CN108627477A - 一种光腔结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光腔结构，包括腔体、腔体支架、进、出光口调节单元，腔体支架包括第一、二支架本体以及支柱，所述支柱设置在所述第一、二支架本体之间；所述第一、二支架本体分别包括第一、二底座及第一、二支座；所述腔体的第一、二端分别设置在所述第一、二支座上；所述进、出光口调节单元分别与所述腔体的第一、二端连接；所述进光口调节单元设置在所述第一底座上，所述出光口调节单元设置在所述第二底座上；且所述第一、二底座分别用于支撑所述进、出光口调节单元。本申请通过具有多维可调节性的光腔，可以调节高反镜的角度和光腔长度，从而保证激光在光腔内能进行多次反射且与光腔模式匹配。

Description

一种光腔结构
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，特别是涉及一种光腔结构。
背景技术
光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS)是近些年迅速发展起来的一种吸收光谱检测技术，通过一种吸收光谱检测系统来实现，该系统主要包括衰荡光腔、激光器和探测器。衰荡光腔的主要组成部分是置于两端的高反射率的反射镜，光从一端进入，在腔体里面来回反射形成振荡并最终射出光腔。在激光与光腔形成振荡之后关闭入射光，则由于腔内存在着吸收、散射等损耗，右端出射光的强度会随着时间不断减弱。当激光模式与衰荡光腔模式完美匹配时，激光在衰荡光腔内部来回反射形成稳定的驻波。此时切断入射光，若腔内存在着待测的样品气体，则在腔内形成振荡的激光在多次来回反射的过程中被样品不断吸收，另一端出射光的强度不断减弱。可以通过探测器测得不断减小的出射光的强度变化，得到光在腔内的衰荡曲线，从而得到有关样品浓度的相关信息。
但是，在光腔衰荡光谱测量系统中，光腔模式需要与入射激光的模式形成完美匹配，即参考激光频率和光腔模式形成稳定共振，这首先需要参考光能在腔内进行多次反射后仍不偏离原始路线，在两块高反镜之间形成稳定的驻波，这可以通过微调高反镜的角度来实现激光传播方向的调节；其次，也需要微调光腔长度来调整光腔模式，保证光腔模式能与参考激光频率形成振荡。此外，光腔衰荡光谱系统用于测量气体成份量，通光部分在实际测量中会充满待测样品气体，因此气路部分必须保证真空密闭性。但是现有技术并不能保证衰荡光腔在不影响光腔真空密闭性的情况下，同时实现激光传播方向和光腔长度的可调节性。
发明内容
本发明提供了一种光腔结构，以解决现有技术无法实现在不影响光腔真空密闭性的情况下，对激光传播方向和光腔长度的调节。
为了解决上述问题，本发明公开了一种光腔结构，其特征在于，包括腔体、腔体支架、进光口调节单元以及出光口调节单元，其中：所述腔体支架包括第一支架本体、第二支架本体以及支柱，所述支柱设置在所述第一支架本体及第二支架本体之间；所述第一支架本体包括第一底座及第一支座，且所述第一底座及第一支座之间呈第一特定角度；所述第二支架本体包括第二底座及第二支座，且所述第二底座及第二支座之间呈第二特定角度；所述腔体的第一端设置在所述第一支座上，所述腔体的第二端设置在所述第二支座上，且所述第一支座及第二支座用于支撑所述腔体；所述进光口调节单元与所述腔体的第一端连接，所述出光口调节单元与所述腔体的第二端连接；所述进光口调节单元设置在所述第一底座上，所述出光口调节单元设置在所述第二底座上；且所述第一底座用于支撑所述进光口调节单元，所述第二底座用于支撑所述出光口调节单元。
可选地，所述进光口调节单元从远离所述第一支座的一端到靠近所述第一支座的一端依次包括压电陶瓷、进光口高反镜以及进光口调节结构，且所述进光口高反镜设置于所述压电陶瓷靠近所述第一支座的一端。
可选地，所述进光口调节单元还包括第一密封件及进光口连接件，所述第一密封件形成筒体，且所述压电陶瓷设置于所述筒体内部，所述进光口连接件用于连接所述第一密封件、所述进光口调节结构以及所述腔体的第一端。
可选地，所述进光口连接件包括第一进光口连接件、第二进光口连接件以及第三进光口连接件，其中，所述第一进光口连接件设置于所述第一密封件靠近所述第一支座的一端；所述第二进光口连接件设置于所述进光口调节结构内部；所述第三进光口连接件设置于所述进光口调节结构靠近所述第一支座的一端；且所述第一进光口连接件与所述第二进光口连接件远离所述第一支座的一端连接；所述第三进光口连接件与所述第二进光口连接件靠近所述第一支座的一端连接。
可选地，所述第三进光口连接件靠近所述第一支座的一端包括进气口及通光孔，所述进气口用于往腔体内部充样品气体，所述通光孔与所述腔体的第一端连通。
可选地，所述出光口调节单元包括出光口高反镜以及出光口调节结构，其中，所述出光口高反镜设置在所述出光口调节结构内部，且位于远离所述第二支座的一端。
可选地，所述出光口调节单元还包括第二密封件及出光口连接件；所述第二密封件与所述出光口调节结构连接，且位于远离所述第二支座的一端；所述出光口连接件用于连接所述第二密封件、出光口调节结构以及所述腔体的第二端。
可选地，所述出光口连接件包括第一出光口连接件以及第二出光口连接件；所述第一出光口连接件设置于所述出光口调节结构内部；所述第二出光口连接件设置于所述出光口调节结构靠近所述第二支座的一端；所述第一连接件与所述第二连接件远离所述第二支座的一端连接。
可选地，所述第二连接件靠近所述第二支座的一端包括出光孔，所述出光孔与所述腔体的第二端连通。
可选地，所述支柱包括第一支柱、第二支柱、第三支柱及第四支柱。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
本申请提供的光腔结构包括调节单元该调节单元可以实现对高反镜角度的调节，且该光腔结构还包括压电陶瓷可以实现对光腔长度的调节，从而保证激光在光腔内能进行多次反射且与光腔模式匹配，为光腔衰荡光谱技术提供性能良好的衰荡光腔。
附图说明
图1是实施例一提供的一种光腔结构的示意图；
图2是实施例一提供的光腔结构的主视图；
图3是实施例一提供的光腔结构的腔体及进、出口调节单元连接方式的示意图；
图4是实施例一提供的光腔结构的腔体及进、出光口调节单元形成的通光部分的示意图；
图5是实施例一提供的光腔结构的第一支架本体的三维视图；
图6是实施例一提供的光腔结构的第一支架本体的左视图；
图7是实施例一提供的光腔结构的进光口调节单元的结构示意图；
图8是实施例一提供的光腔结构的进光口调节单元的第一局部结构示意图；
图9是实施例一提供的光腔结构的进光口调节单元的第二局部结构示意图；
图10是实施例一提供的光腔结构的进光口调节单元的第三局部结构示意图；
图11是实施例一提供的光腔结构的进光口调节单元的第四局部结构示意图；
图12是实施例一提供的光腔结构的出光口调节单元的结构示意图；
图13是实施例一提供的光腔结构的出光口调节单元的第一局部结构示意图；
图14是实施例一提供的光腔结构的进光口调节单元的第二局部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，示出了本发明一种光腔结构，包括腔体100、腔体支架200、进光口调节单元300以及出光口调节单元400。
其中，参照图2示出的腔体支架的主视图，所述腔体支架200包括第一支架本体210、第二支架本体220以及设置在所述两个支架本体之间的支柱230；所述第一支架本体210包括第一底座211及第一支座212，且所述第一底座211及第一支座212之间呈第一特定角度；所述第二支架本体220包括第二底座221及第二支座222，且所述第二底座221及第二支座222之间呈第二特定角度；所述腔体100的第一端设置在所述第一支座212上，所述腔体的第二端设置在所述第二支座222上，且所述第一支座212及第二支座222用于支撑所述腔体100；所述进光口调节单元300与所述腔体100的第一端连接，所述出光口调节单元400与所述腔体100的第二端连接；所述进光口调节单元300设置在所述第一底座211上，所述出光口调节单元400设置在所述第二底座221上，且所述第一底座211用于支撑所述进光口调节单元300，所述第二底座221用于支撑所述出光口调节单元400。
其中，优选地，所述第一特定角度及第二特定角度相同，例如均为90度。
对于选材，腔体100例如采用焊接波纹管结构，解决腔体100中间部分的可调行和弯曲性问题，并且长度可小范围变化，强度比较高，既可以缓冲因温度变化导致光腔长度变化，又可以使保证一定的强度，不会阻碍光在光腔中的传播。进光口调节单元300及出光口调节单元400可以采用不锈钢。
图3示出了腔体100、进光口调节单元300、出光口调节单元400连接方式的示意图。具体地，在安装时，进光口调节单元300安装于第一底座211上，且出光口调节单元400安装于第二底座221上，位于中间的腔体100采用VCR连接方式安装在两个调节单元的内侧通光管上。安装完成的通光部分参见图4。
另外，优选地，在选材中，所述第一、第二底座可采用304不锈钢，增加整个光腔系统的稳定性。支柱230采用低膨胀率铟瓦合金，其膨胀系数约为1μm/℃，有效减小了因温度漂移和环境震动带来的光腔长度的变化。例如，第一底座211与第一支座212例如垂直设置，第一支架本体210的三维示意图参见图5，第一支架本体210的左视图参见图6。
进一步地，为了实现激光传播方向的可调节性和光腔长度的可调节性，且不影响光腔真空密闭性，本申请对进、出光口调节单元进行了优化设计，参加下述详细说明。
可选地，所述进光口调节单元300从远离所述第一支座212的一端到靠近所述第一支座212的一端依次包括压电陶瓷、进光口高反镜以及进光口调节结构，且所述进光口高反镜设置于所述压电陶瓷靠近所述第一支座212的一端。
进一步地，所述进光口调节单元300还包括第一密封件及进光口连接件，所述第一密封件形成筒体，且所述压电陶瓷设置于所述筒体内部，所述进光口连接件用于连接所述第一密封件、所述进光口调节结构以及所述腔体100的第一端。
更进一步，所述进光口连接件包括第一进光口连接件、第二进光口连接件以及第三进光口连接件，其中，所述第一进光口连接件设置于所述第一密封件靠近所述第一支座的一端；所述第二进光口连接件设置于所述进光口调节结构内部；所述第三进光口连接件设置于所述进光口调节结构靠近所述第一支座的一端；且所述第一进光口连接件与所述第二进光口连接件远离所述第一支座的一端连接；所述第三进光口连接件与所述第二进光口连接件靠近所述第一支座的一端连接。
其中，所述第三进光口连接件靠近所述第一支座212的一端包括进气口及通光孔，所述进气口用于往腔体内部充样品气体，所述通光孔与所述腔体1的第一端连通。
图7示出了一种进光口调节单元的结构示意图。参照图7，该进光口调节单元300可以包括四个部分：
图8示出了第一局部310的结构示意图，该部分包括防尘件(例如：防尘镜)311、第一密封件(例如：圆筒)312、压电陶瓷313、高反镜314以及第一进光口连接件315(例如：连接法兰盘)，其中圆筒312与防尘镜311用于密封，高反镜314安装在压电陶瓷313上，压电陶瓷313外接电压放大驱动器，通过调节电压来带动压电陶瓷313的前后移动，从而带动高反镜314的运动，实现光腔长度的调节，连接法兰盘315用于与后续部件连接。
图9示出了进光口调节单元300第二局部320的结构示意图，该部分包括内嵌支架321以及第二进光口连接件322。具体的，第二进光口连接件322例如可以由第一子连接件(左端连接法兰盘)3221、第二子连接件(右端连接法兰盘)3222以及波纹管323构成，且第二子连接件3222固定于内嵌支架321的底部。所采用的波纹管323用于连接第一、第二子连接件(3221及3222)，且波纹管323的弹性好、可压缩范围大，可以满足压电陶瓷微米量级运动的要求足。如此一来，第一局部310与第二局部320通过第一进光口连接件315与第一子连接件3221相连，中间使用铜垫片密封。此外，内嵌支架321用于将连接好的第一局部310及第二局部320安装在第三局部330的进光口调节结构331上。
图10示出了进光口调节单元300第三局部330的结构示意图，可见，该部分包括：进光口调节结构331及第三子连接件332(例如：连接法兰盘)。其中，该进光口调节结构331例如为多为调节结构，可以安装四个手调螺母和四个连接螺母，通过该精密调节手调螺母可以改变端面的角度，从而改变安装在多维调节结构上的第一局部310及第二局部320的部分角度，从而改变高反镜340的角度，以确保激光在光腔内实现多次往返反射。另外，第三子连接件332用于与后续部件连接。
图11示出了进光口调节单元300第四局部即第三进光口连接件340的结构示意图，可见，该第三进光口连接件340包括第四子连接件341(最左侧连接法兰盘)、第五子连接件342(位于中间的连接法兰盘)以及第六子连接件343(最右侧的连接法兰盘)。其中，位于中间的连接法兰盘中间带有进气口，位于最右侧的连接法兰盘中间带有通光孔。如此一来，第四子连接件341用于与第三子连接件332及第五子连接件342连接，从而将第三局部330及第四局部340连接且连接处采用铜垫片密封。第五子连接件342带有的进气口可以往光腔内部充样品气体，满足后续气体测量的要求。第六子连接件343通过四个螺母与第一支座212连接，同时连接第五子连接件342并将整个进光口调节结构331安装于第一底座211上。
可选地，所述出光口调节单元400包括出光口高反镜以及出光口调节结构，其中，所述出光口高反镜设置在所述出光口调节结构内部，且位于远离所述第二支座的一端。
进一步地，所述出光口调节单元还包括第二密封件及出光口连接件；所述第二密封件与所述出光口调节结构连接，且位于远离所述第二支座的一端；所述出光口连接件用于连接所述第二密封件、出光口调节结构以及所述腔体的第二端。
再进一步，所述出光口连接件包括第一出光口连接件以及第二出光口连接件；所述第一出光口连接件设置于所述出光口调节结构内部；所述第二出光口连接件设置于所述出光口调节结构靠近所述第二支座的一端；所述第一连接件与所述第二连接件远离所述第二支座的一端连接。
其中，所述第二连接件靠近所述第二支座的一端包括出光孔，所述出光孔与所述腔体的第二端连通。
图12示出了一种出光口调节单元的结构示意图。参照图12，该出光口调节单元400包括四个部分：
图13示出了出光口调节单元的第一局部410即第二密封件(例如：带有防尘镜的密封法兰盘)的结构示意图。第二密封件410连接在第二局部420上，中间使用铜垫片密封，右侧安装防尘镜，在不影响通过的同时保证装置的密封性与清洁度。
图14示出了出光口调节单元400的第二局部420的结构示意图，可见，与进光口调节单元300相同：该部分也包括内嵌支架421以及第一出光口连接件422。具体的，第一出光口连接件422例如可以由第七子连接件(左端连接法兰盘)4221、第八子连接件(右端连接法兰盘)4222以及波纹管423构成，且第八子连接件4222固定于内嵌支架421的底部。如此一来，第一局部410与第二局部420通过第二密封件410与第七子连接件4221相连，中间使用铜垫片密封。此外，内嵌支架321用于将连接好的第一局部410及第二局部420安装在第三局部430的出光口调节结构431上。但是，不同于进光口调节单元的第二局部320，该部分还包括出光口高反镜424且该出光口高反镜424直接安装在第八子连接件4222中间。
其中，参照图12可知，该出光口调节单元400的第三局部430及第四局部440的结构分别与进光口调节单元300的第三局部330及第四局部340对称，参照上文描述即可，此处不再赘述。
优选地，参照图1所示，所述支柱230包括第一支柱231、第二支柱232、第三支柱233及第四支柱234，四根支柱的截面及尺寸相同，且对称固定连接第一支座212及第二支座222的四个角。例如，四根铟瓦合金支柱的两端通过螺母安装在第一支座212及第二支座222内侧。如此一来，支柱用于固定第一支架本体210及第二支架本体220，从而限制其水平向位移。
对于本申请，值得注意的是：
首先，选材上可以使用其他符合要求的材料，比如进、出光口调节单元采用的不锈钢可以换作其他硬度较大的材料，铟瓦合金可以换作其他热膨胀系数小的材料；
其次，本实施例中应用的腔体长度约1米，尺寸上略加修改也可以实现本发明目的；
第三，该发明中调节腔体长度选用的是压电陶瓷，如果有其他器件也可以随着外接电压的变化而前后移动，带动高反镜的移动，则也可以实现光腔长度的变化；
第四，光腔外形的设计稍加改变，也不影响整体功能的实现。比如支柱的数量、底座的形状等；
第五，本申请提供的光腔结构主要应用于光腔衰荡光谱技术，衰荡光腔是光腔衰荡光谱测量装置的重要组成部分。
综上所述，本申请提供的光腔结构与现有技术相比，至少包括如下效果：
本申请提供的光腔结构包括调节单元该调节单元可以实现对高反镜角度的调节，且该光腔结构还包括压电陶瓷可以实现对光腔长度的调节，从而保证激光在光腔内能进行多次反射且与光腔模式匹配，为光腔衰荡光谱技术提供性能良好的衰荡光腔。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上对本发明所提供光腔结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光腔结构，其特征在于，包括腔体、腔体支架、进光口调节单元以及出光口调节单元，其中：
所述腔体支架包括第一支架本体、第二支架本体以及支柱，所述支柱设置在所述第一支架本体及第二支架本体之间；
所述第一支架本体包括第一底座及第一支座，且所述第一底座及第一支座之间呈第一特定角度；
所述第二支架本体包括第二底座及第二支座，且所述第二底座及第二支座之间呈第二特定角度；
所述腔体的第一端设置在所述第一支座上，所述腔体的第二端设置在所述第二支座上；
所述进光口调节单元与所述腔体的第一端连接，所述出光口调节单元与所述腔体的第二端连接；
所述进光口调节单元设置在所述第一底座上，所述出光口调节单元设置在所述第二底座上。
2.根据权利要求1所述的光腔结构，其特征在于，所述进光口调节单元从远离所述第一支座的一端到靠近所述第一支座的一端依次包括压电陶瓷、进光口高反镜以及进光口调节结构，且所述进光口高反镜设置于所述压电陶瓷靠近所述第一支座的一端。
3.根据权利要求2所述的光腔结构，其特征在于，所述进光口调节单元还包括第一密封件及进光口连接件，所述第一密封件形成筒体，且所述压电陶瓷设置于所述筒体内部，所述进光口连接件用于连接所述第一密封件、所述进光口调节结构以及所述腔体的第一端。
4.根据权利要求3所述的光腔结构，其特征在于，所述进光口连接件包括第一进光口连接件、第二进光口连接件以及第三进光口连接件，其中，
所述第一进光口连接件设置于所述第一密封件靠近所述第一支座的一端；
所述第二进光口连接件设置于所述进光口调节结构内部；
所述第三进光口连接件设置于所述进光口调节结构靠近所述第一支座的一端；
且所述第一进光口连接件与所述第二进光口连接件远离所述第一支座的一端连接；
所述第三进光口连接件与所述第二进光口连接件靠近所述第一支座的一端连接。
5.根据权利要求4所述的光腔结构，其特征在于，所述第三进光口连接件靠近所述第一支座的一端包括进气口及通光孔，所述进气口用于往腔体内部充样品气体，所述通光孔与所述腔体的第一端连通。
6.根据权利要求1所述的光腔结构，其特征在于，所述出光口调节单元包括出光口高反镜以及出光口调节结构，其中，所述出光口高反镜设置在所述出光口调节结构内部，且位于远离所述第二支座的一端。
7.根据权利要求6所述的光腔结构，其特征在于，
所述出光口调节单元还包括第二密封件及出光口连接件；
所述第二密封件与所述出光口调节结构连接，且位于远离所述第二支座的一端；
所述出光口连接件用于连接所述第二密封件、出光口调节结构以及所述腔体的第二端。
8.根据权利要求7所述的光腔结构，其特征在于，
所述出光口连接件包括第一出光口连接件以及第二出光口连接件；
所述第一出光口连接件设置于所述出光口调节结构内部；
所述第二出光口连接件设置于所述出光口调节结构靠近所述第二支座的一端；
所述第一连接件与所述第二连接件远离所述第二支座的一端连接。
9.根据权利要求7所述的光腔结构，其特征在于，所述第二连接件靠近所述第二支座的一端包括出光孔，所述出光孔与所述腔体的第二端连通。
10.根据权利要求1所述的光腔结构，其特征在于，所述支柱包括第一支柱、第二支柱、第三支柱及第四支柱。
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