CN116774427A - 一种高斯光束的高斯匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高斯光束的高斯匹配方法，包括以下步骤：选择准直镜，并将所述准直镜与激光器、光纤头封装固定；获取匹配镜的焦距F，并将匹配镜固定在准直镜与衰荡腔之间；在安装匹配镜后，采用可见光对高斯光束的光路进行校验。其中，经过所述准直镜后形成的高斯光束B的束腰位置到匹配镜的距离为z1，在衰荡腔内的高斯光束C的束腰位置到匹配镜的距离为z2。本发明在准直透镜与衰荡腔之间增设了具有特定焦距的匹配镜，从而缩短了腔前光路，有利于降低光学平台的体积，保证了整个光学平台的稳定性，便于在工业监测中进行应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种温室气体监测技术，特别涉及一种高斯光束的高斯匹配方法。
背景技术
对温室气体的监测需求日益增加，需要测量环境空气中的温室气体排放，计算碳通量，因此需要高精度的气体分析仪。光腔衰荡光谱技术（CRDS）是一种高精密测量技术，由两面或者多面高反镜组高精细度的衰荡腔，激光通过模式匹配耦合到谐振腔中实现相干增长，增加了吸收光程。当激光被迅速切断后，探测器探测光强的衰减，通过指数拟合得到光腔衰荡时间，通过测量有无气体的衰荡时间差就能反演出待测气体浓度。该技术可用于监测环境空气，可实现对温室气体ppb量级的监测。光腔衰荡痕量气体分析仪的关键部件之一就是腔前光路，光路结构的稳定性直接影响了系统的探测精度和灵敏度。但是在目前激光的匹配耦合中，仅使用了一片准直透镜进行匹配激光光束，使衰荡腔腔前光路结构变长，光程达到了60cm，从而导致光学平台较大，影响整体的稳定性能，因而其只能停留在实验室监测阶段，无法在工业生产中进行应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种高斯光束的高斯匹配方法，该方法能够缩短衰荡腔的腔前光路，从而降低光学平台的体积，便于在工业产生中进行应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种高斯光束的高斯匹配方法，包括以下步骤，
选择准直镜，并将所述准直镜与激光器、光纤头封装固定；
获取匹配镜的焦距F，并将匹配镜固定在准直镜与衰荡腔之间；
在安装匹配镜后，采用可见光对高斯光束的光路进行校验；
其中，经过所述准直镜后形成的高斯光束B的束腰位置到匹配镜的距离为z1，在衰荡腔内的高斯光束C的束腰位置到匹配镜的距离为z2；
焦距F、距离z1、距离z2通过以下公式获得，
；
；
；
其中，q1和q2分别为高斯光束B和C的束腰处的复光束参数，f0为特征匹配长度，
是高斯光束B的束腰半径，是高斯光束C的束腰半径。
可选的，所述衰荡腔为衰荡腔，且所述衰荡腔是直腔，所述衰荡腔包括前腔镜和后腔镜，所述高斯光束C的束腰位置位于前腔镜与后腔镜的中点位置。
可选的，通过所述光纤头射出的光束为高斯光束A，所述高斯光束A的束腰半径为，且和是的关系为
；
其中，f为准直镜的焦距，为激光器输出的激光波长。
可选的，所述前腔镜与后腔镜的曲率半径相同；
位于前腔镜与后腔镜的反射面上的波阵的曲率半径与前腔镜或后腔镜的曲率半径相同。
可选的，在所述前腔镜与匹配镜之间布置有一对反射镜，高斯光束B在穿过所述匹配镜后，通过一对所述反射镜调节光束方向。
可选的，在准直镜与匹配镜之间、一对反射镜之间分别安装有光阑。
采用上述技术方案，本发明在准直透镜与衰荡腔之间增设了具有特定焦距的匹配镜，从而缩短了腔前光路，有利于降低光学平台的体积，保证了整个光学平台的稳定性，便于在工业监测中进行应用。
附图说明
图1是本发明的光学系统的结构示意图；
图2是本发明的高斯光束的匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
光腔衰荡光谱技术是一种非常灵敏的光谱学方法，它可以用来探测样品的绝对的光学消光，其可用于温室气体的监测。在监测时，由激光器发射的高斯光束需注入到衰荡腔中，在这一过程中需要对高斯光束进行匹配，以防出现高阶模而导致光束能量出现损耗。在目前的气体分析仪中，在衰荡腔前仅设置了一片准直透镜进行匹配，其结果是衰荡腔的腔前光路长，光程长，整个光学平台的体积大，不便于在工业生产中对温室气体进行监测。在本发明中，采用准直镜加匹配镜的方式，有效的降低光程，减小光学平台的体积，保证光学平台的稳定性。
在本发明中，如图1所示，整个光学系统包括激光器1、准直镜2、匹配镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、前腔镜6、后腔镜7、第一光阑8、第二光阑9。其中，前腔镜6和后腔镜7之间构成的腔体为衰荡腔，第一反射镜4和第二反射镜5能够调节高斯光束的传播方向。激光器1发射的高斯光束A经过准直镜2后，形成高斯光束B，高斯光束B再经过匹配镜3后，形成高斯光束C，高斯光束C则注入到衰荡腔内，高斯光束A通过准直镜2和匹配镜3的匹配后，能够缩短衰荡腔的腔前光路，减小光程。
在匹配高斯光束前，需选择合适的光学元件，例如准直镜2和匹配镜3。在选择准直镜2时，可选用C型透镜或渐变折射率透镜，准直镜2在安装时，与激光器1及激光器1的光纤头封装在一起进行固定。而匹配镜3为定制加工件，其选用薄透镜即可，但匹配镜3的焦距以及安装位置需与准直镜2进行匹配。
如图2所示，在本发明中，用和分别表示光纤1输出的高斯光束A和衰荡腔4的
高斯光束C的束腰半径，<（一般为几微米至十几微米，而则将近0.5mm），高斯光
束A经过准直镜2输出的高斯光束B束腰半径，那么
（1）；
其中，f为准直镜2的焦距，为激光器1输出的激光波长。
前腔镜6和后腔镜7的曲率半径相同，均为R，则衰荡腔内的高斯光束C的束腰在腔
的中心处，在前腔镜6和后腔镜7的腔镜反射面上，波阵的曲率半径等于腔镜的曲率半径R，
因此，衰荡腔内的基模的高斯光束C的束腰半径通过下式得到，
（2）；
再将高斯光束B经过匹配镜3转换，高斯光束B的束腰位置与匹配镜3的距离为z1，高斯光束C的束腰位置与匹配镜3的距离为z2。可以根据高斯光束的薄透镜转换公式得到z1和z2，
（3）；
其中，F为匹配镜的焦距，q1和q2分别为高斯光束B和高斯光束C的束腰处的复光束
参数，将，分别代入公式（3）可得，
（4）
（5）
其中，，为特征匹配长度，<，F>f0，且当F越接近f0，z1和z2越
小，腔前光路越短，因此，可根据f0的值来取合适的F值，使匹配镜3的焦距与准直镜2进行匹
配。由于z1和z2均大于0，因而上述式（4）和式（5）中的±取同号，例如同时取正号。
值得注意的是，对于不同的衰荡腔的腔型，z1和z2的比值存在差异，例如直腔的高斯光束C的束腰位于两腔镜中间位置，而三角腔的高斯光束C的束腰位于输入、输出镜的中间位置，这决定了z2值的大小差异，也造成了z1和z2的比值存在差异，因此不同腔型对于准直镜2和匹配镜3的参数选择存在影响。例如，对于腔长为500mm的直腔而言，为了将腔前光路缩短到200mm以内，z1与z2的比值约为1/8，那么准直镜2的焦距要小于0.8mm，匹配镜3焦距在50mm左右。由于准直镜2焦距的限制，当焦距小于1.4mm，成本增加，精度不可控，准直镜2加匹配镜3的组合无法实现短的腔前光路的光束匹配，因此，在这种情况下，可将准直镜2替换成聚焦镜，采用聚焦镜加匹配镜的组合方式，来实现短的腔前光路。
在获得匹配镜3的参数后，可以定制加工该匹配镜3，在获得匹配镜3后，按照距离z1、z2的取值来安装匹配镜3。
在匹配镜3安装好后，对整个光路进行校验，具体校验过程如下：
首先采用可见光进行调试，确保可见光能够通过第一光阑8和第二光阑9。其中，第一光阑8和第二光阑9用于对光路进行锁定，确保后续高斯光束安装这一路径传播。第一光阑8设置在准直镜2和匹配镜3之间，第二光阑9设置在第一反射镜4和第二反射镜5之间。
随后，将可见光切换为红外光，利用红外先色卡，对光路进行精确的调整，确保红外光能够通过衰荡腔，完成光路的校验。在这一过程中，如果出现模式拍频时，第一光阑8和第二光阑9能够对高阶模起到抑制作用。
需要指出的是，在本发明中，在安装各个光学元件时，采用粘接固定的方式完成各个光学元件的固定，以减少镜座的空间占用。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。
Claims (6)
1.一种高斯光束的高斯匹配方法，其特征在于，包括以下步骤，
选择准直镜，并将所述准直镜与激光器、光纤头封装固定；
获取匹配镜的焦距F，并将匹配镜固定在准直镜与衰荡腔之间；
在安装匹配镜后，采用可见光对高斯光束的光路进行校验；
其中，经过所述准直镜后形成的高斯光束B的束腰位置到匹配镜的距离为z1，在衰荡腔内的高斯光束C的束腰位置到匹配镜的距离为z2；
焦距F、距离z1、距离z2通过以下公式获得，
；
；
；
其中，q1和q2分别为高斯光束B和C的束腰处的复光束参数，f0为特征匹配长度，是高斯光束B的束腰半径，/>是高斯光束C的束腰半径。
2.根据权利要求1所述的高斯光束的高斯匹配方法，其特征在于，所述衰荡腔为衰荡腔，且所述衰荡腔是直腔，所述衰荡腔包括前腔镜和后腔镜，所述高斯光束C的束腰位置位于前腔镜与后腔镜的中点位置。
3.根据权利要求2所述的高斯光束的高斯匹配方法，其特征在于，通过所述光纤头射出的光束为高斯光束A，所述高斯光束A的束腰半径为，且/>和/>是的关系为
；
其中，f为准直镜的焦距，为激光器输出的激光波长。
4.根据权利要求3所述的高斯光束的高斯匹配方法，其特征在于，所述前腔镜与后腔镜的曲率半径相同；
位于前腔镜与后腔镜的反射面上的波阵的曲率半径与前腔镜或后腔镜的曲率半径相同。
5.根据权利要求4所述的高斯光束的高斯匹配方法，其特征在于，在所述前腔镜与匹配镜之间布置有一对反射镜，高斯光束B在穿过所述匹配镜后，通过一对所述反射镜调节光束方向。
6.根据权利要求5所述的高斯光束的高斯匹配方法，其特征在于，在准直镜与匹配镜之间、一对反射镜之间分别安装有光阑。
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