CN109253799A - 一种衰荡腔装调方法和装调装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种衰荡腔装调装置和装调方法，以解决现有衰荡腔装调过程缺少便捷合理的调装设备无法形成高精度高稳定性调装过程的技术问题。装置包括：指示光源发生器，用于形成可见光频段的指示光源；小孔光阑，用于在指示光源光路上约束指示光和判断调节精度；可见光频段反射镜组，用于调节指示光源光路的方向；检测光源反射镜，用于在指示光源光路上改变检测光源光路形成检测光源光路的反射光路；探测器，用于在反射光路上接收检测光进行信号识别；可调小孔光阑，用于衰荡腔输出的检测光与相邻的指示光的光轴校准。避免了在检测光源与衰荡腔间增加辅助部件，保证了衰荡腔的系统级可靠性，克服了衰荡腔装调过程的人为误差和装调难度。

Description

一种衰荡腔装调方法和装调装置

技术领域

本发明涉及激光光谱调测技术领域，具体涉及一种衰荡腔装调装置和装调方法。

背景技术

现有技术中，腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)具有高灵敏度的光谱分辨率，在CRDS装置中，衰荡腔是必不可少的组成单元，也是最为精密的结构。由于衰荡腔多是利用光的干涉原理的谐振腔，因此需要较高的装调精度。

目前，衰荡腔的装调基本靠实验人员的经验及现有元件来实现，对于待测气体的吸收波长在可见光波段的衰荡光路可以直接利用检测光源进行装调。但由于气体在红外波段(近红外、中红外)有较为丰富的泛频吸收带和基频吸收带，且谱线强度较强，所以气体检测领域多采用肉眼不可见的红外波段的检测光源，因此需要额外的可见光源作为指示光源，如利用氦氖(He-Ne)激光器输出的波长为632.8nm的可见光做指示光源。通常利用分光棱镜合束，将指示光与检测光合束同轴输入衰荡腔，利用反射光辅助装调。

但是对于整机仪器或商品化仪器来说，将指示光源、光源与衰荡腔间加入的分光棱镜集成进设备，会影响光路结构及最终封装效果，在一定程度上也增大了仪器的体积及重量。对于灵敏度非常高的CRDS设备来说在检测光源与衰荡腔间增加元件会增加系统失调的风险。而在装调过程中采用可能产生光线角度变化的分光棱镜，在装调完毕后去掉分光棱镜将有可能使检测光光轴与衰荡腔光轴发生错位，形成CRDS中的腔失调问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种衰荡腔装调装置和装调方法，以解决现有衰荡腔装调过程缺少便捷合理的调装设备无法形成高精度高稳定性调装过程的技术问题。

本发明实施例的衰荡腔装调装置，包括：

指示光源发生器，用于形成可见光频段的指示光源。

小孔光阑，用于在指示光源光路上约束指示光和判断调节精度。

可见光频段反射镜组，用于调节所述指示光源光路的方向。

检测光源反射镜，用于在所述指示光源光路上改变检测光源光路形成所述检测光源光路的反射光路。

探测器，用于在所述反射光路上接收检测光进行信号识别。

可调小孔光阑，用于衰荡腔输出的所述检测光与相邻的所述指示光的光轴校准。

本发明一实施例中，所述小孔光阑包括：

第一小孔光阑，用于在所述指示光源光路的初始段约束所述指示光和判断调节精度；

第二小孔光阑，用于在所述指示光源光路的延展段约束所述指示光和判断调节精度。

本发明一实施例中，所述可见光频段反射镜组包括第一可见光频段反射镜和第二可见光频段反射镜，顺序设置所述指示光源发生器、所述第一小孔光阑、所述第一可见光频段反射镜、所述第二可见光频段反射镜、所述第二小孔光阑、所述检测光源反射镜和所述可调小孔光阑形成指示光源光路；

所述第一小孔光阑与所述指示光源光路的初始段共轴，所述第二小孔光阑与所述指示光源光路的延展段共轴，所述检测光源反射镜的透射面朝向所述第二小孔光阑，所述检测光源反射镜的反射面朝向所述可调小孔光阑，所述探测器设置于所述指示光源光路旁侧，所述探测器的感应面朝向所述检测光源反射镜的反射面。

本发明一实施例中，所述检测光源反射镜包括透射面和反射面，所述透射面采用高透光率镀膜，所述反射面采用高反射率镀膜。

本发明实施例的衰荡腔装调方法，包括：

采用上述任一所述的衰荡腔装调装置形成指示光源光路，采用检测光源形成检测光源光路；

通过所述可调小孔光阑调节所述指示光源光路和所述检测光源光路，使所述检测光与相邻的所述指示光光轴重合；

在所述检测光源光路中设置第一腔镜，调节所述第一腔镜当所述指示光经所述第一腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第一腔镜初步调节完毕；

在所述检测光源光路中预设位置顺序设置第二腔镜，调节所述第二腔镜当所述指示光经所述第二腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第二腔镜初步调节完毕；

通过所述检测器采集检测光信号，根据所述检测光信号强度调整腔镜间距，确定衰荡腔腔长；

用替代检测器替换所述衰荡腔装调装置。

本发明一实施例中，还包括所述衰荡腔装调装置初始化建立所述指示光源光路过程：

所述指示光源发生器和所述探测器加电；

调节所述可见光频段反射镜组、所述第一小孔光阑、所述第二小孔光阑、所述检测光源反射镜和所述可调小孔光阑建立所述指示光源光路；

调整所述检测光源反射镜设定所述检测光源光路的反射光路角度；

保持所述可调小孔光阑孔径至最小；

保持所述探测器位于检测光源光路的所述反射光路上，所述探测器感应面与所述检测光源光路的反射光路垂直。

本发明一实施例中，所述通过所述可调小孔光阑调节所述指示光源光路和所述检测光源光路，使指示光与检测光光轴重合包括：

在所述检测光源光路上设置一个参考小孔光阑；

调整所述参考小孔光阑与所述可调小孔光阑进行所述检测光和所述指示光的光轴重合校准；

所述光轴重合后撤除所述参考小孔光阑。

本发明一实施例中，所述在所述检测光源光路中设置第一腔镜，调节所述第一腔镜，当所述指示光经所述第一腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第一腔镜初步调节完毕包括：

利用三维位移镜架将所述第一腔镜设置在所述检测光源光路预设位置，使得所述第一腔镜的主轴与所述指示光方向基本一致；

利用所述三维位移镜架调整所述第一腔镜的主轴，使得射向所述检测光源光路的指示光经所述第一腔镜表面反射后返回所述可调小孔光阑。

本发明一实施例中，所述在所述检测光源光路中预设位置顺序设置第二腔镜，调节所述第二腔镜，当所述指示光经所述第二腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第二腔镜初步调节完毕包括：

利用三维位移镜架将所述第二腔镜设置在所述检测光源光路中位于所述第一腔镜与所述可调小孔光阑之间，使得所述第二腔镜的主轴与所述指示光方向基本一致；

利用所述三维位移镜架调整所述第二腔镜的主轴，使得射向所述检测光源光路的所述指示光经所述第二腔镜表面反射后返回所述可调小孔光阑。

本发明一实施例中，所述通过所述检测器采集检测光信号，根据所述检测光信号强度调整腔镜间距，确定衰荡腔腔长包括：

第一步，将所述探测器增益调至最大，通过示波器观察所述检测光信号强度变化，通过三维位移镜架沿主轴微调一个腔镜的位移，使所述检测光信号逐渐增强。

第二步：逐级降低所述探测器增益，重复所述第一步，直至在确定增益下所述检测光信号强度最大；

固定所述腔镜位置，所述衰荡腔初步装调完毕。

本发明一实施例中，

本发明实施例的衰荡腔装调装置和装调方法避免了在检测光源与衰荡腔间增加辅助部件，保证了衰荡腔的系统级可靠性。与装配过程中衰荡腔形成配合结构，便于检测光和指示光的共轴状态准确检测，使得指示光路具有适应装调过程的灵活性。提供了与检测光路紧密相关的探测器，保证了衰荡腔装配过程中细微误差可以及时准确地向装调人员反馈。克服了衰荡腔装调过程的人为误差和装调难度，降低了衰荡腔产品的系统性误差。

附图说明

图1所示为本发明实施例衰荡腔装调装置的剖视结构示意图。

图2所示为本发明实施例衰荡腔装调方法过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的衰荡腔装调装置如图1所示。在图1中，包括：

指示光源发生器，用于形成可见光频段的指示光源。

指示光源发生器可以采用激光发生器，通过对激光横模纵模特性的裁剪形成的可见光具有良好的指向性和单频特征。

第一小孔光阑，用于在指示光源光路的初始段约束指示光和判断调节精度。

第一小孔光阑具有确定的孔径和轴向，在指示光源光路到达可见光频段反射镜组前的初始段约束指示光光斑形状，同时利用遮挡性对指示光源光路的方向进行检验。

第二小孔光阑，用于在指示光源光路的延展段约束指示光和判断调节精度。

第二小孔光阑具有确定的孔径和轴向，在指示光源光路离开可见光频段反射镜组后的延展段约束指示光光斑形状，同时利用遮挡性对指示光源光路的方向进行检验。

可见光频段反射镜组，用于调节指示光源光路的方向。

利用至少一面反射镜形成指示光源光路的预定射向。反射镜的反射表面通过镀金属膜或介质膜提高对指示光的反射率，减少指示光偏振和过滤环境中近红外频段光源。反射镜可以采用平面镜。

检测光源反射镜，用于在指示光源光路上改变检测光源光路形成检测光源光路的反射光路。

在检测光源反射镜的透射面和反射面分别采用不同的镀膜，透射面采用高透光率镀膜以提高指示光波长在检测光源反射镜透射面的透光率，反射面采用高反射率镀膜以提高检测光波长在检测光源反射镜反射面的反射率。

探测器，用于在反射光路上接收检测光进行信号识别。。

利用探测器接收的检测光信号用于对衰荡腔是否形成谐振腔做出判断。针对近红外检测光源，优选近红外探测器(例如InGaAs探测器)以对检测光源输出波长具有良好的响应。优选增益可调探测器可以针对对快速有效装调过程中检测光光强较弱有效识别。探测器具有信号输出端口，通过信号输出端口可以将模拟信号或数字信号输出至示波器等观测仪器。

可调小孔光阑，用于衰荡腔输出的检测光与相邻指示光的光轴校准。

可调小孔光阑作为衰荡腔装调装置输出的指示光与衰荡腔输出的检测光进行光轴装调的调节部件，检验两个光轴的重合状态。

本发明实施例的衰荡腔装调装置避免了在检测光源与衰荡腔间增加辅助部件，保证了衰荡腔的系统级可靠性。与装配过程中衰荡腔形成配合结构，便于检测光和指示光的共轴状态准确检测，使得指示光路具有适应装调过程的灵活性。提供了与检测光路紧密相关的探测器，保证了衰荡腔装配过程中细微误差可以及时准确地向装调人员反馈。克服了衰荡腔装调过程的人为误差和装调难度，降低了衰荡腔产品的系统性误差。

如图1所示，本发明一实施例中，可见光频段反射镜组包括第一可见光频段反射镜30和第二可见光频段反射镜40，顺序设置指示光源发生器10、第一小孔光阑20、第一可见光频段反射镜30、第二可见光频段反射镜40、第二小孔光阑50、检测光源反射镜60和可调小孔光阑80形成指示光源光路，第一小孔光阑20与指示光源光路的初始段共轴，第二小孔光阑50与指示光源光路的延展段共轴，检测光源反射镜60的透射面61朝向第二小孔光阑50，检测光源反射镜60的反射面62朝向可调小孔光阑80，探测器70设置于指示光源光路旁侧，探测器70的光信号接收镜头或传感器感应面朝向检测光源反射镜60的反射面62，且轴线与检测光源光路的反射光路重合。

本发明实施例的衰荡腔装调装置利用第一可见光频段反射镜30和第二可见光频段反射镜40形成了指示光路的路由优化使得装调装置具有较小的结构尺寸可以灵活适应装调环境。可调小孔光阑80作为与衰荡腔检测光源光路连接的接口为装调装置与衰荡腔装配过程中各光路的检测匹配提供了装调基准。实现了装调装置既可以在衰荡腔的装配过程中持续提供高精度的装调手段，又可以与衰荡腔物理分离，避免增加衰荡腔产品的系统误差。

本发明实施例的衰荡腔装调方法如图2所示。在图2中，包括检测光源和本发明实施例的衰荡腔装调装置，装调方法包括：

步骤100：衰荡腔装调装置初始化建立指示光源光路。

初始化过程包括：

指示光源发生器和探测器加电；

调节可见光频段反射镜组、第一小孔光阑、第二小孔光阑和可调小孔光阑建立指示光源光路；

调整检测光源反射镜设定检测光源光路的反射光路角度；

保持可调小孔光阑孔径至最小。

保持探测器位于检测光源光路的反射光路上，探测器感应面与检测光源光路的反射光路垂直。

如图2中A部分所示，步骤200：调节指示光源光路和检测光源光路，使指示光与检测光光轴重合。

调节过程包括：

在检测光源光路上设置一个参考小孔光阑；

调整参考小孔光阑与可调小孔光阑进行检测光和相邻指示光的光轴重合校准；

光轴重合后撤除参考小孔光阑。

以参考小孔光阑与可调小孔光阑为校准基点调整衰荡腔和衰荡腔装调装置形成光轴重合，由于参考小孔光阑不会对光路产生如折射效应等光路影响，参考小孔光阑可以在光轴重合后撤除。

如图2中B部分所示，步骤300：在检测光源光路中设置(衰荡腔)的第一腔镜，调节第一腔镜，当指示光经第一腔镜反射后返回可调小孔光阑时第一腔镜初步调节完毕。

调节第一腔镜包括：

利用三维位移镜架将第一腔镜设置在检测光源光路预设位置，使得第一腔镜的主轴与指示光方向基本一致；

利用三维位移镜架调整第一腔镜的主轴，使得射向检测光源光路的指示光经第一腔镜表面反射后返回可调小孔光阑。

反射回可调小孔光阑表明第一腔镜的主轴与检测光光轴重合。

如图2中C部分所示，步骤400：在检测光源光路中预设位置顺序设置(衰荡腔)的第二腔镜，调节第二腔镜，当指示光经第二腔镜反射后返回可调小孔光阑时第二腔镜初步调节完毕。

调节第二腔镜包括：

利用三维位移镜架将第二腔镜设置在检测光源光路中位于第一腔镜与可调小孔光阑之间，使得第一腔镜的主轴与指示光方向基本一致；

利用三维位移镜架调整第二腔镜的主轴，使得射向检测光源光路的指示光经第二腔镜表面反射后返回可调小孔光阑。

反射回可调小孔光阑表明第二腔镜的主轴与检测光光轴重合。

步骤500：通过检测器采集检测光信号，根据检测光信号强度调整腔镜间距离，确定衰荡腔腔长。

根据检测光信号强度调整腔镜间距离包括：

第一步，将探测器增益调至最大，通过示波器观察检测光信号强度变化，通过三维位移镜架沿主轴微调一个腔镜的位移，使检测光信号逐渐增强。

第二步：逐级降低探测器增益，重复第一步直至在确定增益下检测光信号强度最大；

固定腔镜位置，衰荡腔初步装调完毕。

如图2中D部分所示，步骤600：用替代检测器替换衰荡腔装调装置。

替换包括：

撤除衰荡腔装调装置；

根据原有指示光源光路设置替代检测器并校对检测器的感应面朝向检测光源光路。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种衰荡腔装调装置，其特征在于，包括：

指示光源发生器，用于形成可见光频段的指示光源；

小孔光阑，用于在指示光源光路上约束指示光和判断调节精度；

可见光频段反射镜组，用于调节所述指示光源光路的方向；

检测光源反射镜，用于在所述指示光源光路上改变检测光源光路形成所述检测光源光路的反射光路；

探测器，用于在所述反射光路上接收检测光进行信号识别；

可调小孔光阑，用于衰荡腔输出的所述检测光与相邻的所述指示光的光轴校准。

2.如权利要求1所述的衰荡腔装调装置，其特征在于，所述小孔光阑包括：

第一小孔光阑，用于在所述指示光源光路的初始段约束所述指示光和判断调节精度；

第二小孔光阑，用于在所述指示光源光路的延展段约束所述指示光和判断调节精度。

3.如权利要求2所述的衰荡腔装调装置，其特征在于，所述可见光频段反射镜组包括第一可见光频段反射镜和第二可见光频段反射镜，顺序设置所述指示光源发生器、所述第一小孔光阑、所述第一可见光频段反射镜、所述第二可见光频段反射镜、所述第二小孔光阑、所述检测光源反射镜和所述可调小孔光阑形成指示光源光路；

所述第一小孔光阑与所述指示光源光路的初始段共轴，所述第二小孔光阑与所述指示光源光路的延展段共轴，所述检测光源反射镜的透射面朝向所述第二小孔光阑，所述检测光源反射镜的反射面朝向所述可调小孔光阑，所述探测器设置于所述指示光源光路旁侧，所述探测器的感应面朝向所述检测光源反射镜的反射面。

4.如权利要求1所述的衰荡腔装调装置，其特征在于，所述检测光源反射镜包括透射面和反射面，所述透射面采用高透光率镀膜，所述反射面采用高反射率镀膜。

5.一种衰荡腔装调方法，其特征在于，包括：

采用如权利要求1至4任一所述的衰荡腔装调装置形成指示光源光路，采用检测光源形成检测光源光路；

通过所述可调小孔光阑调节所述指示光源光路和所述检测光源光路，使所述检测光与相邻的所述指示光光轴重合；

在所述检测光源光路中设置第一腔镜，调节所述第一腔镜当所述指示光经所述第一腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第一腔镜初步调节完毕；

在所述检测光源光路中预设位置顺序设置第二腔镜，调节所述第二腔镜当所述指示光经所述第二腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第二腔镜初步调节完毕；

通过所述检测器采集检测光信号，根据所述检测光信号强度调整腔镜间距，确定衰荡腔腔长；

用替代检测器替换所述衰荡腔装调装置。

6.权利要求5所述的衰荡腔装调方法，其特征在于，还包括所述衰荡腔装调装置初始化建立所述指示光源光路过程：

所述指示光源发生器和所述探测器加电；

调节所述可见光频段反射镜组、所述第一小孔光阑、所述第二小孔光阑、所述检测光源反射镜和所述可调小孔光阑建立所述指示光源光路；

调整所述检测光源反射镜设定所述检测光源光路的反射光路角度；

保持所述可调小孔光阑孔径至最小；

保持所述探测器位于检测光源光路的所述反射光路上，所述探测器感应面与所述检测光源光路的反射光路垂直。

7.权利要求5所述的衰荡腔装调方法，其特征在于，所述通过所述可调小孔光阑调节所述指示光源光路和所述检测光源光路，使指示光与检测光光轴重合包括：

在所述检测光源光路上设置一个参考小孔光阑；

调整所述参考小孔光阑与所述可调小孔光阑进行所述检测光和所述指示光的光轴重合校准；

所述光轴重合后撤除所述参考小孔光阑。

8.权利要求5所述的衰荡腔装调方法，其特征在于，所述在所述检测光源光路中设置第一腔镜，调节所述第一腔镜，当所述指示光经所述第一腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第一腔镜初步调节完毕包括：

利用三维位移镜架将所述第一腔镜设置在所述检测光源光路预设位置，使得所述第一腔镜的主轴与所述指示光方向基本一致；

利用所述三维位移镜架调整所述第一腔镜的主轴，使得射向所述检测光源光路的指示光经所述第一腔镜表面反射后返回所述可调小孔光阑。

9.权利要求5所述的衰荡腔装调方法，其特征在于，所述在所述检测光源光路中预设位置顺序设置第二腔镜，调节所述第二腔镜，当所述指示光经所述第二腔镜反射后返回所述可调小孔光阑时所述第二腔镜初步调节完毕包括：

利用三维位移镜架将所述第二腔镜设置在所述检测光源光路中位于所述第一腔镜与所述可调小孔光阑之间，使得所述第二腔镜的主轴与所述指示光方向基本一致；

利用所述三维位移镜架调整所述第二腔镜的主轴，使得射向所述检测光源光路的所述指示光经所述第二腔镜表面反射后返回所述可调小孔光阑。

10.权利要求5所述的衰荡腔装调方法，其特征在于，所述通过所述检测器采集检测光信号，根据所述检测光信号强度调整腔镜间距，确定衰荡腔腔长包括：

第一步，将所述探测器增益调至最大，通过示波器观察所述检测光信号强度变化，通过三维位移镜架沿主轴微调一个腔镜的位移，使所述检测光信号逐渐增强；

第二步：逐级降低所述探测器增益，重复所述第一步，直至在确定增益下所述检测光信号强度最大；

固定所述腔镜位置，所述衰荡腔初步装调完毕。