CN112683804A - 一种返程式倍增光路及气体池与光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种返程式倍增光路及气体池与光谱仪，所述返程式倍增光路包括分束器和光束反射镜片组，所述分束器设置在所述光束反射镜片组的一侧，入射光束经所述分束器射入所述光束反射镜片组，且在所述光束反射镜片组内多次反射后回射至所述分束器，并由所述分束器以回射光束射出，所述分束器用以将所述入射光束和回射光束分开，如此可通过光束反射镜片组实现光程倍增。
Description
技术领域
本发明属于光谱设备领域，尤其涉及一种返程式倍增光路及气体池与光谱仪。
背景技术
气体池广泛应用于分析化学，是气体光谱定量分析领域的核心部件之一。根据朗伯比尔定律，吸光度与光程呈线性关系。越大的光程将有效提高光学吸收信号，增加信噪比，从而提高气体探测分析的检出限，无论对利用激光光谱仪，近红外光谱仪和中红外光谱仪进行气体定量分析都非常重要。但是气体池的光程不能简单地通过增加气体池的长度，来提高光学吸收信号。越长的气体池将明显增加仪器的体积。另外一方面，气体池的长度增加还会带来气体池内部容量增加，从而导致气体测量时间增加，仪器响应速度慢。对于利用红外光谱仪和紫外光谱仪进行气体定量测量，对气体池入射光的要求明显与利用激光光谱仪不同。当气体池入射光来自常规傅里叶红外光谱仪的干涉仪输出时，通常光斑直径为1英寸以上，即使转换光束直径后，也不可能像激光光斑直径那么小，且带有一定的发散角度，而在中红外领域常用的氦氖激光器的输出光斑直径通常小于0.5毫米，比傅里叶红外光谱仪的干涉仪输出光斑直径小50倍以上。因此用于激光光谱仪的气体池的输入光斑非常小，从光学设计上完全不适合与常规的红外光谱仪或紫外光谱仪配套的气体池，另外，激光光谱仪可以采用光纤和光学耦合，但中红外光纤不同的材料适用的波长范围也不一样，很难满足较宽的中红外光谱2.5μm-25μm波长范围，例如：氟化锆(ZrF4)光纤的透射范围从285nm到4.5μm，氟化铟(InF3)光纤的透射范围从310nm到5.5μm，硫化物光纤的透射范围从1.5μm-6μm,多晶卤化银红外光纤的透射范围从4μm-18μm，即便是空芯光纤其波长通过率也随着中红外波长增大显著下降。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种结构简单，且能在较小的空间内实现光程倍增的返程式倍增光路。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种返程式倍增光路，包括分束器和光束反射镜片组，所述分束器设置在所述光束反射镜片组的一侧，入射光束经所述分束器射入所述光束反射镜片组，且在所述光束反射镜片组内多次反射后回射至所述分束器，并由所述分束器以回射光束射出，所述分束器用以将所述入射光束和回射光束分开。
上述技术方案的有益效果在于：如此通过光束反射镜片组将经过分束器的射入的光束进行反复反射后并射回至分束器，再由分束器将入射光束和回射光束区分开，如此可通过光束反射镜片组实现光程的倍增。
上述技术方案中所述光束反射镜片组件包括长条异形凹球面反射镜、第一凹球面反射镜、第二凹球面反射镜和第三凹球面反射镜；所述长条异形凹球面反射镜和第一凹球面反射镜沿左右方向依次顺序间隔设置，所述第二凹球面反射镜和第三凹球面反射镜沿左右方向间隔设置，并位于所述长条异形凹球面反射镜的后侧，所述长条异形凹球面反射镜和第一凹球面反射镜的反射面朝后，所述第二凹球面反射镜和第三凹球面反射镜的反射面朝前，且所述第二凹球面反射镜位于所述第三凹球面反射镜靠近所述分束器的一侧，所述分束器设置在所述长条异形凹球面反射镜的远离所述第一凹球面反射镜的一侧，入射光束经所述分束器射向所述第二凹球面反射镜并在所述第二凹球面反射镜、长条异形凹球面反射镜、第三凹球面反射镜和第一凹球面反射镜之间经多次反射后折回至所述分束器，并由所述分束器射出。
上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，且零部件数量少，如此可进一步的减小光束反射镜片组所占用的空间。
上述技术方案中所述入射光束和回射光束与分束器之间的夹角均为45℃。
上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，如此使得入射光束和回射光束之间的夹角为90°，如此便于对光源和光束采集器进行设置。
上述技术方案中所述长条异形凹球面反射镜、第一凹球面反射镜、第二凹球面反射镜和第三凹球面反射镜的曲率半径相同。
上述技术方案的有益效果在于：如此使得长条异形凹球面反射镜、第一凹球面反射镜、第二凹球面反射镜和第三凹球面反射镜设置更加方便。
上述技术方案中所述入射光束为紫外光束、红外光束或激光光束。
上述技术方案的有益效果在于：该返程式倍增光路的适应性强，能满应用于多种性质光源。
本发明的目的之二在于提供一种体积小但光程长的气体池。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种气体池，包括壳体、双向调节装置、三向调节装置和如权利要求-任一项所述的返程式倍增光路，所述返程式倍增光路设置在所述壳体内，且所述第二凹球面反射镜和第三凹球面反射镜设置在所述壳体后端，所述长条异形凹球面反射镜设置在所述壳体前端，所述分束器通过所述三向调节装置安装在所述长条异形凹球面反射镜的一侧，所述第一凹球面反射镜经所述双向调节装置设置在所述长条异形凹球面反射镜的另一侧，且所述第二凹球面反射镜和分束器同位于左侧或右侧，所述壳体上靠近所述分束器的位置处设有两个窗口，其中一个窗口用以射入入射光束，另一个所述窗口用以供回射光束射出，所述双向调节装置用以调节第一凹球面反射镜反射面的朝向，所述三向调节装置用以调节所述分束器的水平高度和其反射面的朝向。
上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，且体积小巧，同时光程长。
本发明目的之三在于提供一种包括如上所述气体池的光谱仪。
上述技术方案的有益效果在于，其灵敏度高，且样品量需求少。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的返程式倍增光路的原理图；
图2为本发明实施例1所述的返程式倍增光路的另一原理图；
图3为本发明实施例1中入程光束和回程光束的光斑在分束器、第一凹球面反射镜和长条异形凹球面反射镜上的分布图；
图4为本发明实施例2中所述气体池的结构简图；
图5为角反射镜回射光束的示意图。
图中：11分束器、12光束反射镜片组、121长条异形凹球面反射镜、122第一凹球面反射镜、123第二凹球面反射镜、124第三凹球面反射镜、2壳体、21窗口、3双向调节装置、4三向调节装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例提供了一种返程式倍增光路，包括分束器11和光束反射镜片组12，所述分束器11设置在所述光束反射镜片组12的一侧，入射光束经所述分束器11射入所述光束反射镜片组12，并在所述光束反射镜片组12内多次反射后回射至所述分束器11，并由所述分束器11以回射光束射出，所述分束器11用以将所述入射光束和回射在至其的光束分开，如此通过光束反射镜片组将经过分束器的入射光束进行光路的反复反射后并射回至分束器，再由分束器将入射光束和回射光束区分开，如此可通过光束反射镜片组实现光程的倍增。
其中，上述技术方案中所述光束反射镜片组12件包括长条异形凹球面反射镜121、第一凹球面反射镜122、第二凹球面反射镜123和第三凹球面反射镜124；所述长条异形凹球面反射镜121和第一凹球面反射镜122沿左右方向依次顺序间隔设置，所述第二凹球面反射镜123和第三凹球面反射镜124沿左右方向间隔设置，并位于所述长条异形凹球面反射镜121的后侧，所述长条异形凹球面反射镜121和第一凹球面反射镜122的反射面朝后，所述第二凹球面反射镜123和第三凹球面反射镜124的反射面朝前，且所述第二凹球面反射镜123位于所述第三凹球面反射镜124靠近所述分束器11的一侧，所述分束器11设置在所述长条异形凹球面反射镜121的远离所述第一凹球面反射镜122的一侧，入射光束经所述分束器11射向所述第二凹球面反射镜123并在所述第二凹球面反射镜123、长条异形凹球面反射镜121、第三凹球面反射镜124和第一凹球面反射镜122之间经多次反射后折回射回至所述分束器，并由所述分束器射出，其结构简单，且零部件数量少，如此可进一步的减小光束反射镜片组所占用的空间。
上述技术方案中所述长条异形凹球面反射镜121、第一凹球面反射镜122、第二凹球面反射镜123和第三凹球面反射镜124的曲率半径相同，如此使得长条异形凹球面反射镜121、第一凹球面反射镜122、第二凹球面反射镜123和第三凹球面反射镜124设置更加方便。
上述技术方案中所述入射光束为紫外光束、红外光束或激光光束，该返程式倍增光路的适应性强，能满应用于多种性质光源。
其中，从图1和图2中所示，其中光束在返程式倍增光路经多次反射后光程倍增了16倍，当然光束反射的次数可通过调节分束器和第二凹球面反射镜来进行调节，如图3中可发现光束在返程式倍增光路中反射后光程倍增了34倍倍。
其中，图3中长条异形凹球面反射镜、分束器和第一凹球面反射镜中部的实线小圆圈表示入程光束的光斑，而虚线小圆圈表示的为回程光束的光斑，其中，光束在由分束器传播至第一凹球面反射镜的阶段为入程光束，而由第一凹球面反射镜传播至分束器的阶段为出程光束，其中入射光束、入程光束、回程光束和回射光束是指同一光束在不同位置处的名称定义。
实施例2
如图4所示，本实施例提供了一种气体池，包括壳体2、双向调节装置3、三向调节装置4和如实施例1所述的返程式倍增光路，所述返程式倍增光路设置在所述壳体2内(其中，壳体为长方体形且沿前后方向水平设置)，且所述第二凹球面反射镜123和第三凹球面反射镜124设置在所述壳体2后端的内底壁上，所述长条异形凹球面反射镜121设置在所述壳体2前端的内底壁上，所述分束器11通过所述三向调节装置4安装在所述长条异形凹球面反射镜121的一侧，所述第一凹球面反射镜122经所述双向调节装置3设置在所述长条异形凹球面反射镜121的另一侧，且所述第二凹球面反射镜123和分束器11同位于左侧或右侧，所述壳体2上靠近所述分束器11的位置处设有两个窗口21，其中一个窗口21用以射入入射光束，另一个所述窗口21用以供回射光束射出，所述双向调节装置3用以调节第一凹球面反射镜122反射面的朝向，所述三向调节装置4用以调节所述分束器11的水平高度和其反射面的朝向，其结构简单，且体积小巧，同时光程长。
上述技术方案中所述入射光束和回射光束与分束器11之间的夹角均为45℃，其结构简单，如此使得入射光束和回射光束之间的夹角为90°，如此便于对光源和光束采集器进行设置，尤其是在实施例2中可使得两个窗口的分别设置在相邻的两个侧壁上，且窗口对应的通孔垂直与对应侧的侧壁。
其中，第一凹球面反射镜在此之所以不采用角反射镜进行替代是因为虽然角反射镜能够回射光束，反射光束与入射光束始终平行，反射角度也始终保持在180°，但是平行回射会造成光路平行位移，对激光光斑或平行光光斑比较适合，但如果采用角反射镜回射一个有焦点的光束，而不是激光光束或者光斑比较小的平行光光束，会造成回射光束的焦点反相移位，进一步造成返回到第四凹球面反射镜124的返回光路发散角度，焦距的方向和焦距发生变化，如图5b所示，从而导致光路回程上在第四凹球面反射镜124，长条异型凹球面反射镜121，第一凹球面反射镜122之间的多次折返回程光路的发散角度，焦点和焦距发生变化，从而气体池的光学设计无法正常工作，而采用第一凹球面反射镜则可适应各类光束的应用，而激光光束或光斑比较小的平行光光束则可采用角反射镜，其反射示意如图5a所示。
其中，所述双向调节装置3可采用万向球，三向调节装置4可采用万向球配合一根长度微调杆组合而成，其中长度微调杆竖直设置，所述万向球安装在长度微调杆的上端，由长度微调杆调节分束器的高度，而其上万向球用以调节其反射面的朝向。
实施例3
本实施例提供一种包括如实施例2所述气体池的光谱仪，其灵敏度高，且样品量需求少，其中，所述光谱仪可以为红外光谱仪、紫外光谱仪或激光光谱仪。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种返程式倍增光路，其特征在于，包括分束器(11)和光束反射镜片组(12)，所述分束器(11)设置在所述光束反射镜片组(12)的一侧，入射光束经所述分束器(11)射入所述光束反射镜片组(12)，且在所述光束反射镜片组(12)内多次反射后回射至所述分束器(11)，并由所述分束器(11)以回射光束射出，所述分束器(11)用以将所述入射光束和回射光束分开。
2.根据权利要求1所述返程式倍增光路，其特征在于，所述光束反射镜片组(12)件包括长条异形凹球面反射镜(121)、第一凹球面反射镜(122)、第二凹球面反射镜(123)和第三凹球面反射镜(124)；所述长条异形凹球面反射镜(121)和第一凹球面反射镜(122)从左向右间隔设置，所述第二凹球面反射镜(123)和第三凹球面反射镜(124)沿左右方向间隔设置，并位于所述长条异形凹球面反射镜(121)的后侧，所述长条异形凹球面反射镜(121)和第一凹球面反射镜(122)的反射面朝后，所述第二凹球面反射镜(123)和第三凹球面反射镜(124)的反射面朝前，且所述第二凹球面反射镜(123)位于所述第三凹球面反射镜(124)靠近所述分束器(11)的一侧，所述分束器(11)设置在所述长条异形凹球面反射镜(121)的远离所述第一凹球面反射镜(122)的一侧，入射光束经所述分束器(11)射向所述第二凹球面反射镜(123)并在所述第二凹球面反射镜(123)、长条异形凹球面反射镜(121)、第三凹球面反射镜(124)和第一凹球面反射镜(122)之间经多次反射后折回至所述分束器(11)，并由所述分束器射出。
3.根据权利要求2所述返程式倍增光路，其特征在于，所述入射光束和回射光束与分束器(11)之间的夹角均为45℃。
4.根据权利要求2所述返程式倍增光路，其特征在于，所述长条异形凹球面反射镜(121)、第一凹球面反射镜(122)、第二凹球面反射镜(123)和第三凹球面反射镜(124)的曲率半径相同。
5.根据权利要求2-4任一项所述返程式倍增光路，其特征在于，所述入射光束为紫外光束、红外光束或激光光束。
6.一种气体池，其特征在于，包括壳体(2)、双向调节装置(3)、三向调节装置(4)和如权利要求2-5任一项所述的返程式倍增光路，所述返程式倍增光路(1)设置在所述壳体(2)内，且所述第二凹球面反射镜(123)和第三凹球面反射镜(124)设置在所述壳体(2)的后端，所述长条异形凹球面反射镜(121)设置在所述壳体(2)的前端，所述分束器(11)通过所述三向调节装置(4)安装在所述长条异形凹球面反射镜(121)的一侧，所述第一凹球面反射镜(122)经所述双向调节装置(3)设置在所述长条异形凹球面反射镜(121)的另一侧，且所述第二凹球面反射镜(123)和分束器(11)同位于左侧或右侧，所述壳体(2)上靠近所述分束器(11)的位置处设有两个窗口(21)，其中一个窗口(21)用以射入入射光束，另一个所述窗口(21)用以供回射光束射出，所述双向调节装置(3)用以调节第一凹球面反射镜(122)反射面的朝向，所述三向调节装置(4)用以调节所述分束器(11)的水平高度和其反射面的朝向。
7.一种包括如权利要求6所述气体池的光谱仪。
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| CN114609044A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-06-10 | 汉威科技集团股份有限公司 | 一种长光程气体吸收池反射光学系统 |
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