CN111948157A - 一种长光程可调谐吸收池及其出射光束采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长光程可调谐吸收池及其出射光束采集方法，其中长光程可调谐吸收池，包括前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜、离轴抛物面反射镜和探测器；所述前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜共计四块平面反射镜构成一个长方体谐振腔，其中谐振腔内部长为l，宽为w，高为h；入射光束从前反射镜右上角一侧以一定角度入射进吸收池谐振腔内，在谐振腔内反射多次后从后反射镜的另一侧出射，出射光束经离轴抛物面反射镜反射后进入探测器中。本发明气体吸收池谐振腔实现可实现入射光束有效光程连续调节，并且在进行光程连续调节过程中，出射光束经抛物面反射镜会聚后的光斑位置不变，因此，可连续调节气体吸收光程。

Description

一种长光程可调谐吸收池及其出射光束采集方法

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及的是，一种长光程可调谐吸收池及其出射光束采集方法。

背景技术

光谱分析技术凭借其快速、无损和检测精度高的优点，成为当前主流的物质成分和浓度检测手段。在痕量气体浓度检测方面，随着半导体激光器制造技术的进步，以可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术为代表的新型光谱分析技术凭借其高精度、小型化、灵敏度高、反应快等优点，在痕量气体浓度检测等领域发挥着重要作用。TDLAS光谱分析装置主要由可调谐半导体激光器、气体吸收池、探测器和调制解调器等几部分构成。TDLAS光谱分析所依据的机理还是朗伯-比尔定律，即：A＝Kbc，其中A为吸光度，K为摩尔吸收系数，b为吸收层厚度，c为吸光物质浓度。根据朗伯-比尔定律可知，在待测气体物质摩尔吸收系数和浓度确定的情况下，为提高气体物质吸光度和检测灵敏度，就要提高吸收层厚度，也就是增加探测光束与待测气体之间的相互作用距离。现有常用方法是采用经过特殊光路设计的光学气体吸收池，利用探测光束在谐振腔内多次反射的原理，实现在有限的空间内获得较长的吸收光程。因此，吸收池已成为气体吸收光谱检测技术中的核心器件之一，设计和改进气体吸收池对于光谱分析系统的小型化和提高检测精度具有重要意义。

当前比较常用的气体吸收池根据光路划分主要有White型、Herriott型、圆柱型以及在此基础上的多种改进型。Herriott型气体吸收池是目前较为常用的光路结构，其中比较典型的改进型气体吸收池代表有McManus(参见《Applied Optics》1995,34(18):3336-3348)和陈家金(参见《光谱学与光谱分析》,2019,39(1):292-296)等人在Herriott型吸收池的基础上改进提出的基于双柱面反射镜的光学多通池；Robert结合White型和Herriott型吸收池的优点，将反射镜B从中间切成两块，构成两个Herriott池。上述改进型吸收池可以在不增加吸收池体积的情况下，充分利用镜面面积，在一定程度上提高有效光程(参见《Applied Optics》,2007,46(22):5408-5418)。

现有光学吸收池大都利用两块或多块球面反射镜或柱面镜反射镜等来构建光学谐振腔，在此基础上搭建出光学吸收池，由于吸收池对反射镜加工精度和镀膜水平要求极高，因此价格都高达数万元甚至几十万元。此外，现有改进型光学吸收池的反射次数仍然有限，无法在小体积吸收池内实现长有效光程，且光程一般不可调。在实际应用过程中，针对待测物质浓度不同，所需的最优光程往往也不相同，因此，对于固定光程吸收池需要选择多个不同光程吸收池进行切换。

发明内容

本发明提供一种基于平面反射镜的长光程可调谐吸收池，所要解决的技术问题包括：(1)通过增加入射光束在谐振腔内的反射次数，在小体积光学吸收池内获得长有效光程；(2)利用光学三维调整架调节入射光束入射角度，实现光程可调谐；(3)利用离轴抛物面反射镜搭建汇聚光路对出射光束进行会聚，在改变入射光束入射角度的情况下依然能保证对出射光束的有效采集。

本发明的技术方案如下：一种长光程可调谐吸收池，包括前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜、离轴抛物面反射镜和探测器；所述前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜共计四块平面反射镜构成一个长方体谐振腔，其中谐振腔内部长为l，宽为w，高为h；入射光束从前反射镜右上角一侧以一定角度入射进吸收池谐振腔内，在谐振腔内反射多次后从后反射镜的另一侧出射，出射光束经离轴抛物面反射镜反射后进入探测器中。

上述中，所述四块平面反射镜之间利用光学胶进行无缝黏合拼接，用于保证前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜之间严格平行。

上述中，上反射镜和下反射镜大小相同，前反射镜比后反射镜稍大，在进行谐振腔黏合拼接过程中，要求入射光束入射一侧的四块平面反射镜平齐，从而保证出射光束从后反射镜一侧出射。

上述中，根据入射光束波长的不同，对四块平面反射镜和离轴抛物面反射镜进行响应波长镀膜，使得在对应波长处的反射率大于99.9％。

一种长光程可调谐吸收池出射光束采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搭建如权利要求1-5所述的可调谐吸收池；

步骤2：调整入射光束的入射角度，入射角度从前反射镜右上端入射进气体吸收池谐振腔内；

步骤3：入射光束在谐振腔内的反射次数只与入射角度β有关，反射次数n表示为：

其中：l为谐振腔内部长度，w为谐振腔内部宽度；

步骤4：入射光束在谐振腔内的有效光程L只取决于入射光束入射角度β和谐振腔内部宽度w；由于入射角度β非常小，有效光程L表示为：

步骤5：调节入射光束入射角度β，实现对有效光程从零到无穷长之间的连续调节；

步骤6：调节入射光束入射角度α，改变入射光束在前反射镜和后反射镜上的光斑分布情况，而不会改变总反射次数和有效光程；

步骤7：出射光束从谐振腔出射后经离轴抛物面反射镜反射，会聚进探测器进行光谱调制解调和光谱分析。

上述出射光束采集方法中，在调节入射光束入射角度时，尽量将入射角度α保持在一个小角度范围内，一方面使得入射光束在前后反射镜上的光斑尽量均匀分布，减少对反射镜的损伤；另一方面入射角度α越小，出射光束越近似为平行光束。

采用本发明的技术方案：(1)利用平面反射镜代替球面或圆柱面反射镜搭建气体吸收池谐振腔，有助于提高镜面加工精度，降低吸收池成本；(2)本发明气体吸收池谐振腔在极小谐振腔体积内理论上具有无限长有效光程；(3)本发明气体吸收池谐振腔实现可实现入射光束有效光程连续调节；(4)本发明气体吸收池系统在进行光程连续调节过程中，出射光束经抛物面反射镜会聚后的光斑位置不变，因此，可连续调节气体吸收光程。

附图说明

图1为本发明气体吸收池系统平面结构示意图。

图2为本发明气体吸收池系统三维结构示意图。

图3为本发明实施例中入射光束入射角度示意图。

图4为本发明实施例中后反射镜光斑分布示意图之一。

图5为本发明实施例中后反射镜光斑分布示意图之二。

图中：前反射镜-1、后反射镜-2、上反射镜-3、下反射镜-4、离轴抛物面反射镜-5和探测器-6。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中所使用术语的目的只是为了描述具体实施例，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

本发明的一个实施例是，本发明提出一种基于平面反射镜的长光程，且光程可调谐吸收池，发明目的如下：(1)提出利用4块平面反射镜构建光学谐振腔，可有效降低反射镜加工难度和吸收池价格；(2)设计特殊光学谐振腔结构，利用上下两块平面反射镜将入射光束束缚在谐振腔内，从而实现在小体积谐振腔内大幅提高入射光束的反射次数和有效光程；(3)通过调节入射光束入射角度，提出有效光程调节方法；(4)设计出射光束会聚光路，在调节入射光束入射方向和光程的情况下依然保证出射光束的有效探测。

本发明提出一种基于4块平面反射镜的长光程，且光程可调谐光学气体吸收池结构，主要由前反射镜1、后反射镜2、上反射镜3、下反射镜4、离轴抛物面反射镜5和探测器6组成。通过调节入射光束入射角度，最多可实现无数次反射，有效光程可实现零到无限长调节。

如图1和图2所示。其中谐振腔部分由前反射镜1、后反射镜2、上反射镜3、下反射镜4共计四块平面反射镜构成一个长方体谐振腔舱室。其中谐振腔内部长为l，宽为w，高为h。入射光束从前反射镜1右上角一侧以一定角度入射进吸收池谐振腔内，在谐振腔内反射多次后从后反射镜2的另一侧出射，出射光束经离轴抛物面反射镜5反射后进入探测器6中。其中，上反射镜3和下反射镜4的作用，是将入射光束严格约束在谐振腔内部，使得入射光束在谐振腔内上下振荡而不溢出。

上述中、四块平面反射镜之间利用光学胶进行无缝黏合拼接，保证前反射镜1、后反射镜2、上反射镜3、下反射镜4之间严格平行；

上述中、上反射镜3和下反射镜4大小相同，前反射镜1比后反射镜2稍大，在进行谐振腔黏合拼接过程中，要求入射光束入射一侧的四块平面反射镜平齐，从而保证出射光束从后反射镜一侧出射；

上述中、根据入射光束波长的不同，对四块平面反射镜和离轴抛物面反射镜5进行相应波长镀膜，使得在对应波长处的反射率大于99.9％。

实施例二

在上述实施例的基础上，本发明的另一实施例是，通过一种基于平面反射镜的长光程可调谐吸收池进行出射光束采集方法，具体包括以下步骤：

步骤1：搭建长光程可调谐光学气体吸收池；如图1-图2所示，搭建的吸收池与本发明实施例一中的吸收池结构相同，在此不再赘述。

步骤2：调整入射光束的入射角度，按照图3中入射角度所示从前反射镜1右上端入射进气体吸收池谐振腔内；

步骤3：入射光束在谐振腔内的反射次数只与入射角度β有关，反射次数n表示为：

上述中：l为谐振腔内部长度，w为谐振腔内部宽度；

步骤4：入射光束在谐振腔内的有效光程L只取决于入射光束入射角度β和谐振腔内部宽度w。由于入射角度β非常小，有效光程L表示为：

步骤5：调节入射光束入射角度β，可实现对有效光程从零到无穷长之间的连续调节。

步骤6：调节入射光束入射角度α，可以改变入射光束在前后反射镜上的光斑分布情况，而不会改变总反射次数和有效光程。如图4-图5所示，为一长、宽、高分别为30mm、8mm和10mm的谐振腔，在入射角度β相同，不同α条件下反射镜上的光斑分布情况，入射光束在谐振腔内反射8056次，有效光程高达240余米。

上述中，在调节入射光束入射角度时，尽量将入射角度α保持在一个小角度范围内，一方面使得入射光束在前后反射镜上的光斑尽量均匀分布，减少对反射镜的损伤；另一方面入射角度α越小，出射光束越近似为平行光束。

步骤7：出射光束从谐振腔出射后经离轴抛物面反射镜反射，会聚进探测器进行光谱调制解调和光谱分析。

上述中，在进行入射光束入射角度调节时，出射光束的出射位置和角度会发生变化，但由于入射光束的入射角度极小，出射光束可近似为平行光。因此，在改变入射角度β来调节光程时，出射光束经抛物面反射镜反射后在探测器上的光斑可认为是重合的。

采用本发明的技术方案：(1)利用平面反射镜代替球面或圆柱面反射镜搭建气体吸收池谐振腔，有助于提高镜面加工精度，降低吸收池成本；(2)本发明气体吸收池谐振腔在极小谐振腔体积内理论上具有无限长有效光程；(3)本发明气体吸收池谐振腔实现可实现入射光束有效光程连续调节；(4)本发明气体吸收池系统在进行光程连续调节过程中，出射光束经抛物面反射镜会聚后的光斑位置不变，因此，可连续调节气体吸收光程。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种长光程可调谐吸收池，其特征在于，包括前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜、离轴抛物面反射镜和探测器；所述前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜共计四块平面反射镜构成一个长方体谐振腔，其中谐振腔内部长为l，宽为w，高为h；入射光束从前反射镜右上角一侧以一定角度入射进吸收池谐振腔内，在谐振腔内反射多次后从后反射镜的另一侧出射，出射光束经离轴抛物面反射镜反射后进入探测器中。

2.如权利要求1所述的基于平面反射镜的长光程可调谐吸收池，其特征在于，所述四块平面反射镜之间利用光学胶进行无缝黏合拼接，用于保证前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜之间严格平行。

3.如权利要求2所述的基于平面反射镜的长光程可调谐吸收池，其特征在于，上反射镜和下反射镜大小相同，前反射镜比后反射镜稍大，在进行谐振腔黏合拼接过程中，要求入射光束入射一侧的四块平面反射镜平齐，从而保证出射光束从后反射镜一侧出射。

4.如权利要求3所述的基于平面反射镜的长光程可调谐吸收池，其特征在于，根据入射光束波长的不同，对四块平面反射镜和离轴抛物面反射镜进行响应波长镀膜，使得在对应波长处的反射率大于99.9％。

5.一种如权利要求1所述的长光程可调谐吸收池出射光束采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搭建如权利要求1-5所述的可调谐吸收池；

步骤2：调整入射光束的入射角度，入射角度从前反射镜右上端入射进气体吸收池谐振腔内；

步骤3：入射光束在谐振腔内的反射次数只与入射角度β有关，反射次数n表示为：

其中：l为谐振腔内部长度，w为谐振腔内部宽度；

步骤4：入射光束在谐振腔内的有效光程L只取决于入射光束入射角度β和谐振腔内部宽度w；由于入射角度β非常小，有效光程L表示为：

步骤5：调节入射光束入射角度β，实现对有效光程从零到无穷长之间的连续调节；

步骤6：调节入射光束入射角度α，改变入射光束在前反射镜和后反射镜上的光斑分布情况，而不会改变总反射次数和有效光程；

步骤7：出射光束从谐振腔出射后经离轴抛物面反射镜反射，会聚进探测器进行光谱调制解调和光谱分析。

6.如权利要求5所述的出射光束采集方法，其特征在于，在调节入射光束入射角度时，尽量将入射角度α保持在一个小角度范围内，一方面使得入射光束在前后反射镜上的光斑尽量均匀分布，减少对反射镜的损伤；另一方面入射角度α越小，出射光束越近似为平行光束。

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