CN116660165A - 一种长光程光学气体吸收池及气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种长光程光学气体吸收池及气体传感器，长光程光学气体吸收池包括第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、入射孔、出射孔以及中间反射镜，其中：第一凹面反射镜的反射面与第二凹面反射镜的反射面同向设置；入射孔设置于第一凹面反射镜非中心处；中间反射镜与第一凹面反射镜和第二凹面反射镜组成反射腔体，用于在第一凹面反射镜的反射面与第二凹面反射镜的反射面之间导光；入射光线以非平行于第一凹面反射镜的主轴的角度从入射孔射入，在反射腔体内多次反射后从出射孔射出。该光学气体吸收池不但可以在有限的气体池体积下实现更长光程，满足对低浓度气体的监测需求，同时镜片利用率高、结构简单、尺寸小，易加工，有效降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测设备技术领域，尤其涉及一种长光程光学气体吸收池及气体传感器。
背景技术
目前，半导体可调激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)具有无需预处理、选择性强、响应速度快、高灵敏度和高精度等特点，已被广泛应用于工业监测和环境监测领域。尤其是在环境监测领域，由于大多需要监测的有害污染气体浓度很低，而对于某种待测气体，其浓度与激光在气体中经历的光程长度和由气体吸收导致的光衰减信号强度相关。因此，通过设计长光程气体吸收池可以有效提升低浓度气体的检测精度。
现有的气体吸收池通常需安置在一个相对较小体积的气室腔内，这导致在设计长光程吸收池时很受限，特别是针对一些浓度为ppm量级甚至ppb量级的污染气体的监测，往往需要在有限的体积内实现几十米到上百米的光程，为此，现有的厂家通常采用多次反射的怀特池(White Cell)和赫里奥特池(Herriott Cell)。如汉威科技在专利CN113484266B中提出了一种光程倍增器件和光程倍增气体吸收池，通过在典型怀特池光学结构的基础上增加倍增镜，虽然增加了一倍的光学反射次数，使光程增加了一倍，但在实际调节光在气池反射次数时，两个较小的副反射镜难以调节。相对于怀特池而言，赫里奥特池仅由两个球面镜组成，光学系统较为简洁且其光路易于调节，不过长光程赫里奥特气池的镜面利用率低，尤其是在有限的体积气室条件下，总会遇到在保证镜片上的光斑之间的距离和形成百米长光程的需求之间难以兼顾的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术，提供一种长光程光学气体吸收池及气体传感器，以解决现有技术中存在的在有限体积条件下，光学吸收池镜片的高利用率和长光程无法兼顾的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种长光程光学气体吸收池，包括：
第一凹面反射镜；
第二凹面反射镜；
所述第一凹面反射镜的反射面与所述第二凹面镜的反射面同向设置，且第一凹面反射镜的焦平面与第二凹面反射镜的焦平面之间的夹角为α，0<α≤180°；
入射孔，设置于所述第一凹面反射镜非中心处，用于输入光线；
出射孔，用于输出光线；
中间反射镜，与所述第一凹面反射镜和所述第二凹面反射镜组成反射腔体，用于在第一凹面反射镜的反射面与第二凹面反射镜的反射面之间导光；
入射光线以非平行于所述第一凹面反射镜的主轴的角度从所述入射孔射入，在所述反射腔体内多次反射后从出射孔射出。
进一步的，所述第一凹面反射镜的曲率半径与所述第二凹面反射镜的曲率半径相同。
进一步的，所述出射孔设置于所述第一凹面反射镜非中心处。
进一步的，所述出射孔与所述入射孔重合。
进一步的，所述出射孔设置于所述第二凹面反射镜非中心处。
进一步的，所述第一凹面反射镜和第二曲面反射镜均为矩形凹面镜。
进一步的，所述第一凹面反射镜和第二曲面反射镜均为圆形凹面镜。
进一步的，所述中间反射镜的数量为2N+1，N≥0。
进一步的，所述中间反射镜为一平面镜。
进一步的，所述中间反射镜包括两平面镜，两平面镜的反射面对向设置且两者的主轴呈90°。
进一步的，所述中间反射镜为棱镜，其截面为等腰三角形且顶角为90°。
一种气体传感器，使用上述的一种长光程光学气体吸收池。
本发明的有益效果为：
本发明采用两同向布置的非同轴凹面反射镜配合中间反射镜组成反射腔体，不但可以在有限的体积下实现更长光程，满足对低浓度(ppm级甚至ppb级)气体的监测需求，同时，镜片利用率高、结构简单，尺寸小，易加工，有效降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例1的镜面系统结构示意图；
图2为本发明实施例2的镜面系统结构示意图；
图3为本发明实施例3的镜面系统结构示意图；
图4为本发明实施例4的镜面系统结构示意图；
图5为本发明实施例5的镜面系统结构示意图；
标注说明：1、第一凹面反射镜，11、入射孔，2、第二凹面反射镜，3、平面镜，4、棱镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1-5所示，一种长光程光学气体吸收池，包括第一凹面反射镜1、第二凹面反射镜2、入射孔11、出射孔以及中间反射镜。
第一凹面反射镜1的反射面与第二凹面反射镜2的反射面同向设置，且第一凹面反射镜1的焦平面与第二凹面反射镜2的焦平面之间的夹角为α，其中，0<α≤180°。
其中，优选的是，第一凹面反射镜1的曲率半径与第二凹面反射镜2的曲率半径相同。
入射孔11设置于第一凹面反射镜1非中心处，用于输入光线。
出射孔设置于第一凹面反射镜1非中心处，且出射孔与入射孔11重合，或出射孔设置于第二凹面反射镜2非中心处，用于输出光线。
中间反射镜与第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成反射腔体，用于在第一凹面反射镜1的反射面与第二凹面反射镜2的反射面之间导光。
入射光线以非平行于第一凹面反射镜1的主轴的角度从入射孔11射入，在反射腔体内多次反射后从出射孔射出。
下面对本发明的不同实施例进行举例说明。
实施例1：
请参阅图1所示，在上述技术方案的基础上，具体实施如下：
第一凹面反射镜1和第二曲面反射镜2均选用矩形凹面镜。
第一凹面反射镜1的反射面与第二凹面反射镜2的反射面同向设置，
且两凹面镜的焦平面之间的夹角为α为120°，中间反射镜的数量为2N+1，N≥0。本实施例中，中间反射镜的数量为1。
具体的，中间反射镜为一平面镜3，两凹面镜关于平面镜3主轴线对称。
实施例2：
请参阅图2所示，在上述技术方案的基础上，具体实施如下：
第一凹面反射镜1和第二曲面反射镜2均选用矩形凹面镜。
第一凹面反射镜1的反射面与第二凹面反射镜2的反射面同向设置，且两凹面镜的焦平面之间的夹角α为180°，中间反射镜的数量为2N+1，N≥0。本实施例中，中间反射镜的数量为1。
具体的，中间反射镜包括两平面镜3，两平面镜3的反射面对向设置且两者的主轴呈90°。
实施例3：
请参阅图3所示，在上述技术方案的基础上，具体实施如下：
第一凹面反射镜1和第二曲面反射镜2均选用矩形凹面镜。
第一凹面反射镜1的反射面与第二凹面反射镜2的反射面同向设置，且两凹面镜的焦平面之间的夹角α为180°，中间反射镜的数量为2N+1，N≥0。本实施例中，中间反射镜的数量为1。
具体的，中间反射镜为棱镜4，其截面为等腰三角形且顶角为90°。
实施例4：
请参阅图4所示，在上述技术方案的基础上，具体实施如下：
第一凹面反射镜1和第二曲面反射镜2均选用矩形凹面镜。
第一凹面反射镜1的反射面与第二凹面反射镜2的反射面同向设置，且两凹面镜的焦平面之间的夹角α为180°，中间反射镜的数量为2N+1，N≥0。本实施例中，中间反射镜的数量为3。
具体的，中间反射镜包括两平面镜3，两平面镜3的反射面对向设置且两者的主轴呈90°。
实施例5：
请参阅图5所示，在上述技术方案的基础上，具体实施如下：
第一凹面反射镜1和第二曲面反射镜2均选用圆形凹面镜。一般的，入射孔11设置在第一凹面反射镜1的边缘处，出射孔若设置在第二凹面反射镜2上，也设置在第二凹面反射镜2的边缘处。
第一凹面反射镜1的反射面与第二凹面反射镜2的反射面同向设置，且两凹面镜的焦平面之间的夹角α为180°，中间反射镜的数量为2N+1，N≥0。本实施例中，中间反射镜的数量为1。
具体的，中间反射镜包括两平面镜3，两平面镜3的反射面对向设置且两者的主轴呈90°。
该长光程气体吸收池通过两片矩形凹面反射镜加2N+1(N≥0)个中间反射镜组成镜面系统，入射光线按一定角度射入镜面系统，经过多次反射后射出(入射光线在不同镜面上形成类似椭圆形的光斑点)。
按照上述设计，该长光程光学气体吸收池不但可以在较小长度内实现几十上百米的光程，而且由于镜片利用率高、结构简单，尺寸较小，容易加工，能够有效降低整个气体吸收池的成本，非常适合于对于低浓度气体检测的气体分析仪。
本发明还提供了一种气体传感器，该气体传感器使用上述的一种长光程光学气体吸收池。
总的来说，本发明采用两同向布置的非同轴凹面反射镜配合中间反射镜组成反射腔体，不但可以实现在有限体积下更长光程，满足对低浓度(ppm级甚至ppb级)气体的监测需求，同时，镜片结构简单，尺寸小，易加工，有效降低了成本。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，包括：
第一凹面反射镜；
第二凹面反射镜；
所述第一凹面反射镜的反射面与所述第二凹面镜的反射面同向设置，且第一凹面反射镜的焦平面与第二凹面反射镜的焦平面之间的夹角为α，0<α≤180°；
入射孔，设置于所述第一凹面反射镜非中心处，用于输入光线；
出射孔，用于输出光线；
中间反射镜，与所述第一凹面反射镜和所述第二凹面反射镜组成反射腔体，用于在第一凹面反射镜的反射面与第二凹面反射镜的反射面之间导光；
入射光线以非平行于所述第一凹面反射镜的主轴的角度从所述入射孔射入，在所述反射腔体内多次反射后从出射孔射出。
2.根据权利要求1所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述第一凹面反射镜的曲率半径与所述第二凹面反射镜的曲率半径相同。
3.根据权利要求1所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述出射孔设置于所述第一凹面反射镜非中心处，且所述出射孔与所述入射孔重合。
4.根据权利要求1所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述出射孔设置于所述第二凹面反射镜非中心处。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述第一凹面反射镜和第二曲面反射镜均为矩形凹面镜或圆形凹面镜。
6.根据权利要求1所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述中间反射镜的数量为2N+1，N≥0。
7.根据权利要求6所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述中间反射镜为一平面镜。
8.根据权利要求6所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述中间反射镜包括两平面镜，两平面镜的反射面对向设置且两者的主轴呈90°。
9.根据权利要求6所述的一种长光程光学气体吸收池，其特征在于，所述中间反射镜为棱镜，其截面为等腰三角形且顶角为90°。
10.一种气体传感器，其特征在于，使用权利要求1至9任意一项所述的一种长光程光学气体吸收池。
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