタ角の頂角、
（ｃ）約９０°の第二角、および
（ｄ）約１８０°マイナス２倍ブリュースタ角の第三角；
第二ブリュースタ角逆反射体プリズムであって、該第二プリズムは、複数の全反射面を有し、そして該共振器の該光軸に沿って、該第一プリズムと一直線上に配置されている；および
照射線が該プリズムの表面の垂線とほぼブリュースタ角で該プリズム面に入って出ていくように、少なくとも１個が回転し得るプリズムであって、それにより、該プリズム間の整列は、維持され、そして該共振器は、調整される、
共振器。
【請求項１９】
さらに、前記プリズムの両方が回転し得る、請求項１８に記載の共振器。
【請求項２０】
前記プリズムが、溶融シリカ、サファイア、ダイアモンドおよびフッ化カルシウムのうちの１種から形成される、請求項１８に記載の共振器。
【請求項２１】
前記第一プリズムが、溶融シリカであり、前記頂角が、約７９〜８０°の間であり、そして前記第三角が、約６９°である、請求項１８に記載の共振器。
【請求項２２】
前記曲面の接線方向曲率が、
【数５】
0004195551.tif 000008
であり、そして前記曲面のサジタル方向曲率が、
【数６】
0004195551.tif 000009
であり、ここで、ｆが、該曲面の有効焦点距離であり、そしてｎが、屈折率である、請求項１８に記載の共振器。
【請求項２３】
さらに、減衰全反射に基づいて前記共振器へのおよびそこからの前記照射線を合わせるための手段を包含する、請求項１８に記載の共振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に、吸収分光法に関し、特に、リングダウン空洞（ｒｉｎｇ−ｄｏｗｎ  ｃａｖｉｔｙ）分光法用の安定で非常に巧妙な光学共振器の使用に関し、これは、ブリュースタ角プリズム逆反射体を包含する。
【０００２】
（発明の背景）
今ここで、図面（ここで、同じ番号は、全体にわたって、同じ要素を意味する）を参照すると、図１は、対数目盛での電磁スペクトルを図示している。分光学は、スペクトルを研究する。スペクトルの他の部分に関係した科学とは対照的に、光学には、特に、可視光および近可視光（利用できるスペクトルの非常に狭い部分であって、これは、約１ｍｍ〜約１ｎｍの波長にわたる）が関与している。近可視光は、赤色より赤い色（赤外）および紫色より紫がかった色（紫外）を包含する。この範囲は、この光が、依然として、通常の材料から製造された殆どのレンズおよびミラーにより取り扱うことができる程度に充分に、視界のいずれかの側からちょっと遠くに広がっている。しばしば、材料の光学的特性の波長依存性を考慮しなければならない。
【０００３】
吸収型分光法は、高い感度、マイクロ秒のオーダーの応答時間を与え、毒性がなく、および研究中の種以外の分子種による干渉が限られている。種々の分子種（特に、水のような簡単な分子）は、吸収分光法により検出され同定できる。それゆえ、吸収分光法は、重要な痕跡分子を検出する一般方法を提供する。気相では、この方法の感度および選択性は、これらの種が一組の鋭いスペクトル線で集中した吸収力を有するので、最適化される。このスペクトルの狭い線は、殆どの干渉種と区別するのに使用できる。
【０００４】
多くの工業的な方法では、流れている気体流れ中の痕跡種の濃度は、高い速度および精度で測定し分析されなければならない。このような測定および分析は、その最終生成物の品質に対して不純物の濃度がしばしば重要であるので、必要である。例えば、集積回路を製造するには、Ｎ2、Ｏ2、Ｈ2、ＡｒおよびＨｅのような気体が使用され、水のような不純物がこれらの気体中に存在すると、たとえ１０億分率（ｐｐｂ）レベルであっても、作動回路の歩留まりを損なって低下させる。従って、半導体工業で使用される高純度気体を製造するためには、水が分光学的にモニターできる比較的に高い感度が重要である。他の工業用途では、種々の不純物を検出しなければならない。
【０００５】
分光法により、高純度気体中の水について、１００万分率（ｐｐｍ）レベルの検出がなされている。ある場合には、ｐｐｂレベルでの検出感度が達成可能である。従って、以下を含めて、気体中の含水量をモニターするような用途には、いくつかの分光方法が適用されている：伝統的な長い経路長セルでの吸収測定、光音響的（ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ）分光法、周波数変調分光法、および腔内レーザー吸収分光法。これらの方法には、いくつかの特徴があり、これらは、Ｌｅｈｍａｎｎに登録された米国特許第５，５２８，０４０号で論述されているが、これらの特徴により、工業用途に使用するのが困難となり非実用的となる。それらは、従って、大部分は、実験室研究に限局されている。
【０００６】
対照的に、空洞リングダウン分光法（ＣＲＤＳ）は、重要な分光学的手法となっており、科学、工業プロセス管理、および大気中の痕跡気体の検出の用途がある。ＣＲＤＳは、低吸光度レジメン（この場合、従来の方法は、充分な感度を有しない）で優れた光学吸収測定手法として、立証されている。ＣＲＤＳは、その観察可能な吸収感度として、非常に巧妙な光学共振器中の光子の平均寿命を使用する。
【０００７】
典型的には、この共振器は、一対の実質的に同等の狭いバンドの超高反射率誘電ミラー（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｉｒｒｏｒｓ）から形成され、これは、安定な光学機器を形成するように、適切に構成されている。この共振器には、ミラーを通って、レーザーパルスが注入されて、平均寿命が知覚されるが、これは、この光子の往復走行時間、この機器の長さ、これらの種の吸収断面および数値密度、および固有の共振器損失（これは、大部分は、回折損失が無視できるとき、周波数依存性のミラー反射率から起こる）の原因となる要因に依存している。従って、光学吸収の測定は、従来の出力比測定から、減衰時間測定へと変化している。ＣＲＤＳの最終的な感度は、この固有の共振器損失の規模により測定されるが、これは、スーパーポリッシングのような方法（これにより、超低損失光学機器の製造が可能となる）で最小にできる。
【０００８】
現在では、ＣＲＤＳは、高反射率誘電ミラーが使用できる分光領域に限定されている。このことにより、充分に高い反射率を有するミラーが現在では利用できないので、この方法は、紫外および赤外領域の大部分の有用性が著しく限定されている。適当な誘電ミラーが利用できる領域でさえ、各組のミラーは、狭い範囲の波長（典型的には、数パーセントの部分範囲）にわたる操作を可能にするにすぎない。さらに、多く誘電ミラーを構成するには、特に、化学的に腐食性の環境に晒したとき、長い時間にわたって分解し得る材料を使用する必要がある。これらの現在の制約により、多くの潜在的な用途にて、ＣＲＤＳの使用が制限または阻止されているので、共振器構成に関して、当該技術分野の現在の状況を改善するという明らかに認識された必要性が存在する。
【０００９】
Ｐｉｐｉｎｏらの論文、「Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｗａｖｅ  ｃａｖｉｔｙ  ｒｉｎｇ−ｄｏｗｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｗｉｔｈ  ａ  ｔｏｔａｌ−ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｍｉｎｉｃａｖｉｔｙ」（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６８（８）（１９９７年８月））は、改良した共振器構造への１つの解決法を提示している。この解決法は、正多角形の形状（例えば、正方形および八角形）のモノリシック全反射体（ＴＩＲ）リング共振器を使用し、これは、安定性を誘発するために、少なくとも１個の凸状小平面を備えている。光パルスは、この共振器の外側で近傍に位置している第一プリズムにより全反射されて、エバネッセント波（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｗａｖｅ）を生じ、これは、この共振器に入って、光子トンネルによって、この共振器の安定モードを励起する。この共振器の全反射面に位置している物質の吸収スペクトルは、このモノリシック共振器中の光子の平均寿命から得られ、これは、第二プリズム（これもまた、この共振器の外側で近傍に位置している全反射プリズムである）と外で結合することにより（ｏｕｔ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、検出器で受容された信号の時間依存性から抽出される。それゆえ、光学照射線は、光子トンネルにより、この共振器に入って出ていき、これにより、入力および出力結合の正確な制御が可能となる。ＣＲＤＳの小型共振器が実現され、ＴＩＲリング共振器は、このＣＲＤＳの概念を、物性分光法にまで拡張する。ＴＩＲの広帯域な性質により、従来の気相ＣＲＤＳでの誘電ミラーにより課せられる狭いバンド幅の制約を回避される。Ｐｉｐｉｎｏらの研究は、ＴＩＲ分光法に適用できるにすぎないが、これは、本質的に、短い全吸収経路長（それゆえ、強力な吸収力）に限定されている。対照的に、本発明は、長い吸収経路長を提供し、それゆえ、弱い吸収力の検出を可能にする。
【００１０】
Ｇｏｕｌｄら、「Ｃｒｏｓｓｅｄ  Ｒｏｏｆ  Ｐｒｉｓｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．１，５３３−３４（１９６２）で記述されているように、交差軸を有する２個のブリュースタ角ルーフプリズムから共振器を形成することもまた、可能である。この共振器の利点には、これらのプリズムのどんな小さな角度偏位に対しても、整列してとどまることがある。その欠点には、これらのプリズムの１個のブリュースタ角が、構造により設定しなければならないこと、すなわち、このブリュースタ角は、波長に対して、このプリズムの回転により調節できないことがある。このような共振器の頑丈な整列が充分に望ましい用途（例えば、特定の波長での）であって、このブリュースタ角を調整できなくてもよい用途がある。ブリュースタ角が調節できないことは、しかしながら、その用途を限定する。さらに、Ｇｏｕｌｄらが記述した共振器は、光学的に安定ではなく、それゆえ、回折があるために、低損失共振器を製造するには使用できない。
【００１１】
改良した共振器構造への公知の解決法の欠点を克服するために、ＣＲＤＳ用の新しい非常に巧妙な共振器（または光学共振器）が提供されている。本発明の目的は、従来の誘電ミラーをブリュースタ角プリズム逆反射体で置き換えることにあり、それにより、改良した共振器が提供される。関連した目的には、ＣＲＤＳで使用されている従来の誘電ミラーの狭いバンド幅制限を回避することにある。他の関連した目的は、ＣＲＤＳ用の種々の潜在的な用途を拡張することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、化学的に腐食性の環境にあっても、長い時間にわたって分解しない材料を組み込んだ共振器を提供することにある。さらに他の目的は、この共振器のプリズムを回転させることにより、この共振器の「調整」または整列を可能にすることにある。本発明のさらに他の目的は、革新的なＣＲＤＳ共振器設計（これは、低いエネルギー損失を達成し、また、光子減衰時間と吸収との間で明確に規定された関係を達成する）を提供することにある。
【００１３】
（発明の要旨）
これらの目的および他の目的を達成するために、その目的を考慮して、本発明は、光軸を有するリングダウン空洞分光法セル用の安定な共振器を提供する。この共振器は、ブリュースタ角逆反射体プリズムを包含し、これらは、各々、複数の全反射面を有する。これらのプリズムは、この共振器の光軸に沿って、一直線上に配置されている。これらのプリズムの１個または両方は、光線がこのプリズムの表面の垂線とほぼブリュースタ角でこのプリズム面に入って出ていくように、個々に回転できる。この特徴は、これらのプリズム間の整列を維持し、そしてこの共振器を調整できるようにする。これらのプリズムの少なくとも１個の全反射面の１個は、曲面（研磨した曲面であるか、または光学的な接触または接着を介して、この表面に平凸レンズを付加することにより曲げた表面のいずれか）であり得る。あるいは、レンズが、この共振器の１個のアームの中心に置かれ、そしてこの共振器の光軸に関して、ブリュースタ角で傾けられ得る。好ましい実施態様では、これらのプリズムの各々は、約１３５°マイナスブリュースタ角の頂角、約９０°の第二角、および約１３５°マイナス２倍ブリュースタ角の第三角を有する。
【００１４】
上述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の代表的なものであって、それを制限するものではないことを理解すべきである。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
本発明に関連した現代的な光学機器の一般原理の導入的な要約を、すぐ下に提示する。この要約は、本発明を完全に理解するための背景を提供する。当業者は、次の節に進んでもよい。
【００１６】
（Ｉ．一般原理）
光が、第一媒体から、それより光学的に密な第二媒体へと進むとき、この光は、垂線の方へと屈折される。密な媒体から希薄な媒体に接近している光は、垂線から離れて屈折される。臨界角Θcと呼ばれる角度が存在し、その結果、この角度より大きい全ての入射角について、この光の全ては反射され、透過する光はない。この効果は、全反射（ＴＩＲ）と呼ばれ、そしてその境界の外側の材料よりも光学的に密な材料に内側で起こる。
【００１７】
プリズムは、１種の屈折反射装置である。図２で示すように、プリズム１０は、楔形の光学材料であり、これは、入射角に依存して、光を屈折するか、または全反射できる。図２で示した４５°のガラス製プリズムは、１面に垂直に入る入射光１２が、９０°で方向を変えて、他の面から全反射するので、特に有用である。この光は、４５°（これは、ガラスに対する約４１°の臨界角よりも大きい）で内面に当たるので、全反射が起こる。線「Ｎ」は、表面に垂直な（直交する）線を表わす。
【００１８】
図３で示す一定角度でプリズム１０の外面に当たる光エネルギーは、いずれかの内面により、部分的に屈折され、部分的に反射され、そして出射光１４として現れるにつれて、再度、屈折される。それは、その最初の方向から偏向して、新しい角度で現れる。その結果、一般的に、この光は、それが来た方向に戻って、部分的に曲げられる。この偏向は、このプリズムの屈折率、その入射角、およびこのプリズムの頂点の角度に依存する。入射光および出射光（それぞれ、１２および１４）を対称的に配置するためには、この偏向角は、最小にされる。さらに複雑なプリズムは、画像配向の複雑な変化を行うために、反射を使用する。例えば、図４のコーナーキューブ（ｃｏｒｎｅｒ−ｃｕｂｅ）プリズム１０は、光が来た方向に正確に戻って光を送る（すなわち、この光を逆反射する）幾何学的特性を有する。
【００１９】
全ての電磁照射線と同様に、光は、電磁理論により、横波であると予想される：振動している電気ベクトルおよび磁気ベクトルの方向は、伝播方向と直角である（縦波のように、それと平行ではない）。この横波はまた、この電気ベクトルの振動が、この波の全ての点に対して、互いに平行である（すなわち、この波は、配向されているか、または偏光されている）という特徴を有する。実際には、所定方向で伝播される非コヒーレント（非レーザー）光は、短く独立した波列からなり得、その振動面は、伝播方向の回りにランダムに配向される。このような光は、横波ではあるものの、偏光されていない。光は、反射により、部分的または完全に偏光できる。
【００２０】
図５は、空気中を移動してガラス面１６に落ちている不偏光入射光１２を示す。このガラスは、１．５の屈折率ｎを有する。この光の各波列に対する電気ベクトルは、２個の成分に分解できる。一方の成分は、その入射面（これは、図５の平面である）に垂直であり、そして他の成分は、この入射面にある。第一成分は、点で表わされているが、Ｓ−偏光成分（ドイツ語で垂直を意味する「ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ」に由来する）である。第二成分は、矢印で表わされているが、Ｐ成分（平行）である。平均して、完全に不偏光な光については、これらの２成分は、等しい振幅である。
【００２１】
ガラスまたは他の誘電性材料には、偏光角と呼ばれる特定の入射角が存在し（これはまた、Ｄａｖｉｄ  Ｂｒｅｗｓｔｅｒにより実験で発見されたので、ブリュースタ角ΘBとも呼ぶ）、この角度では、このＰ−偏光成分に対する反射率は、ゼロである。それゆえ、このガラスから反射する光１８は、強度が低いものの、平面偏光されており、その振動面は、入射面に直角である。このＰ−偏光成分は、この偏光角にて、全て、屈折角Θrで屈折される；Ｓ−偏光成分は、部分的に屈折されるにすぎない。それゆえ、透過光２０は、強度が高いが、部分的に偏光されているにすぎない。
【００２２】
光は波動であるので、全反射が存在する境界の他の側面では、急激には消失しない。減衰した非伝播形状の波は、「エバネッセント波（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｗａｖｅ）」として、この境界に沿って漏れて現れる。このエバネッセント波は、もし、他の表面が、数波長以内で、この界面に非常に近くされるなら、伝播光に変換できる。このプロセスは、減衰全反射と呼ばれる。
【００２３】
材料は、しばしば、光に応答して、光学的に異方性である。このような材料では、この応答は、この材料で可能な３つの独立した方向に対して、異なる；対照的に、等方性材料は、方向的な優先（ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を示さない。本開示の目的上、これらの３つの方向のうちの２つで同一の応答を有する材料が考慮される。その第三の（独特の）方向は、光軸と呼ばれる。これらの材料（これは、一軸性として知られている）では、この光軸に沿って以外のどれかの方向で光を伝播するためには、この光は、独特の偏光で、２個の異なる波に分解できる；一方は、この光軸に直角で配向された電場を有し（定常波）、そして他方は、この光軸に平行な電場の成分を有する（異常波）。異なる偏光のこれらの波は、媒体中にて異なって屈折し、異なる屈折率を有し、従って、異なる速度を有しており、これは、この光の物理的な分離を起こし、これは、複屈折と呼ばれている。この光軸に沿って移動している光は、常に、この軸に直角に偏光され、そして純粋に定常波である。さらに一般的な場合には、３つの空間的方向にて光に対する異なる応答を有するが（二軸システム）、分析はさらに複雑ではあるものの、類似の複屈折を生じる。通例の複屈折材料には、方解石、結晶性石英、およびサファイヤが挙げられる。
【００２４】
レンズ２６（または図６および７では、２２）は、各物点２８を像点３０に移す。非点収差では、軸から離れた物点からの光線は、異なる焦点に到達する。図６で側面図で示した物体の頂部からの光線３２を考慮せよ。光線３２は、メリジオナル面にあり、そしてレンズ２６を非対称的に通過する。一方、図７で示したレンズ２６の上面図では、同じ点からの他の組の光線３４は、サジタル面にあり、そして対照的にレンズ２６に当たる。これらの焦点は、２つの光線面に分離され、サジタル光線３４の焦点は、メリジオナル光線３２よりも、レンズ２６から遠い距離に位置している。
【００２５】
非点収差について試験する簡単な方法は、点から作製した試験パターンを使用することである。２つの異なる焦点面（メリジオナル面およびサジタル面）では、このパターンの像の２つの異なる暈けがある。メリジオナル焦点面では、その点は、接線方向に暈けるのに対して、サジタル焦点面では、その点は、放射方向に暈け、小さな矢印を形成し、矢印の方向を示す（「ｓａｇｉｔｔａ」とは、矢印の意味のラテン語である）。この非点収差は、球対称レンズについて起こる。これらの効果は、これらのレンズが他の収差（例えば、球面収差およびコマ収差）がない場合に限り、この方法で見られる。球面収差は、軸方向光線よりもレンズに近い焦点のマージナル光線（ｍａｒｇｉｎａｌ  ｒａｙ）を生じる；コマ収差とは、スランティド（ｓｌａｎｔｅｄ）光線が、それらがレンズのどの部分を通過するかに依存して、異なる焦点を有する場合の収差である。
【００２６】
（ＩＩ．本発明の共振器）
本発明は、高品質の光学材料から製造された２つのブリュースタ角逆反射体プリズム５０、５２を使用することに基づいて、ＣＲＤＳ用の改良した共振器１００を提供する。図８は、プリズム５０、５２；光軸５４；および各プリズム５０、５２内の予想光路の概略図である。偏光角またはブリュースタ角ΘBは、プリズム５０に対して示されている。図８の特定の角度は、プリズム５０、５２が溶融シリカから製造されていると仮定して描かれているものの、その代わりに、他の材料は使用できる。入射光１２および出射光１４は、それぞれ、プリズム５２への入力またはそこからの出力として、図示されている。この共振性光ビームは、約４５°（溶融石英および殆どの他の一般的な光学プリズム材料に対する臨界角よりも大きな角度）で、各プリズム５０、５２での損失なしに、２つの全反射を受ける。
【００２７】
共振器の光学損失は、主に、（１）プリズム５０、５２の表面の欠陥および汚れによる散乱；（２）このプリズム基材の光軸の歪みまたは誤整列のいずれかによる、この光学材料での残留複屈折；（３）プリズム５０、５２の結合面の平行度からの誤整列；（４）ブリュースタ角からの偏向；および（５）吸収または散乱によるプリズム基材での内部光透過損失により、引き起こされる。プリズム５０、５２は、その光スペクトルの広い範囲にわたって低い損失（すなわち、１お往復あたり０．０１％未満）が得られるように、構成できる。さらに、プリズム基板として使用するのに最も望ましい材料の一部（これには、溶融シリカ、サファイヤおよびダイヤモンドが挙げられるが、これらに限定されない）は、厳しい環境の問題を検討して、非常に硬くて化学的に不活性な材料である。それゆえ、このようなプリズム５０、５２から構成されたＣＲＤＳ用共振器１００は、ＣＲＤＳの適用性範囲を満たし、また、それを大きく拡張する。
【００２８】
（ＩＩＩ．本発明のプリズム設計）
プリズム５０、５２の設計は、図９Ａおよび９Ｂで図示されている。それを例として捉えると、プリズム５０は、第一面１、第二面２、第三面３および第四面４を有する。図９Ａは、プリズム５０の上面図であり、そして面１（２５．８ｍｍ）、面２（１５ｍｍ）および面３（１９ｍｍ）の好ましい長さ寸法を示している。図９Ｂは、プリズム５０の背面図であり、そして面２、３および４の好ましい高さ寸法（１２．５ｍｍ）および面３および４を合わせた好ましい幅（２５．４ｍｍ）を示している。
【００２９】
取り囲んでいる媒体に比例した屈折率「ｎ」（すなわち、ｎ＝ｎ2÷ｎ1であり、ここで、ｎ2は、このプリズムの屈折率であり、そしてｎ1は、このプリズムを取り囲んでいる媒体（典型的には、空気であり、ｎ1＝１である）の屈折率である）を有する材料から構成されたプリズムについては、ブリュースタ角ΘBは、ｎの逆正接により示される。図９Ａおよび９Ｂで示した例のプリズム５０に対するｎの値は、約１．４６０７である；ΘBは、約５５°３６’である。プリズム５０は、約０．５３２μmの設計中心を有する。プリズム５０の頂角（Θ1）は、１３５°−ΘBに等しく設定されており、好ましい実施態様では、約７９°２４’である。角度Θ2は、好ましくは、約９０°である。角度Θ3は、１８０°−２ΘBに等しく設定されており、好ましい実施態様では、約６８°４８’である。
【００３０】
図１０は、面１の垂線「Ｎ」に対するほぼブリュースタ角（小さな偏向δ以内）で、入射光１２の光線がプリズム５０に入り、そして出射光１４の光線として出ていくことを示している。この結果、ブリュースタ角面に関してＰ−偏光で、光放射に対する小さいが制御された反射損失を生じる。図１０で示した例のプリズム５０に対するｎの値は、およそ１．４５０４７である；ΘBは、約５５°２５’である。プリズム５０は、１μmの設計中心を有する。Ｓ−偏光での任意の光放射は、大きな反射損失のために、急速に減衰される。記号「ω」は、この光線により生じる地点のサイズを特徴づける；この光線の無視できる「クリッピング」が起こる。最低オーダーのモードに対するスポットサイズは、標準的な光共振器理論から計算できる。図１０で図示したプリズム５０について、その頂角（Θ1）は、好ましくは、約７９°３５’（または７９．５８°）である。角度Θ2は、好ましくは、約９０°である。角度Θ3は、約６９°１０’（または６９．１７°）に等しく設定される。
【００３１】
（ＩＶ．構造材料）
プリズム５０、５２の構造で使用するのに最適な材料の選択は、その特定の用途に依存する。必要な公差までこれらの表面を研磨できるようにするためには、「硬く」て化学的に安定な物質が必要である。また、対象スペクトル範囲にわたって低い吸収および散乱損失を有する材料も望ましい。４種の基板材料（すなわち、溶融シリカ、サファイヤ、フッ化カルシウムおよびダイヤモンド）が適当であると知られているものの、本発明は、これらの特定の材料には限定されない。
【００３２】
溶融シリカは、精密な光学部品を構成するために光学工業で広く使用されている優れた材料である。それは、広い波長範囲にわたって、低い吸収を有する。しかしながら、それはガラスであるので、溶融シリカは、分子レベルにおいて凍結無秩序性（ｆｒｏｚｅｎ  ｄｉｓｏｒｄｅｒ）を有し、これは、特に、紫外領域にて、著しいＲａｌｅｉｇｈ散乱損失を引き起こす。
【００３３】
単結晶サファイヤ物質は、利用でき、また、精密な仕様に製造できる。サファイヤは、溶融シリカよりも広いスペクトル範囲の低吸収損失を有する；高品質の試料は、可視全体から近紫外に入る領域にわたって、殆ど無視できる散乱損失を有する。サファイヤは、複屈折材料であり、この共振器光学機器内の偏光回転による過剰な損失を防止するために、図９Ａの平面に垂直な軸に沿って、独特の光軸を配向しなければならない。これは、必要な公差まで行うことができる。サファイヤの自然の複屈性特性は、この材料が歪み複屈折（これは、これらのプリズムの不完全な機械的取付の結果として起こる）からの損失を受けにくいので、有利である。
【００３４】
サファイヤは、殆どの用途に一般に好まれる材料のように思われる。フッ化カルシウムは、赤外領域の大部分（ここでは、溶融シリカおよびサファイヤの両方は、バルク吸収損失が高すぎる）に対して一般に好まれる材料と思われる。ダイヤモンドは、その材料および加工のコストが高いこと以外は、色々な意味で、理想的な基材である。
【００３５】
（Ｖ．調整）
「ルーフ」逆反射体を使用すると、プリズム光共振器の整列が、このルーフラインの回りのこれらのプリズムの小さな回転に対して非感受性となり、さらに頑丈な整列を助長する。このような共振器は、交差軸を有するブリュースタ角ルーフプリズムを用いて、構成できる。この共振器の利点には、それが、これらのプリズムのいずれかの小さな角度偏向に対して整列された状態になることがある。その欠点には、これらのプリズムの１個のブリュースタ角が構造によって設定しなければならないこと、すなわち、それは、このルーフ軸の回りのこのプリズムの回転によっては、調整できないことがある。本発明の共振器１００は、この欠点を回避する。
【００３６】
共振器は、Ｑ値により特徴づけられ、これは、保存されたエネルギーを１サイクルあたりのエネルギー損失で割った値として、定義される。高い「Ｑ」値を有する共振器は、エネルギーを保存するのに良好であり、それゆえ、空洞リングダウン分光法にて、高い感度を生じる。本発明によれば、共振器の「Ｑ」および結合は、プリズム５０、５２を傾けて反射損失のレベルを調節することにより、制御される。１表面あたりの反射損失は、フレネル関係により決定され、およそ１０-4ΔΘ2であり、ここで、ΔΘは、ブリュースタ角からの偏向の度合いである。
【００３７】
光線は、プリズム面２および３にて、２つの内部反発を受け、次いで、表面１での透過により、プリズム５０、５２を離れる。もし、角度Θ2が９０°となるように構成されるなら、プリズム５０、５２の入力光線または入射光１２および出力光線または出射光１４は、平行となるが、図９Ａの平面に含まれるなら、位置がずれる。入射光１２の光線および出射光１４の光線の両方の入射角は、等しく、そして図９Ａの平面に垂直な軸の回りでのこのプリズムの回転により、調整できる。プリズム５０、５２は、この９０°の角度を形成しているルーフラインが図９Ａの平面と垂直となるように、整列されている。プリズム５０、５２を回転するにつれて、その内部反射のための入射角は、一方の表面では、同じ角度だけ高くなり、そして他の表面では、同等の角度だけ低くなる。これらの２つの全反射角をほぼ等しくするためには、プリズムの頂角（Θ1）は、１３５°−ΘBに等しくなるように、構成すべきである。
【００３８】
溶融石英から製造したプリズムについては、その臨界角が４３．４°から４０．３１°まで変わる間、この波長が近赤外から真空紫外の開始（２００ｎｍ）まで変わるにつれて、ブリュースタ角は、５５．５〜５７．１°で変わる。結果として、一対のプリズム５０、５２は、その傾きを広い波長範囲にわたってブリュースタ角に到達させつつ、全反射を与えるように設計できる。角度Θ3を１８０°−２ΘBに等しいように選択することにより、表面１からの反射によりこの共振器に結合された光学ビームは、この結晶を通って伝播し、また、ブリュースタ角に近い入射角で、表面４を通って離れる。これは、このプリズムの内部で反射される光エネルギー（これは、不要な偏向光エネルギーであり得る）の量を少なくする。
【００３９】
（ＶＩ．安定性制御）
光共振器１００は、逆反射体として作用する一対のプリズム５０、５２から形成される。安定な光共振器１００を形成するためには、それゆえ、この光線が前後に反発したときのその回折を制御するためには、１個のプリズム上の全反射面の少なくとも１個は、曲面で設計される。このような曲面６０は、図１１にて、プリズム５０の表面２で示されている。
【００４０】
ブリュースタ角面および４５°に近い曲面からの反射の両方から生じる非点収差を矯正するために、曲面６０の接線方向曲率は、
【００４１】
【数７】
0004195551.tif 000002
でなければならず、そしてサジタル方向曲率（すなわち、図１１の平面に垂直な平面での曲率）は、
【００４２】
【数８】
0004195551.tif 000003
でなければならず、ここで、ｆは、曲面６０の有効焦点距離である。焦点距離ｆは、ほぼ半分または折り畳んだ（ｎｅａｒｌｙ  ｈａｌｆ  ｏｒ  ｆｏｌｄｅｄ）共焦点共振器１００を形成するために、２個のプリズム５０、５２の分離距離（これは、好ましい実施態様では、１メートルのオーダーである）にほぼ等しくなるように選択される。
【００４３】
このような非点収差補正共振器１００は、円筒形の対称的な安定共振モードを有し、モード合致光学機器（これらは、この照射線を光共振器１００へと結合するのに使用される）の設計を容易にする。このようなプリズム５０の構築は、精密な曲率の非点収差レンズをこれらのプリズム面の１個へと研磨し中心決めする必要があるので、困難であり得る。１プリズム面（例えば、面２）へと研磨される単純な球面は、この共振器の光軸５４からのサジタル偏向を有する光線に対する安定性を与えるように選択された曲率で、使用できる。共振器１００内部での焦点要素の存在もまた、製造した角度の小さい誤差およびプリズム５０、５２の配置を補正して、光軸５４の小さい偏向にもかかわらず、安定性および低い損失を維持する。後者の場合、この共振器の固有モードは、円筒形に対称的ではない。
【００４４】
あるいは、図１２で示すように、プリズム５０の組立は、２つの工程手順に従うことにより、簡単にされ得る。第一に、プリズム５０は、純粋に平坦な面１、２、３および４を用いて組み立てられる。次いで、平凸レンズ７０は、プリズム５０と同じ材料の材料から製造され、そして適当な非点収差である。レンズ７０の平たい面は、プリズム面（例えば、面２）と光学的に接触される。光学的に接触したとき、これらの部品の界面は消失し、損失がなくなって、モノリシック（または一体化、または１ピース）構造と同等の性能を与える。近赤外または可視波長を用いて作動すると、レンズ７０は、指標に合致する（ｉｎｄｅｘ−ｍａｔｃｈｉｎｇ）光接合剤（ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）８０で、プリズム５０の面２に接着でき、これは、光接触よりもずっと簡単な手順である。
【００４５】
他の異形には、図１３で示すように、これらのレンズを、いずれかのプリズム５０、５２の本体から完全に分離することがある。この場合、非点収差レンズ９０は、リング共振器１００の１つのアームに中心に置かれ、そして光軸５４に対してブリュースタ角で傾けられるので、反射損失を生じない。そのサジタルおよび接線方向曲率は、光学的安定性のために適当な曲率を与えつつ、非点収差を補正するように配列される。以下で記述するように、この結合は、プリズム５０、５２の平らな面１、２または３の１個から設けられる。
【００４６】
照射線は、２つの様式のうちの１つで、共振器１００に結合できる。減衰全反射は、平坦内部反射面２または３の１個で使用でき（すなわち、プリズム５０、５２は、ブリュースタ角から僅かに離れて傾けることができ）、表面１からの結合が得られる。第二の方法は、技術的に容易であるが、一定結合パラメータに対して、２倍の損失が生じる。共振器１００は、リングを形成し、もし、光がそれに一方向で結合されるなら、定常波はない。結果的に、１プリズム面が、ブリュースタ角から離れて、そのルーフの回りに回転されて、結合のための手段を与えるなら、同じ面からの出力は、その入力とは空間的に分離され、弱い出力ビームを強力な入力から分離するのが容易にできる。
【００４７】
リング共振器１００を使用することは、そのソースへの光照射線フィードバックのレベルを大きく低下させるので、一定の付加的な利点がある。このようなフィードバックは、潜在的に、このソースレーザーを不安定にして、非常に精密な光アイソレータ（これは、それ自体、スペクトルバンド幅が限られており、全体的なシステムを複雑で高価にする）を使用する必要が生じる。本発明による共振器１００は、初めて、広帯域ＣＲＤＳ共振器を構成できるようにした。共振器１００は、明らかに、ＣＲＤＳ分光法の科学上および商業上の両方の用途を拡張する。改良したＣＲＤＳ共振器の広いスペクトルバンド幅により、多種センサの開発が可能となる。
【００４８】
本発明は、ある特定の実施態様を参照して説明し記述したものの、それにもかかわらず、示した詳細に限定しないことを意図している。むしろ、本発明の精神を逸脱することなく、それらの請求の範囲の等価物の範囲内で、種々の変更を行い得る。
【００４９】
本発明は、添付の図面と関連して読んだとき、以下の詳細な説明から、最もよく理解される。一般的な慣行に従って、この図面の種々の特徴は、縮尺ではないことを強調しておく。それどころか、これらの種々の特徴の寸法は、明瞭にするために、任意に拡大または縮小されている。これらの図面には、以下の図が含まれる：
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、対数目盛での電磁スペクトルを図示している。
【図２】  図２は、プリズムでの全反射を図示している。
【図３】  図３は、光がプリズムを通るときの偏向を図示している。
【図４】  図４は、コーナー反射体（逆反射体）が、いかにして、正確にその最初の方向に戻るかを図示している。
【図５】  図５は、ガラス面に対する不偏向入射光を図示している。
【図６】  図６は、レンズの側面図であり、これは、メリジオナル光線を示しており、そしていかにして、軸から離れた物体が非点収差を受けるかを描写している。
【図７】  図７は、図６で示したレンズの上面図であり、これは、サジタル光線を示しており、そしていかにして、軸から離れた物体が非点収差を受けるかを描写している。
【図８】  図８は、本発明に従って、２個のブリュースタ角逆反射体プリズムを使用する改良されたＣＲＤＳ用共振器を図示している。
【図９Ａ】  図９Ａは、図８で示した共振器で使用される好ましいプリズムの上面図である。
【図９Ｂ】  図９Ｂは、図９Ａのプリズムの背面図である。
【図１０】  図１０は、いかにして、入射光線が、プリズム面の垂線に対してほぼブリュースタ角で（溶融シリカから製造したプリズムに対して計算された角度で）、本発明に従って構成されたプリズムに入って出ていくかを示している。
【図１１】  図１１は、本発明による曲面を有する１プリズム領域上の全反射面の１つを描写している。
【図１２】  図１２は、本発明によるプリズム面に光学的に接着または接合された平凸レンズを示す。
【図１３】  図１３は、本発明の他の実施態様に従って、そのリング共振器の１個のアームの中心に置かれその光軸に関してブリュースタ角で傾けられた非点収差レンズを図示している。
【図１】
0004195551.tif 000010
【図２】
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【図３】
0004195551.tif 000012
【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】
0004195551.tif 000017
【図９Ａ−Ｂ】
0004195551.tif 000018
【図１０】
0004195551.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
0004195551.tif 000021
【図１３】
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