CN106707524B - 一种透过增强型离轴积分腔结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透过增强型离轴积分腔结构，该离轴积分腔结构包括激光器、第一腔镜和第二腔镜，第一腔镜和第二腔镜均为平凹镜，第一腔镜和第二腔镜的凹面相对设置组成一个光腔，第一腔镜的平面为非抛光面，第一腔镜的凹面为精抛光面且镀有高反膜，第一腔镜上开设有一个锥孔，第二腔镜的平面和凹面均为精抛光面，第二腔镜的凹面镀有高反膜，激光器发出的光束经过锥孔入射到第二腔镜的凹面后，经反射回到第一腔镜的凹面，再反射回第二腔镜的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜的凹面及第二腔镜的凹面上形成光斑，同时有大量微弱光束经第二腔镜高反膜透过射出形成所需的探测光。本发明具有透射的探测光光强高、结构简单以及制造和使用成本低的优点。

Description

一种透过增强型离轴积分腔结构
技术领域
本发明涉及积分腔输出光谱探测技术领域，具体涉及一种透过增强型离轴积分腔结构。
背景技术
吸收光谱探测技术被广泛的应用于大气痕量气体、同位素、自由基及分子光谱探测与研究，增加有效吸收光程和提高透过光强是提升其探测灵敏度的两个关键因素。
在吸收光程方面，光学多通池技术、腔衰荡吸收光谱技术(“Cavity Ring-downOptical Spectrometer for Absorption Measurements Using Pulsed Laser Sources”，Review of Scientific Instruments，1988，59(12)：2544～2511)、积分腔输出光谱腔或增强吸收光谱(“Integrated Cavity Output Analysis of Ultra-Weak Absorption”，Chemical Physics Letter，1998，293(5～6)：331～336)及离轴积分腔输出光谱技术(“Sensitive Absorption Measurements In The Near-infrared Region Using Off-axis Integrated Cavity-output Spectroscopy”，Apply Physics B，2002，75(2～3)：261～265；美国专利US6795190及“Wavelength Modulated Off-axis Integrated CavityOutput Spectroscopy In The Near Infrared”，Apply Physics B，2007，86(2)：353～359)先后被提出用来增加吸收光程，提高探测灵敏度。
光学多通池(如Herriot型、White型及Chernin型、柱面镜型、像散镜型等)将入射光束在两片反射镜之间多次反射后出射，使得光程为基长的几十倍提高，但仍然限制在几十米到两百多米范围内。腔衰荡吸收光谱与腔增强吸收光谱技术装置类似，都利用由两片高反镜(反射率R>99％)组成的高精细度光学谐振腔，使入射光在谐振腔内无限的来回反射，可以在短基长下实现数公里的光程，具有很高的探测灵敏度。其不同点在于腔衰荡光谱探测的为衰荡时间，而腔增强光谱探测的为透过光的光强，装置相较于腔衰荡光谱简单，但由于光学谐振腔不可避免的干涉效应造成探测光强的波动，探测灵敏度相对于腔衰荡光谱要稍低。
离轴积分腔输出光谱技术是在传统共轴积分腔基础上将入射光离轴入射(如图1所示)，形成类似腔内光束无限循环反射的光学多通池，在镜面上形成Herriott型的圆形/椭圆形光斑或柱面镜/像散镜型的利萨如光斑，所需装置更为简单，系统稳定性要求低，且能有效避免谐振腔的干涉影响，有效提高探测灵敏度。当前已有报道显示该方法能实现高于CRDS的探测灵敏度(“Design Considerations In High Sensitivity Off-axisIntegrated Cavity Output Spectroscopy”，Apply Physics B，2008，92：467-474)。
共轴/离轴积分腔输出光谱的其基本原理为：若入射光强为I0，腔镜反射率相同都为R＝R1＝R2，腔长为d，单程吸收为α，则可实现的吸收程长为：
若为腔内无吸收，即空腔时，有α＝0，吸收程长公式变为L＝d/(1-R)，其中1/(1-R)为光程增益因子，例如基长d＝50cm和腔镜反射率R＝99.98％时可实现L＝2.5km的空腔光程。
若忽略腔镜对光的吸收，透过光强可表示为：
通过吸收程长公式和透过光强公式可以看出，腔镜反射率R越高，光程增益越大，相应的透过光强就越低。R和透过光强之间有一个平衡折中，并非增加R就一定能提高探测灵敏度，当透过光强弱到一定程度时，增加R反而会降低灵敏度。反射率R与透过光强的矛盾关系限制了离轴积分腔探测灵敏度的进一步提升。
美国专利US20140319352提出一种提高离轴积分腔透过光强的技术方案，如图2所示，通过在样品光腔前再加一前级光腔，将入射光离轴入射样品腔时被高反镜反射回的部分通过前级腔来回反射再次进入样品腔，以增强最终透过探测光的光强，但该方法不但使得系统结构更加复杂，而且无法避免入射光经样品腔第一块腔镜后直接锐减为(1-R)I0的事实，无法根本上解决问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种透过增强型离轴积分腔结构，用以解决现有的积分腔透射的探测光的光强低、结构复杂以及制造和使用成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种透过增强型离轴积分腔结构，所述透过增强型离轴积分腔结构包括激光器、第一腔镜和第二腔镜，所述激光器为波长可调谐激光器，所述第一腔镜和第二腔镜均为平凹镜，所述第一腔镜和第二腔镜的凹面相对设置组成一个稳定光腔，所述第一腔镜的平面为非抛光面，所述第一腔镜的凹面为精抛光面且镀有高反膜，所述第一腔镜上开设有一个贯穿第一腔镜的锥孔，所述第二腔镜的平面和凹面均为精抛光面，所述第二腔镜的凹面镀有高反膜，所述激光器发出的光束经过所述锥孔入射到第二腔镜的凹面后，经反射回到第一腔镜的凹面，再反射回第二腔镜的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜的凹面及第二腔镜的凹面上形成光斑，同时有大量微弱光束经第二腔镜高反膜透过射出形成所需的探测光。
优选的，所述锥孔的大小能使所述激光器发出的平行光束穿过并离轴进入所述光腔。
优选的，所述第一腔镜和第二腔镜的凹面为曲率相同的球面。
优选的，所述第一腔镜和第二腔镜的间距和凹面的曲率取值使得离轴入射光束打破傍轴近似条件。
优选的，所述透过增强型离轴积分腔结构还包括空腔壳体，所述空腔壳体的前后两端分别开设有前端口和后端口，所述第一腔镜安装在所述前端口内，所述第二腔镜安装在所述后端口内，所述空腔壳体上还设置有与空腔壳体内部连通的第一进气嘴和第一出气嘴。
本发明具有如下优点：
(1)本发明的透过增强型离轴积分腔结构利用激光光束经第一腔镜的锥孔入射到光腔，而非直接透射第一腔镜的高反膜导致光强锐减，因此光强较传统离轴积分腔技术直接提高到了1/(1-R)倍，增加了探测光的光强，有效提高了信噪比，提高了探测灵敏度。
(2)本发明的透过增强型离轴积分腔结构使用球面腔镜及非旁轴近似条件实现密集复杂的光斑排列，避免了传统离轴积分腔使用球面镜仅能实现单圈的圆形或椭圆形Herriott型光斑图案，提高了镜面的使用效率，最大程度提升反射次数以达到光程增益因子。此外该装置还具有结构简单、制造和使用成本等低优点。
附图说明
图1为目前广泛应用的离轴积分腔的结构示意图。
图2为美国专利US20140319352所述的离轴积分腔的结构示意图。
图3为本发明实施例1透过增强型离轴积分腔结构的结构示意图。
图4为本发明实施例1透过增强型离轴积分腔结构用于大气甲醛探测时的结构示意图。
图5为本发明实施例2透过增强型离轴积分腔结构用于大气甲醛探测时的结构示意图。
图6为本发明透过增强型离轴积分腔结构在调光过程所产生的不同反射次数光斑图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图3和4所示，本实施例中示出了透过增强型离轴积分腔结构用于大气甲醛(HCHO)的探测，该透过增强型离轴积分腔结构包括激光器1、第一腔镜3和第二腔镜4。激光器1为波长可调谐激光器1，具体为3.5um带间级联激光器(3.5um ICL激光器)。空腔壳体23的前后两端分别开设有前端口和后端口，第一腔镜3安装在前端口内，第二腔镜4安装在后端口内，空腔壳体23上还设置有与空腔壳体23内部连通的第一进气嘴21和第一出气嘴22。第一进气嘴21设置在靠近空腔壳体23前端的位置，第一出气嘴22设置在靠近空腔壳体23后端的位置，第一进气嘴21用于向光腔2内通入待测大气样品，第一出气嘴22与抽气泵连接，通过抽气泵将光腔2内的气体抽走，以维持光腔2的连续采样及光腔2内的气压。第一腔镜3和第二腔镜4均为平凹镜，第一腔镜3和第二腔镜4的凹面相对设置组成一个稳定光腔2。第一腔镜3的平面为非抛光面，第一腔镜3的凹面为精抛光面且镀有高反膜，第一腔镜3上开设有一个贯穿第一腔镜3的锥孔31，锥孔31的大小能使激光器1发出的平行光束穿过并离轴进入光腔2，第二腔镜4的平面和凹面均为精抛光面，第二腔镜4的凹面镀有高反膜，在本实施例中，该高反膜的工作波长为3.5um。第一腔镜3和第二腔镜4的凹面为曲率相同的球面，第一腔镜3和第二腔镜4的间距和凹面的曲率取值使得离轴入射光束打破傍轴近似条件，傍轴近似条件为现有光学理论，在此不再详细介绍。激光器1发出的光束经过锥孔31入射到第二腔镜4的凹面后，经反射回到第一腔镜3的凹面，再反射回第二腔镜4的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜3和第二腔镜4的凹面上形成镜面利用率较高的多组同心圆环状光斑排列，其中，光束在光腔内来回反射次数接近1/(1-R)次，R为第一腔镜3或第二腔镜4高反膜的反射率。同时，有大量微弱光束经第二腔镜4高反膜透过射出，从而形成所需的探测光，探测光再经过聚光镜5会聚后被探测器6接收，最终得到探测结果，在本实施例中，聚光镜5为凸透镜，通过在第一腔镜3上设置锥孔31，激光光束经第一腔镜3的锥孔31入射到光腔，而非直接透射第一腔镜3的高反膜导致光强锐减，因此探测光强较传统离轴积分腔技术直接提高到了1/(1-R)倍，有效提高了信噪比，提高了探测器6的探测灵敏度。
实施例2
如图5所示，本实施例以实施例1为基础，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的聚光镜5为镀有1.653um高反膜的离轴抛物镜，对应的，当使用离轴抛物镜时，激光器1为DFB激光器，第一腔镜3和第二腔镜4的凹面均镀有1.653um的高反膜，离轴抛物镜将透过探测光进行90°反射会聚，并被探测器6接收，最终得到探测结果。
图6为上述实施例中所使用的球面镜产生的光斑图示例，该示例为调光过程所产生的不同反射次数光斑图。从图中可以看出相较于传统的离轴积分腔所使用的球面，其镜面使用率得到明显增加。并且该型光斑分布可在高反射次数下有效区分重叠，为积分腔调光带来便捷，避免光束较早由锥孔31出射造成光程增益不足。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种透过增强型离轴积分腔结构，所述透过增强型离轴积分腔结构包括激光器、第一腔镜和第二腔镜，所述激光器为波长可调谐激光器，所述第一腔镜和第二腔镜均为平凹镜，所述第一腔镜和第二腔镜的凹面相对设置组成一个稳定光腔，其特征在于，所述第一腔镜的平面为非抛光面，所述第一腔镜的凹面为精抛光面且镀有高反膜，所述第一腔镜上开设有一个贯穿第一腔镜的锥孔，所述第二腔镜的平面和凹面均为精抛光面，所述第二腔镜的凹面镀有高反膜，所述激光器发出的光束经过所述锥孔入射到第二腔镜的凹面后，经反射回到第一腔镜的凹面，再反射回第二腔镜的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜的凹面及第二腔镜的凹面上形成光斑，同时有大量微弱光束经第二腔镜高反膜透过射出形成所需的探测光；所述第一腔镜和第二腔镜的凹面为曲率相同的球面，所述第一腔镜和第二腔镜的间距和凹面的曲率取值使得离轴入射光束打破傍轴近似条件。
2.根据权利要求1所述的透过增强型离轴积分腔结构，其特征在于，所述锥孔的大小能使所述激光器发出的平行光束穿过并离轴进入所述光腔。
3.根据权利要求1所述的透过增强型离轴积分腔结构，其特征在于，所述透过增强型离轴积分腔结构还包括空腔壳体，所述空腔壳体的前后两端分别开设有前端口和后端口，所述第一腔镜安装在所述前端口内，所述第二腔镜安装在所述后端口内，所述空腔壳体上还设置有与空腔壳体内部连通的第一进气嘴和第一出气嘴。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109407310B (zh) * 2018-12-09 2020-07-10 山西大学 一种多通池的设计方法
CN110031426A (zh) * 2019-05-21 2019-07-19 江苏天鼎工程科技有限公司 一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪及分析方法
CN110146831B (zh) * 2019-05-30 2021-02-02 湖南科技大学 腔级联增强和灵敏度可调的原子气室
CN111562237A (zh) * 2020-05-26 2020-08-21 中国科学院合肥物质科学研究院 基于双光束腔增强光谱技术的co2、n2o稳定同位素同时探测装置及方法
CN112067582A (zh) * 2020-09-04 2020-12-11 中国科学院合肥物质科学研究院 基于腔增强吸收光谱技术探测水汽稳定同位素装置及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102253020A (zh) * 2011-05-03 2011-11-23 杭州电子科技大学 一种腔增强式空气中重金属含量检测装置
CN102735633A (zh) * 2012-06-28 2012-10-17 中国科学院合肥物质科学研究院 一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统
CN106053428A (zh) * 2016-05-25 2016-10-26 武汉理工大学 一种基于f‑p光学信号增强的石化载氢管道气体含量在线测量的传感装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102253020A (zh) * 2011-05-03 2011-11-23 杭州电子科技大学 一种腔增强式空气中重金属含量检测装置
CN102735633A (zh) * 2012-06-28 2012-10-17 中国科学院合肥物质科学研究院 一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统
CN106053428A (zh) * 2016-05-25 2016-10-26 武汉理工大学 一种基于f‑p光学信号增强的石化载氢管道气体含量在线测量的传感装置

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