CN114088630A - 一种倍增光路、气体池及光谱仪 - Google Patents

一种倍增光路、气体池及光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种倍增光路、气体池及光谱仪，所述倍增光路包括光束反射镜片组和具有两个反射面且两个反射面相交的刀锋棱镜反射镜，所述刀锋棱镜反射镜设置在所述光束反射镜片组的一侧，入射光束经所述刀锋棱镜反射镜反射至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刀锋棱镜反射镜，并由所述刀锋棱镜反射镜将回程光束反射后的出射光束沿所述入射光束的相同方向射出，如此可通过光束反射镜片组实现光程的倍增，另外刀锋棱镜反射镜对光束能量的损耗极低。

Description

一种倍增光路、气体池及光谱仪
技术领域
本发明属于光谱设备领域，尤其涉及一种倍增光路、气体池及光谱仪。
背景技术
光学气体池是光谱定量分析的重要设备之一，增加气体池的光程，可以增强光谱吸收信号，提高气体探测灵敏度。传统的怀特气体池结构增加光程，气体池容积也会变大，且增长了测量响应时间，另一方面，气体池外形尺寸增大，不利于气体分析仪的集成。
文献号为CN112683804A的专利文件公开了一种返程式倍增光路、气体池及光谱仪，在怀特池原来出光口位置设置了同曲率半径的凹球面反射镜用于返回传统怀特池中原本的出射光，使得出射光基本沿原路返回，在靠近入射口和出射口的位置利用一个分束器分开了入射光束和出射光束，适用于红外、紫外、激光光谱。这个方案通过凹球面返回镜和分束镜，利用分束器可以半透半反的特性解决了分开入射光束和出射光束的挑战，同时也解决了光束沿原路返回造成的入射光斑和出射光斑重叠的挑战，这个方案不仅适合光束直径比较小的激光光束，这个方案也适合光束直径比较大的其他光源。但是，通常分束器的反射和透过效率分别为50％，这个方案中的入射光束和出射光束分别经由分束器发生一次反射或透射，分束器本身会额外导致75％的初始入射光束能量损耗，分束器对入射光束和出射光束的透过或反射都损耗过高光束能量，会额外地降低气体池的出射光强度，影响光学系统信噪比。
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光束反射次数倍增，光程倍增，光路输出能量效率高，结构简单，且能在较小的空间内实现光程倍增的倍增光路。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种倍增光路，包括光束反射镜片组和具有两个反射面且两个反射面相交的刀锋棱镜反射镜，所述刀锋棱镜反射镜设置在所述光束反射镜片组的一侧，入射光束经所述刀锋棱镜反射镜反射至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刀锋棱镜反射镜，并由所述刀锋棱镜反射镜将回程光束反射后的出射光束沿所述入射光束的相同方向射出。
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刀锋棱镜反射镜的射入的光束进行反复反射后并射回至刀锋棱镜反射镜，再由刀锋棱镜反射镜将回程光束反射后的出射光束射出，如此可通过光束反射镜片组实现光程的倍增，另外刀锋棱镜反射镜对光束能量的损耗极低。
上述技术方案中所述光束反射镜片组件包括第一凹球面反射镜、第二凹球面反射镜、第三凹球面反射镜和第四凹球面反射镜；所述第一凹球面反射镜和第二凹球面反射镜从左向右间隔设置，所述第三凹球面反射镜和第四凹球面反射镜沿左右方向间隔设置，并位于所述第一凹球面反射镜的后侧，所述第一凹球面反射镜和第二凹球面反射镜的反射面朝后，所述第三凹球面反射镜和第四凹球面反射镜的反射面朝前，且所述第三凹球面反射镜位于所述第四凹球面反射镜靠近所述刀锋棱镜反射镜的一侧，所述刀锋棱镜反射镜设置在所述第一凹球面反射镜的远离所述第二凹球面反射镜的一侧，入射光束经所述刀锋棱镜反射镜射向所述第三凹球面反射镜并在所述第三凹球面反射镜、第一凹球面反射镜、第四凹球面反射镜和第二凹球面反射镜之间经多次反射后折回至所述刀锋棱镜反射镜，并由所述刀锋棱镜反射镜射出。
上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，反射次数倍增，光程倍增，反射次数多，光程长，光路输出能量效率高，且零部件数量少。
上述技术方案中所述刀锋棱镜反射镜为刀锋直角棱镜反射镜。
上述技术方案中所述第一凹球面反射镜为凸字形凹球面反射镜。
上述技术方案的有益效果在于：如此使得入射光束和经刀锋棱镜反射镜反射出的光束可位于同一方向上，光束反射镜片组件的占用空间更小。
本发明的目的之二在于提供一种体积小，光束反射次数倍增，光程倍增，但且光束能量损耗极低的气体池。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种气体池，包括壳体和如上所述的倍增光路，所述壳体沿前后方向设置，所述壳体具有入射窗口和出射窗口，且所述入射窗口和出射窗口相对设置在所述壳体前端的两侧，所述倍增光路设置在所述壳体内，且所述刀锋棱镜反射镜位于所述入射窗口和出射窗口之间，所述入射光束经所述入射窗口射入到所述壳体内并经所述刀锋棱镜反射镜的一个反射面反射至光束反射镜片组，并由所述光束反射镜片组回射至所述刀锋棱镜反射镜的另一个反射面，并经所述出射窗口射出。
上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，通过将入射窗口和出射窗口相对设置，如此使得刀锋棱镜反射镜将回程光束反射至与入射光束处于同一方向(即出射光束与入射光束同向射出)，从而使得其气体池的结构更加小巧。
上述技术方案中所述刀锋棱镜通过三向调节装置安装在所述入射窗口和出射窗口之间，所述三向调节装置用以调节所述刀锋棱镜反射镜的水平高度和刀锋侧的朝向。
上述技术方案的有益效果在于：如此可调节刀锋棱镜反射镜的刀锋侧的朝向以调节入射光束射向所述光束反射镜片组的角度。
上述技术方案中还包括三个双向调节装置，三个所述双向调节装置分别与第二凹球面反射镜、第三凹球面反射镜和第四凹球面反射镜对应设置，所述第三凹球面反射镜和第四凹球面反射镜分别通过对应的双向调节装置设置在所述壳体的后端，所述第一凹球面反射镜设置在所述壳体的前端，并位于所述刀锋棱镜反射镜的后方，所述第二凹球面反射镜经对应的所述双向调节装置设置在所述第一凹球面反射镜的另一侧，且所述第三凹球面反射镜和刀锋棱镜反射镜同位于左侧或右侧，三个所述双向调节装置分别用以调节对应的第二凹球面反射镜、第三凹球面反射镜和第四凹球面反射镜反射面的朝向。
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。
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，同时灵敏度高的光谱仪。
附图说明
图1为本发明实施例1所述倍增光路的结构简图；
图2为本发明实施例1中所述刀锋棱镜反射镜横向设置时的光束反射示意图；
图3为本发明实施例1中所述刀锋棱镜反射镜竖向设置时的光束反射示意图；
图4为本发明实施例2中所述刀锋棱镜反射镜、第一凹球面反射镜和第二凹球面反射镜的光斑分布图之一；
图5为本发明实施例2中所述刀锋棱镜反射镜、第一凹球面反射镜和第二凹球面反射镜的光斑分布图之二；
图6为本发明实施例2中所述刀锋棱镜反射镜、第一凹球面反射镜和第二凹球面反射镜的光斑分布图之三；
图7为本发明实施例2所述气体池的结构简图。
图8为本发明实施例2所述气体池的另一种结构简图。
图中：11光束反射镜片组、111第一凹球面反射镜、112第二凹球面反射镜、113第三凹球面反射镜、114第四凹球面反射镜、12刀锋棱镜反射镜、2壳体、21入射窗口、22出射窗口、3三向调节装置、4双向调节装置。
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。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例提供了一种倍增光路，包括光束反射镜片组11和具有两个反射面且两个反射面相交的刀锋棱镜反射镜12，所述刀锋棱镜反射镜12设置在所述光束反射镜片组11的一侧，入射光束经所述刀锋棱镜反射镜12反射至所述光束反射镜片组11，且在所述光束反射镜片组11内多次反射后回射至所述刀锋棱镜反射镜12，并由所述刀锋棱镜反射镜12将回程光束反射后的出射光束沿所述入射光束的相同方向射出，如此可通过光束反射镜片组11实现光程的倍增，另外刀锋棱镜反射镜12对光束能量的损耗低。
上述技术方案中所述光束反射镜片组11件包括第一凹球面反射镜111、第二凹球面反射镜112、第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114；所述第一凹球面反射镜111和第二凹球面反射镜112从左向右间隔设置，所述第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114沿左右方向间隔设置，并位于所述第一凹球面反射镜111的后侧，所述第一凹球面反射镜111和第二凹球面反射镜112的反射面朝后，所述第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114的反射面朝前，且所述第三凹球面反射镜113位于所述第四凹球面反射镜114靠近所述刀锋棱镜反射镜12的一侧，所述刀锋棱镜反射镜12设置在所述第一凹球面反射镜111的远离所述第二凹球面反射镜112的一侧，入射光束经所述刀锋棱镜反射镜12射向所述第三凹球面反射镜113并在所述第三凹球面反射镜113、第一凹球面反射镜111、第四凹球面反射镜114和第二凹球面反射镜112之间经多次反射后折回至所述刀锋棱镜反射镜12，并由所述刀锋棱镜反射镜12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刀锋棱镜反射镜12为刀锋直角棱镜反射镜，如此使得入射光束和经刀锋棱镜反射镜反射出的出射光束可位于同一方向上。
上述技术方案中所述第一凹球面反射镜111、第二凹球面反射镜112、第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114的曲率半径相同，如此使得第一凹球面反射镜111、第二凹球面反射镜112、第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114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，该倍增光路的适应性强，能满应用于多种性质光源。
本实施例提供的倍增光路通过采用刀锋棱镜反射镜对将入射光束和出射光束分开，且刀锋棱镜反射镜对光束的能量损耗极小。
实施例2
如图4-图8所示，本实施例提供了一种气体池，包括壳体2和如实施例1所述的倍增光路，所述壳体2沿前后方向设置，所述壳体2具有入射窗口21和出射窗口22，且所述入射窗口21和出射窗口22相对设置在所述壳体2前端的两侧，所述倍增光路设置在所述壳体2内，且所述刀锋棱镜反射镜12位于所述入射窗口21和出射窗口22之间，所述入射光束经所述入射窗口21射入到所述壳体2内并经所述刀锋棱镜反射镜12反射至光束反射镜片组11，并由所述光束反射镜片组11回射至所述刀锋棱镜反射镜12，并经所述出射窗口22射出，其结构简单，通过将入射窗口和出射窗口相对设置，如此使得刀锋棱镜反射镜将回程光束反射至与入射光束处于同一方向，从而使得其气体池的结构更加小巧。
上述技术方案中所述刀锋棱镜反射镜12通过三向调节装置3安装在所述入射窗口21和出射窗口22之间，所述三向调节装置3用以调节所述刀锋棱镜反射镜12的水平高度和刀锋侧的朝向，如此可调节刀锋棱镜反射镜刀锋侧的朝向以调节入射光束射向所述光束反射镜片组的角度。
上述技术方案中还包括三个双向调节装置4，三个所述双向调节装置4分别与第二凹球面反射镜112、第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114对应设置，所述第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114分别通过对应的双向调节装置4设置在所述壳体2的后端，所述第一凹球面反射镜111设置在所述壳体2的前端，并位于所述刀锋棱镜反射镜12的后方，所述第二凹球面反射镜112经对应的所述双向调节装置4设置在所述第一凹球面反射镜111的另一侧，且所述第三凹球面反射镜113和刀锋棱镜反射镜12同位于左侧或右侧，三个所述双向调节装置4分别用以调节对应的第二凹球面反射镜112、第三凹球面反射镜113和第四凹球面反射镜114反射面的朝向，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。
其中，所述双向调节装置4可采用万向球，三向调节装置3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，由长度微调杆调节刀锋棱镜反射镜12的高度，而其上万向球用以调节其刀锋侧的朝向。
详见图4-图6，为中第一凹球面反射镜、刀锋棱镜反射镜和第二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，光束在由刀锋棱镜反射镜传播至第二凹球面反射镜的阶段为入程光束，而由第二凹球面反射镜传播至刀锋棱镜反射镜的阶段为回程光束，其中入射光束、入程光束、回程光束和出射光束是指同一光束在不同位置处的名称定义。
实施例3
本实施例提供了一种包括如实施例2所述气体池的光谱仪，其灵敏度高，且样品量需求少，同时灵敏度高的光谱仪。
上述各实施例中，所述倍增光路内部的光束反射的次数可通过调节刀锋棱镜反射镜、第二凹球面反射镜、第三凹球面反射镜和第四凹球面反射镜的角度来进行增加，可产生的光束反射的次数可以表达为如下公式：4(Nis+1)或4(Nrs+1)，其中Nis为入程光束在第一凹球面反射镜表面上产生的入程光斑数量，Nrs为回程光束在第一凹球面反射镜表面上产生的回程光斑数量，在第一凹球面反射镜表面上的所述入程光斑数量等于所述回程光斑数量Nrs＝Nis。
本发明的技术方案中，所述倍增光路的出射光束光强和入射光束光强的关系可以表达为如下公式：I′＝I0×(Rc)n×(Rk)2，其中I′代表所述的出射光束光强，I0代表所述的入射光束光强，Rc代表所述光束反射镜片组中的凹球面反射镜的反射率，n代表光束在所述光束反射镜片组中的所有凹球面反射镜上面的总反射次数，Rk代表所述刀锋棱镜反射镜的反射率。
在文献号为CN112683804A的专利文件公开方案中，其中的气体池的出射光光强和入射光束光强的关系可以表达为如下公式：I′＝I0×(Rc)n×Rs×Ts，其中I′代表其中的气体池的出射光束光强，I0代表其中的气体池的入射光束光强，Rc代表其中的光束反射镜片组中的凹球面反射镜的反射率，n代表光束在其中的光束反射镜片组中的凹球面反射镜上面的总反射次数，Rs代表其中的分束器的反射率，Ts代表其中的分束器的透过率。通常一个分束器的反射率和透过率总和为100％，当一个分束器既反射一束光束，又透射同一束光束时，分束器反射率或透过率通常分别为50％，在凹球面反射镜的反射率为理想情况下，可以取得一个相对于入射光束能量为25％的总最优输出效率。
本发明的技术方案中，使用所述刀锋棱镜反射镜的两个反射面的反射率通常都在90％-99％范围内，理想情况下反射率接近100％，远高于光束分别经过分束器反射和透射后为25％的总最优输出效率。换句话说，配置同样的所述光束反射镜片组11，本发明的技术方案中最终出射光束的能量可以比CN112683804A的技术方案的出射光束的能量提高近4倍左右，将有效提高所述气体池光学系统的光学信号输出能量和信噪比。
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 (8)

1.一种倍增光路，其特征在于，包括光束反射镜片组(11)和具有两个反射面且两个反射面相交的刀锋棱镜反射镜(12)，所述刀锋棱镜反射镜(12)设置在所述光束反射镜片组(11)的一侧，入射光束经所述刀锋棱镜反射镜(12)反射至所述光束反射镜片组(11)，且在所述光束反射镜片组(11)内多次反射后回射至所述刀锋棱镜反射镜(12)，并由所述刀锋棱镜反射镜(12)将回程光束反射后的出射光束沿所述入射光束的相同方向射出。
2.根据权利要求1所述的倍增光路，其特征在于，所述光束反射镜片组(11)包括第一凹球面反射镜(111)、第二凹球面反射镜(112)、第三凹球面反射镜(113)和第四凹球面反射镜(114)；所述第一凹球面反射镜(111)和第二凹球面反射镜(112)从左向右间隔设置，所述第三凹球面反射镜(113)和第四凹球面反射镜(114)沿左右方向间隔设置，并位于所述第一凹球面反射镜(111)的后侧，所述第一凹球面反射镜(111)和第二凹球面反射镜(112)的反射面朝后，所述第三凹球面反射镜(113)和第四凹球面反射镜(114)的反射面朝前，且所述第三凹球面反射镜(113)位于所述第四凹球面反射镜(114)靠近所述刀锋棱镜反射镜(12)的一侧，所述刀锋棱镜反射镜(12)设置在所述第一凹球面反射镜(111)的远离所述第二凹球面反射镜(112)的一侧，入射光束经所述刀锋棱镜反射镜(12)射向所述第三凹球面反射镜(113)并在所述第三凹球面反射镜(113)、第一凹球面反射镜(111)、第四凹球面反射镜(114)和第二凹球面反射镜(112)之间经多次反射后折回至所述刀锋棱镜反射镜(12)，并由所述刀锋棱镜反射镜(12)射出。
3.根据权利要求2所述的倍增光路，其特征在于，所述刀锋棱镜反射镜(12)为刀锋直角棱镜反射镜。
4.根据权利要求2或3所述的倍增光路，其特征在于，所述第一凹球面反射镜(111)为凸字形凹球面反射镜。
5.一种气体池，其特征在于，包括壳体(2)和如权利要求2-4任一项所述的倍增光路，所述壳体(2)沿前后方向设置，所述壳体(2)具有入射窗口(21)和出射窗口(22)，且所述入射窗口(21)和出射窗口(22)相对设置在所述壳体(2)前端的左右两侧或上下两侧，所述倍增光路设置在所述壳体(2)内，且所述刀锋棱镜反射镜(12)位于所述入射窗口(21)和出射窗口(22)之间，所述入射光束经所述入射窗口(21)射入到所述壳体(2)内并经所述刀锋棱镜反射镜(12)反射至光束反射镜片组(11)，并由所述光束反射镜片组(11)回射至所述刀锋棱镜反射镜(12)，并经所述出射窗口(22)射出。
6.根据权利要求5所述的气体池，其特征在于，所述刀锋棱镜反射镜(12)通过三向调节装置(3)安装在所述入射窗口(21)和出射窗口(22)之间，所述三向调节装置(3)用以调节所述刀锋棱镜反射镜(12)的水平高度和刀锋侧的朝向。
7.根据权利要求6所述的气体池，其特征在于，还包括三个双向调节装置(4)，三个所述双向调节装置(4)分别与第二凹球面反射镜(112)、第三凹球面反射镜(113)和第四凹球面反射镜(114)对应设置，所述第三凹球面反射镜(113)和第四凹球面反射镜(114)分别通过对应的双向调节装置(4)设置在所述壳体(2)的后端，所述第一凹球面反射镜(111)设置在所述壳体(2)的前端，并位于所述刀锋棱镜反射镜(12)的后方，所述第二凹球面反射镜(112)经对应的所述双向调节装置(4)设置在所述第一凹球面反射镜(111)的另一侧，且所述第三凹球面反射镜(113)和刀锋棱镜反射镜(12)同位于左侧或右侧，三个所述双向调节装置(4)分别用以调节对应的第二凹球面反射镜(112)、第三凹球面反射镜(113)和第四凹球面反射镜(114)反射面的朝向。
8.一种光谱仪，其特征在于，包括如权利要求5-7任一项所述的气体池。
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