光学多程池

技术领域

本发明涉及例如，用在红外光谱技术(诸如，红外吸收光谱法)中的光学多程池。

背景技术

光学多程池(multi-pass cell)提供了光束通过空间的重复反射。它们可以用于多种目的，例如，光学延迟线和激光光谱法。例如，在红外光谱法的情况下，可能希望增加激光束穿过样品的路径长度，以增加样品对激光束的影响。这样的影响可以包括红外吸收光谱法中对特定激光束波长的吸收或诸如光谱特征的线宽或波长的微小变化的其他影响。

对于某些应用，期望能够提供一种在光学多程池的长度和/或宽度方面更紧凑的光学多程池，并且能够提供一种更加稳定、易于制造等的多程池。同时，通常希望使激光束在多程池内的不必要的光学损失最小化。例如，此类损失可能由于该池中的反射小面(facet)的反射率低于理想反射率以及其他影响而产生。

本发明解决了相关现有技术的问题和限制。

发明内容

本发明试图提供一种紧凑的多程池，适合用于诸如激光光谱法(包括红外光谱法，例如，红外吸收光谱法或色散光谱法)的应用，尽管该池可用于如下所述的各种其他应用。通常，这样的池至少包括第一和第二相对反射器，每个反射器具有多个反射小面和/或平面反射部分，如下文各种描述，并且该池例如可以被认为是这些反射器以及反射器之间的空间的组合，这种组合用于激光束在这些小面之间的多次穿过。如果需要，该池还可以包括被布置为至少在反射器之间的空间中保留样品(通常为气体)以进行适当的光学分析的壁，尽管在开放式池布置中，样品气体可以存在于反射器之间，而无需用壁形成完全封闭的部分(如果需要)。

本发明的各方面涉及对多小面的光学器件的数值建模并通过此数值建模被描述，以例如通过减少激光束在所定义的反射小面表面之外的入射来促进激光束在反射器之间的更高约束。

具体地，根据一方面，本发明提供了一种红外光谱仪，该红外光谱仪包括：第一和第二相对反射器，该第一和第二相对反射器被以一段间隔长度间隔开，每个反射器包括多个离散的凹形反射小面；红外激光源，被布置为形成激光束；第一和第二反射器的反射小面被布置为使得激光束通过从第一和第二相对反射器中的每个反射器的反射小面交替反射而从多个反射小面中的每个反射小面反射至少一次；检测器，被布置为检测激光束在从多个反射小面反射之后的光谱特性；以及分析器，被布置为根据检测出的光谱特性来确定设置在第一和第二相对反射器之间的样品的特性。样品通常可以是气体、液体、或其他流体，尽管可以使用其他样品类型。

根据另一方面，本发明提供了一种红外光谱仪，该红外光谱仪包括：第一和第二相对反射器，该第一和第二相对反射器被以一段间隔长度间隔开；多个离散的凹形反射小面，这些反射小面是相对反射器中的至少一个反射器的小面；红外激光源，被布置为形成激光束；这些相对反射器被布置为使得激光束从这些相对反射器中的每个反射器交替反射，包括被这些反射小面中的每个反射小面反射至少一次；检测器，被布置为检测激光束在从多个反射小面中的每个反射小面反射之后的光谱特性；以及分析器，被布置为根据检测出的光谱特性来确定设置在第一和第二相对反射器之间的样品的特性。

在任一方面中，这些离散的凹形反射小面在每个这样的小面与相邻小面不连续的意义上可被认为是离散的。这可以例如通过表述在相邻的凹形小面之间需要凸曲率来表示，尽管凹曲率可以以凸边缘和/或更缓慢地弯曲的凸形样子的形式来提供。

本发明还可用于红外光谱法之外的应用，因此更一般地，本发明可以提供一种多程池，其包括：第一和第二相对反射器，该第一和第二相对反射器被以一段间隔长度间隔开，每个反射器包括多个离散的凹形反射小面，第一反射器和第二反射器的反射小面被布置为使得光束(诸如，激光束，例如红外激光束)通过从第一和第二相对反射器中的每个反射器的反射小面交替反射而从多个反射小面中的每个反射小面反射至少一次。于是，在适当的情况下，本文所述的实施例以及本发明的相关的更详细方面应被认为应用于这种多程池，并且更具体地应用于红外光谱仪。替代地，此多程池可以包括：第一和第二相对反射器，该第一和第二相对反射器被以一段间隔长度间隔开；多个离散的凹形反射小面，这些反射小面是相对反射器中的至少一个反射器的小面，这些反射小面被布置为使得光束(诸如，激光束，例如红外激光束)被从相对反射器中的每个反射器交替反射，包括被反射小面中的每个反射小面反射至少一次。

上述间隔长度例如可以被认为是相对反射器之间沿着光轴的间隔，并且根据需要可以被定义为限定所述小面的平均表面的平面或类似物之间的垂直间隔。

第一反射器和第二反射器的反射激光束的反射小面的数量可以根据特定应用和所需设计来选择，但是通常，该设计可以提供为将会反射激光束的小面的数量可以为至少3个或至少6个，并且可选地不大于100个或不大于400个，或更具体地为10个至60个。遍布每个反射器的表面的反射小面的图样也可以根据设计要求来选择，例如以直线或六边形网格分布。

在一些实施例中，激光束在从对面的反射器后续反射之前的每次反射是来自反射小面的反射，因为在两个反射器上都提供了反射小面。

在其他实施例中，激光束在相对反射器之间的至少一次反射可以是来自这些反射器中的一个反射器的平面反射部分的反射。可以仅在这两个反射器中的一个反射器上设置这样的平面反射部分或在这两个反射器上都设置这样的平面反射部分。

在一些实施例中，所有反射小面都设置在这些反射器中的仅一个反射器上，并且激光束在对面那个反射器处的反射来自对面那个反射器的一个或多个平面反射部分。例如，对面那个反射器可以提供用于所有激光束反射的单个平面表面。在这种情况下，对面那个反射器可以方便地由平面镜提供。在一些实施例中，这样的单个平面表面或平面镜可以由具有适当大曲率半径的曲面镜或某种其他形式的反射表面代替。

每个反射小面基本都可以具有球面曲率，并且每个反射小面可以具有彼此相同的曲率半径或基本相同的曲率半径(例如，全部在彼此的大约1％的范围内)。这样的球形布置可以使实施例的设计和制造更加直接。然而，可以使用至少略微非球面的表面，在这种情况下，可以参考例如小面的中心点处的曲率半径、平均曲率半径、或其他合适的方式来理解本文档中提及的曲率半径。在其他实施例中，可以使用具有不同曲率半径的小面。

每个反射小面可以具有相同的曲率半径，并且这种曲率半径可以是间隔长度的倍数，其中该倍数是以下倍数之一：2/3倍、1倍、和2倍。这样的倍数不必是精确的，例如，曲率半径可以在这样的倍数的±5％或±-10％内。在其他示例中，小面的曲率半径可以略有不同(例如，在上述范围内)也可以大大不同。

这些倍数对于将激光束反射到相对反射器的凹形反射小面的凹形小面尤其有利。在相对反射器替代地提供平面反射表面以将激光束反射回第一反射器的凹形反射小面的情况中，第一小面的曲率半径可以替代地为间隔长度的如下倍数：1倍、4/3倍、2倍、或4倍，或者例如在此倍数的+/-5或+/-10％以内。

该装置可以被布置为使得激光束在第一反射器和第二反射器之间反射期间形成多个束腰，例如，针对来自小面的每次反射形成一次，或者至少每两次反射形成一次，或者至少每三次反射形成一次。这样的束腰可被描述为将激光束引到该点处的焦点，并且对这些多个焦点的控制被用在反射器及其小面的设计中，以使激光束由于在每个特定小面的区域之外的入射的损失最小化。

例如，包括反射小面的该装置可以被配置为使得激光束在第一和第二相对反射器的光束路径中的连续反射小面之间的反射中形成多个束腰，每个束腰与这两个反射器都间隔开间隔长度的至少10％，更优选为至少20％。

如果下一次反射将来自相对反射器的平面反射部分，则反射小面可被配置为使得激光束在下一次反射和平面反射部分处或邻近此处形成束腰，其中，邻近相对反射器可选地在离该相对反射器为间隔长度的20％以内，或可选地在间隔长度的10％以内。

红外光谱仪可以进一步包括调节光学器件，该调节光学器件被布置为在激光束从反射小面中的任一反射小面第一次反射之前形成腰部。具体地，这样的腰部可以位于第一反射器和第二反射器之间，并且可以被定位成有助于使激光束由于在一些或全部反射小面的表面区域之外的入射的损失最小化。

每个反射小面可具有例如约1mm至6mm的直径。间隔长度可以是例如约30mm至300mm。

当多程池被用于红外激光束并且用于所描述的红外光谱仪时，激光束的波长可以在2000nm至20000nm之间。注意，因为激光束通常可以用高斯光学来描述，所以这种光束的反射和展开取决于波长，并且激光波长与装置的设计高度相关，例如与反射小面的曲率、尺寸、以及反射小面之间的间距方面高度相关。

反射器可以被设计为提供一种或多种配置的激光束从反射小面的所有子集、或重叠子集、或离散子集的单次和/或多次反射的各种组合。然而，在一些实施例中，第一反射器和第二反射器的反射小面可被布置为使得激光束从多个反射小面中的每个反射小面或所有反射小面中的每个反射小面反射一次并且仅被反射一次。

反射小面和/或平面反射部分中的至少一者可以被构造为部分反射和部分透射，以使得激光束的第一部分继续从反射小面的第二子集反射并随后被检测器检测，并且激光束的第二部分透射通过部分透射小面或平面部分，以便在仅从反射小面的第一子集反射之后由所述检测器或另一检测器进行检测。例如，反射与透射的比率可以是大约50:50，或者是期望的和下面讨论的一些其他比率。在使用至少一个部分反射小面或平面部分的这种布置中，第一子集和第二子集的小面可以无交集。

红外光谱仪可以进一步包括空间滤光掩膜，该空间滤光掩膜位于相对反射器之间并且被布置为减小激光束在每次反射时入射到预期反射小面之外的比例，注意激光束的轮廓通常是高斯型或类似型。具体地，空间滤光掩膜可以包括形成在阻挡激光束的否则会入射到预期的下一反射小面之外的部分的材料中的多个孔。

例如，空间滤光掩膜可以包括多个孔，每个孔被布置为允许激光束的被引导到激光束的路径中的对应的下一反射小面的至少一部分到达该下一反射小面，空间滤光掩膜被布置为阻挡激光束的否则会入射到该下一反射小面之外的至少一部分。

反射小面和空间滤光掩膜可以被配置为使得激光束在第一反射器和第二反射器之间反射期间在空间滤光掩膜处或邻近此处形成多个束腰。例如，如果每个反射小面的曲率半径与相对反射器之间的分隔距离大致相同，则红外光谱仪可被布置为在相对反射器之间的池的中心形成束腰，并且空间滤光掩膜也可以位于相对反射器之间的池的中心。

如果所有反射小面都设置在反射器中的第一反射器上，而在另一个第二反射器处仅使用平面反射，则这些反射小面可被配置为使得激光束在反射期间在第二反射器处或邻近此处形成多个束腰，并且空间滤光掩膜可被提供在第二反射器处或邻近此处。

对于每个反射器，多个(例如，大于80％的)反射小面或所有反射小面(以及可选地还有任何平面反射部分)可以在单片材料上一起形成或一体形成，例如通过模制为单片，或通过金刚石铣削、激光烧蚀、或其他切割工艺从单片材料形成。但是需注意，涂层也可以应用于这种单片材料。例如，至少一些或全部反射小面可被涂覆有反射涂层。在一些实施例中，大多数反射小面可以一体形成在单片材料上，但是某些特定类型的小面(例如，部分反射小面)可以以其他方式提供，例如使用键合或以其他方式安装到反射器上的其他材料来提供。

提供红外光谱仪的本发明的实施例可以包括样品池，该样品池被布置为将样品容置在第一和第二相对反射器之间的空间中，使得在反射器之间反射的激光束多次穿过样品。这样的样品池可以例如由在相对反射器之间延伸的池壁提供。

相对反射器中的一个或两个反射器可以包括一个或多个端口，所述端口被布置为使得样品通过该端口流入和/或流出样品池。例如，相对反射器中的每个反射器可以包括一个或多个所述端口，红外光谱仪于是可以被布置为使样品通过反射器中的一个反射器的一个或多个端口流入样品气池并且通过反射器中的另一个反射器的一个或多个端口从池中流出。

这样的端口可以方便地位于反射器的两个或更多个相邻反射小面之间。

本发明还提供了与所描述的装置相对应的设计、制造、和操作方法。

例如，一方面，本发明提供了一种操作装置(例如，上述红外光谱仪)的方法，该方法包括：提供第一和第二相对反射器，每个反射器包括多个离散的凹形反射小面；以及引导激光束通过从多个反射小面中的每个反射小面反射至少一次而在反射器之间多次穿过，激光束从第一和第二相对反射器中的每个反射器的反射小面交替反射。可以在相对反射器之间的空间中提供样品，以使得激光束多次穿过样品，并且该方法然后可以包括在多次反射之后检测激光束的光谱特性；以及根据检测出的光谱特性来确定样品的特性。

另一方面，本发明提供了一种操作红外光谱仪的方法，该方法包括：提供以一段间隔长度间隔开的第一和第二相对反射器；多个凹形反射小面，每个反射小面是所述反射器的小面；在相对反射器之间的空间中提供样品；通过将红外激光束从多个反射小面中的每个反射小面反射至少一次来引导红外激光束多次穿过样品，激光束从相对反射器中的每个反射器交替地反射，包括被反射小面中的每个反射小面反射至少一次；检测激光束在多次反射之后的光谱特性；以及根据检测出的光谱特性来确定样品的特性。

附图说明

现在将参考以下附图，仅通过举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出了体现本发明的红外光谱仪；

图2示出了在诸如图1的布置中使用部分反射、部分透射的小面；

图3示出了在诸如图1或图2的布置中使用位于红外光谱仪的反射小面之间的空间滤光掩膜来减少去往反射器的相邻小面和/或其他区域中的光束重叠；

图4示出了图1至图3的反射器可被如何实现为包括一个或多个平面反射小面；

图5A至5D以截面图示出了反射小面之间的间隙过渡区域的各种形式；

图6以透视图示出了包括适用于诸如图1至图5D的实施例的反射小面的反射器；

图7示出了图6的反射器用于形成封闭样品池的端壁；

图8是示出最后一个反射小面处的激光束强度的99％的直径与激光的波长和反射小面的曲率半径的函数的曲线图；以及

图9示出了针对两个特定波长的图8的曲线图的截面。

具体实施方式

参照图1，示意性地示出了体现本发明的红外光谱仪10。相对的第一反射器12和第二反射器14被以间隔长度d间隔开。每个反射器12、14包括多个离散的凹形反射小面(facet)16。请注意，在图1中未示出这些小面的形状，而是在每个小面的区域周围示出了虚线框。在相邻小面之间需要凸曲率(例如，藉由一个或多个边缘或更缓慢地弯曲的凸区域)的意义上，这些反射小面是离散的。尽管从图1的截面图中不明显，但是反射小面可以以各种方式遍布第一反射器和第二反射器中的每个反射器的相对面分布，例如以直线或六边形网格的方式，按照单行小面的方式或其他方式。

红外激光源20用于形成激光束22，该激光束22被引导通过从第一反射器和第二反射器中的每个反射器的反射小面交替反射而从多个反射小面16中的每个反射小面反射至少一次，如图所示。在下面描述的一些实施例中，一些反射可以来自第一反射器和第二反射器中的一者或两者的一个或多个平面部分，例如，所有凹形反射小面都设置在这些反射器中的一个反射器上，而来自另一个反射器的反射则来自该反射器的平面部分。

在从反射小面16反射之后，激光束22入射到检测器40上，检测器40被布置为检测激光束的一个或多个光谱特性。如果在激光束22在反射器12、14之间的路径中的至少一些路径中存在样品25(诸如，气态或液态样品)，则该样品会影响激光束22的光谱特性(例如，由于红外吸收或色散)，并且在检测器40处检测出的光谱特性因此可用于确定样品的特性。例如，分析器42可用于从检测器40接收包括光谱特性的信号，并根据该信号确定样品的特性。确定出的光谱特性和/或样品的特性可以由从分析器42接收相关数据的计算机系统44以各种方式进一步存储、传输、显示、和/或处理，如图1所示。

例如，激光源可以被布置为形成具有与样品中待检测的一种或多种目标物质的一种或多种吸收光谱特征一致或跨越该一种或多种吸收光谱特征扫描的波长的激光束。然后，可以使用在那些吸收光谱特征的波长处对激光束的强度的检测来推断样品中那些目标物质的浓度。这种技术的典型应用包括：检测人的呼吸中的特定气体物质以用于临床目的；检测大气中或从工业过程排放的气体中的特定气体物质以用于检测污染物质等。在这方面可以使用的一些技术例如在WO2009/101374、WO2011/058330、和WO2018/078384中进行了讨论，在每种情况下这些技术都可以使用本文所述的由相对反射器定义的样品池来实现。

由于样品25中待检测的这类物质通常浓度较低，因此难以使用红外吸收光谱法以高准确度或足够快地进行检测，使用多个反射小面提供了激光束22通过样品的更长路径长度，因此提供了更高程度的红外吸收或色散以用于目标物质的检测。

激光源可以形成激光束，该激光束在红外光谱中或更具体地在中红外光谱中，例如，具有在大约2000nm到20000nm之间的波长。激光源可以形成在一定波长范围内扫描的激光束，以覆盖一个以上光谱特征(例如，多条吸收线)。通常，例如使用各种类型的基于半导体的激光器(例如，带内级联激光器、或量子级联激光器、或光学参量振荡激光器、或外腔激光器)，在需要检测特定光谱特征时可以使用大约1cm

激光束22可被引导通过第一反射器12中的入射孔24而在第二反射器14上的第一反射小面或平面反射部分经受第一次反射。该入射孔可以由窗(在该图中未示出)封闭，以阻止气体或液体通过。在从多个反射小面16反射之后，激光束随后可以通过第一反射器或第二反射器中的出射孔26出射(图1中示出了通过第二反射器14出射)，该出射孔也可以由窗封闭，以阻止气体或液体通过。

红外激光束22通常可以是高斯光束的形式，换句话说，由基本的TEM00横向高斯模式主导，其中尽管通常会在某种程度上存在其他一些光束分量，但整个光束呈高斯强度轮廓(profile)，这种模式可以例如表示为埃尔米-高斯模式或拉盖尔-高斯模式。根据通常的高斯光束原理和特性，激光束的几何形状因此基本上可以由其波长以及束腰(beam waist)的位置和半径的组合来定义。如图1所示，调节光学器件28可以位于激光源20之后但在第一反射器12和第二反射器14之前，以便通过在第一反射小面之前形成适当位置和尺寸的束腰来控制光束在从小面16第一次反射之前的几何形状，如下详细所述。这样的束腰可以优选地形成在第一反射器12和第二反射器14之间。

小面的形成和相互布置方式与在接近小面反射时对光束的几何形状控制相结合，在激光束22在小面16之间反射时控制其进展。具体地，这些小面可被形成并布置为将每个小面处的激光束光斑半径保持在受控范围内，以使激光束入射在每个预期小面外部的反射器上的光量最小，并使激光束到达检测器40的光量最大。

这样，通过使用更大量的小面并因此使用通过样品的更长激光束路径长度，而不会由于杂散反射而过度损失激光束强度，可以提高传感器的灵敏度。对每个小面处的激光光斑尺寸的这种控制还允许使用更小的小面，因此对于给定尺寸的反射器12、14可以使用较大数量的小面。因此，这些效果可用于构建具有以下特性的组合的多程池：由于具有较小的直径和/或长度而更紧凑，以及由于具有较长的光程长度和/或在反射器处具有较低的激光束损耗而具有用于诸如光谱法的应用的更大灵敏度。

通常，每个反射器上的小面16的数量、或两个反射器上的小面16组合起来的数量、和/或布置传感器所针对的用于反射激光束的小面的数量可以在大约3个或大约6个至大约100个或大约400个的范围内，或更具体地在大约10个至大约60个的范围内。增加用于反射的小面的数量会导致激光束通过样品的路径长度增加，但会导致损耗(由于每个小面处的反射率小于100％，以及在随后的每个小面处入射的剩余基本上高斯光束小于100％)增加。

为了形成紧凑的光谱仪，每个小面的直径可以在大约1mm到10mm之间。每个反射器通常可以形成有朝向另一个反射器的相对面，该相对面的表面积在大约10mm

在一些布置中，激光束22从任意一个小面反射仅一次，尽管可以设想到一些布置，其中一个或多个小面用于多次反射激光束22。在一些实施例中，所有反射小面都用于在激光源20和检测器40之间反射激光束22。然而，这并非总是必要的，并且在一些实施例和那些实施例的一些配置中，对于输入激光束22的特定配置可以使用小面的子集。在一些实施例中，小面可以被布置为使得在反射器12、14之间限定一个以上的激光束路径。例如，可以使用两个不同的反射路径，这两个反射路径均在所有反射器或反射器的子集之间，可选地使用不同的入射孔和/或出射孔，以及可选地使用不同的激光束源和/或检测器，以及可选地使用反射器的相同子集、重叠子集、或非重叠子集。

在一些布置中，光谱仪可以被布置为在第一反射器和第二反射器之间提供替代的更长和更短的总激光束反射路径，例如如图2中示意性地示出的。图2示出了类似于图1的第一反射器12和第二反射器14，但是在这种情况下，反射器中的一个反射器14的反射小面16之一是部分透射小面18，其后面是另一个出射孔26′。该部分透射小面18被布置为反射光束22的一部分，以继续作为更长路径光束22'从这些反射器的小面进一步反射，并且透射光束22的一部分作为更短路径光束22”而经由该反射器14中的另一出射孔26'被引导至检测器40，或者可选地被引导至另一检测器40'，如图2所示，这种(一个或多个)检测器和光谱信号的后续处理在上面已经描述。请注意，尽管图2示出了另一出射孔26'与第一个描述的出射孔26在同一反射器14中，但是这两个孔中的任何一个都可以与入射孔24在同一反射器中。

使用这种布置，反射器可用于在反射器之间提供较长和较短的激光束路径长度，并且在较长和较短的光束路径22'、22”中的每个光束路径后的(一个或多个)检测器处的光束强度较低。如果在某些情况下较长的激光束路径长度可能会在检测器处提供饱和信号或者在较高浓度的样品物质处提供检测器精度受影响的信号，则可以改为使用较短的激光束路径长度来在检测器处提供不会以这种方式受影响或至少在较小程度上受影响的信号。换句话说，以这种方式提供两条或更多条不同长度的路径可以为传感器提供针对样品中的某种目标物质的不同预期浓度的增强动态范围。

为此，如果提供一个部分透射小面，则可以方便地沿着激光束22在第一反射器和第二反射器之间的路径将其设置在大约5％和60％之间。如果提供一个以上部分透射小面以便提供多于两个不同长度的光束通路，则可以相应地选择不同的光束路径。

每个部分透射小面可以透射入射在其上的光束强度的大约10％到90％之间，从而反射光束强度的其余大部分。如果仅使用一个部分反射小面，则它可以透射光束强度的大约40％至60％。

部分透射小面18可以由例如，半透明的晶体或玻璃材料(其中小面的表面特性已经被模制或加工)形成。如果需要，可以使用光学涂层调整反射/透射特性。合适材料的示例包括硫系铅玻璃或诸如硒化锌、氟化钙、和氟化钡之类的晶体材料。例如，部分透射小面可被粘贴到位或使用安装系统插入。

在一些布置中，空间滤光掩膜(spatial filter mask)15可被设置在相对反射器12、14之间，例如如图3中示意性地示出的，图3示出了类似于图1或图2的第一反射器12和第二反射器14。空间滤光掩膜15由对激光束22大体上不透明的材料形成，并且可以被构造或涂覆以增强对入射在掩膜上的激光束的吸收，并因此最小化杂散激光束光的散射。空间滤光掩膜15包括贯通掩膜材料的多个孔，每个孔被布置为在从一个反射器到另一反射器的一些或全部路径中的每一路径中允许激光束22的主要部分或中心部分穿过该掩膜(尤其是激光束的将会入射在该光束的路径上的下一反射小面上的一部分)，同时阻挡激光束22的一些或全部下述部分：该部分将会入射在下一反射小面之外或下一反射小面的特定部分之外的反射器主体上。

以这种方式，空间滤光掩膜15可用于减少或消除激光束22从反射器12、14的除了用于激光束的每次反射的特定小面之外的部分(例如，其他小面16或小面之间的过渡区域)的散射。这对于减少不必要的激光束光的散射并由此改善光谱仪的性能(例如，改进信噪比)特别有用，但需注意，如果激光束22的截面本质上是高斯的甚至是一些其他形式的，则通常没有激光束的清晰边界。

如果本质上为高斯形式的激光束22的束腰与空间滤光掩膜15一致，则图3所示的空间滤光掩膜15可能是特别有利的。例如，如下所述，如果反射器12、14之间的间隔长度是每个反射小面的曲率半径的大约1倍，则光谱仪可被布置为使得每个束腰形成在两个相对反射器之间的空间的中心。于是，空间滤光掩膜15可被定位为与两个反射器之间的空间的中心或中央区域中的束腰一致或接近，以使激光束在每次反射时入射在相对反射器上预期反射小面以外的外围区域(以及杂散光)的影响最小化。

如上所述，相对反射器之间的一些反射可以来自那些反射器的平面部分，而不是来自凹形反射小面。图4类似于图2，但是示出了这样的布置：其中，来自第一反射器12的所有反射均来自该反射器的凹形反射小面16，并且来自第二反射器的所有反射均来自第二反射器14的平面反射部分116。在这种情况下，方便的是，所有平面反射部分可以由该反射器的单个平面表面提供，并且以这种方式，反射器之一例如可以由平面镜提供，从而节省了构造的复杂性。而且，在某些情况下，这种反射镜不必严格地是平面的。例如，可以使用曲率半径足够大的单个凹面或凸面。

在所有凹形反射小面都设置在单个反射器上的布置中，可以方便地在另一个反射器处或邻近另一个反射器提供空间掩膜115，如图4所示。于是，本质上为高斯形式的激光束22的束腰可以与提供平面反射部分的反射器一致，并因此如果提供了这种空间滤光掩膜115的话，也可以与这种空间滤光掩膜115一致。例如，如果反射器12、14之间的间隔长度约为每个反射小面的曲率半径的一半，则光谱仪可被布置为使得每个束腰形成在相对反射器处。于是，空间滤光掩膜115可被定位为与束腰一致或邻近，以使激光束在每次反射时入射在相对反射器上的预期反射小面以外的外围区域的影响最大化。

在其他实施例中，一个或多个平面反射部分以及一个或多个凹形反射器都可以设置在第一反射器和第二反射器中的每个反射器上，以便在激光束22的路径中形成反射元件。

在图4中，图2的一个或多个部分反射小面中的一个或多个由一个或多个部分反射性的平面反射部分118代替，这些平面反射部分118可以以基本上相同的方式被构造和起作用，尽管可以使用如图1和3所示没有部分反射性部分的实施实施例。类似地，也可以在诸如图4那样的布置(其中，激光束路径包括来自一个或多个平面反射部分的反射)中提供例如图3所示的空间滤光掩膜15。

图5A至图5D以截面图示出了如本文所讨论的反射器12或14的一些相邻反射小面16，示出了如何形成或构造相邻反射小面16之间的边界或过渡。在图5A中，小面没有被任何间隙表面隔开，并且反射器表面从一个小面过渡到相邻小面而没有任何明显的间隔。因此，一个小面和另一个小面之间的边界通常采用小面之间的阶梯形式，尽管在两个小面的相邻边界恰好位于相同水平的情况下不会出现阶梯。

在图5B中，相邻小面由凸起的间隙表面隔开，该间隙表面因此通常采取相邻小面之间的壁结构的形式，该壁结构具有陡峭或垂直的侧面以及形成壁的顶部的平的、平坦的、和/或水平的间隙表面。在图5C中，相邻小面被降低的间隙表面隔开，该间隙表面因此通常采取沟槽结构的形式，该沟槽结构具有陡峭的垂直侧面以及形成沟槽底部的平的、平坦的、和/或水平的间隙表面。

在图5D中，相邻小面之间的渐变的、平滑的、或连续的过渡用于提供边界区域，而没有任何尖锐的边缘或过渡。在边界19'的情况下，过渡(即，到两个相邻小面的过渡)区域的两侧是平滑的，而在边界19”的情况下，过渡区域的一侧是平滑的，而另一侧则由尖锐的边缘提供。

在图5A至5D的所有示例中，应注意，在平面图中考虑时，必须考虑小面的二维分布，例如，如图6所示。例如，小面可以分布在直线或六边形网格中。如果每个小面在平面图中基本上是圆形的(如图6所示)，则图5A到5D的间隙过渡可被看作是截面(通过这些截面，小面的边缘处于它们最接近处)中观察到的那些过渡，并且在小面的边缘被更宽地分开的情况下，可以提供基本相同或适当修改形式的更宽过渡。类似地，如果小面在平面图中具有不同的形状，例如，正方形、六边形、或某种其他形式，则可以考虑图5A至图5D所示的过渡并适当地修改。

通过在小面之间采用特定形式的过渡边界，可以使杂散散射光影响红外光谱仪性能的程度最小化，例如通过使用适当的建模过程。例如，某些形式的间隙边界可能会导致离开光束的预期路径的激光束光少得多，或者确实离开了光束的预期路径但散射回光束的预期路径(这会导致光谱仪性能下降)的激光束光少得多。

图6以透视图示出了如何更详细地实现先前附图的反射器12、14。在所示的布置中，每个反射器包括15个离散的反射小面16(其中的一个或多个小面可以是部分透射小面18)。这些小面被布置为线性网格，尽管可以使用各种其他数字和几何布置，例如六边形或三角形或某种程度上非结构化或随机的网格。为了提供紧凑的传感器，例如，小面可以被布置为使得对于每个反射器，这些小面占据该反射器的、被布置为面对另一反射器的表面的至少50％面积。

每个小面是凹形的。图6所示的小面在平面图中基本上是圆形的，尽管可以使用本文其他地方提到的其他形状，例如，椭圆形、正方形、六边形等。在图6中，第一反射器12的小面是不可见的，但是在该特定示例中，第一反射器12可以与第二反射器基本相同，但是可被旋转以便使这两个反射器彼此面对。

在图6所示的布置中，在4×4网格中具有15个小面的情况下，第16网格位置用于提供用于使激光束进入相对反射器12、14之间的空间的入射孔24以及用于使激光束从中射出的出射孔26。如图6所示，入射孔和出射孔中的每一者可以设置有窗28，该窗对激光束适当地透明，同时防止气体或液体通过该孔移动。这样的窗可以例如由模制或加工和抛光的晶体或玻璃材料形成。如果需要，可以使用光学涂层调整透射特性。示例材料包括硫系铅玻璃或诸如硒化锌、氟化钙、和氟化钡之类的晶体材料。该窗可以例如被粘合到位或使用安装系统插入。

在图6的布置中，两个反射器12、14可以具有相同或相似的构造，每个反射器在激光束交替地在两个反射器之间反射的路径中包括多个凹形反射小面。替代地，如以上结合图4所讨论的，反射器12、14之一可以替代地包括单个平面反射器(或在某些情况下包括平滑弯曲的平面部分)或单个镜面，激光束从此单个平面反射器或单个镜面反射多次，尽管通常是从该反射器或镜面的不同点反射。在其他替代布置中，每个反射器可包括一个或多个凹形反射小面以及一个或多个平面反射部分，其中，每个凹形反射小面或平面反射部分提供激光束22的一次或多次反射。

尽管在先前的附图中未示出，但是图6示出了反射器12、14中的一个或两个反射器可以设置有一个或多个贯通特定反射器的端口32，以允许样品气体或液体流入或泵入反射器之间的空间和/或从中流出或泵出。这样的端口32可以例如定位在两个、三个、或更多的反射小面之间，并且可以方便地利用小面之间的对于激光束的反射不是必需的区域，要注意激光束通常期望为高斯分布，因此截面大致为圆形或椭圆形。

一个、两个、或更多个这样的端口32可以形成在两个反射器中的一个或两个中，并且可以连接到合适的另外的装置，例如，用于控制和/或引导样品流入并通过反射器12、14之间的空间的管道、泵、和阀。以此方式，样品气体或液体的流动可以被布置为主要沿着第一反射器与第二反射器之间的间隔方向，这例如对于提高样品在反射小面之间的每个光束路径之间的同一性可能是期望的。如果替代地使用横跨间隔方向流动的样品，则样品中的快速变化可能会使某些光束路径比其他路径更早地受到影响，从而导致较差的感测性能。

图7示出了诸如图6的相对反射器12、14如何形成样品池的部分或全部端壁(样品池利用池壁36包围相对反射器之间的空间)以及如何将这种样品池用于容置样品。于是，样品气体或液体可以通过端口24、26、和/或使用(例如，通过池壁34的)其他端口被送入样品池和从样品池中送出。

回到上面所有附图的讨论，反射器的离散反射小面16通常可以被形成为球形凹面，尽管可以使用并非完全球形的其他凹形形式，例如边际非球面。在反射小面16的曲率半径在本文中被讨论的情况下，该术语应相应地理解为，例如，在小面的形状不是球形的情况下，其定义整个小面的平均曲率半径或小面的中心处的曲率半径。

反射小面16的几何形状可以以各种方式形成在反射器上或反射器中，包括通过铣削(例如，金刚石铣削)、模制、烧蚀(诸如，激光烧蚀)、和/或复制(通常涉及将“负”母版的光学表面转移到一个或多个“正”副本或光学表面)。增材制造(例如，使用3D打印技术)也可以单独地或与其他技术结合使用。在另一替代方案中，压电致动表面可用于提供反射小面。本质上，可以使用相同的技术在如上所述的反射器上形成一个或多个平面反射部分。如果反射器之一提供单个反射表面而没有任何凹形小面，则可以使用各种已知的用于形成镜面的技术。

每个反射器可以由适合形成小面的多种材料中的任何一种材料形成，诸如，铝或其他金属、塑料、玻璃、和陶瓷。如果反射器(例如，用于形成反射器的材料本身)不适合提供小面的足够高的反射率或者底层材料的固有光学特性的某些其他变化是必需的，则可以在小面表面上(可选地在整个小面表面或其他部分上)使用合适的涂层。

对于每个反射器，该反射器的所有离散的反射小面以及任何平面反射部分可以由单片材料形成或形成为单个整体单元。更具体地，每个反射器可以由单片材料一体形成。然而，在任何情况下，一种或多种不同材料的合适涂层也可以至少施加到反射小面本身上，施加到任何平面反射部分上，以及可选地施加到反射器的相对面的一些或全部部分上。

例如，如果反射器是通过铣削形成的，则可以在单片材料上铣削该反射器的所有小面。如果每个反射器是通过模制形成的，则反射器的所有小面可以模制为单片材料的部分。

替代地，每个反射器可以由单片材料的多个部分形成，例如，每个部分提供一个或多个小面。在这样的示例中，多个部分可以形成为彼此邻接并且可以例如通过键合或夹紧而保持在一起。

在以上情况的任何一种情况下，随后可以施加一个或多个涂层，例如以提高反射率和/或其他光学特性，从而例如通过抗污染或化学破坏来提高寿命和/或用于其他目的。

发明人已经进行了数值建模实验，以确定对于反射器和反射小面的最佳几何参数，从而最小化反射器之间的反射期间的激光束强度的损失，并且最小化激光束强度在相邻反射器上的重叠，同时旨在通过最小化小面和反射器的尺寸来提供更紧凑形式的多程池和包括这种池的任何装置。为此，开发了一种数值模型，该模型使用射线光学的ABCD矩阵公式结合高斯光束变换，例如Anthony E Siegman于1986年所著的大学科学书“Lasers”中所述。

该数值模型接受光束质量因数M

图8示出了M

具体地，图8示出了激光束发生反射的最后一个小面上的光束强度的99％的直径，它是从1000nm到10000nm(横坐标)的激光束波长和每个小面的曲率半径ROC(纵坐标)的函数。左刻度显示的曲率半径的绝对值范围为0mm到900mm，并且右刻度显示的曲率半径与两个反射器之间的间隔长度的比率。

可以看出，对于小面曲率半径的特定值(对应于间隔长度的1/2、2/3、1、和2倍)，最后一个小面处的光束直径显示出很强的最小值。这些最小值延伸到测试的整个波长范围，但是最小值在较长的波长处变得更窄和更深，这与光束的高斯性质对于在这些较长波长下的给定光学标度变得更加明显相一致。

图9示出了图8的绘图的截面图，选择了在3300nm和9500nm波长处的绘图。当曲率半径等于或接近间隔长度的1/2倍、2/3倍、1倍、和2倍的倍数时，可以清楚地看到最后一个小面处的99％光束直径显示出很强的最小值。尽管在这些曲率半径处可以看到光束直径的最小值，但是可以观察到，在这些倍数的大约+/-10％之内(更优选地是在这些倍数的大约+/-5％之内)，例如对于间隔长度的1倍在大约160mm和197mm的曲率半径之间，可以看到以小光束直径而言的合理性能。在作为小面的曲率半径的函数的光束宽度的最小值之间，对于更长的波长，光束宽度的增加更为明显，对于3300nm激光束，光束宽度扩展到约6-7mm，对于9500nm激光束，光束宽度扩展到约20mm。

这些结果对于各种其他激光束参数M

曲率半径约为间隔长度的1或2倍的反射器设计更易于实现，因为小面处的光束尺寸的最小值更宽，因此受制造公差的影响更小。在曲率半径约为间隔长度的1倍的情况下，重新成像以及因此束腰发生在池的中心。这也具有允许使用如上所述并且在图3中示出的空间滤光掩膜的优点。在曲率半径约为间隔长度的2倍的情况下，重新成像以及因此束腰发生在池的中心或小面上以实现最佳布置。

发明人的类似建模还表明，在减小小面尺寸以及减少激光束损失和重叠方面，确保反射小面被设计并布置为使得激光束在第一和第二相对反射器的凹形小面之间的反射中形成多个束腰(每个束腰位于后续反射小面之间的中心或朝向该中心)是有利的。例如，传感器可以被布置为使得一些或全部的束腰与两个反射器间隔开间隔长度的至少10％，并且更优选地为间隔长度的至少20％或至少30％。如上所述，束腰在反射器之间的定位允许使用与那些束腰接近或一致的空间滤光掩膜，其中该掩膜被布置为减少或消除光束在反射器上但在下一个预期反射小面之外的入射。

在激光束从反射器中的第一反射器上的凹形小面反射到相对反射器上的平面反射部分并然后返回到第一反射器上的凹形小面的情况中，上述建模表明凹形小面的曲率可能相当于被优化为上述值的大约两倍，即大约为间隔长度的4/3倍、2倍、和4倍的倍数，例如在这些倍数的大约+/-10％以内。

类似地，在使用平面反射部分的情况下，在减小面尺寸以及减少激光束损失和重叠方面，确保反射小面被设计并被布置为使得激光束形成位于或接近于平面反射部分(如距该平面反射部分的间隔长度的10％以内或20％以内)的束腰是有利的。如果使用其中的所有凹形小面都设置在反射器中的第一反射器上的布置，则装置可被布置为使得所有束腰都出现在另一第二反射器处或附近。在这种情况下，空间滤光掩膜可被设置在第二反射器处或附近，以使其靠近第二反射器处的束腰或与其一致，该掩膜被布置为减少或消除光束入射到第一反射器的下一预期反射小面之外的部分上。

尽管已经描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。例如，所描述的分别包括多个凹形小面的相对反射器的布置可以用于除了所讨论的红外吸收光谱仪之外的其他目的，诸如提供用于各种目的的光延迟路径，应用领域包括电信、各种红外和其他光谱区域的光谱学、以及其他领域。