CN110987813B - 一种复合式光学增强吸收池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合式光学增强吸收池:所述的复合式光学增强吸收池包括吸收池主体,所述的吸收池主体设有主凹面反射镜组,所述的主凹面反射镜组中的每一片凹面反射镜上共设有2N个复合嵌套用出射孔和入射孔,其中N为复合嵌套的数量;在每个凹面反射镜的外侧,嵌套出射孔和入射孔的后端,总共设有2N个平面反射镜。本发明采用复合嵌套方案,通过使光线在凹面镜之间多次反射,使光线在主反射镜组上呈现多圈同心圆环状排列,可以使得反射镜利用效率大幅提升,N(N为复合嵌套数)倍的提升有效光程,有效减少气体吸收池尺寸以及待测气体吸入量。相较于传统的增加物理基长或增大反射镜面积的做法,本发明可大幅降低吸收池的设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及痕量气体检测仪器领域,特别是涉及一种复合式光学增强吸收池。
背景技术
随着科技的进步以及工业化进程的不断推进,在分享社会发展带来的红利的同时,我们也越来越多的面对工业化过程中带来的各种危害,诸如温室气体排放、有毒气体泄漏、大气环境污染等。因此对于温室气体、危险气体等气相物质的检测及研究,也越来越受到国家及民众的重视。
吸收光谱技术具有快速、高灵敏、高选择等优势,广泛应用大气、环境、医学和石油化工等领域的气体分析检测。吸收光谱检测灵敏度和光与样品相互作用的距离(光程)成正比,光程越长灵敏度越高,因此常用光学吸收增强腔,来提高待测气体的探测灵敏度。
传统的多次反射长光程气体吸收池主要有赫里奥特(Herriott)池和怀特(White)池。这两种吸收池优点很明显,并且得到了广泛的实际应用,主要缺点在于空间利用率较低,只利用了反射镜边缘部分,而中间大部分空间没有被利用,镜片利用效率低,若想提高气体的探测灵敏度,就只能通过增加吸收池物理基长或增大反射镜面积的方法来实现光程的提升,而采用此举则意味着需要更多的待测气体量,这在微量气体检测领域或高灵敏度气体检测领域显然是不满足要求的。
发明内容
本发明旨在提供一种复合式光学增强吸收池,用于克服现有技术中气体吸收池镜片利用率低、光程短、待测气体量消耗量大等不足。在不增加吸收池物理基长以及反射镜面积的前提下,采用多重嵌套复合结构,实现反射镜的最优化利用,从而大大提升了吸收池的光程,进而实现了更高灵敏度的气体探测需求。
为克服上述的不足,本发明提供一种复合式光学增强吸收池:所述的复合式光学增强吸收池包括吸收池主体,所述的吸收池主体设有主凹面反射镜组,所述的主凹面反射镜组中的每一片凹面反射镜上共设有2N个复合嵌套用出射孔和入射孔,其中N为复合嵌套的数量;所述主凹面反射镜组其中一片凹面反射镜上设有最初入射口和最终出射口;在每个凹面反射镜的外侧,嵌套用出射孔和入射孔的后端,总共设有2N个平面反射镜;入射光经由最初入射口进入吸收池,光束经主凹面反射镜组和平面反射镜反射后,经由最终出射口射出,在主凹面反射镜组上形成环状光斑;所述的平面反射镜,用于实现光束传输过程中,环状光斑的轨道半径切换;所述最初入射口位于环状光斑最外圈,最终出射口位于环状光斑最内圈;根据光束可逆原理,入射光亦可由最终出射口入射,最初入射口出射;所述的最初入射口及最终出射口的外侧均加装透明窗片,以确保吸收池的密封性;所述的透明窗片,依据入射光的波段不同,采用K9玻璃或CaF玻璃以确保入射及出射时的光束透过率最大。
根据上述的复合式光学增强吸收池,最初入射口透明窗片前端安装光纤准直器,以确保最优的光束传输质量。所述的光纤准直器,可见光、近红外波段采用Grin透镜式耦合方案。中红外波段采用自由空间光耦合方案。光纤准直器固定方案采用三维调整架结合光固胶的实施细节。
所述的复合式光学增强吸收池,还包括固定底座。所述的固定底座,用于固定吸收池主体、光纤准直器及光电探测器。
进一步的,所述的吸收池主体设有进气口和排气口,用于待测气体的进出,且进气口与出气口置于吸收池主体的两侧,以确保待测气体能够充满吸收池。
与现有吸收池技术相比较,本发明所达到的有益效果:
本发明采用复合嵌套方案,通过使光线在凹面镜之间多次反射,使光线在主反射镜组上呈现多圈同心圆环状排列,可以使得反射镜利用效率大幅提升,N(N为复合嵌套数)倍的提升有效光程,有效减少气体吸收池尺寸以及待测气体吸入量。相较于传统的增加物理基长或增大反射镜面积的做法,本发明可大幅降低吸收池的设计成本。
附图说明
图1是本发明提供的气体吸收池的构造示意图。
图2是本发明提供的气体吸收池的光束传输示意图。
图3是本发明提供的气体吸收池的主凹面反射镜上的光斑分布示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。
参考图1所示。在本发明一个实施例中,具体的是一种2层嵌套方案(N=2)。所述的光学增强吸收池包括吸收池底座20和吸收池主体10。
上述的吸收池底座20用于固定吸收池主体10。吸收池底座20采用不锈钢或铟钢材质的设计,在最大程度上减小吸收池因温度、湿度、振动等带来的形变。同时为减少重量,底座采用挖空处理。吸收池底座20通常为镂空长方体,当然根据应用场合也可以是其他形状,有关吸收池底座20的具体形状在本发明实施例中并不做具体限定。
上述的吸收池主体10。由参考图1所示,吸收池主体单侧的构成有主反射镜11a、折射镜12a、折射镜13a。与之对称的另一侧的设有主反射镜11b、折射镜12b、折射镜13b。在吸收池主体10的两端分别有进气口14a和出气口14b,用于实现气体的进出。
所述的主反射镜11a、11b需要平行放置,使得光束在两个主镜间多次反射,形成第一圈光环51,如参考图3所示。
所述的主反射镜11a上,开有最初入射口31、嵌套出射口34、嵌套入射口35、最终出射口36。所述的主反射镜11b上,开有嵌套出射口32、嵌套入射口33,如参考图2所示。
上述的折射镜12a、12b、13a、13b用于实现光束传输时光圈的变轨,光束的传输由光圈51进入到光圈52,最后再进入到光圈53,如参考图3所示。
参考图2所示,入射光41,经由最初入射口31进入吸收池,光束在吸收池内部的主反射镜11a、11b之间多次反射后,经由嵌套出射口32射出,光束依次通过反射镜13b、反射镜12b后,经由嵌套入射口33再次进入吸收池,此时光束的传输实现由光圈51到光圈52的变轨。光束继续在主反射镜11a、11b之间多次反射,经由嵌套出射口34射出,光束依次通过反射镜13a、反射镜12a后,经由嵌套入射口31再次进入吸收池,此时光束的传输实现由光圈52到光圈53的变轨。光束最后由最终出射口36射出吸收池主体10,从而实现了光束的复合嵌套,从而大幅增加了气体的吸收光程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形(包含2重嵌套、3重嵌套……N重嵌套),这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种复合式光学增强吸收池,其特征在于:所述的复合式光学增强吸收池包括吸收池主体,所述的吸收池主体设有主凹面反射镜组,所述的主凹面反射镜组中的每一片凹面反射镜上共设有2N个复合嵌套用出射孔和入射孔,其中N为复合嵌套的数量;所述主凹面反射镜组其中一片凹面反射镜上设有最初入射口和最终出射口;在每个凹面反射镜的外侧,嵌套用出射孔和入射孔的后端,总共设有2N个平面反射镜;入射光经由最初入射口进入吸收池,光束经主凹面反射镜组和平面反射镜反射后,经由最终出射口射出,在主凹面反射镜组上形成环状光斑;所述的平面反射镜,用于实现光束传输过程中,环状光斑的轨道半径切换;所述最初入射口位于环状光斑最外圈,最终出射口位于环状光斑最内圈;根据光束可逆原理,入射光亦可由最终出射口入射,最初入射口出射;所述的最初入射口及最终出射口的外侧均加装透明窗片,以确保吸收池的密封性;所述的透明窗片,依据入射光的波段不同,采用K9玻璃或CaF玻璃以确保入射及出射时的光束透过率最大。
2.根据权利要求1所述的复合式光学增强吸收池,其特征在于:所述最初入射口透明窗片前端安装光纤准直器,以确保最优的光束传输质量;所述的光纤准直器,可见光、近红外波段采用Grin透镜式耦合方案,中红外波段采用自由空间光耦合方案;所述光纤准直器固定方案采用三维调整架结合光固胶的实施细节。
3.根据权利要求2所述的复合式光学增强吸收池,其特征在于:所述的复合式光学增强吸收池,还包括固定底座;所述的固定底座,用于固定吸收池主体、光纤准直器及光电探测器。
4.根据权利要求1所述的复合式光学增强吸收池,其特征在于:所述的吸收池主体设有进气口和排气口,用于待测气体的进出,且进气口与出气口置于吸收池主体的两侧,以确保待测气体能够充满吸收池。
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