CN113295669B - 用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，包括：首端腔镜、末端腔镜和若干折叠镜；所述首端腔镜、末端腔镜和若干折叠镜构成反射光路折叠的增强腔；所述首端腔镜设有通光孔，激光通过通光孔穿过首端腔镜进入增强腔，其中激光入射方向与其进入增强腔后第一个到达的折叠镜之间的角度非垂直；激光进入增强腔之后经折叠镜反射到达末端腔镜后反射；反射的激光沿不同路径在增强腔多次反射，直到激光到达首端腔镜时，恰好再次穿过通光孔，射出增强腔外。本发明提出的折叠型多反腔，可使激光在腔内反射数百次，多组分气体拉曼光谱检测的检出限可达亚ppm量级。
Description
技术领域
本发明属于气体拉曼光谱检测技术领域，涉及用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔。
背景技术
气体检测在环境污染检测、安全气体监测、工业过程控制等领域具有广泛需求。拉曼光谱气体检测法是基于气体的拉曼效应，通过测量气体因激光照射产生的拉曼散射光的波长判断气体组分，通过测量散射光强度判断气体含量的一种光谱气体检测方法。
相比目前常用气体检测方法，拉曼光谱法具备以下优势：可同时检测几乎所有气体组分；不同气体组分相互干扰小，检测的选择性高；无损检测，不损耗、不破坏待测气体。因此拉曼光谱法在气体检测领域中具有极大的应用前景。
然而气体拉曼散射截面积小、气体拉曼信号弱，导致拉曼光谱检测微量气体时的检出限较高。最常用的气体拉曼信号增强方法为腔增强技术，目前所用的增强腔主要包括谐振腔、线型多反腔等。
谐振腔利用激光在镜片之间多次反射后形成相长干涉，提升腔内激光强度，增强气体拉曼信号强度。谐振腔信号增强幅度大，可使拉曼光谱气体检测达到较低的检出限；然而谐振腔光学稳定性较低，抗干扰能力较差，不利于长时间稳定测量。
线型多反腔利用激光在两块反射镜之间的多次反射延长了激光与气体的作用路径，提升气体拉曼信号强度。线型多反腔光学稳定性高，抗干扰能力强；然而线型双镜多反腔的反射次数较少(通常为100余次)，信号增强幅度较低。
因此，目前腔增强气体拉曼信号增强方法难以兼顾高增强幅度与高稳定性。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，利用多个反射镜组成增强腔，使激光在多个反射镜之间沿不同路径多次反射，大幅提升激光与气体的作用路径，增强气体拉曼信号强度，实现微量气体的低检出限拉曼光谱检测，并兼具高光学稳定性、高抗干扰能力。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，其特征在于：
所述折叠型多反腔包括：首端腔镜、末端腔镜和若干折叠镜；
所述首端腔镜、末端腔镜和若干折叠镜构成反射光路折叠的增强腔；
所述首端腔镜设有通光孔，激光通过通光孔穿过首端腔镜进入增强腔，其中激光入射方向与其进入增强腔后第一个到达的折叠镜之间的角度非垂直；
激光进入增强腔之后经折叠镜反射到达末端腔镜后反射；
反射的激光沿不同路径在增强腔多次反射，直到激光到达首端腔镜时，恰好再次穿过通光孔，射出增强腔外。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述首端腔镜为凹面反射镜，反射面为球面。
优选地，所述通光孔为圆形通光孔；
首端腔镜直径与通光孔直径之比约为34:1；
首端腔镜直径与通光孔中心至首端腔镜的中心距离之比约为2.36:1。
优选地，所述折叠镜为平面反射镜。
优选地，所述末端腔镜为凹面反射镜，反射面为球面。
优选地，所述首端腔镜与折叠镜的距离、折叠镜与末端腔镜的距离之比为1:1。
优选地，所述首端腔镜和末端腔镜均为凹面反射镜，反射面为球面，首端腔镜和末端腔镜曲率半径比为1:1；
端腔镜、末端腔镜、折叠镜的直径之比为1:1:1。
优选地，所述通光孔为圆形通光孔；
所述折叠镜为平面反射镜；
所述首端腔镜和末端腔镜均为凹面反射镜，反射面为球面。
优选地，所述首端腔镜的曲率半径2m，镜片为直径75mm；
所述圆形通光孔直径为2.2mm，通光孔中心至首端腔镜的中心距离为33mm；
所述折叠镜的镜片直径为75mm；
所述末端腔镜曲率半径2m，镜片为直径75mm；
所述首端腔镜与增强腔中心的垂直距离、增强腔与末端腔镜中心的垂直距离均为1m。
优选地，所述折叠镜数量为1或2，所述折叠镜数量为1时，首端腔镜、末端腔镜和一个折叠镜构成光路一次折叠的三镜V型多反腔；
所述折叠镜数量为2时，首端腔镜、末端腔镜和两个折叠镜构成光路两次折叠的四镜N型多反腔。
本申请所达到的有益效果：
现有的线型多反腔通常能使激光反射数十次，至多100余次。而本发明提出的折叠型多反腔结构及尺寸，可使激光在腔内反射数百次，多组分气体拉曼光谱检测的检出限可达亚ppm量级。
附图说明
图1是本发明用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔的基本结构示意图；
图2是实施例中基于N型折叠多反腔的多组分气体拉曼光谱检测系统；
图3为实施例中多组分气体拉曼光谱图。
附图标记为：HM-首端腔镜、EM-末端腔镜、FM-折叠镜。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，包括：首端腔镜HM、末端腔镜EM和若干折叠镜FM；
所述首端腔镜HM、末端腔镜EM和若干折叠镜FM构成反射光路折叠的增强腔；
所述折叠镜数量为n时，首端腔镜、末端腔镜和n个折叠镜构成光路n次折叠的多反腔。
具体实施时，可以为如图1(a)所示的一次折叠的三镜V型多反腔，如图1(b)所示的两次折叠的四镜N型多反腔，或更多次折叠的多反腔。
如图1(c)所示，所述首端腔镜HM设有通光孔，激光通过通光孔穿过首端腔镜HM进入增强腔，其中激光入射方向与其进入增强腔后第一个到达的折叠镜FM之间的角度非垂直；
激光进入增强腔之后经折叠镜FM反射到达末端腔镜EM后反射，由于激光并非正入射进入增强腔中，因此末端腔镜EM反射的激光将沿不同路径回到首端腔镜，且不会射入首端腔镜的通光孔；
反射的激光沿不同路径在增强腔多次反射，直到激光到达首端腔镜HM时，恰好再次穿过通光孔，并射出增强腔外，由多反腔外的长通滤镜反射激光并透射拉曼信号。
此过程中，激光在增强腔内多个镜片之间多次反射，大幅延长了激光与气体的作用路径，提升了气体的拉曼信号强度。由于使用了折叠结构，本发明提出的折叠型多反腔的拉曼信号增强效果将高于现有的线型多反腔。
具体实施时，所述首端腔镜为凹面反射镜，反射面为球面。
所述通光孔为圆形通光孔；
首端腔镜直径与通光孔直径之比约为34:1；该比例过大(通光孔直径过小)，则会使入射光穿过通光孔时出现一定的损耗，不利于拉曼信号的增强。该比例过小(通光孔直径过大)，则会使激光在腔内的反射次数减少，总光程变短，不利于拉曼信号的增强。
首端腔镜直径与通光孔中心至首端腔镜的中心距离之比约为2.36:1。该比例过大(通光孔距腔镜中心过近)，则会使激光在腔内的反射次数减少，总光程变短，不利于拉曼信号的增强。该比例过小(通光孔距腔镜中心过远)，则激光在腔内反射时易横向溢出腔外，不利于形成多次反射，不利于拉曼信号的增强。
所述折叠镜为平面反射镜。
所述末端腔镜为凹面反射镜，反射面为球面。
所述首端腔镜与折叠镜的距离、折叠镜与末端腔镜的距离之比为1:1。
所述首端腔镜和末端腔镜曲率半径比为1:1；
端腔镜、末端腔镜、折叠镜的直径之比为1:1:1。
实施例1
所述首端腔镜HM为凹面反射镜，反射面为球面，曲率半径2m，镜片为直径75mm。
所述末端腔镜EM为凹面反射镜，反射面为球面，曲率半径2m，镜片为直径75mm。
所述通光孔为圆形通光孔，其直径为2.2mm，通光孔中心至首端腔镜HM的中心距离为33mm。
所述折叠镜FM为平面反射镜，镜片为直径75mm。
首端腔镜HM与增强腔中心的垂直距离、增强腔与末端腔镜EM中心的垂直距离均为1m。
基于本发明折叠型多反腔的气体拉曼信号增强与检测系统图2所示，包括激光器、长通滤镜、折叠型多反腔、光谱仪与CCD。
本实施例中，所用激光器波长为532nm、功率为1.5W，用于激发气体拉曼信号。
所用长通滤镜截止波长为533nm，用于反射激光并透射拉曼信号；还用于滤除拉曼信号中的激光、瑞利散射光等干扰信号。
所用N型折叠多反腔包含4块反射镜，一块首端腔镜HM、两块折叠镜(FM1、FM2)、一块末端腔镜EM。
其中首端腔镜HM为凹面反射镜，反射面为球面，曲率半径2m，镜片为直径75mm。
该首端腔镜HM上设有一圆形通光孔，直径为2.2mm，通光孔中心至首端腔镜的中心距离为33mm。
两块折叠镜均为平面反射镜，镜片为直径75mm。
末端腔镜EM为凹面反射镜，反射面为球面，曲率半径2m，镜片为直径75mm。
HM与FM1中心的垂直距离、FM1与FM2中心的垂直距离、FM2与EM中心的垂直距离均为1m。
激光共可在该增强腔内反射约570次，因此总光程约570m。
所用光谱仪与CCD用于探测待测气体的拉曼信号并生成拉曼光谱图。
对于本实施例的多组分气体拉曼光谱检测系统，激光器发出的激光被长通滤镜反射，由首端腔镜HM的通光孔进入增强腔内，并在增强腔内多次反射，增强气体拉曼信号强度，直至激光射出。气体拉曼信号由背向(即激光传播方向的反向)沿原路射出增强腔外，透射过长通滤镜后被光谱仪与CCD探测，并得到拉曼光谱图。
利用该系统对H2、CO2、CH4、C2H2组成的混合气体进行了拉曼光谱检测，测得的拉曼光谱图如图3所示(积分时间为1分钟)。其中各气体浓度均为2000ppm，根据三倍信噪比原则得到的检出限为H2：0.77ppm、CO2：0.70ppm、CH4：0.36ppm、C2H2：0.50ppm。
由此可得，与现有线型多反腔通常能使激光反射数十次，至多100余次相比，本发明提出的折叠型多反腔，可使激光在腔内反射数百次，多组分气体拉曼光谱检测的检出限可达亚ppm量级。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，其特征在于：
所述折叠型多反腔包括：首端腔镜、末端腔镜和两个折叠镜；
所述首端腔镜为凹面反射镜，反射面为球面；
所述末端腔镜为凹面反射镜，反射面为球面；
所述首端腔镜、末端腔镜和两个折叠镜构成反射光路折叠的增强腔；
所述首端腔镜设有通光孔，激光通过通光孔穿过首端腔镜进入增强腔，其中激光入射方向与其进入增强腔后第一个到达的折叠镜之间的角度非垂直；
所述通光孔为圆形通光孔；
首端腔镜直径与通光孔直径之比约为34:1；
首端腔镜直径与通光孔中心至首端腔镜的中心距离之比约为2.36:1；
激光进入增强腔之后经折叠镜反射到达末端腔镜后反射；
反射的激光沿不同路径在增强腔多次反射，直到激光到达首端腔镜时，恰好再次穿过通光孔，射出增强腔外。
2.根据权利要求1所述的用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，其特征在于：
所述折叠镜为平面反射镜。
3.根据权利要求1所述的用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，其特征在于：
所述首端腔镜与折叠镜的距离、折叠镜与末端腔镜的距离之比为1:1。
4.根据权利要求1所述的用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，其特征在于：
所述首端腔镜和末端腔镜曲率半径比为1:1；
首端腔镜、末端腔镜、折叠镜的直径之比为1:1:1。
5.根据权利要求1所述的用于气体拉曼信号增强的折叠型多反腔，其特征在于：
所述首端腔镜的曲率半径2m，镜片为直径75mm；
所述圆形通光孔直径为2.2mm，通光孔中心至首端腔镜的中心距离为33mm；
所述折叠镜的镜片直径为75mm；
所述末端腔镜曲率半径2m，镜片为直径75mm；
所述首端腔镜与增强腔中心的垂直距离、增强腔与末端腔镜中心的垂直距离均为1m。
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