CN107064008A - 一种抗振动长光程气池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗振动长光程气池，克服了原有实验室利用空间光构建长气池的不足，将光纤准直器和光电探测器的安装位置相对固定，利用光纤输入和输出，大大提升了长光程气池的抗振动性能，可拓展光谱吸收技术在工业领域的应用。该装置包括长光程气池单元、光路调整单元、辅助单元和输入输出单元四个部分，其中长光程气池单元和光路调整单元是核心组件。长光程气池与辅助单元、光路调整单元、输入输出单元中的光纤连接器不可移动式机械连接，构成整体的无相对移动的系统。本发明具有抗振性能佳、适应环境能力强、操作简便、通用性强和检测误差小等显著优势。

Description

一种抗振动长光程气池

技术领域

本发明涉及光学传感检测技术领域，特别是一种抗振动长光程气池。

背景技术

在痕量气体检测中，由比尔兰伯特定律可知，对于某种待测气体，由气体吸收导致的衰减信号与气体的浓度和激光在气体中所经历的光程正相关。通过增加光程可以有效提升衰减信号的强度，所以长光程气池是实现高灵敏度传感的重要保障。

传统的多次反射长光程气池主要有赫里奥特气池(Herriott Cell)与怀特气池(White Cell)两种类型。怀特池的特点是其孔径角较大，适用于普通光源和激光光源；通过调节两个较小球面镜的偏转角度可以调节光在气池中的反射次数，从而实现对光程的调节，但在真空或高压强的封闭系统中难以调节；同时其所用的反射镜较多，结构较为复杂。相对怀特池而言，赫里奥特池仅由两个球面镜组成，光学系统较为简洁；同样可以利用较短距离实现长光程气池的设计并且其光路易于调节；虽然其孔径角较怀特池小。对于激光光谱吸收的系统和装置，在存在小扰动和振动的情形下，赫里奥特池性能更为稳定，是优选的抗振型气池。

Herriott气池是一种长光程吸收气池，可用于弱痕量气体吸收光谱应用中，比如环境监测、燃烧工序、医疗诊断，和基本的原子和分子物理学中。Herriott池的主要优点是它以紧凑的设计提供了相对较长的吸收光路，并且比高精细度的光学腔（这种光学腔通常需要空间模式匹配，精确的光学对准，或共振激发）简单得多。例如，设计腔长度是363 mm的Ø2英寸反射镜和Ø2 mm的光束，可实现12.5 m的光路长度。由于设备的简单性和稳定性，Herriott池提供了一种便利的工具来增加光束的光路长度，同时使设备保持紧凑且易于管理。

但是实际工业应用的过程中，不可避免存在因机械、电气等引起的振动，如烟尘的燃烧道监测。而长光程气池依赖相对空间位置的固定，容易受到振动影响。从而大大限制了光谱技术的应用和检测效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种抗振动长光程气池，本发明提高了工业应用场合下长光程气池的抗振动性能，操作简便、通用性强和检测误差小等显著优势。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种抗振动长光程气池，包括长光程气池单元、光路调整单元、辅助单元和输入输出单元，所述长光程气池单元包括密闭金属圆柱体、用于保证密封金属圆柱体密封性的近光端耦合窗片、设有通光孔的近光端反射镜面、远光端反射镜面及微距调节器，所述光路调整单元包括反射镜、光电探测器和准直器，所述辅助单元包括加热层和测量传感器，所述测量传感器包括压力传感器、温度传感器和温控模块，所述输入输出单元包括输入光纤、输出光纤、第一光纤连接器和第二光纤连接器；所述加热层包裹在密闭金属圆柱体外壁，近光端耦合窗片、近光端反射镜面均设置在密闭金属圆柱体的同一端，远光端反射镜面设置在密闭金属圆柱体的另一端；其中，

输入光纤，用于将外部输入的光传输至第一光纤连接器；

第一光纤连接器，用于将接收的光耦合为发散光输出至准直器；

准直器，用于将发散光变为平行光输入至反射镜；

反射镜，用于根据接收的平行光产生反射光，反射光经近光端耦合窗片入射至近光端反射镜面；

近光端反射镜面、远光端反射镜面，用于使反射光在密闭金属圆柱体中来回多次反射，从而增加反射光在密闭金属圆柱体内的光程，最终经多次反射后的光从近光端反射镜面的通光孔中出射至反射镜，反射镜再将其反射至光电探测器；

光电探测器，用于探测光的强度，并将探测后的光由第二光纤连接器、输出光纤输出；

微距调节器，用于调节远光端反射镜面，使得经多次反射后的光能够由近光端反射镜面的通光孔中出射至反射镜上；

压力传感器，用于测量密封金属圆柱体内部的压强；

温度传感器，设置在密封金属圆柱体的表面，用于将测量出的温度输出至温控模块；

温控模块，用于根据温度传感器测量出的温度，控制密封金属圆柱体的表面温度始终在预设的温度范围内。

作为本发明所述的一种抗振动长光程气池进一步优化方案，所述长光程气池单元与辅助单元、光路调整单元、第一光纤连接器、第二光纤连接器分别为不可移动式机械连接。

作为本发明所述的一种抗振动长光程气池进一步优化方案，所述近光端耦合窗片与反射镜空间间距不超过5厘米。

作为本发明所述的一种抗振动长光程气池进一步优化方案，近光端反射镜面和远光端反射镜面的镀层为金以及二氧化铪保护层。

作为本发明所述的一种抗振动长光程气池进一步优化方案，所述输入输出单元与光路调整单元通过光纤连接。

作为本发明所述的一种抗振动长光程气池进一步优化方案，所述密闭金属圆柱体的材质为镀镍铝，并安装有进气阀和出气阀。

作为本发明所述的一种抗振动长光程气池进一步优化方案，所述光电探测器和准直器固定安装在同一整体面板中。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）抗振性能佳：本发明中克服了原有实验室利用空间光构建长气池的不足，将光纤准直器和光电探测器的安装位置相对固定，利用光纤输入和输出，大大提升了长光程气池的抗振动性能，可拓展光谱吸收技术在工业领域的应用；

（2）适应环境能力强；本发明中的长光程气池设置了高气密性腔体和辅助单元，增设加热层和温度、内部压强测量传感器，一方面可以控制恒定温度或压强，避免温度或压强变化对测量结果的影响；另一方面，可以通过测量到的实时参量信息进行检测结果校正以便减低检测误差；

（3）操作简便、通用性强：所发明的长光程气池无需调节和准直，直接在光纤连接器上接入光纤即可，操作简便，并对不同波长的激光或光源具有良好的通用性；

（4）检测误差小：通过上述分析可以知道，该装置能够应对不同温度、压强和振动环境下的使用，削弱了受环境参数的影响，还可通过环境参数控制或补偿校正等方式减小测量误差；因此，本发明具有抗振性能佳、适应环境能力强、操作简便、通用性强和检测误差小等显著优势；可服务于不同检测需求的工业场合，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是抗振动长光程气池的设计框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

影响系统灵敏主要包括电路和光路两方面：电子元器件的噪声、漂移；光路耦合状态的变化、光源输出的不稳定；环境因素（振动、温度）对电路和光路的影响等。杂散的布置容易引入不确定的因素和干扰，为了能够进一步提高气池的抗干扰和抗振动性能，在上述赫里奥特气池的基础上，提高集成度，设计了一种一体化的检测气池，将光纤准直器以及光电探测器均安装于气池入光侧，图1是抗振动长光程气池的设计框图，一种抗振动长光程气池，包括长光程气池单元、光路调整单元、辅助单元和输入输出单元，所述长光程气池单元包括用于保证密封金属圆柱体密封性的近光端耦合窗片、设有通光孔的近光端反射镜面、密闭金属圆柱体、远光端反射镜面及微距调节器，所述光路调整单元包括反射镜、光电探测器和准直器，所述辅助单元包括加热层和测量传感器，所述测量传感器包括压力传感器、温度传感器和温控模块，所述输入输出单元包括输入光纤、输出光纤、第一光纤连接器、和第二光纤连接器；所述加热层包裹在密闭金属圆柱体外壁，近光端耦合窗片、近光端反射镜面均设置在密闭金属圆柱体的同一端，远光端反射镜面设置在密闭金属圆柱体的另一端；其中，

输入光纤，用于将外部输入的光传输至第一光纤连接器；

第一光纤连接器，用于将接收的光耦合为发散光输出至准直器；

准直器，用于将发散光变为平行光输入至反射镜；

反射镜，用于根据接收的平行光产生反射光，反射光经近光端耦合窗片入射至近光端反射镜面；

近光端反射镜面、远光端反射镜面，用于使反射光在密闭金属圆柱体中来回多次反射，从而增加反射光在密闭金属圆柱体内的光程，最终经多次反射后的光从近光端反射镜面的通光孔中出射至反射镜，反射镜再将其反射至光电探测器；

光电探测器，用于探测光的强度，并将探测后的光由第二光纤连接器、输出光纤输出；

微距调节器，用于调节远光端反射镜面，使得经多次反射后的光能够由近光端反射镜面的通光孔中出射至反射镜上；

压力传感器，用于测量密封金属圆柱体内部的压强；

温度传感器，设置在密封金属圆柱体的表面，用于将测量出的温度输出至温控模块；

温控模块，用于根据温度传感器测量出的温度，控制密封金属圆柱体的表面温度始终在预设的温度范围内。

一体化赫里奥特气池通过光纤接入激光光路，克服了空间光传感易受环境影响的不足。另外，在该气池中集成了Honeywell压力传感器、温度传感器和辅助的温控模块。赫里奥特池的长设计为340.0 mm，侧边外径63.5 mm，气池体积为0.24 L，气池材质为镀镍铝，可承受气体压力范围为0.01~12 kPa。其中，耦合孔直径为3.3 mm，耦合孔外的耦合窗为直径25.0 mm，厚3 mm的石英窗片。该气池的球面境均选用THORLABS公司的Herriott池反射镜，其中具有离轴孔的近端镜面型号为CM508-200EH4-M02，无通孔镜面型号为CM508-200-M02，直径均为50.8 mm。两镜面镀层为金以及二氧化铪（HfO2）保护层，采用镀金镜面因而镜面具有大于98.5%的反射率，尽可能避免由于反射造成的光强衰减。同时，二氧化铪具有紫外到红外较宽的透明区域，其具有良好的热稳定性、较好的光学及机械特性，因而作为镀金镜面的保护层。该镜面表面粗糙度为20~10，面型精度为1/10波长（光波长为633 nm时）。

入射光在气池中共反射34次，总光程长度约为10.13 m。光谱吸收导致的衰减信号与气体的浓度和激光在气体中所经历的光程正相关，但是当光程增大时，激光在透镜处的反射损耗越大，穿过气体后，所到达探测器处的光强减小，因而对激光器的性能及探测器的灵敏度要求提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抗振动长光程气池，其特征在于，包括长光程气池单元、光路调整单元、辅助单元和输入输出单元，所述长光程气池单元包括密闭金属圆柱体、用于保证密封金属圆柱体密封性的近光端耦合窗片、设有通光孔的近光端反射镜面、远光端反射镜面及微距调节器，所述光路调整单元包括反射镜、光电探测器和准直器，所述辅助单元包括加热层和测量传感器，所述测量传感器包括压力传感器、温度传感器和温控模块，所述输入输出单元包括输入光纤、输出光纤、第一光纤连接器和第二光纤连接器；所述加热层包裹在密闭金属圆柱体外壁，近光端耦合窗片、近光端反射镜面均设置在密闭金属圆柱体的同一端，远光端反射镜面设置在密闭金属圆柱体的另一端；其中，

输入光纤，用于将外部输入的光传输至第一光纤连接器；

第一光纤连接器，用于将接收的光耦合为发散光输出至准直器；

准直器，用于将发散光变为平行光输入至反射镜；

反射镜，用于根据接收的平行光产生反射光，反射光经近光端耦合窗片入射至近光端反射镜面；

近光端反射镜面、远光端反射镜面，用于使反射光在密闭金属圆柱体中来回多次反射，从而增加反射光在密闭金属圆柱体内的光程，最终经多次反射后的光从近光端反射镜面的通光孔中出射至反射镜，反射镜再将其反射至光电探测器；

光电探测器，用于探测光的强度，并将探测后的光由第二光纤连接器、输出光纤输出；

微距调节器，用于调节远光端反射镜面，使得经多次反射后的光能够由近光端反射镜面的通光孔中出射至反射镜上；

压力传感器，用于测量密封金属圆柱体内部的压强；

温度传感器，设置在密封金属圆柱体的表面，用于将测量出的温度输出至温控模块；

温控模块，用于根据温度传感器测量出的温度，控制密封金属圆柱体的表面温度始终在预设的温度范围内。

2.根据权利要求1所述的一种抗振动长光程气池，其特征在于，所述长光程气池单元与辅助单元、光路调整单元、第一光纤连接器、第二光纤连接器分别为不可移动式机械连接。

3.根据权利要求1所述的一种抗振动长光程气池，其特征在于，所述近光端耦合窗片与反射镜空间间距不超过5厘米。

4.根据权利要求1所述的一种抗振动长光程气池，其特征在于，近光端反射镜面和远光端反射镜面的镀层为金以及二氧化铪保护层。

5.根据权利要求1所述的一种抗振动长光程气池，其特征在于，所述输入输出单元与光路调整单元通过光纤连接。

6.根据权利要求1所述的一种抗振动长光程气池，其特征在于，所述密闭金属圆柱体的材质为镀镍铝，并安装有进气阀和出气阀。

7.根据权利要求1所述的一种抗振动长光程气池，其特征在于，所述光电探测器和准直器固定安装在同一整体面板中。