Многопроходные или длиннопроходные абсорбционные ячейки обычно используются в спектроскопии для измерения компонентов с низкой концентрацией или для наблюдения слабых спектров в газах или жидкостях. Несколько важных достижений были сделаны в этой области, начиная с 1930-х годов, и исследования в широком спектре приложений продолжаются и по сей день.
Обычно целью этого типа ячейки образца является улучшение чувствительности обнаружения за счет увеличения общей длины оптического пути, проходящего через небольшой постоянный объем образца. В принципе, большая длина пути приводит к большей чувствительности обнаружения. Фокусирующие зеркала должны использоваться для перенаправления луча в каждой точке отражения, в результате чего луч ограничивается предопределенным пространством вдоль контролируемого пути, пока он не выйдет из оптической полости . Выход ячейки является входом оптического детектора (специализированного типа преобразователя ), который ощущает определенные изменения в свойствах луча, которые происходят во время взаимодействия с испытуемым образцом . Например, образец может поглощать энергию из луча, что приводит к ослаблению выходного сигнала, который обнаруживается преобразователем. Две обычные многопроходные ячейки называются ячейкой Уайта и ячейкой Херриотта. [1]
В конце 1930-х годов Август Пфунд использовал трехпроходную ячейку, подобную показанной выше, для изучения атмосферы. Ячейка, которая стала известна как ячейка Пфунда, сконструирована с использованием двух идентичных сферических зеркал, каждое из которых имеет тщательно обработанное отверстие в центре. Расстояние между зеркалами равно фокусному расстоянию зеркала. Источник входит через отверстие в любом зеркале, дважды перенаправляется в двух точках отражения, а затем выходит из ячейки через другое зеркало на третьем проходе. Ячейка Пфунда была одним из самых ранних примеров этого типа спектроскопической техники и известна тем, что использовала несколько проходов. [2]
.gif/1280px-White_cell_with_eight_traversals_(spectroscopy).gif)
Ячейка White была впервые описана в 1942 году Джоном У. Уайтом в его статье « Длинные оптические пути большой апертуры » [3] и представляла собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими методами спектроскопических измерений с длинным путем. Ячейка White построена с использованием трех сферических вогнутых зеркал с одинаковым радиусом кривизны. Зеркала разделены расстоянием, равным их радиусам кривизны. Анимация справа показывает ячейку White, в которой луч совершает восемь отражательных проходов или пересечений. Количество проходов можно довольно легко изменить, сделав небольшие поворотные корректировки M2 или M3; однако общее количество проходов всегда должно быть кратно четырем. Входные и выходные лучи не меняют положения при добавлении или удалении проходов, в то время как общее количество проходов можно увеличить во много раз без изменения объема ячейки, и, следовательно, общую длину оптического пути можно сделать большой по сравнению с объемом исследуемого образца. Пятна от разных проходов могут перекрываться на зеркалах M2 и M3, но должны быть различимы на зеркале M1. Если входной луч сфокусирован в плоскости M1, то каждый круговой проход также будет сфокусирован в этой плоскости. Чем плотнее фокус, тем больше неперекрывающихся пятен может быть на M1 и, таким образом, тем больше максимальная длина пути.
В настоящее время ячейка White по-прежнему является наиболее часто используемой многопроходной ячейкой и обеспечивает множество преимуществ. [4] Например,
Белые ячейки доступны с длиной пути от менее метра до многих сотен метров. [5]
Ячейка Херриотта впервые появилась в 1965 году, когда Дональд Р. Херриотт и Гарри Дж. Шульте опубликовали «Сложенные оптические линии задержки» в Bell Laboratories . [6] Ячейка Херриотта состоит из двух противостоящих сферических зеркал. В одном из зеркал вырезается отверстие, чтобы входные и выходные лучи могли входить и выходить из полости. В качестве альтернативы луч может выходить через отверстие в противоположном зеркале. Таким образом, ячейка Херриотта может поддерживать несколько источников света, обеспечивая несколько входных и выходных отверстий в любом из зеркал. В отличие от ячейки Уайта, количество проходов контролируется путем регулировки расстояния разделения D между двумя зеркалами. Эта ячейка также широко используется и имеет некоторые преимущества [4] перед ячейкой Уайта:
Однако ячейка Херриота не принимает пучки с высокой числовой апертурой. Кроме того, когда требуются более длинные пути, необходимо использовать зеркала большего размера.
Другая категория многопроходных ячеек обычно называется круговыми многопроходными отражательными ячейками. Впервые они были представлены Томой и его коллегами в 1994 году. [7] Такие ячейки основаны на круговом расположении зеркал. Луч входит в ячейку под углом и распространяется по звездообразной схеме (см. рисунок справа). Длина пути в круговых многопроходных ячейках может изменяться путем регулировки угла падения луча. Преимущество заключается в их устойчивости к механическим нагрузкам, таким как вибрации или изменения температуры. Кроме того, круговые многопроходные ячейки выделяются из-за малых объемов обнаружения, которые они обеспечивают. [8] Стабильное распространение луча достигается путем формирования отдельных точек отражения для формирования неконцентрического расположения зеркал. [9] [10]
В особом случае используется круглое зеркало, позволяющее непрерывно регулировать угол падения. Недостатком этой конфигурации круглой ячейки является присущая ей концентрическая компоновка зеркал, которая приводит к несовершенному изображению после большого количества отражений.