CN116465834A - 一种小体积光学多通系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小体积光学多通系统，包括两面近镜：以一定角度并排放置，用于形成稳定的光学腔；一面远镜：放置于两面近镜的对侧，用于折叠激光一次；两面引导镜：放置在近镜背侧，用于引导激光进入和退出光学多通池；一面拾取镜：放置在光学多通系统内部适当位置，用于引导退出光学多通池的激光到达激光探测器；激光发生器：用于产生激光；激光探测器：用于探测从光学多通池内退出的激光强度。本发明适用于多通池技术领域，大幅减小非必要腔室体积，从而减小系统内部死体积，有助于提升气体在折叠式光学多通系统内的周转速率，缩短测量响应时间，提高气体浓度测量的准确度，具备小型化、高精度的特征。

Description

一种小体积光学多通系统

技术领域

本发明属于多通池技术领域，具体是一种小体积光学多通系统。

背景技术

红外光谱定量分析法是指根据物质在特定红外波长处对该波长吸收强度与物质浓度之间的关系，对物质进行定量的分析。由于每种物质的红外光谱的谱带很多，因此可以根据需要在近红外处或远红外处选择波长，对多组分的物质同时进行定量分析而不互相影响。

朗伯-比尔定律是红外光谱法中最基本理论，当包含有特定频率ν(cm^-1)的光通过待检测的气体与该气体分子相互作用时，在满足一定条件时，分子吸收光子后发生振动、转动能级跃迁而引起的光强衰减，其将遵循Beer-Lambert定律：

I(v)＝I₀(v)exp(-α(v)L) (1)

其中，I(ν)和I0(ν)分别表示透射光强和入射光强，L表示有效吸收路径长度，α(ν)表示吸收系数，与气体浓度、吸收线强度，线型函数等有关，单位为cm^-1。

由朗伯比尔定律可知，当光程一定时光强衰减与气体浓度成指数关系，通过光强信息即可检测待测气体浓度。由于光强变化呈指数关系，导致气体在低浓度时分辨率高，高浓度时分辨率降低。通过公式(1)可知，当浓度降低到一定程度时，光强衰减幅度被噪声淹没，此时达到了系统的检测下限。但通过增加光程，可以增加衰减幅度提高系统信噪比，从而有效提高系统的检测下限。

光学多通池是增加光路长度最有效的手段之一，它可以显著提高吸收光谱的检测灵敏度。当激光束从镜面上开的槽入射到测量腔室中时，它被约束在镜面之间来回反射几十到几百次，最后通过同一槽退出测量腔室，以实现几米到几百米的光路。光学多通池具有结构简单、光路对准容易、光谱通用性高、鲁棒性好及成本低等优势，目前得到了广泛的应用。

光学多通池技术一直是吸收光谱领域研究的重点，从1942年White池提出以来，经过不断优化与探索，光学多通池还发展出了Herriott池、Chernin池等多种类型，并且仍在不断发展中。White池由三块反射镜组成，可以实现光束在多通池内的多次反射并在场镜镜面上最多形成两排光斑分布，但是这种设计本身存在一些缺点，如体积过大，稳定性差，镜面有效利用率低等，限制了White池的应用范围。

Chernin池是在White池基础上改进的光学多通池，由5块反射镜构成，可以在镜面上形成偶数列、任意行的光斑分布，有效利用了腔镜面积，并且在实验中调节方便，可以根据需要随时改变吸收光程，但是其结构复杂，体积较大，限制了其在小型化仪器需求中的应用。

1964年，Herriott提出了用2个凹面反射镜组成结构简单、多次反射的光学装置的初步设想，分析了形成轨迹循环的条件并完成相应的实验验证，这个装置因此被命名为Herriott池。相比于White池，Herriott池光机结构更稳固，对热形变不敏感，体积小，安装简单，易于操作。

传统的Herriott池受光斑重叠等因素的影响，很难实现几百次的光反射，长光程只能靠增加物理池长度的方式得到，导致程长越长，需要的吸收池体积和物理尺寸也越大，这样大大增加了吸收池的体积，难于实现小型、便携的高灵敏度光谱传感设备。随着气体测量技术的发展，对气体测量仪器的要求越来越高，小型化、高精度成为其主要趋势，相应地也要求光学多通池具有较小的体积。本发明通过引入一面平面镜配置在传统Herriott池两面凹面镜中间，使得改进后的光学多通池在保持原有物理尺寸的同时光程长度增加一倍。

因此，针对上述问题提出一种小体积折叠光学多通吸收池。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种小体积光学多通系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种小体积光学多通系统，包括：

两面近镜：以一定角度并排放置，用于形成稳定的光学腔；

一面远镜：放置于两面近镜的对侧，用于折叠激光一次；

两面引导镜：放置在近镜背侧，用于引导激光进入和退出光学多通池；

一面拾取镜：放置在光学多通系统内部适当位置，用于引导退出光学多通池的激光到达激光探测器；

激光发生器：用于产生激光；

激光探测器：用于探测从光学多通池内退出的激光强度。

优选的，两面近镜和一面远镜构成光学多通池。

优选的，两面近镜和一面远镜的放置位置采用V型结构，两面近镜设于V型的开口端，一面近镜设于V型的闭口端，两面近镜的中心线与一面远镜的中心线重合。

优选的，所述光学多通池采用楔形结构设计，近镜所处的一端，光学多通池的体积较大，远镜所处的一端，光学多通池的体积较小。

优选的，至少一面近镜和远镜的反射面投影为矩形，且其投影面的长宽比大于1。

优选的，所述远镜为平面镜，至少有一面近镜为凹面镜。

优选的，至少有一面近镜上开了一个通光孔，激光从该通光孔进入或/和退出光学多通池。

优选的，激光进入光学多通池后，在近镜和远镜之间至少发生一次发射，并在近镜和远镜上形成至少一个光斑。

优选的，所述光斑为椭圆形结构，且椭圆的长轴与短轴之比大于1。

优选的，激光发射器发射出的激光经由一面以上的引导镜引导进入光学多通池，从光学多通池退出的激光经由一面以上的引导镜或/和拾取镜引导到达激光探测器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，大幅减小非必要腔室体积，从而减小系统内部死体积，有助于提升气体在折叠式光学多通系统内的周转速率，缩短测量响应时间，提高气体浓度测量的准确度，具备小型化、高精度的特征。

附图说明

图1是本发明实施例中折叠式光学多通系统配置的俯视图；

图2是本发明实施例中折叠式光学多通系统内部光学多通池的简化图；

图3是本发明实施例中折叠式光学多通系统内部光学多通池的透视图；

图4是本发明实施例中折叠式光学多通系统内部光学多通池的俯视图。

附图标记：

100、折叠式光学多通系统：101、气体入口；102、气体出口；103、激光发生器；104、一号引导镜；105、二号引导镜；106、通光孔；107、一号近镜；108、远镜；109、二号近镜；110、拾取镜；111、激光接收口；112、激光探测器；113、控制/分析模块；301、激光折叠区域。

具体实施方式

以下结合附图1-4，进一步说明本发明一种小体积光学多通系统的具体实施方式。本发明一种小体积光学多通系统不限于以下实施例的描述。

实施例：

一种小体积光学多通系统，包括：

两面近镜：以一定角度并排放置，用于形成稳定的光学腔；

一面远镜：放置于两面近镜的对侧，用于折叠激光一次；

两面引导镜：放置在近镜背侧，用于引导激光进入和退出光学多通池；

一面拾取镜：放置在光学多通系统内部适当位置，用于引导退出光学多通池的激光到达激光探测器；

激光发生器：用于产生激光；

激光探测器：用于探测从光学多通池内退出的激光强度。

进一步的，两面近镜和一面远镜构成光学多通池。

进一步的，两面近镜和一面远镜的放置位置采用V型结构，两面近镜设于V型的开口端，一面近镜设于V型的闭口端，两面近镜的中心线与一面远镜的中心线重合。

进一步的，光学多通池采用楔形结构设计，近镜所处的一端，光学多通池的体积较大，远镜所处的一端，光学多通池的体积较小。

进一步的，至少一面近镜和远镜的反射面投影为矩形，且其投影面的长宽比大于1。

进一步的，远镜为平面镜，至少有一面近镜为凹面镜。

进一步的，至少有一面近镜上开了一个通光孔，激光从该通光孔进入或/和退出光学多通池。

进一步的，激光进入光学多通池后，在近镜和远镜之间至少发生一次发射，并在近镜和远镜上形成至少一个光斑。

进一步的，光斑为椭圆形结构，且椭圆的长轴与短轴之比大于1。

进一步的，激光发射器发射出的激光经由一面以上的引导镜引导进入光学多通池，从光学多通池退出的激光经由一面以上的引导镜或/和拾取镜引导到达激光探测器。

在一种可能的实施方式中，如图1所示，光学多通池是折叠式光学多通系统100的重要组成部分，在本实施方式中，光学多通池由一号近镜107、二号近镜109和远镜108组成。与传统光学多通池相比，该光学多通池为楔形设计，一号近镜107和二号近镜109所处一侧为近端，光学多通池近端的宽度为一般光学多通池的正常宽度，远镜108所处的一侧为远端，由于远端只设置了一面远镜，其宽度可以相应地减小，从而使得光学多通池远端的宽度远小于近端。在满足气体浓度分析所必须的腔室体积条件下的同时，减小了系统体积。

进一步的，可以将一号近镜107、二号近镜109和远镜108组成的光学多通池假想为棱台，其中，一号近镜107和二号近镜109所处的一端组成棱台的底部，面积较大，远镜108所处的一端组成棱台的顶部，面积较小，而激光被约束在该假想的棱台中，在棱台底部和顶部之间来回反射。

由此可以看出：

图1主要阐述折叠式光学多通系统如何实现大幅减小非必要腔室体积，从而减小系统内部死体积，有助于提升气体在折叠式光学多通系统内的周转速率，缩短测量响应时间，提高气体浓度测量的准确度。待测气体在外部动力源的作用下，通过气体入口101进入该系统，通过气体出口102流出该系统。

在一种可能的实施方式中，如图2所示，即图1中所示一号近镜107、二号近镜109和远镜108所组成的部分。激光从一号近镜107上的通光孔106进入光学多通池后，到达远镜108，并在远镜108上形成一个激光光斑，由于镜面反射的作用，激光束被反射至二号近镜109，并在二号近镜109上形成一个激光光斑，随后激光束被反射至远镜108，激光束被再次反射，并在远镜108上形成一个激光光斑，随后激光束被反射至一号近镜107，并在一号近镜107上形成一个激光光斑，如此往复，激光最终从一号近镜107上的通光孔106射出光学多通池。

其中，一号近镜107和二号近镜109的作用主要是约束激光，使得激光在光学多通池内来回反射，形成长光程。远镜108的作用主要是折叠激光束一次，从而在保证光程长度的同时减小光学多通池尺寸。激光束在光学多通池内反射的次数及在一号近镜107、二号近镜109、远镜108上形成的激光点的个数，可以通过调节一号近镜107与二号近镜109之间的角度或/和调整一号近镜107和二号近镜109与远镜108之间的距离实现。

由此可以看出：

图2主要阐述与传统的Herriott池以及其他能提供相同或相近光程长度的光学多通池相比，本发明所涉及的光学多通池是如何实现大幅减小必要的腔体物理尺寸(或系统尺寸)。

在一种可能的实施方式中，如图3和图4所示，除光学多通池外组成折叠式光学多通系统还需要其他必要元件，这些元件包括引导激光进入和退出光学多通池的一号引导镜104和105以及拾取镜110，通过调整一号引导镜104和105以及拾取镜110的放置位置或/和角度，可以实现激光束能按照预定路径进入光学多通池，保证激光从通光孔106进入和退出光学多通池。此外，这些元件还包括激光光源103(如激光发射器)，以及可检测退出激光光强的元件112(如光电探测器)。

进一步的，光学多通池包括端部反射面和折叠元件，折叠元件被配置在端部反射面之间的光路内，主要用于折叠光学多通池内的激光图案。根据图示配置，光学多通池提供了两个端部反射面即一号近镜107和二号近镜109，它们与折叠元件108一起定义了一个折叠区域301。在折叠区域301内，激光的折叠主要取决于折叠元件108的配置位置或/和角度。由于端部反射面更靠近激光的出入口，因此将端部反射面也称作为近镜，相反的，折叠元件称作为远镜。

进一步的，为了方便激光进出光学多通池，在一号近镜107上定义了一个通光孔106，光学多通池300通过该入口接收光源(光源由发射器103发射并通过一号引导镜104和二号引导镜105间接接收)。

进一步的，在本实施方案中，选择了Herriott池作为光学多通池改进基础，并试图通过减少元件数量和增加配置的紧凑性来降低设备成本和系统复杂性；同样，由于这种设计考究，使用现有元件能进一步降低成本。之前的研究中发现一号近镜107和二号近镜109中的至少一个最好是弯曲的(如选择凹面镜或者像散镜)，在本发明中，采用图示的两个凹面镜并配置在合适的位置以到达最佳效果。同样，根据本实施方案，还提供了一个基本平坦的平面镜108用于折叠激光，该平面镜配置在两个凹面镜的对侧。最后，在一号近镜107上定义了一个满足激光进入和退出光学多通池的通光孔106，位置大致如图所示。尽管激光均从通光孔106进入和退出光学多通池，但是进入光学多通池的激光和退出光学多通池的激光彼此相互独立且不受对方干扰。

同样，也可以采用其他配置方式来实现本发明中提到的折叠式光学多通系统，如采用不同基础类型的光学多通池、变更安装组件和光学元件的数量或是配置位置、以及改变光学多通系统中的其他配置。例如，就本实施方案中的反射面而言，反射面可以为单一反射面，也可以为复杂反射面，反射面的材质可以为镜子，也可以为金属或是具有其他涂层的反射面。只要这些反射面具有适合在光学多通系统实施中反射激光的特性，均可进行相应的替换。也可以使用两个以上的近镜和/或一个以上的远镜配置在光学多通系统中。

再进一步的，其他实施方案还可以选择其他几何形状的近镜、远镜以及反射镜，并且可以根据几何形状的不同调整近镜与远镜之间的配置距离、两个近镜之间的配置角度等，只要整个空腔的几何形状保持稳定。根据本文的讨论，其他可行的实施方案对于本领域的技术人员来说也将变得很容易。

再次回到图3，远镜108被配置为包括至少一个基本平坦的折叠内反射面，其位置位于一号近镜107和109的对侧。远镜108接收来自一号近镜107的激光，随后将激光引导至二号近镜109，或接收来自二号近镜109的激光，并将激光引导至一号近镜107，其作用主要是传导一号近镜107和二号近镜109之间的激光并将激光进行折叠。除了第一束激光从通光孔106进入光学多通池，最后一束激光从通光孔106退出光学多通池，其余激光束都经由远镜108传导，激光束在一号近镜107和二号近镜109之间来回反射。

可以看出，从图3转到图4，如同其他光学多通系统一样，光源以及引导激光进入和退出光学多通池的一号引导镜104和二号引导镜105以及拾取镜110是必不可少的。光源由激光发生器103产生，经过准直等一系列校准后，在一号引导镜104和二号引导镜105的引导下进入光学多通池。根据特定实施方案的要求，可以提供一个合适的控制/分析模块113，用于启动、同步、监测和停止激光发生器103、激光探测器112以及光学多通系统400中的其他组件。该控制/分析模块113，可是使得激光发生器103进一步与激光探测器112进行耦合。在不拘泥于本文明确提出的具体用途、组件和/或其他例子的情况下，控制/分析模块113可以用于确定、设置激光发射器的状态、频率、组件配置/调整，也可以用来接收来自激光探测器103的输出，还可以用来呈现和存储测试结果等。控制/分析模块113的各种组件也可以根据特定实施要求进行配置，诸如尺寸、成本、可移植性、耐用性和以及其他要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小体积光学多通系统，其特征在于，包括：

两面近镜：以一定角度并排放置，用于形成稳定的光学腔；

一面远镜：放置于两面近镜的对侧，用于折叠激光一次；

两面引导镜：放置在近镜背侧，用于引导激光进入和退出光学多通池；

一面拾取镜：放置在光学多通系统内部适当位置，用于引导退出光学多通池的激光到达激光探测器；

激光发生器：用于产生激光；

激光探测器：用于探测从光学多通池内退出的激光强度。

2.如权利要求1所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：两面近镜和一面远镜构成光学多通池。

3.如权利要求2所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：两面近镜和一面远镜的放置位置采用V型结构，两面近镜设于V型的开口端，一面近镜设于V型的闭口端，两面近镜的中心线与一面远镜的中心线重合。

4.如权利要求2所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：所述光学多通池采用楔形结构设计，近镜所处的一端，光学多通池的体积较大，远镜所处的一端，光学多通池的体积较小。

5.如权利要求1所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：至少一面近镜和远镜的反射面投影为矩形，且其投影面的长宽比大于1。

6.如权利要求1所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：所述远镜为平面镜，至少有一面近镜为凹面镜。

7.如权利要求6所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：至少有一面近镜上开了一个通光孔，激光从该通光孔进入或/和退出光学多通池。

8.如权利要求1所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：激光进入光学多通池后，在近镜和远镜之间至少发生一次发射，并在近镜和远镜上形成至少一个光斑。

9.如权利要求8所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：所述光斑为椭圆形结构，且椭圆的长轴与短轴之比大于1。

10.如权利要求1所述的一种小体积光学多通系统，其特征在于：激光发射器发射出的激光经由一面以上的引导镜引导进入光学多通池，从光学多通池退出的激光经由一面以上的引导镜或/和拾取镜引导到达激光探测器。