CN110596026A - 宽带腔增强装置 - Google Patents

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry

Abstract

本发明公开了一种宽带腔增强装置。它由光连接的宽带光源(1)、光学谐振腔(5)、准直件(21)、柱状透镜(9)和检测器组成；其中，检测器为依次光连接的平板标准具(10)、闪耀光栅(11)、成像透镜(12)和CCD靶面(13)，平板标准具(10)与准直件(21)输出的光轴间的夹角为1‑20°，且其平板后表面(1003)位于柱状透镜(9)的焦面处，平板标准具(10)的平板前表面入射窗口(1001)镀有增透膜、平板前表面(1002)和平板后表面(1003)镀有反射膜，成像透镜(12)位于闪耀光栅(11)的一级衍射光成像处，CCD靶面(13)为位于成像透镜(12)成像处的二维面阵型靶面。它对更多气体组分能同时测量，可广泛地用于大气痕量及气溶胶光学特性测量领域。

Description

宽带腔增强装置
技术领域
本发明涉及一种腔增强装置，尤其是一种宽带腔增强装置。
背景技术
已广泛地应用于大气痕量气体及气溶胶光学特性测量领域的腔增强吸收光谱技术，利用高反腔镜组成的高精细度光学谐振腔，可在1米的基长上实现几千米的有效吸收光程，显著地提高了测量的灵敏度，如中国发明专利CN 101281124B于2010年8月11日公告的一种宽带腔增强吸收光谱大气环境监测系统。该专利中提及的监测系统主要由辐射源、汇聚遮光装置、宽带增强腔、滤波汇聚装置和检测器顺序连接组成，其中的宽带增强腔为由两面高反射镜组成的F-P腔，检测器为光谱仪；监测时，辐射源发出的光经汇聚遮光装置进入宽带增强腔，并与其中的待测痕量气体反复作用后，出射并经滤波汇聚装置到达检测器，由检测器分析检定出痕量气体的浓度。这种监测系统虽可获得较高的检测灵敏度，却存在着因作为检测器的光谱仪使用的是光栅分光、光接收器件为一维线阵CCD靶面，仅能由其输出的一维色散光谱信息同时反演出二氧化氮气体、乙二醛气体等少数几种气体组分，而大气的组分十分复杂，各组分的吸收光谱结构互相交叠，故其无法获得这些交叠谱的精细特征之不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种在结构紧凑、体积小的基础上，能对更多气体组分同时进行测量的宽带腔增强装置。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，宽带腔增强装置包括辐射源和其光路上的宽带增强腔、滤波汇聚装置和检测器，特别是：
所述辐射源为宽带光源；
所述宽带增强腔为光学谐振腔；
所述滤波汇聚装置为准直件；
所述检测器为依次光连接的平板标准具、闪耀光栅、成像透镜和CCD靶面；
所述准直件与检测器间串接有柱状透镜；
所述平板标准具与准直件输出的光轴间的夹角为1-20°，且其平板后表面位于柱状透镜的焦面处，其中，平板标准具的平板前表面入射窗口镀有反射率≤0.5％的增透膜、平板前表面镀有反射率≥99.5％的反射膜、平板后表面镀有反射率为94-96％的反射膜；
所述成像透镜位于闪耀光栅的一级衍射光成像处；
所述CCD靶面为二维面阵型靶面，其位于成像透镜的成像处。
作为宽带腔增强装置的进一步改进：
优选地，宽带光源为宽带激光源，或宽带LED光源，或黑体辐射光源，或宽带灯光源；利于增加宽带光源的选择性和降低成本。
优选地，宽带光源与光学谐振腔间串接有光耦合件；以将点状宽带光源输出的光转变为平行光束，并滤除杂散光的干扰。
优选地，光耦合件为依次光连接的第一聚焦透镜、第一空间滤波器和耦合透镜，或依次光连接的入射光纤和耦合透镜。
优选地，光学谐振腔由腔体和其两端的第一高反腔镜、第二高反腔镜组成；便于由多种形式的反射镜构建光学谐振腔。
优选地，光学谐振腔的腔体为开放式腔体，或两端带有进、出气口的封闭式腔体。
优选地，第一高反腔镜、第二高反腔镜均为平凹高反镜，且其凹面相对设置。
优选地，准直件为依次光连接的第二聚焦透镜、第二空间滤波器和准直透镜，或依次光连接的出射光纤和准直透镜；以将光学谐振腔透射出的光转变成准直的平行光束。
相对于现有技术的有益效果是：
采用这样的结构后，本发明既由于检测器由依次光连接的平板标准具、闪耀光栅、成像透镜和CCD靶面构成，又因准直件与检测器间串接有柱状透镜，还由于平板标准具与准直件输出的光轴间的夹角的设置，以及平板标准具的平板后表面位于柱状透镜的焦面处和平板标准具的不同部位分别镀有的增透膜、反射膜，更因成像透镜位于闪耀光栅的一级衍射光成像处和CCD靶面为位于成像透镜成像处的二维面阵型靶面，而使其在结构紧凑、体积小的基础上，将光学谐振腔透射出的带有待测气体信息的光进行了二维的联合色散，使待测气体中互相交叠的各组分的吸收光谱得到了完全的展开，获得了这些交叠谱的精细特征，极大地提高了光谱的分辨率，实现了对更多气体组分同时进行测量的目的。
本发明实现的机理为：
准直件输出的平行光经柱状透镜后，其水平方向线聚焦入射于倾斜放置的平板标准具的后表面，其反射光在水平方向上仍然保持着准直特性，而在竖直方向上却具有色散特性，反射光束按出射角划分波长——实现了竖直方向上的分光；该于竖直方向上分光的光再经其后设置的闪耀光栅将竖直方向上的重叠光谱按水平方向展开，即可实现二维联合分光，得到宽带超高分辨光谱。
附图说明
图1是本发明的一种基本结构示意图。
图2是将图1中的光耦合件和准直件具体化的一种基本结构示意图。
图3是将图1中的光耦合件和准直件具体化的另一种基本结构示意图。
图4是本发明中使用的平板标准具的一种基本结构示意图。
图5是使用宽带激光源——激光频率梳作为宽带光源时，由CCD靶面接收到的点状条纹图谱。
图6是使用连续宽带LED光源作为宽带光源时，由CCD靶面接收到的竖条状条纹图谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
参见图1、图2、图3和图4，宽带腔增强装置的构成如下：
作为辐射源的宽带光源1的光路上依次置有光耦合件20、作为宽带增强腔的光学谐振腔5、作为滤波汇聚装置的准直件21、柱状透镜9和检测器；其中：
宽带光源1为宽带激光源(也可为宽带LED光源，或黑体辐射光源，或宽带灯光源)，现选其为宽带激光频率梳——宽带飞秒脉冲激光源。
光耦合件20为依次光连接的第一聚焦透镜2、第一空间滤波器3和耦合透镜4(也可为依次光连接的入射光纤14和耦合透镜4)，基于宽带光源1现选为准直的平行光，故光耦合件20可省略。
光学谐振腔5由腔体503和其两端的第一高反腔镜501、第二高反腔镜502组成，其中的光学谐振腔5的腔体503为开放式腔体(也可为两端带有进、出气口的封闭式腔体)，第一高反腔镜501、第二高反腔镜502均为平凹高反镜，且其凹面相对设置。
准直件21为依次光连接的第二聚焦透镜6、第二空间滤波器7和准直透镜8(也可为依次光连接的出射光纤15和准直透镜8)。
检测器为依次光连接的平板标准具10、闪耀光栅11、成像透镜12和CCD靶面13；其中的平板标准具10与准直件21输出的光轴间的夹角为5(可为1-20)°，且其平板后表面1003位于柱状透镜9的焦面处，平板标准具10的平板前表面入射窗口1001镀有反射率为0.5(可为≤0.5)％的增透膜、平板前表面1002镀有反射率为99.5(可为≥99.5)％的反射膜、平板后表面1003镀有反射率为95(可为94-96)％的反射膜。
上述成像透镜12位于闪耀光栅11的一级衍射光成像处，CCD靶面13为位于成像透镜12成像处的二维面阵型靶面。
测量时，宽带光源1经光耦合件20后成为准直的平行光进入光学谐振腔5，在与光学谐振腔5中的待测气体多次作用后透射至准直件21，经准直件21准直为平行光束后，由柱状透镜9经平板前表面入射窗口1001线状聚焦到平板标准具10的平板后表面1003，并在平板标准具10内经平板前表面1002和平板后表面1003间的多次反射，其透射的光束由闪耀光栅11衍射后由成像透镜12成像至CCD靶面13，得到如图5所示的点状条纹图谱。
如宽带光源1选用连续发光的宽带LED光源，则得到如图6所示的竖条状条纹图谱。
随后，只需将获得的具有精细特征的吸收光谱代入相应的算法，即可得到所需待测气体中的各组分在大气环境中的气体浓度、大气自由基分子浓度、气溶胶消光系数谱等信息。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的宽带腔增强装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种宽带腔增强装置，包括辐射源和其光路上的宽带增强腔、滤波汇聚装置和检测器，其特征在于：
所述辐射源为宽带光源(1)；
所述宽带增强腔为光学谐振腔(5)；
所述滤波汇聚装置为准直件(21)；
所述检测器为依次光连接的平板标准具(10)、闪耀光栅(11)、成像透镜(12)和CCD靶面(13)；
所述准直件(21)与检测器间串接有柱状透镜(9)；
所述平板标准具(10)与准直件(21)输出的光轴间的夹角为1-20°，且其平板后表面(1003)位于柱状透镜(9)的焦面处，其中，平板标准具(10)的平板前表面入射窗口(1001)镀有反射率≤0.5％的增透膜、平板前表面(1002)镀有反射率≥99.5％的反射膜、平板后表面(1003)镀有反射率为94-96％的反射膜；
所述成像透镜(12)位于闪耀光栅(11)的一级衍射光成像处；
所述CCD靶面(13)为二维面阵型靶面，其位于成像透镜(12)的成像处。
2.根据权利要求1所述的宽带腔增强装置，其特征是宽带光源(1)为宽带激光源，或宽带LED光源，或黑体辐射光源，或宽带灯光源。
3.根据权利要求2所述的宽带腔增强装置，其特征是宽带光源(1)与光学谐振腔(5)间串接有光耦合件(20)。
4.根据权利要求3所述的宽带腔增强装置，其特征是光耦合件(20)为依次光连接的第一聚焦透镜(2)、第一空间滤波器(3)和耦合透镜(4)，或依次光连接的入射光纤(14)和耦合透镜(4)。
5.根据权利要求1所述的宽带腔增强装置，其特征是光学谐振腔(5)由腔体(503)和其两端的第一高反腔镜(501)、第二高反腔镜(502)组成。
6.根据权利要求5所述的宽带腔增强装置，其特征是光学谐振腔(5)的腔体(503)为开放式腔体，或两端带有进、出气口的封闭式腔体。
7.根据权利要求6所述的宽带腔增强装置，其特征是第一高反腔镜(501)、第二高反腔镜(502)均为平凹高反镜，且其凹面相对设置。
8.根据权利要求1所述的宽带腔增强装置，其特征是准直件(21)为依次光连接的第二聚焦透镜(6)、第二空间滤波器(7)和准直透镜(8)，或依次光连接的出射光纤(15)和准直透镜(8)。
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