CN114674752A - 一种多次倍增式气体吸收怀特池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及怀特池技术领域，具体为一种多次倍增式气体吸收怀特池，包括主镜、两个次镜、光入射端、光出射端，所述主镜、两个次镜、光入射端、光出射端组成典型怀特池，还包括倍增镜组，所述倍增镜组包括平面反射镜和平凹柱面反射镜，所述平面反射镜与平凹柱面反射镜的镜面相对且呈夹角固定，所述倍增镜组承接次镜的出射光，并将出射光位置偏移作为新的入射光再次射入典型怀特池，完成多于典型怀特池光程至少一倍的反射。只增加一个倍增镜组，并将倍增镜组以合适的尺寸固定在合适的位置，可以实现典型怀特池光程的多次倍增。

Description

一种多次倍增式气体吸收怀特池

技术领域

本发明涉及气体吸收池技术领域，具体为一种多次倍增式气体吸收怀特池。

背景技术

光学怀特池是一种通过让光束在池体内部来回多次反射，从而实现长光程的气体吸收池。

现有技术中，常采用Lambert-Beer定律对气体进行浓度检测，其原理是：当红外光束穿过被测气体时，气体会吸收红外信号。由Lambert-Beer定律知，气体分子吸光度正比于吸收光程、气体分子浓度和气体分子吸收系数。而不同气体分子具有不同的气体分子吸收特征。因此，可以通过对经过气体吸收后的吸光度谱进行光谱分析来定量反演吸收气体分子浓度。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。要求在有限空间内实现更长的光程，需要吸收池实现更多次的反射。

光程增加带来了两个问题：1、光学吸收池体积变大，导致仪器笨重，2、光程变长，反射次数增加，导致光强变低，信噪比差。

中国专利一种超微量气体浓度检测系统(申请公布号CN 106290218 A)，使用角反射镜回转光路来达到增加光程的目的，该方案存在以下缺点：1、利用角反射镜时，光束会跑出次镜，导致光强会降低很多；2、角反射镜安装难度大，调试困难；3、每增加一面角反射镜只增加一倍光程，如果需要增加多倍光程，则需要安装多面角反射镜，导致系统体积过大，进一步增加安装和调试难度。

中国专利一种光程倍增器件和光程倍增气体吸收池(申请公布号CN113484266A)，在典型怀特池光学结构的基础上增加倍增镜，其缺点是：1、只能增加一倍的光学反射次数；2、光的入射位置和出射位置非常接近，不方便安装光源和探测器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多次倍增式气体吸收怀特池，以解决现有怀特池存在增加一个倍增镜光程仅增加一倍，光线经多次反射后光强减弱，系统体积大，系统安装调试困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多次倍增式气体吸收怀特池，包括：包括主镜、两个次镜、光入射端、光出射端，所述主镜、两个次镜、光入射端、光出射端组成典型怀特池，在现有技术的基础上，本发明还作出如下改进：还包括倍增镜组，所述倍增镜组包括平面反射镜和平凹柱面反射镜，所述平面反射镜与平凹柱面反射镜的镜面相对且呈夹角固定，所述倍增镜组承接次镜的出射光，并将出射光位置偏移作为新的入射光再次射入典型怀特池，完成多于典型怀特池光程至少一倍的反射。

优选的，所述主镜、第一次镜、第二次镜均为球面镜，且曲率半径相同。

优选的，所述平面反射镜与平凹柱面反射镜的夹角记为α，所述主镜曲率半径记为R，所述平凹柱面反射镜的焦距记为R2，R和R2满足关系：R2＝R/cos(α/2)。

优选的，所述平面反射镜与平凹柱面反射镜的夹角α为90°，R和R2满足关系：

优选的，所述平面反射镜直接粘接在主镜出射光所在位置，或者缩小主镜尺寸，在出射光偏出主镜的区域固定平面反射镜。

优选的，所述光入射端和光出射端分离设置在主镜一侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、只增加一个倍增镜组，并将倍增镜组以合适的尺寸固定在合适的位置，可以实现典型怀特池光程的多次倍增；

2、可以缩小主镜的尺寸，并减少两个平面反射镜的使用，降低了调光的难度；

3、同样光程时，使用本专利的怀特池光源位置靠近中心轴，像差较小。

附图说明

图1为现有技术典型怀特池的结构示意图；

图2为现有技术典型怀特池主镜光斑位置示意图；

图3为本发明多次倍增式气体吸收怀特池的结构示意图；

图4为本发明多次倍增式气体吸收怀特主镜光斑位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术典型怀特池的光学原理如图1所示，该怀特池是由三个曲率半径相同的球面反射镜组成，入射光线经平面反射镜1反射到次镜片1，经次镜片1反射汇聚到主镜片并形成一个光斑，然后经主镜片反射到次镜片2，再经次镜片2反射汇聚到主镜片再次形成一个光斑，本实施例示出的是光线经过16次折返经平面反射镜2出射，在主镜片上形成7个光斑，7个光斑在主镜片的位置如图2所示。典型怀特池可以通过调整入射光线反射次数来调整光程。

请参阅图3至图4，本实施例的多次倍增式气体吸收怀特池在现有技术典型怀特池的技术方案上进一步作出改进，本实施例的怀特池包括主镜1、两个次镜(第一次镜2、第二次镜3)、光入射端、光出射端，所述光入射端发出入射光，所述光接收端接收出射光，本实施例光入射端和光出射端分离设置在主镜1一侧，通过在主镜1上钻孔，让光线通过。所述主镜1、两个次镜、光入射端、光出射端组成典型怀特池，光线在主镜与次镜之间往复反射。

在现有技术的基础上，本实施例还作出如下改进：本实施例的多次倍增式气体吸收怀特池还包括倍增镜组，所述倍增镜组包括平面反射镜4和平凹柱面反射镜5，所述平面反射镜4与平凹柱面反射镜5的镜面相对且呈夹角α固定，所述倍增镜组承接次镜的出射光，并将出射光位置偏移作为新的入射光再次射入典型怀特池，完成多于典型怀特池光程至少一倍的反射。

如图1所示的典型怀特池，在主镜片上形成的第7个光斑即为出射光斑，如果在出射光斑所在的区域直接安装本实施例的倍增镜组就可以实现光程的多次倍增。具体的，如图3，从第一次镜2反射的光本应该在主镜1上形成第7个光斑，但该区域安装了倍增镜组，则光线直接射入平面反射镜4，经平面反射镜4反射射入平凹柱面反射镜5，经平凹柱面反射镜5发射后再次设入第一次镜2，再经过第一次镜2反射后射入主镜1，使光线发生偏移产生图4所示的第7个光斑，在倍增镜组的作用下，原本典型怀特池的出射光被反射回第一次镜1，作为新的入射光再次在典型怀特池中往复反射，增加了一倍的光程。本实施例图3示出的光线两次射入到倍增镜组，也就是光线发生了两次偏移，并且完成了两次倍增，图4示出了两次倍增后主镜1上光斑的位置关系。本实施例的倍增镜组具体可以完成光程的几次倍增，是要根据所使用的平面反射镜4和平凹柱面反射镜5的大小以及安装位置来决定的，也就是在不遮挡光入射端和光出射端的前提下，倍增镜组设置合适的大小以及安装在合适的位置可以实现光程多次倍增。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述主镜1、第一次镜2、第二次镜3均为球面镜，且曲率半径相同。

所述平面反射镜4与平凹柱面反射镜5的夹角记为α，所述主镜1曲率半径记为R，所述平凹柱面反射镜5的焦距记为R2，R和R2满足关系：R2＝R/cos(α/2)。本实施例的平面反射镜4与平凹柱面反射镜5的夹角α为90°，R和R2满足关系：

本实施例的主镜1的曲率半径R为350mm，则平凹柱面反射镜5的焦距R2为495mm。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述平面反射镜4直接可以粘接在主镜1出射光所在位置。也可以缩小主镜1尺寸，将主镜1出射光斑所在区域截掉，并在该区域固定平面反射镜4。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种多次倍增式气体吸收怀特池，包括主镜、两个次镜、光入射端、光出射端，所述主镜、两个次镜、光入射端、光出射端组成典型怀特池，其特征在于：还包括倍增镜组，所述倍增镜组包括平面反射镜和平凹柱面反射镜，所述平面反射镜与平凹柱面反射镜的镜面相对且呈夹角固定，所述倍增镜组承接次镜的出射光，并将出射光位置偏移作为新的入射光再次射入典型怀特池，完成多于典型怀特池光程至少一倍的反射。

2.根据权利要求1所述的多次倍增式气体吸收怀特池，其特征在于：所述主镜、第一次镜、第二次镜均为球面镜，且曲率半径相同。

3.根据权利要求2所述的多次倍增式气体吸收怀特池，其特征在于：所述平面反射镜与平凹柱面反射镜的夹角记为α，所述主镜曲率半径记为R，所述平凹柱面反射镜的焦距记为R2，R和R2满足关系：R2＝R/cos(α/2)。

4.根据权利要求3所述的多次倍增式气体吸收怀特池，其特征在于：所述平面反射镜与平凹柱面反射镜的夹角α为90°，R和R2满足关系：

5.根据权利要求1所述的多次倍增式气体吸收怀特池，其特征在于：所述平面反射镜直接粘接在主镜出射光所在位置，或者缩小主镜尺寸，在出射光偏出主镜的区域固定平面反射镜。

6.根据权利要求1所述的多次倍增式气体吸收怀特池，其特征在于：所述光入射端和光出射端分离设置在主镜一侧。

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