CN105043983A - 基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用组合等腰等腰直角棱镜的光学特点，介绍了一种可以增加光程的吸收池。该方法就是通过两个等腰等腰直角棱镜的光轴的距离的改变，通过不同的光轴距离可以光线在吸收池内的来回反射次数。在此基础上通过两对组合棱镜的使用，把光线的来回发射从一维推进到二维。进而可以极大的增加了光程的长度。从而算出消光系数的大小，得出能见度。此方法的优点可以在四个等腰等腰直角棱镜较短的空间内能够实现较大光程的传输。通过光电转换可以测出光强的衰减。与传统的Herriot池和white池相比，这种结构具有结构简单、性能稳定、光程可调节的特点。

Description

基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池

技术领域

本发明属于大气光学领域，具体涉及一种用于探测大气能见度的具有高灵敏度的基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池。

背景技术

光在大气中传播时光束会与大气中的气体分子、气溶胶等相互作用，产生吸收、散射、湍流等效应。当光束与大气作用距离较短时，光信号的衰减并不明显，因此如何增加光程是研究光束与大气相互作用所产生现象的一个重要问题。比如痕量气体浓度的测量、能见度的测量等。

大气能见度Meteorologicalvisibility)是一个重要的气象参数，具有广泛的用途，是一个用来表征大气透明度的物理量；对于航空航天、公路、铁路等具有重要的影响，在气象预测、预报、环境的监测和保护方面具有重要作用，是一个与人们生活息息相关的物理量，可以通过测量大气消光系数，进而计算大气能见度。

借助于光学吸收池来测量大气消光系数已经是一种主要的研究方法，吸收池是一种光学结构，使探测光在腔内经过多次的折射来增加探测光束与待测气体相互作用距离来提高大气相关参数检测的灵敏度。目前来说典型的吸收池有White型和Herriot型以及他们的升级组合光路。其中利用Write池的改进光路光程可以达到2.5km；但组镜用到的反射镜较多，光路复杂，调节困难。Herriott池由两个共焦的球面镜腔组成。结构简单，易于调节，但光束的反射次数与镜间距离和曲率半径密切相关，且一旦确定，无法更改。本发明提出一种基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池，可以在两个互相垂直的平面同时来改变光程，可以更大的增加光程，进而得到新的改进后的能见度测量公式。

发明内容

本发明的目的针对现常用光学测量吸收池存在的缺陷和不足，提供一种基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池，以实现在较小空间内较大光程的传输。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池，包括吸收腔，吸收腔的长度沿着Z轴方向，吸收腔的宽度沿着X轴方向，吸收腔的高度沿着Y轴方向，其特征在于：所述吸收腔内设有沿Z方向排列的四个等腰直角棱镜，所述四个等腰直角棱镜分为两对棱镜组合，第一对棱镜组合为完全一样的第二等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜，所述第二等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜的侧棱沿着X轴方向放置，其对应斜边侧面相互平行放置，相应斜边侧面之间沿着等腰直角棱镜光轴方向的间距d可调；第二对棱镜组合为完全一样的第一等腰直角棱镜和第四等腰直角棱镜，所述第一等腰直角棱镜和第四等腰直角棱镜的侧棱沿着Y轴方向放置，其相应斜边侧面相互平行放置，相应斜边侧面之间沿着等腰直角棱镜光轴方向的间距D可调。

所述第一等腰直角棱镜和所述第二等腰直角棱镜位接触或非接触，所述第三等腰直角棱镜和所述第四等腰直角棱镜位接触或非接触。

所述第一组等腰直角棱镜的两直角边都为a，直角棱镜斜边为1.41a，侧棱边为b，当光线在第一组棱镜横向传播时，反射次数为a越大越好；

所述第二组等腰直角棱镜的两直角边都为c，直角棱镜斜边为1.41c，侧棱边为e；当光线在第二组棱镜竖直传播时，反射次数为c越大越好；

b略大于1.41c+d，D略大于d，e保证光线从第一对棱镜射出，打入到第二组棱镜的斜面进行全反射即可。

根据比尔-朗伯定律，强度为I₀(λ)的入射光在开放吸收池中经过距离l,有：

I(λ)＝I₀(λ)e^-αl(1)

调节棱镜组中等腰直角棱镜之间的距离，当第一组等腰直角棱镜之间的间距d＝d₁，第二组等腰直角棱镜之间的间距D＝D₁时，则第一次总的反射次数为

$N_1=\[int\left(\frac{1.41a}{d_1}\right)+1\]\[\mathrm{int}\left(\frac{1.41c}{D_1}\right)+2\]---\left(2\right)$

当第一组腰直角棱镜之间的间距d＝d₂，第二组等腰直角棱镜之间的间距D＝D₂时，则第二次总的反射次数为

$N_2=\[int\left(\frac{1.41a}{d_2}\right)+1\]\[int\left(\frac{1.41c}{D_2}\right)+2\]---\left(3\right)$

第一次和第二次输出的光强分别为令ΔN＝N₁-N₂可得消光系数：

${\mathrm{\σ}}_w=\frac{(N_1-1)InA-{\mathrm{\ΔNInA}}^{\′}}{\mathrm{\Δ}Nl}---\left(4\right)$

其中那么消光系数用光强来表示为

${\mathrm{\σ}}_w=\frac{(N_1-1)In\[\frac{I_{N_1}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_{N_2}\left(\mathrm{\λ}\right)}\]-\mathrm{\Δ}NIn\[\frac{I_{N_1}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}\]}{\mathrm{\Δ}Nl}---\left(5\right)$

能见度和消光系数之间的关系可以用以下公式来表示：

$V_h=\frac{-ln0.05}{{\mathrm{\σ}}_w}=\frac{-3.912}{{\mathrm{\σ}}_w}---\left(6\right)$

本发明工作时，光线在第一组棱镜之间的y-o-z平面内来回反射来增加光程，在第二组棱镜之间的x-o-z平面内来回反射增加光程，，光程该变量(即反射次数的改变量)由所用直角棱镜的直角边长和棱镜组中两直角等腰棱镜的间距决定，通过发射次数的改变，调整所需要的光程，具有很大的实用性。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过在吸收池内设有棱镜系统，把光线从一维传输推向二维传输，由面分布推向体分布，极大的提高了光程调整的灵活性。与传统的Herriot池和white池相比，实现了光程的可调节，具有很大的实用性。

附图说明

图1组合棱镜吸收池结构简图；

图2为四棱镜系统沿x轴观察光路图；

图3为四棱镜系统沿y轴反方向观察光路图；

图4为光轴距离较大时四棱镜系统光路图；

图5为光轴距离较小时四棱镜系统光路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明：

如图1所示，一种基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池，包括吸收腔，吸收腔的长度沿着Z轴方向，吸收腔的宽度沿着X轴方向，吸收腔的高度沿着Y轴方向，其特征在于：所述吸收腔内设有沿Z方向排列的四个等腰直角棱镜，所述四个等腰直角棱镜分为两对棱镜组合，第一对棱镜组合为完全一样的第二等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜，所述第二等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜的侧棱沿着X轴方向放置，其对应斜边侧面相互平行放置，相应斜边侧面之间沿着等腰直角棱镜光轴方向的间距d可调；第二对棱镜组合为完全一样的第一等腰直角棱镜和第四等腰直角棱镜，所述第一等腰直角棱镜和第四等腰直角棱镜的侧棱沿着Y轴方向放置，其相应斜边侧面相互平行放置，相应斜边侧面之间沿着等腰直角棱镜光轴方向的间距D可调。

所述第一等腰直角棱镜和所述第二等腰直角棱镜位接触或非接触，所述第三等腰直角棱镜和所述第四等腰直角棱镜位接触或非接触。

所述第一组等腰直角棱镜的两直角边都为a，直角棱镜斜边为1.41a，侧棱边为b，当光线在第一组棱镜横向传播时，反射次数为a越大越好；

所述第二组等腰直角棱镜的两直角边都为c，直角棱镜斜边为1.41c，侧棱边为e；当光线在第二组棱镜竖直传播时，反射次数为c越大越好；

b略大于1.41c+d，D略大于d，e保证光线从第一对棱镜射出，打入到第二组棱镜的斜面进行全反射即可。

根据比尔-朗伯定律，强度为I₀(λ)的入射光在开放吸收池中经过距离l,有：

I(λ)＝I₀(λ)e^-αl(7)

调节棱镜组中等腰直角棱镜之间的距离，当第一组等腰直角棱镜之间的间距d＝d₁，第二组等腰直角棱镜之间的间距D＝D₁时，则第一次总的反射次数为

$N_1=\[int\left(\frac{1.41a}{d_1}\right)+1\]\[int\left(\frac{1.41c}{D_1}\right)+2\]---\left(8\right)$

当当第一组等腰直角棱镜之间的间距d＝d₂，第二组等腰直角棱镜之间的间距D＝D₂时，则第二次总的反射次数为

$N_2=\[int\left(\frac{1.41a}{d_2}\right)+1\]\[int\left(\frac{1.41c}{D_2}\right)+2\]---\left(9\right)$

第一次和第二次输出的光强分别为令ΔN＝N₁-N₂可得消光系数：

${\mathrm{\σ}}_w=\frac{(N_2-1)InA-{\mathrm{\ΔNInA}}^{\′}}{\mathrm{\Δ}Nl}---\left(10\right)$

其中那么消光系数用光强来表示为

${\mathrm{\σ}}_w=\frac{(N_2-1)InA-\mathrm{\Δ}NIn\[\frac{I_{N_1}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}\]}{\mathrm{\Δ}Nl}---\left(11\right)$

能见度Vh和消光系数σ_w之间的关系可以用以下公式来表示：

$V_h=\frac{-In0.05}{{\mathrm{\σ}}_w}=\frac{-3.912}{{\mathrm{\σ}}_w}---\left(12\right)$

在XOY坐标系中，定义原点O，本发明在工作时，沿x轴观察光路图，可知，第一对棱镜组成的棱镜组(即第二个和第三个棱镜)可以对原点O发出的光线多次来回发射并入射到第四个棱镜，如图2所示；经过第四个棱镜的两次全反射以后，射入到第二个棱镜，由图3所示，经过一个棱镜的两次全反射后，就相当于在光线平移一个距离后的逆向传播，所以出射光线和最初的入射光线在一个平面内且方向相反；光线射入到第一个棱镜内，经过两次全反射后，出射光线与最初的入射光线相同，仅是位移上的一个平移，最终光线经过多次来回反射射出吸收池，如图4所示；当等腰直角棱镜沿着光轴方向的间距减小时，光程大大的增强了，如图5所示。

Claims (3)

1.一种基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池，包括吸收腔，吸收腔的长度沿着Z轴方向，吸收腔的宽度沿着X轴方向，吸收腔的高度沿着Y轴方向，其特征在于：所述吸收腔内设有沿Z方向排列的四个等腰直角棱镜，所述四个等腰直角棱镜分为两对棱镜组合，第一对棱镜组合为完全一样的第二等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜，所述第二等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜的侧棱沿着X轴方向放置，其对应斜边侧面相互平行放置，相应斜边侧面之间沿着等腰直角棱镜光轴方向的间距d可调；第二对棱镜组合为完全一样的第一等腰直角棱镜和第四等腰直角棱镜，所述第一等腰直角棱镜和第四等腰直角棱镜的侧棱沿着Y轴方向放置，其相应斜边侧面相互平行放置，相应斜边侧面之间沿着等腰直角棱镜光轴方向的间距D可调。

2.根据权利要求1所述的一种基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池，其特征在于：所述第一等腰直角棱镜和所述第二等腰直角棱镜位接触或非接触，所述第三等腰直角棱镜和所述第四等腰直角棱镜位接触或非接触。

3.根据权利要求1所述的一种基于组合棱镜的倍增光程开放式新型吸收池，其特征在于：所述第一组等腰直角棱镜的两直角边都为a，直角棱镜斜边为1.41a，侧棱边为b，当光线在第一组棱镜横向传播时，反射次数为所述第二组等腰直角棱镜的两直角边都为c，直角棱镜斜边为1.41c，侧棱边为e；当光线在第二组棱镜竖直传播时，反射次数为所述b略大于1.41c+d，所述D略大于d。