CN114166795A - 一种多波长激光共用的多通道池构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种多波长激光共用的多通道池构建方法。本发明利用两块共轴放置的凹面镜，组成了一个谐振腔，在其中一个镜片上开多个通光孔，将三种不同波长的激光同时打进多光程池检测痕量气体并利用TracePro软件设计模拟其光路。该设计思路的创新之处在于可以一池测多气。即一个多光程池同时充入多种气体，不同气体对相应频率激光进行充分吸收，也就是直接吸收。若在痕量气体的浓度测量中，气体产生的直接吸收信号很小，湮没在较强的直流背景信号中，则可以利用波长调制光谱技术将吸收信号移到较高频段，再对该载频进行解调来提高探测灵敏度。

Description

一种多波长激光共用的多通道池构建方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种多波长激光共用的多通道池构建方法。

背景技术

随着我国工业化进程的加速，环境污染问题日益严峻，严重威胁着人们的身体健康，发展大气污染物的检测技术，对环境污染的监控、治理以及环境科学问题的研究具有重要的意义。随着半导体激光器制造技术的进步，TDLAS技术得到了快速发展。基于该技术构建的气体检测系统具有高灵敏度、高精度、高选择性、反应快等优点，已广泛应用于大气痕量气体检测、工业过程控制、城市污染源排放监控等。

根据朗伯-比尔定律，在探测器CV值一定的情况下，TDLAS技术可探测到的气体浓度值与吸收光程长度成反比。这意味着在探测痕量气体浓度时，需要几十甚至上百米的吸收光程，一般的探测系统应用很难满足这个条件。光学吸收池利用多次反射原理，在有限的空间中实现了较长的吸收光程，因而在气体光谱检测系统中得到了广泛应用，是TDLAS技术中不可或缺的组成部分。设计和改进光学吸收池对TDLAS探测系统的小型化与低功耗发展具有重要意义。

常用的光学吸收池主要有White型、矩阵型和Herriott型。传统的Herriott型多通池只在其中的单面镜子上开一个孔，用于激光的入射和出射。以此系统来测量单一气体浓度或者将多束不同波长激光合束之后进入多通池进行多气体测量。但是这种多气体测量方法的不足之处在于不同激光合束的时候其效果不是很理想。比如可见光与红外光就很难进行合束。本发明设计的一套多光程池是一种Herriott池的改进型。其特点在于在单个镜面上开多个孔或者在两个镜子上的不同位置开多孔，多种波长的激光分别从不同的孔耦合进入Herriott池，在多通道池中经过多次反射后从各自相应的入射孔射出。该设计思路的创新之处在于可以一池测多气。即一个多光程池同时充入多种气体，不同气体对相应频率激光进行充分吸收，也就是直接吸收。若在痕量气体的浓度测量中，气体产生的直接吸收信号很小，湮没在较强的直流背景信号中，则可以利用波长调制光谱技术将吸收信号移到较高频段，再对该载频进行解调来提高探测灵敏度。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种多波长激光共用的多通道池构建方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种多波长激光共用的多通道池构建方法，包括以下步骤：

步骤1，凹面镜模型构建：建立两个相对的共轴的凹面镜，然后在凹面镜上分布多个入射孔；

步骤2，光源的设置：设置光源的出射范围小于入射孔的孔径，入射光的调节必须满足光斑成型的公式，即：

d＝R(1-cosθ)(2.2)

其中，θ为每一次传输相应光线转过的角度，N为凹面镜间的反射次数，为正偶数，d为凹面镜面间距，R为凹面镜的曲率半径，(x₀',y₀')为入射光的法向向量，(x₀,y₀)为入射光的初始坐标；

满足傍轴近似：假设传播方向与光束轴之间的夹角很小。采用傍轴近似可以简化许多光学中的计算，即假设光(例如，一些激光光束)的传播方向与光束轴之间的夹角很小。几何光学(射线光学)采用几何射线来描述光的传播。这时傍轴近似表示射线与光学系统的一些参考轴之间的夹角θ非常小，远小于1rad。在该近似下，可以假设tanθ≈sinθ≈θ。一些光学系统的光束偏移量(与参考轴之间的距离)和光束角的变化可由简单的ABCD矩阵来描述，偏移量和角度在光学元件或系统前后都是线性关系。

步骤3，将上述构建好的凹面镜模型做成一个Herriott多光程池，将几个不同波段的激光按照上述设置的光源耦合到Herriott多光程池中，充入痕量气体进行相应浓度的检测。

进一步，所述步骤1中建立两个相对的共轴凹面镜使用光学模拟软件，具体步骤为：

步骤1.1，先插入透镜原件，输入相应参数，构建一个圆柱形透镜；

步骤1.2，再插入一个球体，然后经过取差集，得到凹面镜；

步骤1.3，复制一个同样的凹面镜，然后将其围绕x轴或者y轴转180°进行旋转，随后对得到的模型沿z轴方向平移若干距离，得到两个相对的共轴凹面镜。

进一步，所述步骤1中凹面镜上分布多个入射孔分为单凹面镜分布多个入射孔和双凹面镜分布多个入射孔。

单凹面镜分布多个入射孔：在Herriott多光程池中的一侧镜片上不同位置上开多孔，方便多种不同波长的激光入射进行多气体浓度的检测。由于孔的大小限制和为了防止光斑重叠，在单凹面镜一条半径上最多可以在三个不同位置开入射孔。在另一条与之前那条半径不在同一直线上的半径，只要与前一条半径不同的位置处开三个入射孔(这里的不同位置是指x轴和y轴坐标不同，这样可以保证不同位置的入射光形成的光斑不会重合)又可以对另外三种不同的气体进行检测，因此只要上述的两个必要条件就可以在不同的位置进行模拟。

双凹面镜分布多个入射孔：在Herriott多光程池的两端两个凹面镜上，不同位置开入射孔，激光从孔中入射进行多种气体的检测。这种模式和上述的模式理论一样，就是强调不同位置的入射孔(一条半径不同位置和不同半径的不同位置处开入射孔)。这种方法相较于第一种方法更容易在现实中取得成果。因为激光从入射孔进入涉及到一个重要的环节那就是调节光路。当单镜上开孔越多调节的难度就越大。但是在两端的镜面上同时开孔，激光入射调节时的难度就降低了很多。

进一步，所述步骤1中凹面镜上分布多个入射孔使用光学模拟软件，具体步骤为：

分别在凹面镜上设置多个柱体，长度大于凹面镜的最厚度即可，设置好以后，然后经过取差集，得到带有多个入射孔的凹面镜。

进一步，所述步骤1中两个相对的共轴的凹面镜的镜面反射率大于0.90。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、此多光程池与传统的Herriott多光程池以及其他改进型的Herriott多光程池最大的不同在于镜片上有多个入射孔，只要给镜片渡上宽带的膜，就可以实现三种不同波长的激光在一个腔中同时探测痕量气体浓度。

2、此多光程池的反射次数设置为40次以上，单个激光在腔中的有效光程长度在16米以上，可以很好的满足探测痕量气体浓度时的需要。

3、该发明技术方案简单，操作方便，相对于其他Herriott多光程池只需要多开两个通光孔以及渡宽带膜，成本不会太高，使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

附图说明

图1为单面镜片分布三孔结构图；

图2为三个格点光源同时打开时各个反射面形成的光斑图像；

图3为双凹面镜分布多孔结构图；

图4为三个格点光源同时打开时各个反射面形成的光斑图像。

具体实施方式

实施例1

多光程池即多通道光谱吸收池，是一种通过多个反射镜使入射光线在镜面间来回反射，从而达到用有限的空间实现更长的光路的方法。即增长激光与气体的接触，使得气体对相应频率激光的吸收足够充分。

在本发明中用到的多光程池是Herriott池，它的特点是由两面共焦距的凹面镜组成。其中在一面镜子上开三个离轴孔，使得三种不同波长激光入射。激光入射之后在两面镜子间来回传播，最后从相应的激光入射点射出。

如上所述，由我们熟知的光线传输矩阵，可以得知反射球面镜和薄凸透镜的传输矩阵是相同的，所以光线在Herriott池的传播过程看作是一束光线以(x₀、y₀、x′₀，y′₀)状态从第一个透镜入射，到第n个透镜时，光线的位置(x_n，y_n)与第一次入射时相同。即在这两个反射球面镜组成的系统中入射光线和出射光线的位置相同。由共轴球面腔的理论知识我们知道透镜的传输矩阵：

或者

传输d距离的传输矩阵：

对于由四个参数(x₀、y₀、x′₀、y′₀)确定的入射光线，经过n次反射后得到的出射光线(x_n、y_n、x′_n、y′_n)之间有如下的关系：

对这个方程求解，得到：

因为我们的目标是在两个共焦距的球面镜上，激光入射位置最后组成一个圆形图案，所以需要满足：

x_n ²+y_n ²＝r² (1.5)

这里的r是激光入射位置距离球面中心的距离。因此对式子(1.2)和(1.3)进行简化，即令：

y₀＝x₀+Rx₀'＝0 (1.7)

则式子(1.2)和(1.3)可写成：

x_n＝x₀cos nθ (1.8)

y_n＝x₀sin nθ (1.9)

由以上分析可的，若给定合适的x₀和y₀，并且通过多光程池的设计要求，也就是说计算出角度θ时，每一个点在共焦球面镜上光线入射点(x_n，y_n)就可得知。

有了上述分析，可以得出，在设定出光在两共焦距的球面镜间的反射次数N，就可以求出每一次传输，相应光线转过的角度θ。通过角度以及提前设定好的入射光线的位置，通过(1.4)、(1.6)、(1.7)分别求出共焦球面面间距d以及入射光线的斜率(x′₀、y′₀)的数值。通过这些理论分析，就可以进行多光程池的设计以及数值模拟和搭建光路。

一种多波长激光共用的多通道池构建方法，包括以下步骤：

步骤1，凹面镜模型构建：建立两个相对的共轴的凹面镜，然后在单凹面镜上分布3个入射孔(如图1所示)；

步骤2，光源的设置：设置光源的出射范围小于入射孔的孔径，入射光的调节必须满足光斑成型的公式，即：

d＝R(1-cosθ) (2.2)

其中，θ为每一次传输相应光线转过的角度，N为凹面镜间的反射次数，为正偶数，d为凹面镜面间距，R为凹面镜的曲率半径，(x₀',y₀')为入射光的法向向量，(x₀,y₀)为入射光的初始坐标；

步骤3，将上述构建好的凹面镜模型做成一个Herriott多光程池，将几个不同波段的激光按照上述设置的光源耦合到Herriott多光程池中，充入痕量气体进行相应浓度的检测。

本实施例模拟的模式是N＝42时的模式，在已知N＝42和R＝400mm的情况下，分别设定x₀＝14mm和y₀＝0mm时求出XY的法向向量和两面镜子间距d。

把N＝42带入，就可以求得：

d＝370.12

x₀'＝-0.035

y₀'＝0.03772

然后按照d设置两镜子间的距离，以及光线的法向向量就可以得到光束入射后在镜面间多次反射最后从入射点射出的情况。

接着根据式(2.3)和式(2.4)分别计算(x₀＝8mm，y₀＝0mm)和(x₀＝20mm，y₀＝0mm)时相应的(x′₀、y′₀)并设置相应的格点光源。图2为三个格点光源同时打开时各个反射面形成的光斑图像。

实施例2

一种多波长激光共用的多通道池构建方法，与实施例不同之处在于：步骤1中在双凹面镜上分布3个入射孔(如图3所示)；

本实施例模拟的模式是N＝42时的模式，在已知N＝42和R＝400mm的情况下，分别设定x₀＝14mm和y₀＝0mm时求出XY的法向向量和两面镜子间距d。

把N＝42带入，就可以求得：

d＝370.12

x₀'＝-0.035

y₀'＝0.03772

然后按照d设置两镜子间的距离，以及光线的法向向量就可以得到光束入射后在镜面间多次反射最后从入射点射出的情况。

接着根据式(2.3)和式(2.4)分别计算(x₀＝8mm，y₀＝0mm)和(x₀＝20mm，y₀＝0mm)时相应的(x′₀，y′₀)并设置相应的格点光源。图4为三个格点光源同时打开时各个反射面形成的光斑图像。

Claims (3)

1.一种多波长激光共用的多通道池构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，凹面镜模型构建：建立两个相对的共轴的凹面镜，然后在凹面镜上分布多个入射孔；

步骤2，光源的设置：设置光源的出射范围小于入射孔的孔径，入射光的调节必须满足光斑成型的公式，即：

d＝R(1-cosθ) (2.2)

其中，θ为每一次传输相应光线转过的角度，N为凹面镜间的反射次数，为正偶数，d为凹面镜面间距，R为凹面镜的曲率半径，(x₀',y₀')为入射光的法向向量，(x₀,y₀)为入射光的初始坐标；

步骤3，将上述构建好的凹面镜模型做成一个Herriott多光程池，将几个不同波段的激光按照上述设置的光源耦合到Herriott多光程池中，充入痕量气体进行相应浓度的检测。

2.根据权利要求1所述的一种多波长激光共用的多通道池构建方法，其特征在于，所述步骤1中凹面镜上分布多个入射孔分为单凹面镜分布多个入射孔和双凹面镜分布多个入射孔。

3.根据权利要求1所述的一种多波长激光共用的多通道池构建方法，其特征在于，所述步骤1中两个相对的共轴的凹面镜的镜面反射率大于0.90。

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