本发明涉及用于光谱学的基于多平面光转换的多通吸收池，并且尤其涉及这种池的设计和制造。
背景技术：
1、激光吸收光谱学是一种非常灵敏和有选择性的化学传感技术，其中通过用激光源测量其吸收光谱来确定样品的分子组成和浓度。由于样品的吸光度a与其浓度和光程长度l成比例，如比尔-朗伯定律所述，增加l允许检测更低的分子浓度。这对于通常具有比固态样品更低的每单位长度的吸收，即更低的衰减系数的气体尤其相关。为了利用长光程长度，同时保持检测器的小形状因子，许多痕量气体传感器依赖于多通吸收池，其中光束被反射多次，以在相对小的体积内最大化相互作用长度。由j.u.white的“long optical paths oflarge aperture",j.opt.soc.am.32(5),285(1942)并且由d.harriott,h.kogelnik,andr.kompfner,"off-axis paths in spherical mirrorinterferometers",appl.opt.3(4),523(1964)描述了最有名的多通池设计。两种设计都基于球面反射镜。
2、多年来已经引入了各种新颖的配置来提高光程与体积的比率和性能。j.b.mcmanus等人在“astigmatic mirrormultipass absorption cells for long-path-length spectroscopy”，appl.opt.34(18),3336(1995)中引入了基于象散反射镜的herriott设计的变型，并且实现了在3升体积中具有100米光程长度的池和在0.3升体积中具有36米光程长度的池。
3、最近，krzempek等人在cw dfb rt diode laser-based sensor for trace-gasdetection of ethane using a novel compact multipass gas absorption cell",applied physics b 112,n°4(2013年9月):461-65中展示了一种使用两个球差反射镜的密集图案化多通池。在270cm3，即0.27升的体积中，池中的光程长度为57.6米长。
4、b.tuzson等人在“compact multipass optical cell for laser spectroscopy”opt.lett.38(3),257(2013)中提出并论证了基于单个反射环形表面的更紧凑的设计，其在仅40cm3(0.04升)的体积内提供上至7.1米的光程长度。
5、多通池制造起来具有挑战性。特别地，反射镜表面上的散射或任何杂散光可能会通过引起干涉条纹而阻碍用于吸收光谱学的这种类型的池的实际使用，如由上文b.tuzson等人所述。现有的解决方案基于大的反射镜，并且需要很大的体积和调整，如上文krzempek等人以及其中的参考文献中所述。
6、本发明使用一种新颖的方法以通过使用多平面光转换(mplc)来实现基于多平面光转换的紧凑、长光程、多通池。
7、多平面光转换(mplc)是一种低损耗光束成形过程，其允许执行光学模式的任何期望的酉变换，如由j.f.morizur等人在“programmable unitary spatial modemanipulation”，journal of the optical society of america a 27，第11期(2010年11月1日)：2524中所述。
8、mplc是多光束系统的理想选择，因为光束可以同时成形。mplc可以在透射和反射配置二者中实现。用于多通吸收池的mplc的特别有吸引力的实现依赖于反射相位板和反射镜之间的多次反射，如例如us10382133b2、wo 2018134534a1、wo 2016037850a1的许多专利和专利申请中所公开的，以及guillaume labroille等人的题为“characterization andapplications ofspatial mode multiplexers based on multi-plane lightconversion”，optical fiber technology 35(2017年2月)：93-99的论文中所公开的。该论文公开了mplc可以执行任意的酉变换。如该论文的图2所示，通过演示将来自10个单独单模光纤的光注入到多模光纤的正交模中来举例说明这一点。利用从单模光纤的线性阵列注入到相位板上并在相位板和反射镜之间反弹14次之后射出到多模光纤的光来实现mplc。相位板的形状限定光变换，并被优化以实现从单模光纤的10个基本模式到多模光纤的模式之一的模式变换。
9、这些方法导致小的体积，这对于许多应用是有利的。此外，反射式mplc系统避免由于通过折射光学器件传播而导致的色散和吸收。本发明改进了这种技术，以在小体积中实现长光程气体池。
10、us10382133 b2描述了作为光学相移部件的mplc，所述光学相移部件用于相移和修改注入光纤的光束的强度。部件被插入光纤中的某个位置。它使用两个反射镜和反射镜之间的多个光束光程。光学相移结构，例如具有结构化表面的反射相位掩模，最终是反射镜，在光束的每次反射时有效，并且逐渐将光束分成较快和较慢的传播模式。较快的模式比较慢的模式更多地经受一次或多次反射，并且从而减速。快模式和慢模式再次组合，然后在多模光纤中传输，在所述多模式光纤中各模式具有不同的传播速度。然而，这种设计必须加以改进以被用在气体池中。
技术实现思路
1、mplc系统允许修改一束中50个单模光纤的光学模式，并以极小的串扰和低损耗将它们注入多模光纤的50个较高阶模式中。考虑到模式的特征在于它们的方向、形状、相前和位置，并且考虑到mplc可以被设计成任意地将任何模式转换成任何其他模式，人们可以利用以下特性来重新应用mplc。不是在输入端放置多个单模光纤，而是人们放置两个光纤和一个正交于光纤光轴的反射镜。在出口处，人们放置一个正交于出射光轴的反射镜。不是修改模式形状，而是人们以使得如下那样的方式改变出射反射平面上的模式位置和方向：对于每个出射光束，都有一个被接受的反射光束，该反射光束将在相反的方向上朝着靠近输入光纤放置的反射镜行进。在这一点上，应用相同的设计，瞄准反射镜的输入侧上的出射光束将被反射并注入到mplc的可接受模式中，将行进回到原始出射侧。这一过程一直持续到执行穿过mplc的最后一次行进，在这一点，mplc被设计成将光注入出射光纤。
2、考虑到厘米大小的10次反射的mplc和50倍的反射光程，人们得到有效长度为5米的多通池，以与目前的商业池相比较，所述商业池诸如上面引用的j.b.mcmanus等人和b.tuzson等人描述的池。此外，现有的商业池是机械加工的，然而mplc可以使用平面半导体制造工艺来制造，该工艺具有并行化的优点，即在单个晶片上同时制造许多单元。因此，所描述的新颖实施例的批量价格可以显著低于机加工的版本。
1.一种多通气体吸收池，包括至少两个反射装置，所述反射装置被布置成增加包含待分析气体的外壳或室内的激光束的总光程长度，其特征在于，所述反射装置中的至少一个是反射式多平面光转换(mplc)相位板。
2.根据权利要求1所述的气体吸收池，其中，为了在多个波长下分析气体，进入室的不同波长的几个空间分离的激光束被转换成正交空间模式，所述正交空间模式被所述室内的反射式mplc相位板反射，并被单个检测器测量。
3.根据权利要求1所述的气体吸收池，其中，所述室包含至少一个光学反射镜、以及气体的入口和出口以及用于激光束的至少一个光学窗口。
4.根据任一前述权利要求所述的气体吸收池，其中，所述mplc相位板呈现与激光在自由空间中传播相兼容的空间相位轮廓，所述空间相位轮廓通过产生所述mplc相位板的反射表面的对应高度轮廓来实现。
5.根据权利要求1至3所述的气体吸收池，其中，所述mplc相位板呈现与激光在光纤中传播相兼容的空间相位轮廓，所述空间相位轮廓通过产生所述mplc相位板的反射表面的对应高度轮廓来实现。
6.根据权利要求4或5所述的气体吸收池，其中，所述空间相位轮廓是通过如下操作而产生的：向mplc相位板的表面中蚀刻期望的高度轮廓，优选地使用平面制造技术在单个玻璃晶片上制作数个mplc相位板，并向所述表面上沉积金属膜来增加其反射率。
7.根据任一前述权利要求所述的气体吸收池，其中，与mplc相位板上的n次反射相对应的n个相位轮廓由表面上的n个相同的凹球面或抛物面反射镜提供。
8.根据权利要求7所述的气体吸收池，其中n个反射镜布置成多个反射镜的堆叠行，从而导致增加的光程长度。
9.根据权利要求3或4所述的气体吸收池，其中，单个光束穿过光纤递送到所述池，所述光纤在其面向所述池的端部处具有准直器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的气体吸收池，所述多平面光转换(mplc)相位板是通过平面制造工艺，优选地通过在单个晶片上制作数个相位板而制作的玻璃结构。
