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▶ サーモ フィッシャー サイエンティフィック （エキュブラン） エスアーエールエルの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-26
(45)【発行日】2024-05-09
(54)【発明の名称】ダブルパルスレーザーシステム
(51)【国際特許分類】
H01S 3/10 20060101AFI20240430BHJP
H01S 3/00 20060101ALI20240430BHJP
G01N 21/71 20060101ALI20240430BHJP
【ＦＩ】
H01S3/10 Z
H01S3/00 A
G01N21/71
【請求項の数】
32
(21)【出願番号】P 2022556115
(86)(22)【出願日】2021-03-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-05-11
(86)【国際出願番号】 EP2021056946
(87)【国際公開番号】W WO2021185967
(87)【国際公開日】2021-09-23
【審査請求日】2022-09-16
(31)【優先権主張番号】2003948.3
(32)【優先日】2020-03-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】511141744
【氏名又は名称】サーモ フィッシャー サイエンティフィック （エキュブラン） エスアーエールエル
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100144451
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 博子
(74)【代理人】
【識別番号】100123630
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邊 誠
(72)【発明者】
【氏名】ランキューバ パトリック
【審査官】百瀬 正之
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／１５１７２３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１５８２６１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１４／０４２２２１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００９／００５２４８０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０６３８９０４５（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】特開２０１０－２８６２８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０７１８５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０１７６２２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ３／００－３／３０
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
Ｇ０１Ｎ ２１／７１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１および第２のレーザーパルスを生成するためのダブルパルスレーザーシステムであって、単一のレーザーパルスから前記第１のレーザーパルス及び前記第２のレーザーパルスを生成し、前記第１のレーザーパルスに対して前記第２のレーザーパルスを遅延させるように配置されたマルチパスセルに向けるように構成された光学装置を備え、前記マルチパスセルは、光空洞を画定する第１および第２の反射器装置を備え、前記光空洞において、前記遅延された第２のレーザーパルスが、前記第１の反射器装置と前記第２の反射器装置との間で複数回反射されて往復し、１ｎｓ以上の、前記第１のレーザーパルスと前記第２のレーザーパルスとの間の時間的遅延を提供し、前記第１の反射器装置は、互いに直角をなす第１および第２の反射面を備え、前記第２の反射器装置は反射凹面を備え、前記第１の反射器装置及び前記第２の反射器装置の少なくとも一方は、光を前記光空洞に入れ、及び／又は、光が前記光空洞から出るアパーチャを備える、ダブルパルスレーザーシステム。
【請求項2】
前記光学装置が、単一のレーザーパルスを分割することによって、前記第１および第２のレーザーパルスを生成するための光分割デバイスを備える、請求項１に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項3】
前記光分割デバイスが、前記マルチパスセルに取り付けられているか、または前記マルチパスセルと一体である、請求項２に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項4】
前記光分割デバイスが、前記マルチパスセルの外面上にある、請求項２または請求項３に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項5】
前記光分割デバイスが、前記第１および第２の反射器装置のうちの一方の外面上にある、請求項２～４のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項6】
前記光分割デバイスが、レーザーパルスの少なくとも一部分が通過し得るアパーチャを有する反射面を備える、請求項２～５のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項7】
前記光分割デバイスの前記アパーチャが、円形である、請求項６に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項8】
光が、前記マルチパスセルに入る、および／または前記マルチパスセルを出ることを可能にするために、前記光分割デバイスの前記アパーチャが、前記マルチパスセルのアパーチャと整列されている、請求項６または７に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項9】
単一のレーザーパルスの一部分が、前記光分割デバイスの前記アパーチャを通過して前記マルチパスセル内に入り、それにより前記第２のレーザーパルスを生成し、かつ前記単一のレーザーパルスの一部分が、前記光分割デバイスの前記反射面によって反射され、それにより前記第１のレーザーパルスを生成するように、前記光学装置が、前記単一のレーザーパルスを、前記光分割デバイスの前記アパーチャに向けるように構成されている、請求項６～８のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項10】
前記光学装置が、前記第１および第２のレーザーパルスを生成するための１つもしくは複数の非偏光ビームスプリッタ、および／または前記第１および第２のレーザーパルスを生成するための１つもしくは複数の偏光ビームスプリッタを備える、請求項１～９のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項11】
前記第２のレーザーパルスが前記マルチパスセル内に向けられる角度が、調整可能であるように、前記光学装置が、構成されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項12】
前記マルチパスセルが、長手方向軸を有し、前記光学装置が、前記第２のレーザーパルスを０°～２０°、
１°～１５°、または
２°～１０°の前記長手方向軸に対する角度で前記マルチパスセル内に向けるように構成されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項13】
前記第１の反射器装置に入射する光が、前記第２の反射器装置に向かって少なくとも部分的に再帰反射されるように、前記第１の反射器装置が構成されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項14】
前記第１の反射器装置に入射する光が、前記第１の反射面から前記第２の反射面に、かつ前記第２の反射器装置に反射されるように、前記第１の反射器装置が構成されている、請求項１３に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項15】
前記第１および第２の表面が、実質的に平面である、請求項１４に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項16】
前記第１および第２の表面の前記平面が、共通軸を画定し、前記第１の反射器装置が、前記共通軸に垂直に入射する光に対して再帰反射性である、請求項１５に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項17】
前記第１の反射器装置が、第１および第２のプリズムを備え、前記第１および第２の表面が、それぞれ前記第１および第２のプリズムの面であり、前記プリズムの断面が、直角二等辺三角形である、請求項１４～１６のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項18】
前記第１の反射器装置が、前記第１および第２の表面が実質的に垂直であるように、前記第１および第２のプリズムを装着するように構成された装着構造を備える、請求項１７に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項19】
前記第１の反射器装置が、反射性である第３の表面を備え、前記第１、第２、および第３の表面が、実質的に相互に垂直である、請求項１４～１７のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項20】
前記第２の反射器装置に入射する光が、前記第１の反射器装置に向かって反射されるように、前記第２の反射器装置が構成されている、請求項１～１９のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項21】
前記第２の反射器装置に入射する光が、前記第１の反射器装置に向かって集束されるように、前記第２の反射器装置が構成されている、請求項１～２０のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項22】
前記凹面が、楕円面、回転楕円面、または球面である、請求項１～２１のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項23】
前記第１および／または第２の反射器装置の前記アパーチャのサイズが、調整可能である、請求項１～２２のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項24】
前記第１の反射器装置が、第１および第２のプリズムを備え、前記第１および第２のプリズムの縁間のスリットが、前記第１の反射器装置のアパーチャを画定する、請求項１～２３のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項25】
前記第１の反射器装置が、第１、第２、および第３の表面を備え、前記第１、第２、および第３の表面のコーナーの開口部が、前記第１の反射器装置のアパーチャを画定する、請求項２３に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項26】
前記第２の反射器装置の中心にある開口部が、前記第２の反射器装置のアパーチャを画定する、請求項２３～２５のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項27】
前記第１の反射器装置と前記第２の反射器装置との間の距離が、調整可能である、請求項１～２６のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項28】
光によってトラバースされる光路長が調整可能であるように、前記マルチパスセルが構成されている、請求項１～２７のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステム。
【請求項29】
第１および第２のレーザーパルスをサンプルに衝突させることによって、前記サンプルを分析するためのダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計であって、前記分光計が、前記第１および第２のレーザーパルスを生成するための請求項１～２８のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザーシステムを備える、ダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計。
【請求項30】
前記第１および第２のレーザーパルスを前記サンプルに導くための１つ以上の光学要素を備える、請求項２９に記載のダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計。
【請求項31】
前記１つ以上の光学要素が、前記第１および第２のレーザーパルスを同一直線上の経路に沿って前記サンプルに導くように構成されている、請求項３０に記載のダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計。
【請求項32】
前記サンプルによって放出された光を検出するための検出器をさらに備える、請求項２９～３１のいずれか一項に記載のダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、ダブルパルスレーザーシステム、および光学ならびに原子発光分光法を含む様々な分野でのそのようなシステムの使用に関する。
【背景技術】
【0002】
光パルスは、光学全体および科学的分析で使用される。光パルスは、信号の振幅が、ベースライン値からより高い値またはより低い値へ急速に一時的に変化し、その後ベースライン値へ急速に戻ることを特徴とする。光パルスは、例えば、可視光または不可視の電磁放射を含む、任意のタイプの電磁放射のパルスであり得る。
【0003】
複数（例えば、２つ以上）のレーザーパルスが、素早く連続して必要な場合、それらは、複雑で高価な電子機器を使用するか、または２つの異なるパルスレーザーを使用して生成されることが多い。
【0004】
Ｑスイッチを制御し、所定の時間的遅延で２つのパルスを放出するように変更された電子機器を伴う単一パルスレーザーを使用することによって、２つのパルスが、提供され得る。この場合、必要なレーザーは１つだけであり、２つのパルスが、同一直線上に放射され得る。しかしながら、電子機器の変更に関連付けられる高いコストが存在し、様々な時間的遅延を選択する柔軟性はほとんどない（遅延は、典型的には、約１００μｓである）。特に、遅延の持続時間は、パルスのエネルギーに強く影響し、同等のエネルギーの２つのパルスを提供することは困難であり得る。
【0005】
代替的に、２つの異なるパルスレーザーのビームを共通の経路に沿って移動させることによって、２つのパルスが提供され得、外部トリガーが、各レーザーに、第１のパルスと第２のパルスとの間の時間的遅延を有するパルスを放出させる。これには、２つのレーザーが必要であり、システムのコストの倍増、およびシステムのサイズの増大につながる。さらに、２つのパルスの空間的重ね合わせの正確な調整に関する要件がある。
【0006】
レーザーパルスが利用される１つのシナリオが、レーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）である。ＬＩＢＳは、１９７０年代から化学分析の目的で使用されてきた。しかしながら、他の発光分光分析（ＯＥＳ）法、例えば、スパークＯＥＳまたは誘導結合プラズマＯＥＳと比較して不十分な性能のために、定量分析用途への移行が、妨げられた。
【0007】
ＬＩＢＳでは、サンプルを励起するために、レーザーパルスが使用される。ＬＩＢＳの重要な要素は、レーザーのパラメータ、およびレーザーと分析される材料との相互作用である。定量分析の場合、線発光強度は、１）アブレーションされた材料の量と、２）プルーム内のプラズマの温度とに依存する。単一パルス、すなわちポンプパルス当たり１つのレーザーパルスが、材料をアブレーションおよび気化させ、プラズマを誘導するための従来のアプローチである。それでもなお、単一パルスが使用される場合、アブレーションおよびプラズマ励起を別々に最適化することはできない。プラズマが表面から膨張すると、プラズマは、入射する放射線のテールを吸収し始め、プルーム温度を上昇させるが、サンプル表面に到達する光の量を制限するため、アブレーションされる材料の総量を制限する。より短いパルスを使用して、プルーム温度を犠牲にしてより多くの物質をアブレーションすることができ、反対に、より長いパルスを使用して、プルーム温度を上げることができるが、プラズマ吸収に起因する線発光飽和（ｌｉｎｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）をもたらす。同様に、より高い単一パルスエネルギーは、他ならぬこの飽和効果のために、より強い輝線をもたらさない。
【0008】
線発光強度を最適化するために、ダブルパルスＬＩＢＳシステムが、提案されている。これらは、数十ナノ秒～数マイクロ秒単位で時間的に分離される２つのレーザーパルスの列を利用する。同一線上のジオメトリ設定では、すなわち２つのパルスが同じ光路をたどって表面に向けられると、第１のパルスが、サンプルに到達し、対応する第１の膨張するプラズマプルームを生じる。これが膨張すると、プルームの圧力が低下し、したがって、その温度が低下する。所定の時間的遅延の後、第２のパルスが、第１のパルスによって生成されたプラズマプルームを通ってしてサンプルに到達する。第１のパルスによって生成されたプラズマプルームの密度が、超音速膨張によって大幅に減少するため、この第２のパルスは、部分的に透過されてサンプル表面に衝突し、新しいプラズマプルームを生じる。さらに、第１のプラズマプルームによって吸収されたエネルギー成分が、その温度を上昇させる。全体的な効果として、材料のアブレーションおよび温度が増加し、それにより、より強い線発光がもたらされる。シングルパルスシステムとダブルパルスシステムとの比較研究では、特定の要素で、典型的には、１０～５０倍、および最大１００倍の線発光強度の増加が示されている。
【0009】
これまで、ダブルパルスＬＩＢＳシステムは、典型的には、複雑なＱスイッチング回路または複数のレーザーの使用を採用してきており、そのため、そのようなダブルパルスＬＩＢＳシステムは、これらのアプローチの前述の欠点に悩まされている。どちらのアプローチも、コストおよび複雑さの点で、産業実装に困難をもたらすため、既存のダブルパルスＬＩＢＳシステムは、高価で複雑である。
【0010】
本開示の目的は、従来技術のＬＩＢＳシステムおよび一般的に従来技術のダブルパルスレーザーシステムのこれらの問題および他の問題に対処することである。
【発明の概要】
【0011】
こうした背景の下で、第１の態様によれば、請求項１に記載のダブルパルスレーザーシステムが、提供される。請求項３５に記載のダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計も、提供される。
【0012】
本開示は、第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスとの間の遅延を提供するための、ダブルパルスレーザーシステム内でのマルチパスセルの使用に関する。あるパルスをマルチパスセル内に向けることにより、マルチパスセルが、セル内のパルスに対して、セルに入らないパルスよりも長い光路長を提供するため、そのパルスは、セルに入らない別のパルスに対して遅延され得る。この目的でのマルチパスセルの使用は、複雑な電子機器の使用を必要とすることなしに、レーザーパルスを遅延させる方法を提供する。
【0013】
パルスは、例えば、単一パルスを分割することによって、単一パルスから生成され得る。これは、単一のレーザーを使用して、２つ（例えば、２つだけ、または場合によっては、少なくとも２つ）のコヒーレントパルスが提供され得、２つのレーザーを使用する必要がないことを意味する。さらに、本開示は、パルスを２つのパルスに分割するための手段を提供する。反射面内にアパーチャを提供し、パルスをアパーチャの縁に向けることによって、パルスの一部分が、アパーチャを通過させられ、かつパルスの一部分が反射させられ、それにより、パルスを分割することができる。これは、レーザーパルスを分割するための効率的で信頼性の高いメカニズムであり、マルチパスセルと容易に統合され得る（例えば、アパーチャを有する反射面をセルの外部に取り付けることによって）。従来のビームスプリッタの装置が、追加的および／または代替的に使用され得る。
【0014】
単一パルスから２つのパルスが生成される好ましい実施形態では、単一パルスのエネルギーは、２つのパルスの間で実質的に等しく分割され得る。例えば、一般的に言えば、第１および第２のパルスの各々は、等しいエネルギー（例えば、元の単一パルスのエネルギーのエネルギーの５０％）を有し得る。これは、本明細書に記載のように配置された従来のビームスプリッタを使用することを含む、本明細書に記載の装置を使用して、または本明細書に記載の（例えば、アパーチャを有する反射面を使用する）機械的ビーム分割技術を使用して達成され得る。
【0015】
本開示の第１および第２のレーザーパルスは、単一のレーザーパルスから生成され得るので、第１および第２のレーザーパルスは、好ましくは、同じ周波数を有する。したがって、実質的に等しいエネルギー、周波数、強度、および／またはサイズを有するパルスが、提供され得る。追加的に、本明細書に記載の分割技術を使用して、レーザーパルスの分割は、レーザーパルスの周波数とは無関係に行われ得る。さらに、本開示のいくつかのシステムでは、分割は、レーザーパルスの偏光とは無関係に行われ得る。
【0016】
本開示に記載のマルチパスセルのいくつかの具体例は、それらが高度に安定であり、製造するのに比較的安価であるため、ダブルパルスレーザーシステムで使用するための特定の利点を有する。例えば、そのようなセルは、最大５０メートルまたは１００メートル以上の光路長を提供し得る。本開示は、安価な市販の構成要素を使用して製造され得る光学構造であって、該光学構造を振動に耐え、産業実装における機械的整列を単純化するのに適したものにする顕著な機械的公差を示す、光学構造、を提供する。
【0017】
本開示のマルチパスセルのいくつかは、それぞれマルチパスセルの２つの端部として機能する、２つのプリズムミラーと凹面（例えば球形）ミラーとの組み合わせに基づいている。プリズムは、第１の端部を画定し、凹面ミラーは、第２の反対側の端部を画定する。光は、セルの一方の端部（典型的には、プリズムの間）を通って入り、セルの第１の端部と第２の端部との間で繰り返し跳ね返ることができる。２つのプリズムの組み合わせの光学特性が、既存のマルチパスセルと比較して、向上した安定性をもたらす。例えば、プリズムは、垂直な表面を有するように配置されるため、凹面ミラーによってプリズムに向かって反射された光は、プリズムによって少なくとも部分的に再帰反射される。したがって、光がセルを繰り返しトラバースするときの光の拡散が、低減され得る。原則として、光の発散は、光学システムのわずかなミスアライメント、プリズムの表面の不完全性、および／またはセルに入る光の波形の不完全性に起因して起こり得るが、本明細書に記載のマルチパスセルでは、セルの部分的再帰反射性の端部は、これらの不完全性に対する感度が低いため、それらの影響が低減される。
【0018】
低減された光の拡散に起因する向上した安定性の利点は、３つの相互に垂直な反射面（例えば、コーナー反射器）を使用して実現することもできる。セルの部分的（または完全）再帰反射性端部の使用は、セルの他端の凹面（例えば、集束）反射器との組み合わせで特に有利である。
【0019】
本開示のマルチパスセルは、追加の利点を提供する。例えば、垂直反射面は、例えば、２つのミラーを使用して提供され得るが、２つのプリズム（および特に、断面が直角二等辺三角形である２つのプリム）の組み合わせは、特に有利である。２つの直角二等辺三角形のプリズムは、それらが一対の垂直面を画定するように、並べて（プリズムの軸が平行になる状態で、断面の斜辺によって画定される面に依存して）位置付けられ得る。さらに、プリズムの縁（プリズムの軸に平行な縁）の間に小さなスリットを伴ってプリズムを位置付けることにより、光がプリズムの間を通過することを可能にするアパーチャが、容易に提供され得る。三角プリズムは、上記の利点を提供するために（例えば、装着構造を使用して）正確に配置することが容易で、かつ光学装置内に装着するための大きな表面積を提供し、反射面の安定性を向上させる、広く入手可能な光学構成要素である。したがって、プリズムは、一対の垂直な反射面を製造するための効率的で信頼性の高い手段を提供する。
【0020】
本開示の反射器装置によって提供される強化された安定性は、セルが、反射器の間の任意の所与の分離に対して、非常に長い光路長を（したがって、光がセル内にある長い持続時間も）提供することを可能にする。例えば、セルの両端の間の間隔が、調整され得、光がセルに入る角度が、調整され得る。セルの形状のこれらの特性を変更することにより、光によってセル内でトラバースされる総経路が、１ｍ未満から数十メートル、またはさらには１００ｍ超まで調整され得る。これにより、ダブルパルスレーザーシステムのパルス間に時間的遅延を提供するための比較的長い経路長が、提供され得る。一般的に言えば、セルの端部の間のより大きい間隔は、より長い光路長をもたらし、増大した経路長は、光がセルに入る角度を大きくすることによって（すなわち、セルの長手方向軸からより大きな角度で光を入れることによって）も、達成され得る。説明されたマルチパスセルは、（他の分野で使用される従来技術のマルチパスセルと比較して）ある角度での光の受光に対して特に耐性があり、したがって、ダブルパルスレーザーシステムに統合されるときに特に有益である。
【0021】
本開示のダブルパルスシステムは、第１および第２のパルスがサンプルに衝突して、サンプルに光を放出させるダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光法の文脈で、特に有利である。プリズムおよびミラーなどの広く入手可能な光学構成要素の新しい組み合わせを使用することにより、複雑な電子機器または複数のレーザーを必要とすることなく、パルス間に比較的長い時間的遅延を提供することが、有利である。
【0022】
次に、本発明の実施形態が、単なる実施例として、以下の添付の図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】ダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。
【図2】光を分割するための光学装置を備えるダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。
【図3A】マルチパスセルを概略的に示す。
【図3B】マルチパスセルを概略的に示す。
【図3C】マルチパスセルを概略的に示す。
【図3D】マルチパスセルを概略的に示す。
【図4A】マルチパスセルの安定性解析を示す。
【図4B】マルチパスセルの安定性解析を示す。
【図4C】マルチパスセルの安定性解析を示す。
【図5】整列状態のマルチパスセルの定在モードを示す。
【図6】ミスアライメントを受けたときのマルチパスセルの定在モードを示す。
【図7】マルチパスセルを概略的に示す。
【図9A】本明細書に記載のマルチパスセルの装着構造を概略的に示す。
【図9B】本明細書に記載のマルチパスセルの装着構造を概略的に示す。
【図10】光を分割する原理を示す。
【図11A】本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。
【図11B】本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。
【図11C】本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。
【図11D】本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザーシステムを概略的に示す。
【図12A】異なるタイプの機械的ビーム分割の比較を示す。
【図12B】異なるタイプの機械的ビーム分割の比較を示す。
【図13】本明細書に記載のマルチパスセルを利用するダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光計を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【0024】
図１に、第１および第２のレーザーパルスを生成するための一般化されたダブルパルスレーザーシステムが示されている。このシステムは、第１のレーザーパルスに対して第２のレーザーパルスを遅延させるように配置されたマルチパスセル１００を備える。レーザーシステムは、方向１０１に沿ってマルチパスセル１００に向けられる単一のレーザーパルスを提供するためのレーザー１１０をさらに備える。マルチパスセル１００は、単一のレーザーパルスを受光し、２つのパルスを、時間的分離を伴って方向１０８に進行させる。第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスとの間に遅延を導入するためのマルチパスセルの使用は、有利には、複数のレーザーパルスを生成するために複数のレーザーを使用するシステムよりも少ないスペースおよび少ないコストを必要とする。さらに、レーザーパルス間に遅延を導入するためのマルチパスセルの使用は、Ｑスイッチングを制御するための複雑な電子機器の必要性を排除する。図１では、マルチパスセル１００自体が、単一のレーザーパルスを第１および第２のレーザーパルスに分割することができ得るか、または光分割要素（例えば、レーザー１１０とセル１００との間に位置付けられる）が、この機能を実行することができる。
【0025】
図２は、レーザーパルスを分割するためのマルチパスセル２００および光学装置２１２の例を示す。図２（ｉ）、（ｉｉ）、および（ｉｉｉ）では、光をマルチパスセル２００内に、およびサンプルに向けて誘導するために、ビームスプリッタ２１２ａ～ｅを備える光学装置２１２に入射する単一のレーザーパルス２０１が、示されている。図２（ｉ）は、第１および第２のレーザーパルスを生成するが、両方のパルスを所望の目的地に向けることができない光学装置２１２を示す。図２（ｉｉ）および２（ｉｉｉ）は、相対的な時間的遅延を有する第１および第２のレーザーパルスを首尾よく生成する光学装置２１２を示す。図２（ｉｉ）では、単一のレーザーパルスの入射した全エネルギーの７５％が、最終的にサンプルに向けられる。図２（ｉｉｉ）では、単一のレーザーパルスの入射した全エネルギーの１００％が、最終的にサンプルに向けられる。
【0026】
図２の光学装置２１２は、ビームスプリッタを利用している。ビームスプリッタは、非偏光性（無偏光性と呼ばれることもある）または偏光性であり得る。偏光ビームスプリッタは、光を直交偏光状態の２つのビームに分割する。ビームスプリッタに加えて、光学装置２１２はまた、パルスを適切なビームスプリッタに向けるための反射要素（例えば、ミラー）を備える。ビームスプリッタのタイプとしては、半透鏡、互いに接着した三角プリズムの対、ウォラストンプリズム、および（ダイクロイック光学コーティングを使用する）ダイクロイックミラープリズムアセンブリが挙げられる。
【0027】
図２（ｉ）には、単一の非偏光ビームスプリッタ２１２ａが、示されている。図２（ｉ）に示されるように、レーザーパルス２０１が、１つの非偏光ビームスプリッタを通過する場合、５０％が（サンプルに向かって）透過され、５０％が反射される。図２（ｉ）では、これは、入射パルスの伝搬軸に対して時計回りに９０°の角度で示されている。光の反射部分は、マルチパスセル２００に入り、パルスが出射光２０８の方向に沿ってセル２００を出ると、パルスは、再び同じビームスプリッタ２１２ａに入射する。そこで、このパルスの５０％（すなわち、全初期パルスエネルギーの２５％）が、入射光２０１の方向に沿ってレーザー光源に向かって反射されて戻され（これは、光源を損傷する可能性があるため危険である）、５０％が、ビームスプリッタ２１２ａを真っ直ぐ通過し、サンプルに到達しないであろう。
【0028】
図２（ｉｉ）は、２つの非偏光ビームスプリッタ２１２ｂおよび２１２ｃを備える光学装置２１２を示す。図２（ｉｉ）は、第１のビームスプリッタ２１２ｂに対して１８０°回転した第２のビームスプリッタ２１２ｃを追加することにより、構成（ｉ）を改善している。第１のビームスプリッタ２１２ａは、単一のレーザーパルスを第１および第２のレーザーパルスに分割する。第１のレーザーパルスは、第２のビームスプリッタ２１２ｃに向かって真っ直ぐ通過し、第１のレーザーパルスは、第２のビームスプリッタ２１２ｃも真っ直ぐ通過する。したがって、第１のレーザーパルスは、サンプルの方向に進む。第２のレーザーパルス（すなわち、遅延パルス）は、マルチパスセル２００に入り、セルを１回以上トラバースし、出射光２０８の方向に沿って出てきた後、第２のビームスプリッタ２１２ｃに誘導される。第２のレーザーパルスの５０％は、第２のビームスプリッタ２１２ｃを真っ直ぐ通過し、第２のレーザーパルスの５０％は、サンプルに向かって、第１のレーザーパルスと同一直線方向に指向される。このようにして、レーザー光源への後方反射が回避され、元のレーザーエネルギーの７５％が、サンプルに到達し、元のレーザーパルスエネルギーの２５％が、第１のレーザーパルスに対して時間的遅延を有する第２のレーザーパルスである。レーザーエネルギーの２５％が失われるため、これは、最適なシナリオではない。
【0029】
図２（ｉｉｉ）は、２つの偏光ビームスプリッタ２１２ｄおよび２１２ｅを備える光学装置２１２を示す。第１のビームスプリッタ２１２ｅは、その偏光に従ってパルスを分割する。したがって、円偏光光がビームスプリッタ２１２ｅに当たると、水平成分と垂直成分とが分離される。元のパルスが円偏光されるので、各成分は、パルスエネルギーの５０％に対応する。したがって、パルスの５０％が、サンプルに向かって透過され、５０％が、マルチパスセル２００へ反射される。図（ｉ）と同じシナリオを避けるために、第２の偏光ビームスプリッタ２１２ｅ（第１の偏光ビームスプリッタ２１２ｄに対して１８０°回転している）が、２つのパルスにサンプルを目標とさせる。このシナリオの利点は、入射レーザー光の１００％が保存され、図２（ｉｉ）と比較して向上した効率をもたらすことである。
【0030】
したがって、一般的に言えば、本開示は、光学装置が、第２のレーザーパルスをマルチパスセルに向けるように（例えば、第１のパルスに対して第２のパルスを遅延させるように）構成されている実施形態を提供する。光学装置は、好ましくは、（例えば、単一パルスを２つに分割することによって）単一のレーザーパルスから第１および第２のレーザーパルスを生成するように構成される。光学装置は、１つのパルスを２つのパルスのみに分割するように構成され得る。そのようなパルスは、実質的に等しいエネルギー（すなわち、複数のパルスを生成するために使用される１つのパルスのエネルギーの５０％）を有し得る。本開示は、時間的遅延を伴う第１および第２のレーザーパルスを生成するための装置を提供し、時間的遅延の程度は、使用されるマルチパスセルの特性（例えば、光路長）に依存し、それによって制御可能である。本開示の光学装置は、１つまたは複数の非偏光ビームスプリッタを備え得る。追加的または代替的に、光学装置は、１つまたは複数の偏光ビームスプリッタを備え得る。光は、使用されるビームスプリッタの組み合わせに応じて、偏光されるか、または偏光されなくてもよい。そのような装置は、レーザーと光空洞との間の特に厳密な整列を必要としない点で有利である。さらに、そのような装置は、効率的かつ効果的に製造され得る。
【0031】
マルチパスセル２００は、ホワイトセルまたはヘリオットセルなど、任意のタイプの既存のマルチパスセルであり得る。ホワイトセルまたはヘリオットセルなどのマルチパスセルは、一般に、分光吸収セルとして使用される。しかしながら、本開示はまた、著しく機械的に安定したセルを使用して、驚くほど長い光学遅延を達成することを可能にする新規のマルチパスセル形状を包含する。そのようなマルチパスセルの例が、図３Ａ～３Ｄおよび図７に示されており、それらについて、以下でより詳しく説明する。
【0032】
既存のマルチパスセルとは対照的に、本開示のレーザーシステムで使用するための新規のマルチパスセルは、一般的に言えば、第１の反射器装置と、第２の反射器装置とを備え得、第１の反射器装置は、第１の反射器装置に入射する光が、第２の反射器装置に向かって少なくとも部分的に再帰反射されるように構成される。有利には、少なくとも部分的に再帰反射性である反射器装置の使用は、部分的に再帰反射性の表面が、その上に入射する光の散乱を抑制し、したがって、光が、低減されたまたは最小の散乱で、その光源に反射されて戻るので、改善された機械的安定性の効果を提供する。この場合、光は、第１の反射器装置から第２の反射器装置に向かって反射され、それにより、本開示のマルチパスセルが、大幅なミスアライメントを許容できない従来技術のデバイスよりも多くの機械的ミスアライメントを許容することが可能になる。
【0033】
本開示の第１の反射器装置は、その部分的再帰反射性ではなく、その構造に基づいた代替の用語で定義され得る。例えば、第１の反射器装置は、２つの垂直な（または部分的再帰反射性を提供するように実質的に垂直な）反射面、または３つの相互に垂直な（または再帰反射性を提供するように実質的に垂直な）反射面を有すると定義され得る。平面ミラーは、光が、ミラーに正確に垂直であり、ゼロの入射角を有する場合にのみ、平面ミラーに入射する光を反射して、光源に戻す。レーザー光は、低度のビーム（またはパルス）発散を示すが、完全にコリメートされたレーザービームはない。さらに、完全に平面のミラーはない。したがって、実際の光源の場合、典型的には、平面ミラーからのいくらかの散乱が発生する。したがって、本開示の文脈では、平面ミラーは、部分的再帰反射性であるとは見なされない。むしろ、本開示の文脈では、反射器装置は、反射器装置が、（単一の入射角で入射する光のみを再帰反射し得る完全に平面のミラーとは異なり）ある範囲（すなわち、複数）の入射角にわたる光に対して再帰反射作用を提供する場合、少なくとも部分的に再帰反射性である。
【0034】
再帰反射性は、コーナー反射器を使用して得られ得、コーナー反射器は、コーナー反射器に入射する任意の光をその光源に再帰反射させる３つの垂直な平面反射器からなる。部分的再帰反射性もまた、２つの垂直な平面ミラーのみを使用して達成され得、この場合、ある範囲の方向から入射する光が、再帰反射されるであろう。しかしながら、第３の反射面がないことは、２つの平面の交線によって画定される方向の成分を有する光は、その光源に完全には再帰反射されないであろうことを意味する。むしろ、２つの平面の垂直ミラーは、２つの平面の交点によって画定される方向に垂直な光に対して再帰反射性である。
【0035】
本開示のレーザーシステムで使用するためのマルチパスセル３００が、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、および３Ｄに示されており、これらは、４つの異なる構成のマルチパスセル３００を概略的に示す。
【0036】
マルチパスセル３００は、ハウジング３０２を備える。典型的にはコヒーレント光（例えば、レーザーによって生成される光）である光３０１は、光源の選択された波長に対して透明である光学窓３０４を通ってハウジング３０２に入る。光学窓３０４は、単にハウジング３０２内のアパーチャであり得る。光３０１は、図２に示されるように、ビームスプリッタ装置によって単一のレーザーパルスから分割された第２のレーザーパルスであり得る。光３０１は、窓３０４の法線に対して入射角Θに向けられている。角度Θはまた、光３０１の方向と、セルの長手方向軸３００ｚとの間の角度である。長手方向軸３００ｚは、図３Ａに示されているが、単純化のために、図３Ｂ、３Ｃおよび３Ｄから省略されている。角度Θは、典型的には、２°～１０°である（ただし、他の範囲の角度が使用され得る）。
【0037】
マルチパスセル３００は、第１および第２の反射器装置３０５および３０７を備える。反射器装置３０５および３０７は、マルチパスセル３００に入る光が、（２つの反射器装置の表面以外のどの表面からも反射されることなく）２つの装置間で繰り返し反射されるように配置され、反射器装置３０５および３０７は、光空洞３１５を画定する。
【0038】
第１の反射器装置３０５は、典型的には２～１０ｍｍの幅である小さなスリット３０６が、プリズム３０５Ａとプリズム３０５Ｂとの間に画定されるように位置付けられている２つのプリズムミラー３０５Ａ、３０５Ｂを備える。第１の反射器装置は、実質的に垂直である２つの表面（２つのプリズムの面）を備える。スリット３０６は、窓３０４と整列され、光のビームまたはパルスが、マルチパスセル３００内に画定された光空洞３１５に入る、および光空洞３１５を出ることができるアパーチャとして機能する。
【0039】
このセル３００の第２の反射器装置３０７は、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂから距離ｄに位置付けられている球形の円形ミラーである。このセル３００では、第２の反射器装置３０７はアパーチャを有さず、したがって、光は、第２の反射器装置を通過することができない。第２の反射器装置３０７は、第１の反射器装置のプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂに対向している。
【0040】
使用時には、光３０１は、光学窓３０４およびプリズム３０５Ａとプリズム３０５Ｂとの間のスリット３０６を通ってセルに入る。次に、光は、球面ミラー３０７から反射し、球面ミラー３０７は、光を第１の反射器装置３０５に向かって反射および集束させて戻す。光は、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂのうちの一方からプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂのうちの他方に反射し、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂは、それらの面が垂直であるように位置付けられているので、光は、２つのプリズムの組み合わせによって再帰反射されて、球面ミラー３０７に向かって戻される。反射器装置３０５および３０７の対称性が、光をセル３００内の特定の経路をたどらせ、この経路は、ミスアライメントに関して著しく安定している。光空洞３１５内での多数の反射の後、光の経路は、最終的にプリズムの間のスリット３０６に入射し、したがって、光３０８は、セル３００から出てくる。光空洞３１５を断面（プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの軸に垂直な平面内、または等価的に、法線ベクトルがプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの平面反射面の交線である平面内）で見た場合、光３０８がセル３００から出てくる角度Θは、光３０１がセル３００に入る角度に等しい（が、反対方向）。
【0041】
したがって、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、球面ミラー３０７との組み合わせは、光３０８の出射方向に沿って空洞３１５を出る前に、多数の反射のために光をセル３００内に捕捉し得る１つのセットの定在モードを画定する。マルチパスセル３００内の反射の数、およびその結果として達成可能な総光路長は、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂの表面積、球面ミラー３０７の曲率半径、光３０１が空洞３１５に入る角度、およびプリズムミラー３０５Ａ、３０５Ｂと球面ミラー３０７との間の距離ｄを含むいくつかの要因に依存する。したがって、光路長は、設定の幾何学的特性に依存する。しかしながら、光路長は、（波長、単位面積当たりのビームエネルギー、または光３０１がパルスであるか連続波であるかを含む）光の物理的特性によって影響されない。
【0042】
光路長に対する形状の影響が、様々な構成についてシミュレートされた光線トレースを示す図３Ａ～３Ｄに示されている。図３Ａでは、第１の反射器装置３０５と第２の反射器装置３０７との間の間隔は、ｄ＝１５０ｍｍである。これは、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂの間のアパーチャの中心と、球面ミラー３０７との間の距離である。この装置は、８回の反射および１．２ｍの総光路長をもたらす。図３Ｂでは、距離ｄが、４８５ｍｍに増加し、６６回の反射および３１．９ｍの総光路長をもたらす。図３Ｃでは、距離ｄが、さらに５２５ｍｍに増加し、８８回の反射および４６．３ｍの総光路長をもたらす。図３Ｂおよび３Ｃの入射角は、図３Ａと同じである。
【0043】
図３Ｄは、距離ｄが、第２の反射器装置３０７（この場合、円形ミラー）の焦点距離の正確に半分に等しいマルチパスセル３００の特別なケースを示す。この装置では、入射光３０１は、第１の反射器装置３０５を通過して、第２の反射器装置３０７に当たった後、第１の反射器装置３０５に向かって反射されて戻ることが分かる。次に、第１の反射器装置３０５が、光を第２の反射器装置に向けて部分的に再帰反射して戻し、この構成の高度の対称性により、光は、第１の反射器装置の中心に戻り、そこで出射光３０８の方向に沿って光空洞３１５から出てくる。第１および第２の反射器装置３０５および３０７が、第２の反射器装置３０７の焦点距離の半分だけ離れていることを確実にすることにより、光は、セル３００の長さを正確に４回トラバースする。
【0044】
図３Ｄは、簡略化されており、図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃのハウジングを省略している。しかしながら、図３Ｄは、セル３００から出てくる光３０８を所望の目的地（例えば、ＬＩＢＳシステムでの分析のためのサンプル）に導くための光学装置３１２をさらに示す。この場合、光学装置３１２は、ミラーとレンズとを備えるが、光学要素の様々な組み合わせが、光を所望の目的地に向けるために使用され得る。
【0045】
したがって、図３Ａ～３Ｄのマルチパスセル３００は、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、凹球面ミラー３０７との組み合わせに基づく新規なアーキテクチャを提供する。これらの図から、広範囲の光路長が達成可能であることが分かる。このアーキテクチャは、ＬＩＢＳのレーザーパルス間に比較的長い光遅延を提供するために使用され得、最大５０メートル以上の光路長（約１６７ｎｓの時間的遅延に相当）を提供し得る。
【0046】
図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、わずかにミスアライメントされている場合の図３Ａ～３Ｄのマルチパスセル３００のシミュレーションを示す。前述のように、本開示の実施形態によって提供される利点は、反射器装置の間に最大４°のミスアライメントが存在する場合の安定性の向上である。これは、コヒーレント光ビームによってトレースされた光路に対する制御されたミスアライメントの影響を研究することによって実証され得る。
【0047】
図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃの各々は、異なるミスアライメントシナリオの概要を示す３つのサブフィギュアで構成される。図４Ａは、ｄ＝１５０ｍｍの、反射器装置３０５と反射器装置３０７との間の分離を伴う、図３Ａに提示された形状についてのマルチパスセルの安定性研究を示す。図４Ｂは、ｄ＝４８５ｍｍの、反射器装置３０５と反射器装置３０７との間の分離を伴う、図３Ｂに提示された形状についてのマルチパスセルの安定性研究である。図４Ｃは、ｄ＝５２５ｍｍの、反射器装置３０５と反射器装置３０７との間の分離を伴う、図３Ｃに提示された形状についてのマルチパスセルの安定性研究である。
【0048】
いずれの場合も、中央のサブフィギュアは、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、球面ミラー３０７との間に定在モードを生成することにより、単一平面上の光路をたどる、うまく整列されたレーザービームに対応する。図４Ａ～４Ｃに示される安定性分析のために、出射ビームは、検出システム３０９上に集光される。
【0049】
ビームが、ｘ次元において－２°（左のサブフィギュア）～＋２°（右のサブフィギュア）ミスアライメントされている場合、光路は、もはや単一の平面に閉じ込められず、プリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂと、球面ミラー３０７との間の全体積にわたり得る。マルチパスセル３００で提案された形状は、ミスアラインメント下で、定在モードの完全性が維持されることを可能にし、これは、深刻なミスアラインメント条件下でさえ、ビームがセル３００を首尾よく出射し得ることを意味する。図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃの各々で、ｘ次元における最大４°の入射ミスアライメント角度－２°～＋２°）を有するビームが示されている。これは、すべての反射が単一の平面上にある整列されたケースに対して、光路が傾斜するという結果をもたらす。それにもかかわらず、これらの境界内で、ビームは、マルチパスセル内に定在モードを生成し、検出システム３０９での検出のために首尾よく出射することができる。
【0050】
図５および図６は、マルチパスセル３００の形状の安定性のさらなる研究を示し、図６に示されるように、ｘ次元でミスアライメントが球面ミラー３０７に適用され、図５では、球面ミラーは、完全に整列されている。ミラー３０７は、その中心が、光源３０１を起源とし、（プリズム３０５Ａとプリズム３０５Ｂとの間の）スリット３０６の中心を通過する同じセグメント上にある場合、整列していると見なされる。ミラー３０７は、このセグメントから正の方向に１０ｍｍ、次に負の方向に１０ｍｍ離れる方向に移動される。システムの安定性は、プリズムミラー３０５Ａ上の光の衝突位置を、これらのミスアライメントの関数としてシミュレートすることによって実証される。プリズムミラー３０５Ｂ上の挙動は、類似している。
【0051】
図５は、ミスアライメントが発生しない場合に対応する。この場合、空洞３１５内の定在モードは、プリズムミラー３０５Ａ上の単一の線上に位置する。１０ｍｍの負（図６（ａ））または正（図６（ｂ））のミスアライメントが発生すると、定在モードは、単一の線から移動し、２つの放物線のセットを形成する。光は、２つの放物線を順に相次いでトラバースする。これは、重要であり、光の入射点および出射点が一致することを可能にし、この一致は、セル３００の安定性にとって重要である。
【0052】
高度に安定したマルチパスセル３００を提供することの利点は、セル３００内で光によってトラバースされる光路長が、球面ミラー３０７と、２つのプリズムミラー３０５Ａおよび３０５Ｂとの間の距離ｄを変えることによって、容易に調整可能であることである。光路長を長くすることの利点としては、レーザーパルス間に長い光遅延を提供する機能が挙げられる。したがって、図４Ａ～４Ｃ、図５、および図６から、図３Ａ～３Ｄのマルチパスセル３００は、光学構成要素間のミスアライメントの存在下でも、長い光路長を提供し得る安定したシステムを提供することが分かる。しかしながら、図３Ａ～３Ｄのマルチパスセルのいくつかの特徴は、これらの利点を維持しながら省略または変更され得る。
【0053】
例えば、ハウジング３０２および光学窓３０４は完全に省略されてもよいことが理解されるであろう。さらに、向上した安定性の利点は、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂではなく、実質的に垂直である２つの平面ミラーを使用して達成され得る。そのような装置は、それに入射する光に対して部分的再帰反射性である同じ効果を提供するであろう。さらに、光が空洞３１５に入るアパーチャ３０６は、第１の反射器装置ではなく、第２の反射器装置内に配置され得る。追加的に、球面ミラー３０７は、球面である必要はなく、部分的再帰反射性のプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの恩恵を受けながら、他の様々な形態を有し得る。したがって、マルチパスセル３００は、有利な装置の一具体例であるが、様々な変更および変形が行われ得ることが分かる。
【0054】
したがって、以前に使用された一般化された用語に戻ると、本開示の第１の反射器装置は、好ましくは、反射性である第１および第２の表面を備える。第１の反射器装置は、それに入射する光が、第１の表面から第２の表面に、かつ第２の反射器装置に反射されるように構成され得る。第２の表面から反射された光は、第１の反射器装置の第３の表面に入射した後、第２の反射器装置に反射されるか、または第２の表面から反射された光は、任意のさらなる表面によって反射されることなく、第２の反射器装置に直接反射され得る。
【0055】
第１および第２の表面は、好ましくは、実質的に垂直である。第１および第２の表面は、好ましくは、実質的に平面である。この装置を使用して、光に対して再帰反射作用を提供し、マルチパスセルの機械的安定性を向上させることができる。完全に平面の垂直表面は、完全な再帰反射性を示すであろうが、完全に平面の垂直表面からの多少の逸脱は、許容され得る。例えば、（少なくとも）部分的再帰反射性の効果が依然として達成されるという条件で、表面は、完全に平面および／または完全に垂直であることから逸脱してもよい。光が、第２の反射器装置（例えば、球面ミラー）の表面に垂直でないいくつかの成分を有する場合、この光は、空洞に入り、図４Ａ～４Ｃ、図５および図６に示されるように、定在波様のパターンのセットを形成し得る。
【0056】
さらに、第１または第２の表面全体が完全に平面である必要はない。例えば、表面のうちの一方または両方は、平面部分に加えて、湾曲部分（例えば、１つまたは複数の縁部において）を有してもよい。この場合、第１および第２の表面の実質的に平面の部分が互いに実質的に垂直であるならば、それらは依然として一緒に働いて、それらに入射する光を部分的または完全に再帰反射することができる。
【0057】
したがって、本開示は、第１の反射器装置と、第２の反射器装置とを備えるマルチパスセルであって、第１の反射器装置が、反射性である第１および第２の表面を備え、第１および第２の表面が、実質的に垂直および／または実質的に平面である、マルチパスセル、を提供する。
【0058】
第１および第２の表面の平面は、共通の軸を画定し得、第１の反射器装置は、共通の軸に垂直に入射する光に対して再帰反射性であり得る。平面表面の文脈において、共通の軸は、平面表面を含む平面によって画定される交線である。任意の２つの非平行平面が、交線を画定する。したがって、２つの平面表面が実際に交差していない場合でも、表面が存在する平面が、交差軸を画定する。交差軸は、もし平面が無限の空間範囲を有すると、平面表面が交差するであろう線と見なされ得る。
【0059】
好ましくは、第１の反射器装置は、第１および第２のプリズムを備え、第１および第２の表面は、それぞれ第１および第２のプリズムの面である。プリズムミラーは、前述の有利な実施形態が、正確かつ容易に製造されることを可能にする、広く入手可能な光学構成要素である。例えば、プリズムミラーは、直角二等辺三角形である（すなわち、９０°、４５°、および４５°の内角を有する）断面を有し得る。この場合、２つのそのようなプリズムを、両方のプリズムがより短い（非斜辺の）面に載った状態で、互いに隣接して配置することにより、（この装置内で垂直になるプリズムの２つの表面によって画定される）部分的再帰反射性の表面が、簡単に製造され得る。したがって、本開示のマルチパスセルは、安価で市販の構成要素を有利に使用して、安定したマルチパスセルを製造するための費用効果が高く信頼性の高い方法を提供する。
【0060】
第２の反射器装置は、好ましくは、それに入射する光が、第１の反射器装置に向かって反射されるように構成される。例えば、第２の反射器装置は、第１の反射器装置から受光された光が第１の反射器装置に反射されるように構成され得、第１の反射器装置は少なくとも部分的に再帰反射性であるので、光は、第１の反射器装置と第２の反射器装置との間を繰り返し跳ね返るようにされ得る。これは、第１および第２の反射器装置が互いに対向することを確実にすることによって、達成され得る。例えば、第１の反射器装置は、少なくとも部分的に再帰反射性であり、したがって、ある範囲の方向から受光される光に対して再帰反射性である。したがって、第２の反射器装置は、第１の反射器装置が再帰反射性である方向の範囲内に位置付けられ得る。第２の反射器装置が凹面を有する場合、この面は、第１の反射器装置の少なくとも部分的再帰反射性の部分に対向し得る。このようにして、第１および第２の反射器装置は、安定した光空洞を画定し得る。
【0061】
第２の反射器装置は、好ましくは、それに入射する光が、第１の反射器装置に向かって集束されるように構成される。第２の反射器装置の集束作用は、第１の反射器装置の再帰反射作用と一緒に作用して、光の拡散を抑制し、安定性を向上する。反射器装置の間隔と、第２の反射器装置の焦点距離との間の関係は、セル内で光によってトラバースされるパスの数に影響を与えるであろう。
【0062】
第２の反射器装置は、反射性である凹面を備え得る。凹面は、楕円面、回転楕円面、または球面であり得る。例えば、２つの反射平面表面によって画定される交線に平行な１つの細長い軸を有する楕円反射器が、使用され得る。そのような場合、ミスアライメントを補正するための有用な表面が一方向に伸長され、他の方向に短縮されるため、細長い軸は、機械的公差に影響を及ぼすであろう。したがって、より高度な空間対称性を有する表面は、向上した安定性を提供し、その結果、球面（すなわち、光が入るのを可能にする開口部を有する球の表面の一部分）が、最も好ましい。球形からのわずかな逸脱は、許容され得る。２つの平面プリズムミラーと球面（つまり中央対称）ミラーとの組み合わせは、球面ミラーのわずかなミスアライメントが、それ以上増幅されず、光路が、空洞のミラー内の体積の間に依然としてあることを意味するため、最も向上した安定性を提供する。
【0063】
有利には、本開示では、第１の反射器装置と第２の反射器装置との間の分離は、調整可能である。したがって、マルチパスセルは、光によってトラバースされる光路長が調整可能であるように、構成される。簡単にするために図３Ａ～３Ｄには示されていないが、第１および第２の反射器装置３０５および３０７は、相対的に移動可能である（例えば、一方または両方を移動することによって）。これにより、分離が制御されること、したがって、光路長が調整されることが可能にある。相対運動は、例えば、反射器装置の一方または両方を作動させることによって、提供され得る。光路長は、光がマルチパスセルをトラバースする回数を変更することによって、調整され得る。例えば、分離を増大させることは、単一のパス内で光によってトラバースされる距離の増加をもたらし得るが、分離を増大させることはまた、光をセル内で異なるパス数トラバースさせて、光路長をさらに増大させ得る。本開示の向上した安定性は、光路長の制御を提供しながら、比較的長い光路長が得られることを可能にする。
【0064】
本開示のセルを使用して、光路長は、３０ｃｍ以上（かつ好ましくは、１ｍ、５ｍ、１５ｍ、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、１ｍ以上（かつ好ましくは、５ｍ、１５ｍ、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、５ｍ以上（かつ好ましくは、１５ｍ、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、１５ｍ以上（かつ好ましくは、２５ｍ、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、２５ｍ以上（かつ好ましくは、４０ｍ、５０ｍ、または１００ｍ以下）、４０ｍ以上（かつ好ましくは、５０ｍ、または１００ｍ以下）、５０ｍ以上（かつ好ましくは、１００ｍ以下）、または１００ｍ以上（かつ好ましくは、１５０ｍ以下）に調整可能である。これらは、光速が約３ｘ１０8ｍｓ-1であることに留意することにより、等価な時間値に変換され得る。
【0065】
説明された実施形態は、振動に耐え、産業実装における機械的整列を簡単にするのに適したマルチパスセルを提供するために、予想外に高い機械的公差を示す。以前のマルチパスセルと比較したこの開示の利点は、多数あり、最大４°（約７０ミリラジアン）のミスアライメントの向上した安定性、容易に調整可能な長い光路長、および高い信頼性で効率的に製造するための簡単なアーキテクチャが含まれる。
【0066】
図３Ａ～３Ｄ、図４Ａ～４Ｃ、図５、および図６のマルチパスセル３００では、光が光空洞３１５に入るアパーチャ３０６は、第１の反射器装置３０５の２つのプリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの間に位置付けられている。一方、図７は、プリズム７０５Ａとプリズム７０５Ｂとの間ではなく、第２の反射器装置７０７内にアパーチャ７０６を提供することによって、前述の利点の多くが達成可能である代替のマルチパスセル７００を示す。
【0067】
図７のマルチパスセル７００は、２つのプリズム反射器７０５Ａおよび７０５Ｂを備える第１の反射器装置７０５を備え、２つのプリズム反射器７０５Ａおよび７０５Ｂは、プリズム７０５Ａおよび７０５Ｂの２つの面が、垂直であり、部分的再帰反射性の表面を提供するように位置付けられている。球面ミラー７０７の形態の第２の反射器装置が、プリズム７０５Ａおよび７０５Ｂに対向して提供されている。球面ミラー７０７は、光が、マルチパスセル７００の光空洞７１５に入ること、および光空洞７１５から出ることを可能にするための中央アパーチャ７０６を備える。図２に示されるように第１のビームスプリッタ装置によって単一のレーザーパルスから分割された第２のレーザーパルスなどの、セル７００に入る光７０１は、第１の反射器装置７０５と第２の反射器装置７０７との間で繰り返し反射された後、出射光７０８の方向に沿ってアパーチャ７０６を介して空洞７１５を出る。高度な幾何学的類似性のために、第１の反射器装置７０５および第２の反射器装置７０７によって提供される定在モードは、図３Ａ～３Ｄのマルチパスセル３００の装置３０５および３０７と同様である。次に、セルから出てくる光は、図７にミラーとレンズとを備えるものとして示されている光学装置７１２を介して、その光の目的地に向けられる。例えば、光（例えば、第２のレーザーパルス）は、第２のビームスプリッタに向けられ得、そこから、図２に示されるように、サンプル（例えば、第１のレーザーパルスへの同一直線方向）に向けられる。図７のマルチパスセル７００は、図３Ａ～３Ｄのセル３００のように、向上した安定性および調整可能性の利点を提供する。
【0068】
次に図８に目を向けると、相互に垂直である３つの平面反射面８０５Ａ、８０５Ｂ、および８０５Ｃを備える反射器装置８０５が、示されている。３つの表面８０５Ａ、８０５Ｂ、および８０５Ｃは、再帰反射性であるコーナー反射器を画定する。光が、コーナー反射器を通過することを可能にするために、アパーチャ８０６が、コーナー反射器８０５のコーナーに提供されている。コーナー反射器８０５の裏側を通過する光８０１が、描かれている。
【0069】
図８の反射器装置８０５は、プリズム３０５Ａおよび３０５Ｂの代わりに、またはプリズム７０５Ａおよび７０５Ｂの代わりに、図３Ａ～３Ｄおよび図７のもののようなマルチパスセルで使用され得る。図８の反射器装置８０５が、図７のマルチパスセル７００で使用される場合、アパーチャ８０６は、省略され得る。反射器装置８０５もまた、光空洞内での光の拡散を抑制するための再帰反射器の使用により、向上した機械的安定性を提供する。
【0070】
したがって、以前に使用された一般化された言語に戻ると、本開示のマルチパスセルでは、第１の反射器装置は、反射性である第３の表面をさらに備え得、第１、第２、および第３の表面は、実質的に相互に垂直である。したがって、コーナー反射器を提供して、機械的安定性を向上させることができる。
【0071】
第１および第２の反射器装置は、光空洞を画定し得、第１および第２の反射器装置のうちの少なくとも一方は、好ましくは、光が、光空洞に入ること、および／または光空洞を出ることを可能にするためのアパーチャを備える。アパーチャのサイズは、空洞に入る光ビームまたはパルスのサイズの制御を提供するように調整可能であり得る。アパーチャは、多くの形態を取り得る。
【0072】
第１の反射器装置が、第１および第２のプリズムを備える場合、第１および第２のプリズムの縁の間のスリットが、アパーチャを画定し得る。この装置の特定の利点は、（例えば、損傷またはミラーの不完全性を引き起こす可能性がある、球形反射器またはコーナー反射器内にアパーチャを作成することによって）反射器内にアパーチャを作成する必要なしに、プリズムの間にスリットが存在するようにプリズムを装着することによって、２つのプリズムの間にアパーチャを提供することが簡単であることである。したがって、この装置は、正確に、および精巧な光学構成要素に損傷を与えるリスクを冒すことなく、簡単に作製できる。アパーチャのサイズは、プリズムを作動させて互いに近づけたり、遠ざけたりすることによって、調整され得る。プリズムは、そのような調整を提供するように、相対的に移動可能であり得る。
【0073】
第１の反射器装置が、第１、第２、および第３の表面を備える場合、第１、第２、および第３の表面のコーナーの開口部が、アパーチャ（例えば、３つの表面の平面が交差する点）を画定し得る。同様に、第２の反射器装置の中心（例えば、セルの長手方向軸と実質的に整列している、第２の反射器表面上の点）の開口部が、アパーチャを画定し得る。これは、例えば、凹反射面の中心にある小さな穴であり得る。そのようなアパーチャは、光が、機械的に安定した装置の光空洞に入ること、および／または光空洞を出ることを可能にする。そのような場合、アパーチャのサイズは、アパーチャを不透明な材料（移動可能であり得る）で部分的に覆うことによって、調整され得る。
【0074】
次に図９Ａおよび９Ｂに目を向けると、２つのプリズム９０５Ａおよび９０５Ｂを備える反射器装置９０５のための２つの装着構造９１３ａおよび９１３ｂが、示されている。プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、それぞれ、マルチパスセル３００または７００のプリズム３０５Ａ、３０５Ｂまたは７０５Ａ、７０５Ｂであり得る。したがって、装着構造９１３ａおよび９１３ｂは、図３Ａ～３Ｄおよび図７のマルチパスセル３００および７００で使用され得る。
【0075】
図９Ａの装着構造９１３ａは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂを保持するように構成されているフレームである。図９Ａの装着構造９１３ａは、一対のプリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの一端から示されている。装着構造は、プリズムの長辺に沿って（ページ内に、プリズム軸に沿って）延在し得、装着構造９１３ａの反対側の端部は、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの反対側の端部を同じように保持する。装着構造９１３ａは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂを所定の位置にしっかりと保持するように、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの非反射縁を保持し得るように寸法決めされる。装着構造のごく一部分が、反射面（すなわち、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの斜辺）を覆っているが、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂが、セル内で光を反射することが可能なように、反射面の大部分は、露出している。
【0076】
装着構造９１３ａは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂが所定の位置にしっかりと保持されることを確実にするために、摩擦コーティング（例えば、ゴム）を有し得る。プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、締まりばめを使用して、装着構造９１３ａ内に勘合し得る。代替的に、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、接着剤で装着構造９１３ａに保持され得る。いずれの場合でも、装着構造は、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの反射面が、合同して部分的に再帰反射性の面を提供するように、実質的に垂直であることを確実にする。
【0077】
図９Ｂは、図９Ａの装着構造９１３ａに加えて、またはその代わりに使用され得るさらなる装着構造９１３ｂを示す。図９Ｂの装着構造９１３ｂは、図９Ａの装着構造９１３ａのベースとして機能し得るか、または装着構造９１３ｂは、それ自体が独立した構成要素であり得る。図９Ｂの装着構造９１３ｂは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂが取り付けられ得る、材料の平坦な部分を備える。装着構造９１３ｂは、光が通過することを可能にするためのスリット９０６を備える。プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂは、プリズム９０５Ａおよび９０５Ｂの面が実質的に垂直であるように、スリット９０６のいずれかの側に取り付けられ得る。したがって、部分的に再帰反射性の反射器装置は、内部にスリットを有する単一の材料シートと、標準的な光学構成要素である２つのプリズム９０５Ａおよび９０５Ｂとを使用して、容易に提供され得る。
【0078】
図９Ａおよび９Ｂの装着構造９１３ａおよび９１３ｂを使用して、２つのプリズムミラー９０５Ａおよび９０５Ｂの間の相対角度がゼロまたは実質的にゼロ（例えば、少なくとも部分的再帰反射性が得られることを確実にするためにゼロに十分に近い）であることを確実にすることができる。そのような場合、２つのミラーは、約＋／－１°まで一緒に回転し、かつ依然として、前述のマルチパスセルで使用され場合に、安定したマルチパスパターンを提供し得る。しかしながら、２つのプリズムミラーの間の相対角度が０．１°より大きい場合、パターンは、悪影響を受ける可能性がある。そのような装着構造の使用は、プリズム９０５Ａとプリズム９０５Ｂとの間の相対角度がゼロであるか、またはゼロに十分に近くて、良好な性能を提供することを確実にし得る。図９Ａおよび９Ｂの装着構造９１３ａおよび９１３ｂは、様々な材料（例えば、アルミニウムなどの金属）から、および様々な構築技術（例えば、溶接、成形、または３Ｄ印刷）を使用して形成され得る。
【0079】
したがって、以前に使用された一般化された言語では、第１の反射器装置は、好ましくは、第１および第２の表面が実質的に垂直であるように、第１および第２のプリズムを装着するように構成された装着構造を備える。装着構造の使用は、表面が、許容可能な程度のミスアライメント内で正しく位置付けられることを確実にするのに役立ち得る。
【0080】
図１０に、機械的なビーム分割の原理が示されている。上のグラフは、ある瞬間におけるガウスレーザーパルスの一次元空間セクションを表す。下のグラフは、上のパルスを分割することから形成された２つのパルスの時間プロファイルを示し、２つのパルスは、時間的遅延によって分離されている。本開示は、パルスレーザーによって生成された単一のパルスを２つのパルスの二重（好ましくは同一直線上）のセットに機械的に分割するため、およびマルチパスセルを使用して遅延を導入するために、反射面の使用を提案する。ビームの透過部分（すなわち、図１０の上のグラフに示されているパルスの左側の部分）は遅延を受けず、したがって、図１０の下のグラフの時間軸に沿って左側に位置付けられている。反射ビームまたはパルス（すなわち、上のグラフに示されているパルスの最も右側の部分）は遅延を受け、したがって、図１０の下のグラフの時間軸上で右側に位置付けられている。このように、時間的遅延Δｔが、単一のレーザーパルスを機械的に分割することによって生成された２つのレーザーパルスの間に導入され得ることが分かる。したがって、ダブルパルスレーザーアーキテクチャが、提供され得る。
【0081】
図１１Ａ～１１Ｄは、図２のビームスプリッタ装置を使用するビーム分割の代替として、図１０の機械的ビーム分割原理が、本開示のマルチパスセルと組み合わせて、どのように適用され得るかを示す。例えば、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄには、第１および第２のレーザーパルスを生成するためのダブルパルスレーザーシステムの４つの構成が示されている。マルチパスセルは、既存のマルチパスセルと比較して、比較的長い光路長を提供するため、セルは、２つのレーザーパルスの間に比較的長い時間的遅延を導入する遅延線として効果的に機能する。さらに、セルの形状が、セルから出てくる光１１０８が、セルの外面１１１４から反射された光と同一直線上にあることを確実にする。
【0082】
図１１Ａ～１１Ｄのダブルパルスレーザーシステムは、光空洞１１１５を画定する、２つのプリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂと、球面反射器１１０７とを有するマルチパスセルを備える点で、前述のシステムと同様である。前述のように、光１１０１は、わずかな角度でセルに入る。ダブルパルスレーザーシステムはまた、セルから出てくる光１１０８を、サンプルであり得る標的目的地１１１６に向けて案内するための光学装置１１１２を備える。光学装置は、ミラー１１１２ｂを備える。ダブルパルスレーザーシステムと、前述のマルチパスセルとの間の重要な違いは、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂの外面が、反射性であり、光１１０１がセルに入るのを可能にするための小さなアパーチャ（プリズム１１０５Ａとプリズム１１０５Ｂとの間のスリットと整列されている）を備えることである。アパーチャを有するこの反射面は、光を分割するための光分割デバイス１１１２ａとして機能し、光学装置１１１２の一部を形成する。
【0083】
より具体的には、図１１Ａ～１１Ｄのダブルパルスシステムの概略構成では、コリメートおよびパルス化されたレーザービーム１１０１は、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂの外部（背面）上の平面ミラー１１１２ａに向けられる。パルスレーザービームの経路は、図１１Ａ～１１Ｄでは実線で表されているが、これらの線を連続波レーザー放射と間違えてはならない。パルスビーム１１０１の角度は、ミラー１１１２ａの法線に対してわずかに傾斜しており、典型的には２～６°である。ミラー１１１２ａの法線は、セルの軸（すなわち、プリズム１１０５Ａと１１０５Ｂとの間のスリットと、球面ミラー１１０７の中心との間に延びる長手方向軸）に平行である。
【0084】
ミラー１１１２ａは、直径１ｍｍの中央の円形アパーチャを備え、レーザーパルス１１０１の一部が、ミラーを通してサンプリングされ、かつレーザーパルス１１０１の一部が、経路１１０８に沿ってミラーから反射されることを可能にする。前述の実施形態と同様に、セルから出てくる光１１０８の角度（アパーチャの法線に対する）は、同じ大きさであるが、入射光１１０１の角度とは反対の方向であり、これは、セルの形状に起因して起こる。
【0085】
光分割デバイス１１１２ａのアパーチャは、入射光パルス１１０１が分割される（例えば、２つの別個のパルスに分割される）ように寸法決定され、光の約半分は、外面１１１４から光学装置１１１２ｂに向かって反射され、かつ光の半分は、セルに入り、そこで複数回反射された後、最終的にセルを出て光学装置１１１２ｂに到達する。図１１Ａ～１１Ｄでは、アパーチャは、直径１ｍｍであるが、使用されるレーザービームの幅に応じて、他の幅（例えば、０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍなどの直径）が、使用され得る。図１１Ａ～１１Ｄに示される特定のシステムでは、パルスレーザービーム１１０１は、１ｍｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。
【0086】
システムは、パルス１１０１が、ミラー１１１２ａのアパーチャの縁を中心とし、ミラー１１１２ａが、２５ｍｍ（すなわち、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂと同様のサイズ）の半径を有するように構成される。このようにして、パルス１１０１をミラー１１１２ａに向けるために、様々な光学要素が、使用され得る。パルスの半分が、ミラー１１１２ａの表面によって反射される一方、残りの半分は、アパーチャを通過する。反射パルスは、平面ミラー１１１２ｂに、次いで、サンプル１１１６の表面に向けられる。透過パルスは、曲率半径ｒ＝１０００ｍｍおよび５０ｍｍの直径を有するセルの球形凹ミラー１１０７に向けられる。このミラー１１０７は、図１１Ａ～１１Ｄに示されるように、２つの直角プリズムミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂに向かってパルスを反射および集束させて戻す。２つの直角プリズムミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂは、２５ｍｍのセグメントサイズを有する。この文脈において、セグメントサイズは、直角に交わる直角三角形の２つの辺の長さ（すなわち、プリズム１１０５Ａおよび１１０５Ｂの三角形断面の非斜辺長さの長さ）である。ミラー１１０５Ａ、１１０５Ｂ、および１１０７の組み合わせが、空洞１１１５システムを形成し、ミラー１１１２ａを通って入るパルスは、何度も反射されて往復した後、最終的にミラー１１１２ａのアパーチャから出る。
【0087】
図１１Ａ～１１Ｄのシステムによって提供される総光路長差（ＯＰＤ）は、ａ）ミラー１１０７を通過し、空洞１１１５内で反射された後、ミラー１１１２ａの中央アパーチャから出てサンプル１１１６に到達するパルスによってカバーされる距離と、ｂ）ミラー１１１２ａで反射された後、サンプル１１１６に到達するパルスの一部によって移動された距離との間の差として定義される。有利には、ＯＰＤは、（直角）プリズムミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂを備える第１の反射器装置１１０５と、この場合はミラー１１０７である第２の反射器装置との間の距離ｄを調整することによって、容易に調整され得る。ＯＰＤは、他の構成要素の形状を変更せずに、間隔ｄだけを調整することによって制御され得る。ＯＰＤを調整することにより、第１のパルス（ミラー１１１２ａによって反射される）と、第２のパルス（ミラー１１１２ａを透過する）との間の時間的遅延Δｔが、調整され得る。
【0088】
図１１Ａのシステムは、図１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄに示されるように、様々な構成に調整され得、シミュレーションして、達成可能なＯＰＤおよび時間的遅延を調査することができる。シミュレーションでは、レーザーパルスは、ガウス形で、コリメートされ、非偏光であり、５３２ｎｍの波長を有し、統計的有意性を達成するために１０4に等しい数の光線で構成されると考えられる。図１１Ａでは、距離ｄ＝１５０ｍｍにより、透過パルスが４回反射され、それにより、１．１３ｍのＯＰＤおよび対応するΔｔ＝３．８ｎｓがもたらされる。図１１Ｂでは、距離ｄ＝３００ｍｍにより、透過パルスが２１回反射され、６．７５ｍのＯＰＤおよび対応するΔｔ＝２２．５ｎｓをもたらす。図１１Ｃでは、距離ｄ＝４００ｍｍにより、透過パルスが２８回反射され、１２．４６ｍのＯＰＤおよびΔｔ＝４１．５ｎｓをもたらす。
【0089】
距離ｄが増加し、反射の数が増加するにつれて、光学システムの機械的整列に必要な公差が、より厳しくなる。これは、およそ、図１１Ａに示されるレイアウトの場合、約１．５ｍｍおよび約２°の回転角（ｘ、ｙ）、図１１Ｂに示されるレイアウトの場合、約１ｍｍおよび約１°の角度、および図１１Ｃに示されるレイアウトの場合、約０．５ｍｍおよび約０．５°の角度である。必要な整列により、達成され得るＯＰＤが制限される。それにもかかわらず、そのような整列は、本開示のシステムを使用して容易に達成可能であり、したがって、約５０ｎｓの時間的遅延Δｔが、達成され得る。したがって、マルチパスセルを使用して達成される時間的遅延は、１ｎｓ以上（例えば、最大１０ｎｓ、最大５０ｎｓ、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは５ｎｓ以上（例えば、最大１０ｎｓ、最大５０ｎｓ、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは１０ｎｓ以上（例えば、最大最大５０ｎｓ、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは５０ｎｓ以上（例えば、最大８０ｎｓ、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは８０ｎｓ以上（例えば、最大１００ｎｓ、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）、もしくは１００ｎｓ以上（例えば、最大１５０ｎｓ、または１５０ｎｓ超）であり得る。セルの設計パラメータによっては、より短い遅延、例えば、０．１ｎｓ以上が得られ得る。
【0090】
整列要件の厳しさを低減するために、直角ミラー１１０５Ａおよび１１０５Ｂのサイズを、それらのセグメントサイズ（非斜辺の寸法）が５０ｍｍであるように増大させ、かつ球面ミラー１１０７のサイズを７５ｍｍの直径に増大させることが可能である。これにより、機械的公差の要件が緩和され、同等の距離ｄでより高いＯＰＤを得ることが可能になる。そのようなレイアウトの例が、図１１Ｄに示されており、距離ｄ＝４００ｍｍにより、透過パルスは、３１回反射されて、２５．３０ｍのＯＰＤおよび対応するΔｔ＝８４．３ｎｓをもたらす。このレイアウトの公差は、約１ｍｍおよび１°（ｘ、ｙ）である。したがって、約１００ｎｓ（およびそれ以上）の時間的遅延が、容易に達成可能である。
【0091】
多くの用途（例えば、ダブルパルスＬＩＢＳ実験）で、２つのパルスが同じ位置（例えば、サンプルの表面）に入射することが重要である。ダブルパルスシステムの有効性を検証するために、図１１Ａ～１１Ｄに示された例のビームプロファイル研究が実行され得、その結果が、図１２Ａに示されている。相対ビーム放射照度は、赤（高放射照度）から青（低放射照度）までに及ぶカラーパレットを使用して表示される。結果は、図１２Ａに示されるように、ｘ次元およびｙ次元の両方で優れた円形ガウスプロファイルを示す。図１２Ａのプロファイルは、円形アパーチャの場合である。図１２Ｂは、レーザーパルスの分割が、円形アパーチャではなく、平行ミラーを使用して実行されることを除いて、図１２Ａで使用されたシステムと同じシステムに関する等価なビームプロファイル研究を示す。図１２Ｂから、非円形のアパーチャは、重ね合わされたパルスの品質の低下をもたらすことが分かる。したがって、単一のレーザーパルスを分割する場合、円形アパーチャが好ましい。図１２Ａおよび１２Ｂの各々において、視覚化を支援するために、グラフは、互いに重ね合わされた２つのパルスを、それらの各々が標的に当たるのに要する時間と無関係に、表示している。
【0092】
図１３には、前述の原理に従って動作するダブルパルスレーザー誘起ブレークダウン分光システムが示されている。図１３のＬＩＢＳシステムは、図１１Ａ～１１Ｄに示されているものなどのダブルパルスレーザーシステムを使用する。図１３のシステムは、マルチパスセル１３００を備え、マルチパスセル１３００は、前述のいずれかのマルチパスセルであり得、空洞１３１５を画定する、２つのプリズム１３０５Ａおよび１３０５Ｂを備える第１の反射器装置１３０５と、球面ミラー１３０７とを備える。
【0093】
システムは、単一のレーザーパルス１３１４を放出することができるレーザー源１３１０を備える。システムはまた、光をセル１３００に、次いで、セル１３００からサンプル１３１６に導くためのいくつかの光学要素１３１２ｂ～ｄを備える光学装置１３１２を備える。光学装置はまた、セル１３００の第１の反射器装置１３０５上にアパーチャを有する反射面である光分割デバイス１３１２ａによって、単一のレーザーパルス１３１４から第１および第２のレーザーパルスを生成するように構成される。光分割デバイス１３１２ａは、セル１３００の第１の反射器装置１３０５と一体的に形成されている。光学装置１３１２はまた、セル１３００からサンプル１３１６にレーザーパルスを誘導および集束するための回転可能なミラー１３１２ｃおよびレンズ１３１２ｄを備える。
【0094】
図１３において、レーザーパルス１３１４がレーザー源１３１０によって放出されると、レーザーパルス１３１４は、光学装置のミラー１３１２ｂによって、セル１３００に導かれることが分かる。前述のように、単一パルス１３１４の一部は、光分割デバイス１３１２ａによって反射されて第１のレーザーパルスを形成し、単一パルス１３１４の一部は、セル１３００の空洞１３１５に入り、第１のパルスに対して遅延され、それにより、第２のレーザーパルスを形成する。
【0095】
第１および第２のパルスが、それぞれ、分割デバイス１３１２ａから反射される、およびセル１３００から出てくると、それらのパルスは、光学装置のさらなるミラー１３１２ｂによって、回転可能なミラー１３１２ｃに導かれ、回転可能なミラー１３１２ｃは、パルスがレンズ１３１２ｄに向けられるように、パルスの方向を微調整し得る。次に、パルスがサンプル１３１６上の点に衝突するように、レンズ１３１２ｄが、パルスを集束させる。
【0096】
第１のレーザーパルスが、サンプル１３１６に衝突して、サンプル１３１６の表面からプラズマ１３１７を生成し、次いで、第２のレーザーパルスが、プラズマ１３１７に衝突してその温度を上昇させ、さらに表面に衝突して、さらなるプラズマを生成する。このようにして、第１および第２のパルスが、プラズマ１３１７の生成、およびそれに続くプラズマ１３１７からのプラズマ光１３１８の放出を引き起こす。プラズマ光は、サンプルの近くに位置付けられているミラー１３１２ｅによって反射される。ミラー１３１２ｅは、発光の分析のために、プラズマ光を検出器（例えば、分光器）１３１９に導く。ミラー１３１７は、光学装置１３１２の一部であると見なされ得るか、または別個の光学装置であり得る。
【0097】
図１３に示される具体例では、ミラー１３１２ｃは、（例えば、サンプルの表面マッピングを可能にするために、例えば、表面全体でレーザーパルスの位置を二次元でスキャンすることを可能にする電動二軸ガルボシステムの）ガルボミラーであり、レンズ１３１２ｄは、ｆシータレンズである。しかしながら、他のタイプの調整可能なミラーおよび集束要素が、使用されてもよい。さらに、任意の数のミラーおよび／またはレンズが、光学装置１３１２内で使用され得、追加のプラズマミラー１３１２ｅが、（例えば、プラズマから放出された光１３１８を、検出器１３１９とは異なるタイプであり得る１つ以上のさらなる検出器に向けるために）使用され得る。さらに、光学装置１３１２の光分割デバイス１３１２ａは、図２に示される装置などのビームスプリッタ装置によって置き換えられてもよい。
【0098】
したがって、第１および第２のレーザーパルスは、ビームスプリッタを使用して、または機械的分割によって生成され得ることが分かる。したがって、一般的に言えば、本開示の光学装置は、単一のレーザーパルスを分割することによって第１および第２のレーザーパルスを生成するための光分割デバイス（例えば、従来のビームスプリッタではなく、機械的ビームスプリッタ）を備え得る。光分割デバイスは、マルチパスセルに取り付けられるか、またはそれと一体であり得る。例えば、光分割デバイスは、マルチパスセルの外面上にあり得る。マルチパスセルは、光空洞を画定する第１および第２の反射器装置を備え得、光分割デバイスは、第１および第２の反射器装置のうちの一方の外面上にあり得る。
【0099】
光分割デバイスは、レーザーパルスの少なくとも一部分が通過し得るアパーチャを有する反射面を備え得る。光分割デバイスの反射面は、実質的に平面であり得る。プリズムが、第１の反射器装置に使用される場合、反射面を背面に取り付けることが簡単であり、本明細書に開示される有利なデバイスの容易な製造を促進する。光分割デバイスのアパーチャは、反射面の中心に、または実質的に中心に（例えば、縁よりも中心に近く）位置付けられ得る。反射面の中心は、アパーチャと一致し得る。したがって、プリズムが使用される場合、分割デバイスは、光の半分が、プリズムの間のスリットを通ってセルに入ることを可能にする一方で、光の残りの半分をセルから離れる方向にそらす。光分割デバイスのアパーチャは、好ましくは円形である。円形のアパーチャは、後続のレーザーパルスが、高度な空間コヒーレンスを示すことを可能にする。光分割デバイスのアパーチャは、好ましくは、マルチパスセルのアパーチャ（例えば、光がセルに入ることを可能にするアパーチャ）と整列される。
【0100】
したがって、一般的に言えば、光学装置は、好ましくは、単一のレーザーパルスの一部分が、光分割デバイスのアパーチャを通過してマルチパスセルに入り、それにより、第２のレーザーパルスを生成し、かつ単一のレーザーパルスの一部分が、光分割デバイスの反射面によって反射され、それにより、第１のレーザーパルスを生成するように、単一のレーザーパルスを光分割デバイスのアパーチャに向けるように構成される。これにより、光が反射面から反射するとき、または光がアパーチャを通過するときに、最小限のエネルギーが失われるため、光のエネルギーの大部分が、保存され得る。したがって、そのような装置は、非常に効率的である。さらに、２つのパルスが生成され、パルス間の時間的遅延（調整可能であり得る）が、セルに入るパルスに容易に適用され得る。光学装置は、光の半分がアパーチャを通過するように、単一のレーザーパルスをアパーチャの縁に向けるように構成され得る。
【0101】
本開示の光学装置は、単一のレーザーパルスを分割することによって、第１および第２のレーザーパルスを生成するための光分割デバイス、および／または第１および第２のレーザーパルスを生成するための１つまたは複数の非偏光ビームスプリッタ、および／または第１および第２のレーザーパルスを生成するための１つまたは複数の偏光ビームスプリッタを備え得る。
【0102】
前述のように、光が、本開示のマルチパスセルに入る角度を使用して、光が、セルの反射器装置をトラバースする回数、したがって光路長を制御することができる。したがって、説明された実施形態では、光源は、（例えば、回転可能であることによって、または回転可能に装着されることによって）光がセルに入る方向を変えることが可能であり得る。代替的に、セルに入る光の角度を変化させることが可能なように、さらなる光学要素（例えば、調整可能なミラー）が、提供されてもよい。光学装置は、第１および第２のレーザーパルスを同一直線上の経路に沿ってサンプルに導くように構成され得る。検出器は、分光器、フォトダイオード、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、強化電荷結合素子（ＩＣＣＤ）、電子増倍ＣＣＤ、または１つ以上のマイクロチャネルプレート検出器など、任意のタイプの検出器であり得る。検出器は、好ましくは、光の波長の関数としての光の検出を可能にする。
【0103】
したがって、一般的に言えば、本開示のシステムはまた、前述のマルチパスセルのいずれかを備え得、光学装置は、光がマルチパスセルに向けられる角度が、調整可能であるように構成される。この角度は、マルチパスセルによって画定される軸（例えば、第１および第２の反射器装置の中心／中点の間に延びる軸などの長手方向軸）に対して定義され得る。光がマルチパスセル内に向けられる方向と、マルチパスセルによって画定される長手方向軸との間の角度は、０°～２０°、１°～１５°、または２°～１０°であり得る。セルのアパーチャが、セルによって画定される軸に垂直である場合、光がセルに入る角度は、そのような場合にはアパーチャの法線は、セルの長手方向軸に平行であろうため、代わりに、アパーチャの法線に対して表現され得る。
【0104】
調整可能な角度を提供することにより、安定した構成およびそのような安定性に関連付けられる利点を維持しながら、光路長を制御することが可能になる。そのような光学装置は、検出器または光源とは独立して提供され得る。言い換えれば、本開示の光学装置およびマルチパスセルは、任意の検出器および／または光源と共に使用するために、一緒に提供され得る。光学要素は、マルチパスセルに取り付けられる（例えば、セルの外側に取り付けられる）か、またはセルハウジングと一体的に形成され得る。
【0105】
前述のように、本明細書に開示される光学システムでは、様々な光源が使用され得る。一般的に言えば、本開示は、空間的にコヒーレントな光から（例えば、コヒーレント光源からの光から）第１および第２の光成分を生成するための光学システムであって、第１の光成分に対して第２の光成分を遅延させるように配置されたマルチパスセルを備え、マルチパスセルは、光空洞を画定する第１および第２の反射器装置を備え、光空洞において、遅延した第２の光成分が、第１の反射器装置と第２の反射器装置との間で複数回反射されて往復し、１ｎｓ以上の、第１の光成分と第２の光成分との間の時間的遅延を提供する、光学システム、を提供する。マルチパスセルは、本明細書に記載のセルのいずれかであり得る。第１および第２の光成分は、本明細書に記載のビーム分割技術のいずれかを使用して生成され得、第１および第２の光成分は、例えば、光のパルスであり得る。そのような光学システムでの使用に適したコヒーレント光源の例としては、レーザー、またはＬＥＤ光または特定のＸ線ビームなどの部分的にコヒーレントな光源が挙げられる。場合によっては、光（例えば、水銀灯の輝線からの単色光など）を、ピンホール空間フィルタを通過させることによって、コヒーレント光を生成することも可能である。
【0106】
本開示は、本明細書に記載のシステム、デバイス、マルチパスセル、および光学装置を製造するための方法も提供する。例えば、マルチパスセルを製造するための方法は、第１の反射器装置と、第２の反射器装置とを提供することを含み得、第１の反射器装置は、第１の反射器装置に入射する光が、少なくとも部分的に第２の反射器装置に向かって再帰反射されるように構成される。製造方法は、本明細書に記載のマルチパスセルの特徴（例えば、任意の構造的特徴）のいずれかを提供することをさらに含み得る。システムおよびデバイスを製造するための方法は、本明細書に記載の任意の構造的特徴を提供することを含み得る。
【0107】
アパーチャを使用して光のビームまたはパルスを分割する原理は、本明細書に記載のダブルパルスシステムでの使用とは無関係に、有利である。前述のように、そのようなシステムは、分割される光のエネルギーの有意な吸収をもたらさない。以下の番号付けされた条項は、そのような機械的ビームスプリッタを備える光学システムの例示的な例を提供する。番号付された条項の光は、連続光（例えば、ビーム）であり得るか、またはパルス光（例えば、レーザーパルス）であり得る。
【0108】
１．光を第１および第２の光成分に分割するための光学システムであって、該光学システムが、
光が通過し得るアパーチャを有する反射面を備える光分割デバイスと、
光の一部分がアパーチャを通過して、それにより第２の光成分を生成し、かつ光の一部分が反射面によって反射されて、それにより第１の光成分を生成するように、光を光分割デバイスのアパーチャに向けるように構成された光学装置と、を備える、光学システム。
光が通過し得るアパーチャを有する反射面を備える光分割デバイスと、
光の一部分がアパーチャを通過して、それにより第２の光成分を生成し、かつ光の一部分が反射面によって反射されて、それにより第１の光成分を生成するように、光を光分割デバイスのアパーチャに向けるように構成された光学装置と、を備える、光学システム。
【0109】
２．反射面が、実質的に平面である、条項１に記載の光学システム。
【0110】
３．アパーチャが、反射面の実質的に中心に位置付けられている、条項１または条項２に記載の光学システム。
【0111】
４．アパーチャが、円形である、先行条項のいずれか一項に記載の光学システム。
【0112】
５．光学装置が、光を光分割デバイスに向けて導くための１つ以上の反射面を備える、先行条項のいずれか一項に記載の光学システム。
【0113】
６．光学装置が、光分割デバイスに向けて光を集束させるための１つ以上の集束要素を備える、先行条項のいずれか一項に記載の光学システム。
【0114】
７．光学装置が、光の半分がアパーチャを通過するように、光をアパーチャの縁に向けるように構成されている、先行条項のいずれか一項に記載の光学システム。
【0115】
８．光がアパーチャに向けられる角度が調整可能であるように、光学装置が構成されている、先行条項のいずれか一項に記載の光学システム。
【0116】
９．アパーチャのサイズが、調整可能である、先行条項のいずれか一項に記載の光学システム。
【0117】
１０．光を光学装置に向けるように構成された光源をさらに備える、先行条項のいずれか一項に記載の光学システム。
【0118】
１１．光源が、レーザーである、条項１０に記載の光学システム。
【0119】
１２．レーザーが、パルスレーザーである、条項１１に記載の光学システム。
【0120】
【0121】
前述の利点を保持しながら、多くの変形が、上記の装置および方法に対して行われ得ることが理解されよう。例えば、上記の実施形態は、再帰反射面または部分的再帰反射面を提供するという文脈で、主に平面反射面を参照して説明されてきたが、再帰反射性を示す任意の材料が使用され得ることが理解されよう。さらに、本開示における任意の反射面は、完全に反射性であるか、または部分的に反射性であり得る。
【0122】
本開示は、一般的なレーザーを参照して説明されており、任意のレーザーが、本明細書に記載のシステムおよびセルとともに使用されることが理解されよう。例えば、調整可能なダイオードレーザーが好ましいが、任意の固体、気体、液体、化学、金属蒸気、染料、または半導体レーザーが、使用されてもよい。他の好ましい例としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、ＣＯ２レーザー、エキシマレーザー、およびルビーレーザーが挙げられる。
【0123】
本開示は、特定のタイプのデバイスおよび用途を参照して説明されてきたが、本明細書で論じられるように、本開示は、そのような場合に特定の利点を提供する一方で、本開示は、他のタイプのデバイスおよび用途に適用され得ることも理解されよう。例えば、本開示のマルチパスセルは、光の光路長の正確な制御が必要とされる任意のシナリオで使用され得る。
【0124】
本明細書に開示される各特徴は、別段の指定のない限り、同一、同等または類似の目的を果たす代替の特徴と置き換えられてもよい。したがって、別段の指定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の同等または類似の特徴の単なる一例である。
【0125】
特許請求の範囲内を含む、本明細書において使用される場合、文脈が別様に示さない限り、本明細書における用語の単数形は、複数形を含むものとして解釈され、文脈により可能な場合、その逆も同様である。例えば、文脈が別様に示さない限り、（レーザーパルス（ａ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ）または反射器（ａ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）などの）「ａ」または「ａｎ」などの、特許請求の範囲を含む本明細書における単数形の言及は、「１つ以上」を意味する（例えば、１つ以上のレーザーパルス、または１つ以上の反射器）。本開示の明細書および特許請求の範囲を通じて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む」（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」などの語、ならびに、語の変形、例えば、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または同様のものは、「～を含むが、これに限定されない」ことを意味し、他の構成を排除することを意図したものではない。
【0126】
本明細書において提供されるありとあらゆる例、または例示的な文言（「例えば（ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ）」、「～など（ｓｕｃｈ ａｓ）」、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、および同様の文言）の使用は、単に、発明をより良く例示することを意図され、特に特許請求されない限り、本開示の範囲への限定を示すものではない。本明細書におけるいずれの文言も、本開示の実施に不可欠なものとして主張されていないいかなる要素をも示すものとして解釈されるべきではない。
【0127】
本明細書に記載された任意のステップは、異なるように記載されていない限り、または文脈により別の意味が必要とされない限り、任意の順序で、または同時に実行され得る。さらに、あるステップがあるステップの後に実行されると説明されている場合、これは、介在ステップが実行されていることを排除するものではない。例えば、レーザーパルスが、第１の表面から第２の表面に反射されると記載される場合、これは、レーザーパルスが、第２の表面に到達する前に追加の表面によって反射されることを排除しない。
【0128】
本明細書で開示される態様および／または特徴の全ては、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除いて、任意の組み合わせで組み合わせることができる。特に、本開示の好ましい特徴は、本開示の全ての態様および実施形態に適用可能であり、任意の組み合わせで使用され得る。同様に、必須ではない組み合わせで記述された特徴は、（組み合わせてではなく）別々に使用されてもよい。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A】
【図12B】
【図13】