CN113484266B - 一种光程倍增器件和光程倍增气体吸收池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光程倍增器件和光程倍增气体吸收池，光程倍增器件包括：一个输入端，用于输入光束；一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；一个主反射镜；两个副反射镜；所述输入端发出的准直光束经过所述主反射镜和所述两个副反射镜的往复反射，形成典型的怀特池光学结构；一个倍增镜，光束经过所述倍增镜反射后在所述主反射镜和所述两个副反射镜间往复反射，最后到达所述输出端。光程倍增气体吸收池包括密封壳体，以及设置在所述密封壳体内部用于倍增光程的光学结构；所述光学结构采用所述的光程倍增器件。本发明通过在典型怀特池光学结构的基础上增加倍增镜，不仅增加了一倍的光学反射次数，而且安装和调试更加方便。

Description

一种光程倍增器件和光程倍增气体吸收池
技术领域
本发明属于光学传感领域，具体的说，涉及了一种光程倍增器件和光程倍增气体吸收池。
背景技术
现有的光学气体传感器具有寿命长、精度高、抗中毒等优点，在气体检测领域广泛应用；光学气体吸收池为传感器的核心部件，直接决定传感器的性能和外形尺寸。
随着在气体检测领域对精度的要求提升，光学气体吸收池的光程也需要进一步提高。要求在有限空间内的实现更长的光程，需要吸收池实现更多次的反射。
业界对基于赫里奥特室和怀特室有很多改进的设计，如赫里奥特本人提出的用像散透镜实现更多的反射次数(“Folded Optical Delay Lines”，Appl.Opt.，Vol.4，No.8，pp883-889，1965)，但存在像散透镜很难加工的问题，虽然后续有通过旋转一个像散透镜以降低加工精度要求(美国专利5291365，1994)，仍旧没有解决像散透镜高昂的加工成本问题；Joel .A .Silver等人提出用双柱面镜实现密集的光斑分布即更多的反射次数(美国专利7477377，2009)，但由于双柱面的非旋转对称性质，光束在多次反射后不再具有与输入光束相同的光束特性，在需要光束特性(光束半径、发散半角等)保持的应用场景中无法应用。虽然也有一些基于怀特室的改进方案，如中国专利“折叠式倍光程多通气体池”(CN102053063B)在怀特室输出端采用一个角反射镜，反射输出光束使之沿原路返回(偏离一个小角度)，光程得到加倍，但输入输出端过于靠近，需要更多的空间分离输入和输出光束；同时，怀特室使用了带角度的次反射镜，光束多次反射后，像差对输出光束特性的影响较大。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种更理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种光程倍增器件和光程倍增气体吸收池。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供一种光程倍增器件，包括：一个输入端，用于输入光束；一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；一个主反射镜；两个副反射镜；所述输入端发出的准直光束经过所述主反射镜和所述两个副反射镜的往复反射，形成典型的怀特池光学结构；一个倍增镜，光束经过所述倍增镜反射后在所述主反射镜和所述两个副反射镜间往复反射，最后到达所述输出端。
基于上述，所述主反射镜、所述副反射镜和所述倍增镜均为凹面反射镜。
基于上述，所述主反射镜、所述副反射镜、所述倍增镜的半径R相同或者相近。
基于上述，两个所述副反射镜的球心分别处于所述主反射镜的反射面上且在光轴的两侧；所述倍增镜的球心处于与所述倍增镜最接近的副反射镜上。
基于上述，所述倍增镜粘接在所述主反射镜上。
基于上述，还包括输出反射镜，所述输出反射镜设置在输出光路上，用于将倍增后的光束转向到输出端进行输出。
本发明第二方面提供一种光程倍增气体吸收池，包括密封壳体，以及设置在所述密封壳体内部用于倍增光程的光学结构；所述光学结构采用所述的光程倍增器件。
基于上述，所述入射端处的输入光束由光纤导入，所述输出端处的输出光束由光纤导出。
基于上述，所述入射端处的输入光束由光纤导入，所述输出端处的输出光束由探测器接收。
本发明相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说：本发明的光程倍增器件，通过在典型怀特池光学结构的基础上增加倍增镜，不仅增加了一倍的光学反射次数，使光程增加了一倍，而且，倍增镜只需粘接在典型怀特池光学结构主反射镜上即可，光学结构稳定可靠，安装和调试更加方便。
附图说明
图1是本发明光程倍增器件的光学结构图。
图2是典型怀特池反射光斑分布图。
图3是本发明光程倍增器件的反射光斑分布图。
图4是本发明光程倍增器件的轴测图。
图5是本发明光程倍增器件的光路模拟流程图。
图6是本发明光程倍增器件的光路模拟图。
图中：1、主反射镜；2、副反射镜；3、副反射镜；4、倍增镜；5、输入端；6、输出端。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，一种光程倍增器件，包括：
一个输入端5，用于输入光束；
一个输出端6，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；
一个主反射镜1，副反射镜2和副反射镜3；
所述输入端5发出的准直光束经过所述主反射镜1和副反射镜2、副反射镜3的往复反射，形成典型的怀特池光学结构，光束在所述主反射镜1反射面上形成两排反射光斑如图2所示；
一个倍增镜4，光束经过所述倍增镜4反射后在所述主反射镜1和副反射镜2、副反射镜3间往复反射，最后到达所述输出端。
本实施例的光程倍增器件通过增加倍增镜4，反射次数是原来光学结构的2倍反射次数，其在主反射镜1和倍增镜4上形成了四排光斑，如图3-图6所示。
优选的，所述主反射镜1、所述副反射镜2、所述副反射镜3、和所述倍增镜4均为凹面反射镜。
优选的，所述主反射镜1、所述副反射镜2、所述副反射镜3、所述倍增镜4的半径R相同或者相近。
优选的，两个所述副反射镜2、3的球心P2、P3分别处于所述主反射镜1的反射面上且在光轴的两侧；所述倍增镜4的球心P4处于与所述倍增镜4最接近的副反射镜3上。
优选的，所述倍增镜4粘接在所述主反射镜1上。
所述输入端5和所述输出端6设置在所述主反射镜1相对所述倍增镜4的另一端，优选的，增加输出反射镜7，所述输出反射镜7设置在输出光路上，用于将倍增后的光束转向到输出端6进行输出，有效实现所述输入端5与所述输出端6的分离设置。
实施例2
本实施例提供了一种光程倍增气体吸收池，包括密封壳体，以及设置在所述密封壳体内部用于倍增光程的光学结构；所述光学结构采用实施例1所述的光程倍增器件。
本实施例的光程倍增气体吸收池不仅增加了一倍的光学反射次数，使光程增加了一倍，而且，倍增镜只需粘接在典型怀特池光学结构主反射镜上或主反射镜一体化加工成型即可，光学结构稳定可靠，便于安装和调试，满足目前气体检测领域对气体吸收池的性能要求。
为方便光束的导入和导出，所述入射端处的输入光束由光纤导入，所述输出端处的输出光束由光纤导出；在其它实施例中，所述输出端处的输出光束也可以由探测器接收。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种光程倍增器件，其特征在于，包括：
一个输入端，用于输入光束；
一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；
一个主反射镜；
两个副反射镜；
所述输入端发出的准直光束经过所述主反射镜和所述两个副反射镜的往复反射，形成典型的怀特池光学结构；
一个倍增镜，光束经过所述倍增镜反射后在所述主反射镜和所述两个副反射镜间往复反射，最后到达所述输出端，在所述主反射镜上形成四排光斑；
两个所述副反射镜的球心分别处于所述主反射镜的反射面上且在光轴的两侧；所述倍增镜的球心处于与所述倍增镜最接近的副反射镜上；
所述倍增镜粘接在所述主反射镜上。
2.根据权利要求1所述的光程倍增器件，其特征在于：所述主反射镜、所述副反射镜和所述倍增镜均为凹面反射镜。
3.根据权利要求2所述的光程倍增器件，其特征在于：所述主反射镜、所述副反射镜、所述倍增镜的半径R相同或者相近。
4.根据权利要求1所述的光程倍增器件，其特征在于：还包括输出反射镜，所述输出反射镜设置在输出光路上，用于将倍增后的光束转向到输出端进行输出。
5.一种光程倍增气体吸收池，其特征在于：包括密封壳体，以及设置在所述密封壳体内部用于倍增光程的光学结构；
所述光学结构采用权利要求1-4任一项所述的光程倍增器件。
6.根据权利要求5所述的光程倍增气体吸收池，其特征在于：所述入射端处的输入光束由光纤导入，所述输出端处的输出光束由光纤导出。
7.根据权利要求5所述的光程倍增气体吸收池，其特征在于：所述入射端处的输入光束由光纤导入，所述输出端处的输出光束由探测器接收。
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