專利名稱：測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量對象的性質的光學測量的測量裝置。
背景技術：
當今在市場上有多種用來對測量對象的性質進行光學測量的測量裝置。例如，使用激光的測量裝置被用在各種用途中，如化學分析、頻譜學、光盤閱讀器、及計量學。
用來測量能夠改變光程長度的較小距離和其它物理參數的一種這樣的測量裝置在GB 1038140中描述。該裝置包括He-Ne激光器、與激光器對準的外部反射器、及光檢測器。反射器是可運動的，從而返回到激光器中的反射光的相位可以相對于從激光器發射的光而調節，借此激光光束的產生分別被加強或抵消。該產生由光檢測器檢測，借此光檢測器的讀數是周期性的，具有周期λ/2。因而，由光檢測器的讀數可以確定外部反射器的運動，即在激光器與反射器之間的光程的變化。
然而，與在GB 1038140中公開的測量裝置有關、以及與其它已知測量裝置有關的問題在于，它由于構造對誤對準(misalignment)敏感，特別是對于外部反射器的誤對準，并且同時制造十分昂貴且難以控制。況且，在GB 1038140中的讀數是周期性的，即非單調的，由此不可能直接得到例如距離的絕對測量。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種與已知測量裝置相比改進的測量裝置。
具體目的在于，提供一種可以以成本高效方式實現并且容易控制的測量裝置。
這些和其它目的由一種通過引言提到的種類的測量裝置實現，該測量裝置還包括主諧振器，具有限定諧振腔(cavity)的第一和第二反射端部，該諧振腔具有有效光諧振腔長度；光學增益元件，用來產生沿在第一與第二反射端部之間的光束路徑傳播的光；及色散聚焦諧振器元件，沿在光學增益元件與第二反射端部之間的光束路徑定位，其中測量對象布置成至少部分地定位在主諧振器的光束路徑內，并且其中測量裝置還包括用來檢測從主諧振器發射的光的特性的檢測裝置，檢測特性的值是測量對象的性質的度量。
本發明基于如下理解測量對象影響主諧振器的有效諧振腔長度和/或諧振器損失，從而由于色散聚焦元件的性能影響從諧振器發射的光的特性。當有效諧振腔長度和/或諧振器損失變化時，發射的光的特性根據本發明可以單調地變化。由此，可以實現一種容易控制和容易讀取的測量裝置。況且，因為簡單的構造，該測量裝置可以以較低成本制造。
而且，根據本發明的測量是諧振的，因為測量發生在主諧振器內，借此有效測量距離變得非常長。因而，由于發明的布置，有可能實現一種具有長有效測量長度、而仍然具有增強的使用性的小物理尺寸的測量裝置。
優選地，待由檢測裝置檢測的光的特性是發射光的波長、功率、偏振、及相位的至少一個。
在本發明的一個實施例中，待測量的對象是固體對象。優選地，測量對象構成測量裝置的第二反射端部。因而，測量對象起反饋元件的作用，并且把光反射回諧振器諧振腔中。根據這個實施例的測量裝置例如可以用來對測量對象的性質進行測量。測量對象的位置影響主諧振器的有效光諧振腔長度，這又影響從諧振器發射的光的特性，從而該特性是測量對象的位置的度量。
也優選地，測量對象和測量裝置的其余部分可以布置成，在與測量對象反射的光束的方向基本上相垂直的方向上，即在與光束正交的平面中，彼此相對地運動。因而，可以使測量對象運動，而剩余的測量裝置基本上保持固定。可替換地，使剩余的測量裝置運動，而測量對象保持基本固定。作為另外的替換例，測量對象和剩余的測量裝置都相對于周圍環境運動。
通過使測量對象和測量裝置的其余部分彼此相對地運動，可以便利地測量具有表面凹凸的對象。表面凹凸使主諧振器的有效光諧振腔長度變化，借此發射光的特性由于色散聚焦諧振器元件的性能而變化，并且借此發射光的特性的值是表面凹凸的度量。這能夠實現一種簡單和可行的測量裝置，該測量裝置例如可以用在掃描顯微鏡中。根據這個實施例的測量裝置也可以便利地用作為在例如CD播放機、DVD播放機、或CD-ROM播放機中的拾取裝置，以便讀在盤上的數據軌跡。在這種情況下，與擺動補償有關的拾取裝置運動沒有必要，因為根據本發明的拾取裝置基本上是自對準的。因而，拾取裝置可以用較少可移動部分建造，這例如便于制造并且保證穩定的操作。而且，拾取裝置可以便利地布置成同時從多層讀取信息，例如在雙層光盤上。
根據本發明的另一個實施例，測量對象例如是布置成穿過主諧振器的光束路徑流動的氣體、液體或顆粒懸浮質。所述流依據用途可以具有0m/s或更大的流動速度。測量對象的流動影響主諧振器的有效光諧振腔長度，借此從諧振器發射的光的特性變化。例如發射光的波長或功率的變化可以由檢測裝置檢測。測量裝置可以便利地用于幾種類型的測量，例如用來對測量對象的存在進行測量。
在本發明的另外實施例中，測量裝置也包括可調節驅動器，用來激勵主諧振器；和電流檢測裝置，用來檢測由驅動器使用的電流。當測量對象影響諧振器損失時，從主諧振器發射的光將變化，借此驅動器被調節，從而發射的光的功率保持恒定，并且借此由所述可調節器使用的電流是測量對象的性質的度量。另外，通過移動所述第二反射端部，例如鏡像元件，測量裝置可以構造成，在某些波長下操作，以及/或者在波長的寬范圍上掃描，例如確定在什么波長下諧振器損失發生，借此損失可以是例如吸收和/或散射的結果。根據這個實施例的測量裝置可以便利地用來檢測例如已知測量對象的含量或濃度，或者檢測在混合物中存在什么物質、以及在混合物中物質的濃度。
優選地，由檢測裝置檢測的光從主諧振器的第一和第二反射端部的至少一個發射。


現在參照附圖將進一步描述本發明的當前優選實施例，在附圖中圖l示意表示根據本發明第一實施例的第一替換例的一種測量裝置；圖2示意表示用于本發明的工作原理；圖3示意表示根據本發明第一實施例的第二替換例的一種測量裝置；圖4a-4b示意表示由在圖3中的測量裝置產生的輸出數據的圖；圖5示意表示本發明的第二實施例；圖6示意表示本發明的第三實施例；圖7-8示意地表示由在圖6中的測量裝置產生的輸出數據的圖；及圖9a-9b示意表示在根據本發明的一種測量裝置的諧振器中循環的光束的多重往返路徑。
具體實施例方式
本發明第一實施例的第一替換例公開在圖1中。圖1表示一種包括主諧振器11的測量裝置6，該主諧振器11具有限定諧振腔7的第一和第二反射端部1、2，其中第二反射端部2由對其測量性質的測量對象12構成。光學增益元件3布置在諧振腔7內。光學增益元件3可以例如是如在圖1中那樣的邊緣發射半導體元件。可替換地，光學增益元件可以是表面發射半導體元件。
術語邊緣發射半導體元件要理解成一種其中光束在與構成光學增益元件的活性材料的外延層的表面法線基本上相垂直的方向傳播的光學增益元件。術語表面發射半導體元件要理解成一種其中光束在與構成光學增益元件的活性材料的外延層的表面法線基本上相平行的方向傳播的光學增益元件。
光學增益元件具有第一和第二相對端面3a、3b，借此第一端面3a在這種情況下布置成構成主諧振器11的第一反射端部1。
測量裝置6還包括色散、聚焦元件5，該色散、聚焦元件5布置在光學增益元件3的第二端面3b與諧振腔的第二反射端部2(即測量對象12)之間的諧振腔內。色散、聚焦元件5呈現波長依賴焦距，該波長依賴焦距產生圖像平面的波長依賴位置，如在圖2中指示的那樣。在圖2中，示意表示具有第一波長λ1的光聚焦在第一平面中，具有第二波長λ2的光聚焦在第二平面中，及具有第三波長λ3的光聚焦在第三平面中。因而，例如定位在第一平面中的反射元件將反射具有第一波長λ1的光。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件構成。下面將進一步描述色散、聚焦元件5的結構。
再參照圖1，測量裝置6也包括檢測裝置8。檢測裝置8在這種情況下布置成與主諧振器11相鄰，以便檢測光的特性，例如從主諧振器發射的光的波長、功率、偏振、或相位。依據待測量的特性，檢測裝置8可以例如是波長檢測器或光強度檢測器。
作為以上提到的色散、聚焦元件5的性能的結果，通過在不同的縱向位置之間，即沿諧振器的光束路徑，移動測量對象，并由此改變諧振腔7的有效長度，測量裝置6可以布置成發射具有不同波長的光，借此發射的具有一定波長的光唯一地與測量對象的一定縱向位置相對應。色散、聚焦元件能夠實現對于諧振器的高Q值，即對于測量對象的每個位置對于窄波長間隔的較小損失。
因此，通過檢測與在距離色散、聚焦元件5一段距離處的圖像平面相對應的波長，實現測量對象沿z軸的位置測量，其中在該平面中定位測量對象的反射表面。可以使波長相對于測量對象的運動單調地變化。
可以在較大距離范圍(及相應的波長范圍)上進行測量，而不引起諧振器的模式跳躍。這歸因于如下事實色散聚焦元件5形成為，在諧振器中模式的腰部以與波節圖案的伸展相同的速度沿諧振腔的光軸運動，借此在諧振器中的總相移在測量對象的運動下保持恒定，這意味著避免模式跳躍。根據本發明的測量裝置的波長范圍僅由光學增益元件的帶寬限制。
優選地，光通過主諧振器11的第一反射端部1耦合出，即在這種情況下通過光學增益元件3的第一端面3a，借此光可以由相鄰諧振腔布置的檢測裝置8檢測。而且，由檢測裝置8檢測的一定波長與主諧振器諧振腔7的一定長度相對應。如以上描述的那樣，主諧振器11在這種情況下由第一反射端部1和測量對象12限定，因而可以容易地得到測量對象的絕對位置。測量裝置6也可以用于連續測量，借此由檢測裝置8檢測的波長變化與在測量對象與測量裝置之間的相對位置的變化相對應。
根據本發明第一實施例的這個第一替換例的測量裝置可以用在與例如檢測到測量對象的距離或檢測未知表面地貌相關的幾種用途中。后者可以通過在x-y平面中相對于測量裝置運動測量對象而實現，借此可以檢測表面凹凸。可替換地，可以使測量裝置在x-y平面中相對于測量對象運動。例如，該裝置可以用在掃描顯微鏡中，其中測量裝置掃過測量對象。由對象的表面反射的波長然后由檢測裝置檢測，借此諧振波長的變化成為表面地貌的度量，這可以用來顯示所述對象的放大圖像。
根據本發明第一實施例的第二替換例，測量裝置可以用作在光盤播放機中的拾取裝置，例如緊致盤(CD)播放機、數字多用途盤(DVD)播放機、或CD-ROM播放機。根據第一實施例的這個第二替換例的布置示意表示在圖3中。圖3表示具有限定諧振腔7的第一和第二反射端部1、2的主諧振器11，其中第二反射端部2由測量對象構成，在這種情況下由CD 15構成。光學增益元件3，例如關于這個第一實施例的第一替換例所描述的邊緣發射半導體元件，布置在諧振器諧振腔內。可替換地，表面發射半導體元件可以用作光學增益元件。光學增益元件3具有第一和第二相對端面3a、3b，借此第一端面3a在這種情況下布置成構成主諧振器11的第一反射端部1。
測量裝置6還包括色散、聚焦元件5，該色散、聚焦元件5布置在光學增益元件3的第二端面3b與測量對象之間的諧振腔7內。色散、聚焦元件5呈現波長依賴的焦距，該波長依賴的焦距產生圖像平面的波長依賴位置，如在圖2中表示的那樣。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件構成。
在圖3中的測量裝置也包括檢測裝置8。檢測裝置8布置成與主諧振器11相鄰，以便檢測從主諧振器發射的光的性質。檢測裝置可以例如是檢測功率的光電二極管、和/或波長檢測裝置。
檢測對象，即CD 15，包含以數字形式存儲的數據。數字數據由形成嵌在盤中的表面凹凸16的小凹腔代表。凹腔布置在盤上的螺旋數據軌跡中。凹腔代表第一數據值，并且在數據軌跡上的非凹腔區域代表第二數據值。
盤相對于測量裝置定位，從而凹腔代表沿諧振器的光束路徑與非凹腔相比不同的縱向位置。由此，作為以上所提到的色散、聚焦元件5的性能的結果，凹腔和非凹腔將反射具有不同波長的光，該波長分別與在沿z軸離色散、聚焦元件一段距離處的圖像平面相對應。因而，第一波長代表凹腔，并且第二波長代表非凹腔。
這里應該注意，當聚焦光以便讀取CD軌跡時，光的聚焦讀取區域覆蓋得比軌跡的凹腔的寬度大。這意味著，當讀取光處于在凹腔處的位置中時，光的第一部分將在凹腔中反射，并且光的第二部分將由凹腔周圍的盤區域反射。這意味著，反射光的第一部分由于色散聚焦元件將具有一定波長，而反射光的第二部分將具有另一種波長。因而，在具有凹腔的區域中，諧振器模式的不同橫向部分看到不同的相移，這有效地增大諧振腔損失并且導致諧振器的減小輸出功率。
因此，通過檢測從諧振器發射的光的功率并且把輸出轉換成一和零可以實現在光盤上的數據的再現，從而一和零的串隨后可以譯碼和解調及轉換成例如音樂。與盤的位置相關的功率輸出示意表示在圖4a中。
優選地，光通過主諧振器11的第一反射端部1耦合出，即在這種情況下通過光學增益元件3的第一端面3a，借此發射光的功率可以由檢測裝置檢測。
再參照圖2，具有波長λ1的光聚焦在平面z31中，并且具有波長λ3的光聚焦在平面z33中。最大范圍z31-z33取決于光學增益元件的帶寬。在優選布置中，范圍z31-z33遠大于在光盤上由拾取裝置讀取的凹腔的深度。依據盤沿z軸線的位置，不同的波長和相應的功率級如以上描述的那樣將由拾取裝置檢測。然而，在由凹腔產生的功率與由非凹腔產生的功率之間的相對差對于所有位置基本上相同，這意味著，可以實現在光盤上數據的再現。因此，盤可以定位在沿x軸的范圍z31-z33內的任何位置處。這示意地表示在圖4b中。
在圖4b中，表明由檢測裝置檢測的兩種不同示意數據信號。y軸指示波長或盤的軸向位置，而標有“位置”的x軸指在盤表面上沿數據軌跡的位置。即使兩個信號在不同的波長級處(指示盤沿z軸的兩個不同位置)，它們對于光盤播放機也仍將產生基本上相同的輸出，因為在不同數據信號中的第一和第二數據值(例如一和零)的相對位置是相同的。因而，拾取裝置相對于沿在圖3中的z軸的位置是自對準的。在圖4b中兩條曲線的波長的較小變化導致光的功率的變化，這代表在盤上的信息，如以上描述的那樣。
當出現擺動補償時自對準是一個優點。當盤不完全平時擺動發生，因而當盤旋轉時，在盤與拾取透鏡之間的距離改變。在已知的光盤播放機中，伺服機構典型地用來使拾取裝置向和遠離盤而運動，以便保持焦點，即擺動補償。然而，通過使用根據本發明的拾取裝置，避免擺動問題，因為透鏡不必為了保持焦點的跟蹤而運動。而是，拾取裝置是自對準的，并且不需要伺服機構。這意味著，拾取裝置可以用較少可移動部分建造，這導致更牢固和更容易制造的拾取裝置。
根據本發明的拾取裝置也可以便利地用來從在光盤上的不同層同時讀取信息。諸層，例如在盤一側上的兩個層，代表沿z軸距離色散聚焦元件的不同距離，借此從不同層反射的光將具有不同的波長，如以上描述的那樣。假定盤的諸個層沿z軸足夠地分離，可以抽取凹腔產生的較小波長變化和對應功率變化，從而可以實現在光盤上的數據的再現。當然，擺動補償方面也可以應用于這種多層讀取。
本發明的第二實施例表示在圖5中。圖5表示一種包括主諧振器11的測量裝置6，該主諧振器11具有由第一和第二反射端部1、2限定的諧振腔7。光學增益元件3，例如以上關于第一實施例的第一可替換例所描述的邊緣發射半導體元件，布置在諧振器諧振腔7內。可替換地，表面發射半導體元件可以用作光學增益元件。光學增益元件3具有第一和第二相對端面3a、3b，借此第一端面3a在這種情況下布置成構成主諧振器11的第一反射端部1。測量裝置6還包括色散、聚焦元件5，該色散、聚焦元件5布置在光學增益元件3的第二端面3b與第二反射端部2之間的諧振腔7內。色散、聚焦元件5呈現波長依賴的焦距，該波長依賴的焦距產生圖像平面的波長依賴位置，如在圖2中指示的那樣。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件構成。
再參照圖5，測量裝置6也包括檢測裝置8。檢測裝置在這種情況下布置成與主諧振器11相鄰，以便檢測從主諧振器發射的光的特性。檢測裝置可以例如是波長檢測器。
在根據這個實施例的測量裝置中，測量對象，例如氣體、液體或顆粒懸浮質，布置成穿過主諧振器11的光束路徑流動，借此流動可以具有0m/s或更大的流動速度。測量對象可以在色散、聚焦元件5的任一側上流動。
反射端部2，在這種情況下可以由例如鏡面元件構成，沿諧振器的光束路徑布置在固定縱向位置處，由此當沒有測量對象存在于諧振腔中時，諧振器可以布置成發射具有恒定波長的光。這個恒定波長可以由檢測裝置8檢測。
然而，當測量對象(例如氣體18)存在于主諧振器11中時，氣體18的存在和性能使諧振器介質的折射率改變。這又導致諧振器的有效光諧振腔長度改變，由此從主諧振器發射的光的波長由于以上相對于第一實施例的第一可替換例所描述的色散、聚焦元件5而改變。
因此，根據本發明的這個實施例的測量裝置可以用來檢測在測量裝置中測量對象的存在，由此存在由從諧振器發射的光的波長或功率的變化指示，該光由檢測裝置8檢測。圖5的測量裝置也可以用來測量例如改變諧振器的折射率的壓力、溫度、和/或溫度等等的變化。
在圖5中，由檢測裝置8檢測的光通過主諧振器11的第一反射端部1耦合出，即通過光學增益元件3的第一端面3a。對于這種變形，第二反射端部2布置成是反射寬帶平面鏡，而第一端面3a布置成發射可以由檢測裝置檢測的光的希望預定部分。可替換地，光可以通過主諧振器11的第二反射端部2耦合出。對于這種變形，第二反射端部2布置成發射可以由檢測裝置檢測的光的一部分。
而且，反射端部2，例如鏡面元件，可以具有在元件的橫截面上以這樣一種方式變化的反射率，從而它對于諧振腔的主模式是高度反射性的，而對于更高階模式具有較低反射率。這導致空間濾波，即抑制更高階空間模式，并且有利于諧振器的主模式，這對于某些用途，如氣體分析，可能是希望的。以上效果可以通過把抗反射涂層、吸收層、鋪層、光散射層、或反射性或透射性衍射表面凹凸施加到用于主模式的高度反射中央區域外的元件區域上而實現。
本發明的第三實施例表示在圖6中。圖6表示一種包括主諧振器11的測量裝置6，該主諧振器11具有由第一和第二反射端部1、2限定的諧振腔7。第二反射端部2可以例如是具有以上關于第二實施例所描述的特性的鏡像元件。光學增益元件3，例如以上關于第一實施例的第一可替換例所描述的邊緣發射半導體元件，布置在諧振器諧振腔7內。可替換地，表面發射半導體元件可以用作光學增益元件。光學增益元件3具有第一和第二相對端面3a、3b，借此第一端面3a在這種情況下布置成構成主諧振器11的第一反射端部1。
測量裝置還包括色散、聚焦元件5，該色散、聚焦元件5布置在光學增益元件3的第二端面3b與第二反射端部2之間的諧振腔7內。色散、聚焦元件5呈現一個波長依賴焦距，該波長依賴焦距產生圖像平面的波長依賴位置，如在圖2中指示的那樣。色散、聚焦元件5可以例如由折射和衍射元件構成。
再參照圖6，測量裝置6也包括檢測裝置8，該檢測裝置8布置成與諧振腔相鄰，以便檢測從主諧振器發射的光的性質，例如光的波長和/或功率。如在上述第二實施例中那樣，光可以通過主諧振器11的第一反射端部1、和/或第二反射端部2耦合出。測量裝置也包括驅動器9，該驅動器9連接到檢測裝置8上，并且連接到光學增益元件3上。驅動器布置成激勵光學增益元件3，并且是可調節的，以便能夠實現用來激勵光學增益元件3的驅動電流的變化。而且，測量裝置包括適于檢測由驅動器9使用的電流的電流檢測裝置10。
在根據這個實施例的測量裝置中，測量對象，例如氣體、液體或顆粒懸浮質，布置成存在于主諧振器11的光束路徑中。測量對象可以穿過光束路徑流過諧振器，從而所述流依據用途可以具有0m/s或更大的流動速度。測量對象可以在色散、聚焦元件的任一側上流動。
在圖6中表示的本發明的實施例基于如下理解在諧振器中存在的諸如氣體、液體或顆粒懸浮質之類的測量對象影響諧振器損失，借此穿過測量對象的光的功率以及因而由檢測裝置檢測的光的功率減小。
功率減小例如可以由如下事實引起氣體、液體或顆粒懸浮質可以吸收光的某些波長。
根據這個實施例的測量裝置6例如可以用來測量已知測量對象的含量和濃度。在例如吸收具有已知波長(下文由λabs指示)的光的已知氣體的測量之前，通過沿主諧振器11的光束路徑把反射端部2移動到一定縱向位置而調節測量裝置的反射端部2，由此改變諧振器的有效光學長度，從而測量裝置的諧振波長與波長λabs相對應。諧振波長的調節以與以上關于第一實施例的第一可替換例所描述的相同方式實現。因為發明的布置，調諧間隔比較大，這提高測量裝置的使用性。其中所期望波長可設置的間隔僅由光學增益元件的帶寬限制。從諧振器發射的波長可以由檢測裝置8監視。
當測量對象，這里例如氣體18，存在于諧振器中時，諧振器損失由于波長λabs的吸收而增加。然而，用來激勵光學增益元件3的驅動器9被控制，以調節用來激勵光學增益元件3的驅動電流，從而發射光的功率基本上保持恒定。這由在驅動器9與檢測裝置8之間的反饋環路實現。因而，增益元件3的驅動電流的變化補償歸因于通過氣體的吸收的光的功率損失，借此發射光的功率基本上保持恒定。為了保持發射光的功率為恒定水平而由所述驅動器使用的電流則是氣體的濃度的度量，如在圖7中示意表示的那樣。由驅動器9使用的電流由電流檢測裝置10檢測。
由圖7應該理解，把發射光的功率保持在恒定級處需要的電流越大，則氣體濃度越高。優選地，測量裝置在使用之前校準，以便確定用于不同測量對象的電流-濃度比值。
應該注意，氣體可以布置成流過諧振器，借此有可能隨著時間連續地測量氣體含量。也應該注意，由于根據本發明的諧振測量，光傳播經過測量對象多次，就像對較大體積的測量對象進行測量那樣。這意味著，測量裝置的尺寸與傳統裝置相比可以顯著減小，在該傳統裝置中，光從測量對象的一側發射，傳播過測量對象，及在測量對象的相對側被檢測。
而且，根據這個實施例的測量裝置6可以用來基于吸收而分析例如氣體的混合物，以便檢測在所述混合物中存在的氣體的種類。在這種情況下，當混合物存在于諧振器中時，測量裝置的反射端部2沿主諧振器11的光束路徑縱向地運動，從而上述測量裝置適于發射具有對應范圍的波長的光。當掃描波長頻譜時，某些波長將或多或少地由在混合物中的不同氣體所吸收，這導致在這些波長處的光的功率的損失。這些功率損失由調節光學增益元件3以保持發射光的功率在這些波長處恒定的驅動器9所使用的電流的增大來指示。示例性掃描的結果示意表示在圖8中。通過知道什么波長由什么氣體吸收，由圖8有可能確定在提供的混合物中存在什么種類的氣體。
通過測量裝置的校準、和通過知道光學增益元件的增益曲線，也有可能基于電流-波長圖確定在混合物中氣體的絕對含量。
這里應該注意，這種做法也可以用來分析具有幾種吸收波長的氣體。也應該注意，按照本發明，由于聚焦色散元件5的性能，在寬范圍波長上可以進行上述掃描。掃描范圍僅由光學增益元件的頻譜帶寬限制。這意味著，測量裝置可以用來檢測和測量寬范圍的不同測量對象。
根據第三實施例的測量裝置也可以用于基于光散射的測量。這種變形基于如下理解在諸如氣體、液體或懸浮質之類的測量對象中的顆粒呈現波長依賴散射。當例如氣體經受從一定方向入射的一定波長的光時，光散射。由此，諧振器損失變化，從而從諧振器發射的功率變化。例如氣體的濃度越大，散射一定波長的光越多。
如以上那樣，當測量對象，例如氣體18，流過測量裝置6的主諧振器11時，驅動器9被控制以調節所述光學增益元件3的驅動電流，從而發射光的功率基本上保持恒定。因而，光學增益元件的驅動電流的變化補償由通過氣體的散射造成的光的功率損失，從而發射光的功率基本上保持恒定。
為了保持發射光的功率在恒定水平而由所述驅動器9使用的電流隨后由電流檢測裝置10檢測，從而該電流是測量對象的性質的度量。
同樣如以上那樣，第三實施例的這種變形例如可以用來測量散射具有已知波長λscatter的光的已知測量對象的含量或濃度。在這種情況下，諧振器在使用之前通過反射端部2的調節而被調節以在這個波長下諧振。測量裝置也可以用來通過掃描波長頻譜以確定在什么波長下光被散射，而檢測在混合物中存在什么物質、以及在混合物中物質的濃度。掃描可以在寬頻譜上進行，這是因為測量裝置的發明設置僅由光學增益元件的帶寬限制。
下文將更詳細地描述以上實施例的色散、聚焦元件。根據直接的方式，色散、聚焦元件由具有色散和聚焦特性的單個折射凸透鏡元件構成。折射元件的折射率取決于入射光的波長，并由此實現色散效應。可替換地，色散、聚焦元件可以由一起起凸透鏡作用的折射透鏡的組合構成，即使組合的一個或多個透鏡可以是凹的。在這種情況下，組合的焦距隨入射光的波長而變。通過在組合中挑選適當的材料組合，有可能調節其色散，以便平衡由波長變化造成的諧振器的光學長度的變化，并因此提供沒有模式跳躍的諧振器。況且，色散、聚焦元件可以由一個折射和一個衍射元件構成。這可以例如借助于一種透鏡提供，該透鏡具有一個折射表面、和帶有衍射表面凹凸的相對的折射表面。這樣一種元件也可以提供成衍射透鏡元件和分離衍射元件，其例如可以布置成在攜帶第二反射端部的元件上的衍射表面凹凸(如在一個表面上具有衍射表面凹凸并且在相對表面上設有鏡面的玻璃板)。這樣一種分離衍射元件也可以與第二反射端部分離。然而要注意，在第二端部與衍射表面凹凸之間必須存在一定距離，以便實現所希望的功能性。在非直線諧振腔幾何形狀的情況下，如折疊諧振腔，色散聚焦元件可以提供為聚焦、反射表面，設有衍射表面凹凸。作為又一個替換例，色散聚焦元件可以布置成所謂的GRIN元件(梯度指數元件)，優選地在其表面之一上設有衍射表面凹凸。作為另一個可替換例，色散聚焦元件可以構成為在平面或彎曲表面上的衍射表面凹凸，該平面或彎曲表面是攜帶反射端部2的本體的部分。況且，有可能把全息光學元件，或者單獨地或者與上述替換例的任一個相組合地，用作色散聚焦元件。而且上述替換例的其它組合是可能的。
關于以上描述色散聚焦元件，要注意，測量裝置能夠在不同波長下諧振，只要聚焦元件具有適當的色散，而與色散的符號無關。然而，在某些情況下模式跳躍可能是問題。通過以樣一種方式平衡色散，從而諧振器Q值對于與在諧振器內的恒定相移相對應的波長依賴諧振器長度最大，可以得到沒有模式跳躍的測量裝置。色散將被選擇成，模式的腰部以與波節圖案的伸展相同的速度沿諧振腔的光軸運動。與波長相關的腰部的運動速度，對于某些透鏡色散，可以通過調節在光學增益元件與色散聚焦元件之間的距離而控制。
所以，按照本發明，實現一種測量裝置，該裝置具有諧振間隔，即測量間隔，該間隔僅由光學增益元件的頻譜寬度限制。相反，如果不使用色散聚焦元件，則實現一種測量裝置，該裝置僅呈現窄的、有限諧振間隔(在諧振器的約一個自由頻譜寬度的數值的量級中)。
也要注意，通過本發明的配置，當使用邊緣發射半導體增益元件時，光學增益元件的第二端部成像在諧振器的第二反射端部上，并且當使用表面發射半導體增益元件時，第一反射端部成像在諧振器的第二反射端部上，所述成像使諧振器配置穩定。所以，在一個反射鏡平面中的任何物點成像在其它反射鏡平面中。這種原理對于使用邊緣發射半導體增益元件的情形顯示在圖9a中，其中反射端部2，例如測量對象，被傾斜地誤對準。在圖9a中標為21的光線碰到反射端部2，并且沿標為2的光束路徑重新引導回諧振器。當標為22的光線達到表面3b時，該模式與光學增益元件的波導模式相卷繞，并且向第一反射端部3a繼續，及在光學增益元件內反射，并且再次入射在表面3b上，此后重復以上過程。這可能看起來就像循環諧振器模式在波導/增益元件中被空間濾波，在諧振器中每個往返一次。在使用表面發射半導體增益元件的情況下，具有傾斜誤對準的反射端部2的諧振器的穩定性表明在圖9b中，表示在諧振器中重新引導的標為21-25的光線。基本原理與以上參照圖9a描述的基本相同。
因而，由于在第一反射端部、或光學增益元件的第二端部上的任何物點，根據具體情況(見以上)，成像在第二反射端部上(并顛倒)的事實，測量裝置的諧振器非常穩定，并且對于誤對準不敏感。
還要注意，增益元件的端面3b可能設有或不設有抗反射涂層。在其中表面3b具有反射性的情況下，主諧振器包括兩個耦合諧振器，一個由表面3a和3b限定，并且一個由表面3b和反射端部2限定。這導致得到的單調測量信號也包括周期變化。該變化由表面3b引起。周期性可以通過色散聚焦元件的色散的選擇而控制。
最后，要注意，本發明和其元件的多種其它修改和變更對于本領域的技術人員，當研究本公開和附屬權利要求時，是顯然的。
例如，在以上實施例中光學增益元件的第一端面和諧振器的第一反射端部可以分離，其中第一端面在這種情況下可以設有抗反射涂層。
而且，盡管在以上實施例中的光學增益元件是半導體增益元件，但光學增益元件可以由各種材料制造，如半導體材料、摻雜波導材料，如鉺摻雜光學纖維、或摻雜固態晶體。
而且，測量裝置可以具有非直線諧振腔幾何形狀，如折疊諧振腔。
權利要求
1.一種用來對測量對象(12；15；18)的性質進行光學測量的測量裝置(6)，該測量裝置(6)包括主諧振器(11)，具有限定諧振腔(7)的第一和第二反射端部(1，2)，該諧振腔(7)具有一個有效光諧振腔長度；光學增益元件(3)，用來產生沿在所述第一與第二反射端部(1，2)之間的光束路徑傳播的光；色散聚焦諧振器元件(5)，沿在所述光學增益元件(3)與所述第二反射端部(2)之間的光束路徑被定位，測量對象被布置成至少部分地定位在所述主諧振器(11)的光束路徑內，測量裝置(6)還包括用來檢測從所述主諧振器發射的光的特性的檢測裝置(8)，所述被檢測特性的值是所述測量對象的性質的度量。
2.根據權利要求1所述的測量裝置(6)，其中，待由所述檢測裝置(8)檢測的光的特性是從所述主諧振器(11)發射的光的波長(λ)、功率(P)、偏振、或相位的至少一個。
3.根據權利要求1或2所述的測量裝置，其中，所述測量對象是固體對象。
4.根據權利要求1、2或3所述的測量裝置，其中，反射端部(2)由所述測量對象構成。
5.根據權利要求4所述的測量裝置，其中，所述測量對象和測量裝置的其余部分被布置成，在與由所述測量對象反射的光束的方向基本上相垂直的方向上彼此相對地運動。
6.根據權利要求5所述的測量裝置，其中，所述檢測裝置(8)被布置成檢測在所述測量對象上存在的表面凹凸。
7.根據權利要求1或2所述的測量裝置，其中，所述測量對象是氣體、液體或顆粒懸浮質的一種。
8.根據權利要求7所述的測量裝置，其中，所述測量對象被布置成流過所述主諧振器(11)的光束路徑，從而影響所述有效光諧振腔長度。
9.根據以上權利要求任一項所述的測量裝置，其中所述測量裝置還包括用來以可變驅動電流激勵所述光學增益元件(3)的可調節驅動器(9)。
10.根據權利要求9所述的測量裝置，其中所述測量裝置還包括電流檢測裝置(10)，用來檢測由激勵所述光學增益元件的所述驅動器(9)使用的電流。
11.根據以上權利要求任一項所述的測量裝置，其中所述光學增益元件(3)具有第一和第二相對的端面(3a，3b)，所述第二表面(3b)定位在所述主諧振器(11)內。
12.根據以上權利要求任一項所述的測量裝置，其中從主諧振器(11)發射的光從所述反射端部(1，2)的至少一個發射。
全文摘要
本發明涉及一種用來對測量對象(12；15；18)的性質進行光學測量的測量裝置(6)，該測量裝置包括主諧振器(11)，具有限定諧振腔(7)的第一和第二反射端部(1，2)，該諧振腔(7)具有一個有效光諧振腔長度；光學增益元件(3)，用來產生沿在第一與第二反射端部(1，2)之間的光束路徑傳播的光；及色散聚焦諧振器元件(5)，它沿在光學增益元件(3)與第二反射端部(2)之間的光束路徑定位，其中測量對象被布置成至少部分地定位在主諧振器的光束路徑內，并且其中測量裝置還包括用來檢測從主諧振器發射的光的特性的檢測裝置(8)，所述被檢測特性的值是測量對象的性質的度量。
文檔編號G11B7/135GK1890730SQ200480036052
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月3日 優先權日2003年12月5日
發明者肯尼特·維爾海爾姆森 申請人:阿爾法艾斯股份公司