CN105372820B - 一种多波长耦合同光路的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多波长耦合同光路的装置，第一、开孔多面反射镜是一种特制棱镜，外形如金字塔，含有四个45°镀金反射面，且沿轴线开2mm的通孔；第二、量子级联激光器1、2、3分布在棱镜3个反射面的周围，三者发出的准直光束入射到棱镜反射面后，光传播方向折转90°后出射；第三、处在棱镜背后的指示激光器(632.8nm)发出的光穿过棱镜中心孔作为光路调节的基准；第四、长焦离轴抛物面镜和短焦离轴抛物面镜构成的缩束镜将耦合光束缩束，光束直径缩束比d1/d2等于长、短焦离轴抛物面的反射焦距比f1/f2。该装置为可调谐半导体激光吸收光谱系统中多光谱信息融合，提供了一种有效的解决方案，有助于大气痕量气体监测仪器实现多组分气体的同时监测。

Description

一种多波长耦合同光路的装置
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种多波长耦合同光路的装置。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱是用单一窄带的激光频率扫描一条独立的气体吸收线，从而获得大气浓度等参数的光谱测量技术。现在其已经发展成了非常灵敏和常用的大气痕量气体监测技术，在该技术中融合不同红外光谱信息既可实现多组分气体的同时监测。
量子级联激光器是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。它有着超宽的光谱范围和极好的波长可调谐性，现已成为了可调谐半导体激光吸收光谱技术中常见的激光光源。
随着国家对烟气排放标准的提高，现有的环境监测仪器难以实现多种污染物的同时在线监测；多组分、高精度、高灵敏度的环境监测仪器将成为未来的发展趋势，而不同波长光谱信息融合与特征信号的提取是能否获得成功的前提。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在可调谐半导体激光吸收光谱系统中多波长耦合同光路的装置，该装置采用特制棱镜将量子级联激光器1、2、3发出的3束波长可调谐的激光束与指示激光器发出的光束进行耦合，采用长焦离轴抛物面镜与短焦离轴抛物面镜组成的缩束镜对光束进行缩束。合束后的激光束带有不同波长的光谱信息，运用在可调谐半导体激光吸收光谱系统中可现实多组分大气痕量气体的同时监测。该装置融合不同波长的光谱信息有助于环境监测仪器现实多组分气体的同时监测。
本发明采用的技术方案为：一种多波长耦合同光路的装置，包括金字塔形棱镜、波长为632.8nm的指示激光器、量子级联激光器1、量子级联激光器2、量子级联激光器3、长焦离轴抛物面镜和短焦离轴抛物面镜；波长为632.8nm的指示激光器发出的指示激光由金字塔形棱镜中心孔发出；量子级联激光器1、2、3发出的准直光束经特制棱镜的镀金反射面后，光传播方向发生90°折转，与指示激光形成多波长同光路激光束；多波长同光路激光束再经过长焦离轴抛物面镜、短焦离轴抛物面镜组成的缩束镜缩束，其缩束比d1/d2等于长、短焦离轴抛物面的反射焦距比f1/f2。
其中，金字塔形棱镜外形如金字塔，含有4个45°反射面，且在中心轴线上开有2mm的通孔。
其中，金字塔形棱镜反射面镀金膜且保证反射面对耦合波长都具有较高的反射率。
其中，在金字塔形棱镜背面的中心轴线上设置波长为632.8nm的红光激光器作为指示光束。
其中，量子级联激光器1波长在λ1附近；量子级联激光器2波长在λ2附近；量子级联激光器3波长在λ3附近；
其中，量子级联激光器1、2、3各自带有znse的准直透镜，准直透镜为双凸型。
其中，量子级联激光器1前的准直透镜，表面镀对波长为λ1附近光波具有高透效应的介质膜。
其中，量子级联激光器2前的准直透镜，表面镀对波长为λ2附近光波具有高透效应的介质膜。
其中，量子级联激光器3前的准直透镜，表面镀对波长为λ3附近光波具有高透效应的介质膜。
其中，量子级联激光器1、2、3与塔形特制棱镜反射面成45°角放置，各激光器的入射点尽量靠近棱镜的顶端。
其中，长焦离轴抛物面镜焦距为f1，反射面镀金膜。
其中，短焦离轴抛物面镜焦距为f2且要求f2<f1，反射面镀金膜。
其中，短焦离轴抛物面镜与长焦离轴抛物面镜焦点重合。
本发明的原理在于：
本发明涉及一种多波长耦合同光路的装置。第一、开孔多面反射镜是一种特制棱镜，外形如金字塔，含有四个45°镀金反射面，且沿轴线开2mm的通孔；第二、量子级联激光器1、2、3分布在棱镜3个反射面的周围，三者发出的准直光束入射到棱镜反射面后，光传播方向折转90°后出射；第三、处在棱镜背后的指示激光器(632.8nm)发出的光穿过棱镜中心孔作为光路调节的基准；第四、长焦离轴抛物面镜和短焦离轴抛物面镜构成的缩束镜将耦合光束缩束，光束直径缩束比d1/d2等于长、短焦离轴抛物面的反射焦距比f1/f2。该装置为可调谐半导体激光吸收光谱系统中多光谱信息融合，提供了一种有效的解决方案，有助于大气痕量气体监测仪器实现多组分气体的同时监测。
光束耦合部分由632.8nm的红光激光器、三个不同波长范围的量子级联激光器、一个塔形特制棱镜、三个准直透镜组成。三个不同波段的量子级联激光器发出的光经各自准直透镜，入射到金字塔形棱镜上发生反射，反射光与入射光成90°出射。红光激光器作为指示激光器，在光束耦合过程中起基准作用，其发出的可见光与经棱镜反射面反射的红外光一起形成具有四种不同波长的耦合光束。
缩束部分由一个长焦离轴抛物面镜和一个短焦离轴抛物面镜组成；多个光波耦合形成的光束经过缩束镜后，光束直径变为原有的f2/f1，f1为长焦离轴抛物面镜的焦距、f2为短焦离轴抛物面镜的焦距。光束经过缩束后大大的提高了耦合效率。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、利用特制的塔形棱镜对多种波长范围的光谱信息进行了融合，并将其运用在可调谐半导体激光吸收光谱系统中可现实多组分大气痕量气体的同时监测。
2、在耦合装置中加入了光束缩束镜，使光束直径大大减小，有效的提高了光束的耦合效率。
3、指示激光器的引入使得光路调试更为简单；利用反射原理进行光束耦合，使得同一装置在无需更换器件的条件下，即可对多种不同波长的光谱信息进行融合。
附图说明
图1为特制塔形棱镜；
图2为量子级联激光器与准直透镜；
图3为本发明的多波长耦合同光路装置的光路原理图；
图4为多波长耦合同光路装置的三维效果图；
图5为光束缩束前与缩束后耦合光斑的对比图；
图中：1、金字塔形棱镜，2、指示激光器(632.8nm红光激光器)，3、量子级联激光器1(波长在λ1附近)，4、量子级联激光器2(波长在λ2附近)，5、量子级联激光器3(波长在λ3附近)，6、长焦离轴抛物面镜，7、短焦离轴抛物面镜。
具体的实施方式
以下是结合附图对本发明的具体实施方式进行的详细阐述。
如图1所示，金字塔形棱镜拥有4个镀金反射面，中心轴线上开2mm的通孔，底部留有5mm厚的棱镜安装部。
如图2所示，量子级联激光器前放置双凸型znse准直透镜；激光器发出的光经准直透镜后光束发散角减小，有利于提高耦合效率。
如图3所示，多波长耦合同光路的装置由特制塔形棱镜、红光指示激光器、3个量子级联激光器、2个离轴抛物面镜组成；红光指示激光器位于棱镜背面，其发出的可见光光束中心与棱镜中心孔的轴线重合，作为耦合光束的基准。带有准直透镜的量子级联激光器1、2、3与棱镜上的3个反射面成45°角放置，三者发出具有一定发散角的激光束经棱镜反射后，其传播方向转变90°，与指示激光束耦合；耦合光束再依次经过长焦离轴抛物面镜和短焦抛物面镜后耦合光斑直径变小。
经过棱镜耦合后的光束，其直径为3个量子级联激光器光斑包络体的半径，其大小可以表示为3个量子级联激光器光束中心相对指示激光器光束中心的最大偏移量l，加上产生最大偏移量光斑的半径r，即l+r。为提高耦合效率，3个量子级联激光器应放置在棱镜顶端附近，使带有一定发射角的激光束在塔形棱镜上的入射点靠近金字塔的顶端，经过棱镜反射后，高斯光束的能量中心相对指示光束能量中心的位移量最小。
为减小光能在传输过程中的损失和抑制干涉现象的产生，要求量子级联激光器1前的znse准直透镜，两个透射面镀对λ1附近光波有强透射能力的介质膜；量子级联激光器2前的znse准直透镜，两个透射面镀对λ2附近光波有强透射能力的介质膜；量子级联激光器3前的znse准直透镜，两个透射面镀对λ3附近光波有强透射能力的介质膜；棱镜的四个反射面镀对耦合光波具有高反射率的金膜。
缩束镜由两个90°离轴抛物面镜组成，两个离轴抛物面镜反射表面镀金膜，焦距分别为f1和f2；如图4所示，长焦离轴抛物面的光轴与指示激光器同轴，两抛物面中心的连线与指示光束处在同一水平面上且要求两抛物面镜焦点重合；各波长激光束经棱镜耦合后，投射到长焦离轴抛物面镜上，光束传播方向发生90°偏转并汇聚在长焦离轴抛物面镜的焦平面上；而后，短焦离轴抛物面镜将汇聚在焦平面的光斑投射出去。
耦合光束经缩束镜后，光斑的变化如图5所示，其中图5(a)为未经过缩束镜之前的光斑，图5(b)为经过缩束镜后的光斑。在图中可以清晰的看到光束在经过缩束镜后缩小了很多，所以缩束镜的引入也大大的提高了光束耦合效率。

Claims (1)

1.一种多波长耦合同光路的装置，其特征在于：包括金字塔形棱镜、波长为632.8nm的指示激光器、量子级联激光器1、量子级联激光器2、量子级联激光器3、长焦离轴抛物面镜和短焦离轴抛物面镜；波长为632.8nm的指示激光器发出的指示激光由金字塔形棱镜中心孔发出；量子级联激光器1、2、3发出的准直光束经金字塔形棱镜的镀金反射面后，光传播方向发生90°折转，与指示激光形成多波长同光路激光束；多波长同光路激光束再经过长焦离轴抛物面镜、短焦离轴抛物面镜组成的缩束镜缩束，其缩束比d1/d2等于长、短焦离轴抛物面的反射焦距比f1/f2；
金字塔形棱镜外形如金字塔，含有4个45°反射面，且在中心轴线上开有2mm的通孔；
金字塔形棱镜反射面镀金膜且保证反射面对耦合波长都具有较高的反射率；
在金字塔形棱镜背面的中心轴线上设置波长为632.8nm的红光激光器作为指示光束；
量子级联激光器1波长在λ1附近；量子级联激光器2波长在λ2附近；量子级联激光器3波长在λ3附近；
量子级联激光器1、2、3各自带有znse的准直透镜，准直透镜为双凸型；
量子级联激光器1前的准直透镜，表面镀对波长为λ1附近光波具有高透效应的介质膜；
量子级联激光器2前的准直透镜，表面镀对波长为λ2附近光波具有高透效应的介质膜；
量子级联激光器3前的准直透镜，表面镀对波长为λ3附近光波具有高透效应的介质膜；
量子级联激光器1、2、3与塔形金字塔形棱镜反射面成45°角放置，各激光器的入射点尽量靠近棱镜的顶端；
长焦离轴抛物面镜焦距为f1，反射面镀金膜；
短焦离轴抛物面镜焦距为f2且要求f2<f1，反射面镀金膜；
短焦离轴抛物面镜与长焦离轴抛物面镜焦点重合。
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