CN104007069B - 一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱(DOAS)测量系统，由离轴抛物面镜(中心打孔)望远镜、光源(LED)装置、光源耦合透镜、光源准直镜头、角反射镜、光纤以及光谱仪探测器组成。光源装置发出的光被透镜耦合进入光纤，经准直镜头准直后，通过离轴抛物镜中心小孔进入大气，经过一定距离的传输，被角反射镜反射后返回至离轴抛物面镜望远镜，离轴汇聚耦合进入接收光纤并传输至光谱仪，经光谱仪分光后被探测器接收，从而进行后期光谱分析。与传统DOAS系统相比，本系统通过设计一种简单的望远镜内部结构，提高了望远镜的接收效率，简化系统，将接收光信号和发射光信号分离，便于系统调节。

Description

一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统

技术领域

本发明属于一种光学测量领域，具体为一种基于离轴抛物面镜收发一体的差分吸收光谱系统，应用于监测大气痕量污染气体。

背景技术

光谱分析技术可以利用不同分子在波段内对光辐射的特征吸收进行定性和定量测量，其基本原理服从朗伯-比尔吸收定律，即在一定的吸收光程下，物质的浓度与吸光度成正比，通过分析其吸收光谱可获得物质的成分和浓度等信息。该技术广泛应用于大气有毒有害气体监测以及水体监测等领域。DOAS技术作为痕量气体探测的一种非接触、开放式光程测量方法，其基本原理就是利用不同气体分子对光辐射的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来反演气体的浓度。经过几十年的不断发展，已成为研究大气化学及进行城市空气质量监测的有效手段。

目前广泛采用的光路收发一体式DOAS系统通常基于卡塞格林式和牛顿式望远镜结构。图1为卡塞格林望远镜结构DOAS系统示意图，光源装置1发出的光经过反射镜2反射后被望远镜主镜3外圈部分准直出射，经过一定距离的传输，光束被角反射镜5反射后沿原方向返回经过望远镜主镜3内圈部分接收后，被副镜4反射后，最后汇聚于光纤接收端位置，经接收光纤6传输进入光谱仪探测器7进行后期光谱数据处理分析。这种基于卡塞格林望远镜的DOAS系统，由于光路上存在光学器件的遮挡，主镜利用效率较低，且结构相对复杂，调整比较困难。

近些年提出的光纤收发一体式卡塞格林望远镜结构DOAS系统如图2所示，光源装置1发出的光经透镜8耦合后首先进入发射光纤9，由发射光纤9出射，经望远镜内的副镜4和望远镜主镜3反射后成为平行光，通过一段开放的大气到达另一端的角反射镜5，光束被反射后沿原光路返回，再次经卡塞格林望远镜内的副镜4和主镜3聚焦进入接收光纤6，经接收光纤6接收进入光谱仪7进行分光，发射光纤9的出射端和接收光纤6的入射端公用一个端面。这种光纤收发一体式系统在实际测量中存在以下问题：通常实验为外芯发射，内芯接收，将收发光纤公共端的接收部分设计在望远镜主镜的焦点位置，而发射部分则处于偏焦位置，这样会造成部分光照射到望远镜主镜后，未在大气传输而直接反射回接收端，从而增大了望远镜内部杂散光；同时，发射部分偏焦，出射光不是平行光导致部分光不能经过角反射镜返回，降低光学效率；由于发射端和接收端位于光纤的同一端面，难以直接观察大气返回光斑的情况，系统调节比较麻烦。

牛顿式望远镜结构DOAS系统如图3所示，光源1发出的光经透镜8耦合进入发射光纤9，由发射光纤9出射，经过望远镜主镜3准直，在大气中传输，光束被角反射镜5反射后沿原方向返回，经过望远镜主镜3反射汇聚至光纤公共端，最后由接收光纤6接收传输至探测器7。该系统由于发射光纤后端同光纤收发一体式卡塞格林望远镜结构DOAS相似，同样存在由于发射部分的偏焦导致的杂散光和光效降低以及难以直接观察大气返回光斑带来的系统调节比较麻烦的问题。

发明内容

本发明提出的一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统。目的是简化系统且发射部分与接收部分都处在焦点位置，保证出射光为平行光，提高了光效，减少了杂散光；同时接收光路和发射光路分离，便于系统调节。

本发明提出的一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统，包括离轴抛物面镜(中心打孔)望远镜，光源准直系统，角反射镜，光纤，光源装置以及光谱仪探测器。光源发出的光被透镜耦合进入光纤，经准直镜头准直后，通过离轴抛物镜中心小孔在大气中传输，光束被角反射镜反射后沿着原方向返回，由离轴抛物面镜反射，离轴汇聚耦合进入接收光纤并传输至光谱仪分光后被探测器接收，从而进行后期光谱分析。

所述的光源准直镜头的主光轴和离轴抛物面镜主光轴重合。

所述的发射光纤前端位于光源耦合透镜焦点位置；后端位于光源准直镜头焦点位置，接收光纤端位于离轴抛物面镜焦点位置。接收光纤位于望远镜镜筒外侧，光纤两端均安装在三维调整平台上，可对所处位置方便地进行x、y方向及俯仰角调节。

本发明与现有技术相比优点在于：本发明提出的一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统，与基于卡塞格林式望远镜的DOAS系统相比，省去了副镜，降低了遮拦比，提高了能量利用率；与光纤收发一体式相比，发射部分与接收部分都处在焦点位置，保证出射光为平行光，提高了光效，减少了杂散光；在用长光程差分吸收光谱系统观测痕量气体外场试验中，需连续采集大气谱，实际试验中发现，一段时间后，返回光斑偶尔会发生一段微小的漂移，需及时调整光路进行后续的观测，但由于光纤收发一体式卡塞格林望远镜结构DOAS系统和牛顿式望远镜结构DOAS系统中发射端和接收端位于光纤的同一端面且距离较近，实际操作情况类似于在一大块光斑(发射光)中移动一小块光斑(接受光)，无疑为光路的调节增添了难度，不能及时继续采集光谱而延长了数据不连续时间。而本发明将接收光信号和发射光信号分离，可直接观察到从大气返回的光斑，大大降低了将接收光耦合进光纤的难度，便于系统调节，节约了调节时间，为外场实验连续采谱带来了便利。

附图说明

图1为基于卡塞格林式望远镜的DOAS系统的结构示意图；

图2为光纤收发一体式卡塞格林望远镜结构DOAS系统的结构示意图；

图3为基于牛顿式望远镜的DOAS系统的结构示意图；

图4为本发明提出的一种基于离轴抛物面镜的DOAS系统的结构示意图；

图5为带有中心打孔的离轴抛物面镜结构示意图。

具体实施方式

图4为本发明提出的一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统的结构示意图，该系统包括带有中心打孔的离轴抛物面镜望远镜3’，光源准直镜头10，角反射镜5，发射光纤9和接收光纤6，光源装置1，透镜8及光谱仪探测器7。

图5为带有中心打孔离轴抛物面镜结构示意图，被角反射镜5反射后沿着原方向返回的入射平行光由带有中心打孔离轴抛物面镜离轴汇聚至焦点位置。其中，3’为带有中心打孔离轴抛物面镜望远镜，1为入射光束直径D，2为反射有效焦距f，4为母焦距，5为汇聚光的半发散角θ。D，f，θ的关系描述如下：D＝2*sinθ*f，当使用光纤进行接收时，方程改写为：D＝2*NA(光纤)*f。常用的光纤数值孔径范围为：0.18-0.23，根据方程：D/f＝2*NA，可得D/f的范围在0.36-0.46，根据这一数值可确定光源准直镜头10与角反射镜位置以及离轴抛物面镜的选择。

测量时，将发射光纤9接收端置于透镜8焦点位置，光源装置1发出的光被透镜8耦合进入发射光纤9，再将发射光纤9发射端置于光源准直镜头10的焦点位置，经光源准直镜头10准直，调节发射光纤2和准直镜头10位置，使得准直镜头10和带有中心打孔的离轴抛物面镜望远镜3’主光轴重合，准直后的平行光通过带有中心打孔的离轴抛物面镜望远镜3’中心小孔在大气中传输，光束被角反射镜5反射后沿着原方向返回，由带有中心打孔的离轴抛物面镜望远镜3’反射，将接收光纤6接收端置于带有中心打孔的离轴抛物面镜望远镜3’焦点位置，反射光离轴汇聚耦合进入接收光纤6并传输至光谱仪探测器7接收，从而进行后期光谱分析。

Claims (2)

1.一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统，其特征在于包括带有中心打孔的离轴抛物面镜望远镜、光源耦合透镜、光源准直镜头、角反射镜、发射光纤、接收光纤、光源装置及光谱仪探测器；光源装置发出的光被光源耦合透镜耦合进入发射光纤，从光纤另一端出射，经光源准直镜头准直后，通过望远镜离轴抛物面镜中心小孔后在大气中传输，经过一段距离传输以后，被远端角反射镜反射后沿着原光路返回至离轴抛物面镜望远镜，离轴汇聚耦合进入接收光纤并传输至光谱仪分光后被光谱仪探测器接收，从而进行后期光谱分析；

所述光源准直镜头的主光轴和带有中心打孔的离轴抛物面的主光轴重合；

所述发射光纤入射端位于光源耦合透镜焦点位置；出射端位于光源准直镜头焦点位置，接收光纤入射端位于带有中心打孔的离轴抛物面镜的焦点位置，接收光纤位于望远镜光路外侧，发射光纤和接收光纤两端均安装在三维调整平台上，对所处位置方便地进行x、y方向及俯仰角调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统，其特征在于：所述光源装置为LED。