CN117589294A - 一种球型积分腔结构及离轴积分腔气体测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球型积分腔结构及离轴积分腔气体测量仪，属于痕量气体探测技术领域。解决无法通过无节制的增加光斑在镜片上的环绕长度来降低干涉噪音的技术问题。该球型积分腔结构，包括：球型内腔镜和包裹在球型内腔镜外围的球型外腔镜；球型外腔镜的内侧表面镀有高反射膜；通过入射位置入射至球型内腔镜中的内圈光束，内圈光束在球型内腔镜内范围往复反射；球型内腔镜与球型外腔镜之间的外圈光束在球型内腔镜与球型外腔镜之间的区域往复反射，每次反射在后腔镜时，有微弱光信号透射出腔。本发明将非出射点处的透射光再一次反射入球型积分腔内，使光束能量被有效利用。

Description

一种球型积分腔结构及离轴积分腔气体测量仪

技术领域

本发明涉及痕量气体探测技术领域，特别涉及一种球型积分腔结构及离轴积分腔气体测量仪。

背景技术

离轴积分腔输出光谱技术是通过构造谐振腔结构，并让激光光束以离轴方式破坏横模共振，在两片腔镜间进行多次反射以达到提升光程效果的光学气室结构。这种气室结构可以在有限的腔镜空间内实现极长的有效吸收光程，每次激光光束在抵达腔镜后镜时所透射而出的微弱能量信号即为最终探测信号。

对于传统离轴积分腔结构而言，光学元件主要包括前后腔镜，一般意义上两片腔镜加工工艺完全一致，光斑的传播路径为椭圆或圆形，在离轴的充分化上较为倾向于腔镜上的光斑之间尽量接近但不重合，充分利用腔镜有效面积，提升有效光程的前提下降低干涉噪音。

但传统积分腔的光学结构无论离轴光机装调优化程度如何均存在一定局限性，具体表现为腔镜表面积有限，激光光束在环形光斑绕一周后不可避免存在干涉情况发生，即无法实现完全理想的离轴化。

现阶段在离轴化充分性上主要采用两种方式，第一种为简单直接的增加两面腔镜的体积，以加工成本、仪器体积、重量为代价，增加光斑在镜片上的环绕长度，降低干涉噪音。第二种方法为采用注入射频白噪音的方式增加激光器的线宽，进而降低离轴化的要求。其他方法，如采用压电陶瓷周期性震动破坏共振效果等方法仅在理论验证缓解具有较好的效果，在离轴积分腔输出光谱技术的成果转化及商品研发方面会引入诸多新的问题，现阶段可行性较低。

综上所述，现阶段研究已经形成共识，如何进一步降低干涉噪音是离轴积分腔增强输出光谱技术中影响信号信噪比导致最终探测精度不足的最主要原因。

发明内容

为了解决现有技术中腔镜表面积有限，无法通过无节制的增加光斑在镜片上的环绕长度来降低干涉噪音的技术问题，提出一种球型积分腔结构及离轴积分腔气体测量仪。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种球型积分腔结构，包括：球型内腔镜和包裹在所述球型内腔镜外围的球型外腔镜；在所述球型外腔镜的一端设有用来光束入射的入射孔；在所述球型内腔镜的一端设有用来光束入射的入射位置；

所述球型外腔镜的内侧表面镀有高反射膜；

通过入射位置入射至球型内腔镜中的内圈光束，内圈光束在球型内腔镜内往复反射；

球型内腔镜与球型外腔镜之间的外圈光束在球型内腔镜与球型外腔镜之间的区域往复反射，每次反射在后腔镜的光束出射位置时，有微弱光信号透射出腔。

在上述技术方案中，所述球型外腔镜通过两个半球或N个1/N球面，对所述球型内腔镜进行包裹。

在上述技术方案中，所述球型外腔镜的内侧表面的高反射膜的反射率为：大于等于99.99%。

在上述技术方案中，所述球型内腔镜与所述球型外腔镜之间的距离为：1-10mm。

在上述技术方案中，所述球型外腔镜的入射孔处为反射率略低区域或者镂空；所述球型内腔镜的入射位置处为反射率略低区域。

一种离轴积分腔气体测量仪，以上述技术方案中所述的球型积分腔结构作为气体吸收池。

在上述技术方案中，离轴积分腔气体测量仪按照光路方向依次包括：单相隔离、准直器、入射角度微调装置、作为气体吸收池的球型积分腔、以及聚焦透镜组；所述球型积分腔包括：球型内腔镜和包裹在所述球型内腔镜外围的球型外腔镜；在所述球型外腔镜的一端设有用来光束入射的入射孔；在所述球型内腔镜的一端设有用来光束入射的入射位置；

所述球型外腔镜的内侧表面镀有高反射膜；通过所述入射位置入射至所述球型内腔镜的光束，在所述球型内腔镜内往复反射；通过所述入射孔入射至球型内腔镜与球型外腔镜之间的光束在球型内腔镜与球型外腔镜之间的区域往复反射，每次反射在后腔镜的光束出射位置时，有微弱光信号透射出腔；

光信号由所述球型积分腔出射后，经聚焦透镜组聚焦然后，按照信号流顺序依次经过：铟镓砷探测器、数据采集卡、FPGA核心处理器、激光器电流驱动和激光器温度控制以及DFB激光器组；所述DFB激光器组还与所述单相隔离相连；所述FPGA核心处理器还与通信接口相连；

还包括：与球型积分腔的进气口相连的质量流量控制器，与球型积分腔的出气口相连的压力闭环测控，以及与所述压力闭环测控相连的可调谐气泵；

FPGA核心处理器用来控制激光器温度控制及激光器电流驱动对DFB激光器组进行驱动；DFB激光器组中的激光器发出的激光信号，通过单相隔离后，单向传输至准直器；光束经准直后，得到所需光束质量的准直光，经过入射角度微调装置，通过入射位置入射至球型积分腔的球型内腔镜中的内圈光束，以及球型内腔镜与球型外腔镜之间的外圈光束；内圈光束在球型内腔镜范围内往复反射，外圈的光束在球型内腔镜与球型外腔镜之间的圆环区域往复反射，每次反射在后腔镜时，均有微弱光信号作为待测信号透射出腔；待测信号先由聚焦透镜组聚焦，然后被铟镓砷探测器接收，由数据采集卡采集后转化为数字信号，传输给FPGA核心处理器进行数字正交锁相放大器处理，实现气体浓度的提取，拟合后的生成气体浓度信息，经由通信接口外传。

在上述技术方案中，出射光沿轴发散，FPGA核心处理器用来并行探测球型积分腔的腔内压力状态，并通过控制质量流量控制器，压力闭环测控和可调谐气泵稳定球型积分腔腔内压力在1Tor以内。

在上述技术方案中，出射光沿轴发散，设有两只透镜组合的聚焦透镜组，将出射光进行汇聚，会聚光由探测器接收进行光电转换。

在上述技术方案中，所述球型内腔镜与所述球型外腔镜之间的距离为：1-10mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明的球型积分腔结构，在原有球型积分腔的基础上，在其外层再次嵌套球型积分腔结构，球型外腔镜通过两个半球或N个1/N球面，对球型内腔镜进行包裹。球型外腔镜采用内侧镀高反射膜层设计，且在出入射处高反膜反射率调低或镂空设计，有助于出入射光束能量传递，由于球型内腔镜的入射位置为非镂空设计，可避免出入射光束被能量被进一步削弱。本发明的设计优势在于，将非出射点处的透射光再一次反射入球型积分腔内；使光束能量被有效利用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的球型积分腔结构无发散角入射光斑轨迹示意图。

图2为本发明的球型积分腔结构无发散角入射光斑轨迹仿真示意图。

图3为本发明的球型积分腔结构无发散角入射平视及俯视光路分布示意图。

图4为以本发明的球型积分腔结构作为气体吸收池的离轴积分腔气体测量仪的结构示意图。

图5为光束分布在球型积分腔结构内部多次反射时的光束传播路径示意图。

图6为光束在球型内、外腔镜中进行透射和/或反射时的光路示意图。

图中的附图标记表示为：

101-准直器；102-入射角度微调装置；103-入射孔；104-球型外腔镜；105-球型内腔镜；106-聚焦透镜组；110-单相隔离；111-入射位置；

201-DFB激光器组；202-激光器电流驱动；203-激光器温度控制；204-FPGA核心处理器；205-通信接口；206-数据采集卡；207-铟镓砷探测器；208-质量流量控制器；209-压力闭环测控；210-可调谐气泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以详细说明。

实施例1

如图1-3所示，本发明的球型积分腔结构，包括：球型内腔镜105和包裹在球型内腔镜105外围的球型外腔镜104；球型外腔镜104通过两个半球或N个1/N球面，对球型内腔镜105进行包裹。球型内腔镜105与球型外腔镜104之间的距离为1-10mm。在球型外腔镜104的一端设有用来光束入射的入射孔103；在球型内腔镜105的一端设有用来光束入射的入射位置111；球型外腔镜104的内侧表面镀有高反射膜，高反射膜的反射率大于等于99.99%，入射孔103降低反射率，亦可采用镂空设计。球型内腔镜105的出、入射处为反射率略低区域，并非镂空设计。

通过入射位置111入射至球型内腔镜105的光束，在球型内腔镜105内往复反射；通过入射孔103入射至球型内腔镜105与球型外腔镜104之间的外圈光束在球型内腔镜105与球型外腔镜104之间的区域往复反射，每次反射在后腔镜的光束出射位置时，有微弱光信号透射出腔。

具体而言，光束路径如下：光束由准直器在入射方向X、Y两个方向均存在一定发散角透射至球型积分腔内部，在球型内腔镜105内部的以中心为原点的﹢N°至﹣N°空间角范围内的镜面空间内往复反射，由于在X、Y方向均存在发散角，此时入射光束不再是简单的圆形光斑，更类似于由点光源存在一定发散角的发散型光束，相当于无数条圆形光斑沿不同偏角向球型积分腔内入射，所有光束入射偏角覆盖范围为实际入射光束的发散角。

当分析其中一支带有某一偏角的光束时，其光束分布在球型积分腔内部会在一个平面上多次反射（俯视观察）其光束传播路径如图5所示，光路传播顺序为从光束1-光束8，由于反射介质设计的关系，球型积分腔内部为镜面反射（而非传统积分球气室的漫反射），腔内光束经过多次反射仍按固定路径反射而非快速发散，即光束8之后光路仍然继续多次反射。

实际入射光束为多束上述带有某一偏角的光束的集合，因此在球型积分腔内实际的光束分布状态为覆盖多个平面的多次反射进行传播，如视某一光束光路覆盖的平面为X平面，则此时实际入射带有发散角的光束覆盖了多个X平面，即光路覆盖拓展至Y轴，将球型积分腔内部空间充分利用，其光路空间覆盖如图5所示。

值得注意的是，传统多通池结构存在出射口，入射口，两个位置是孔洞。即当反射光路到一定次数时，反射光束从入射口到达出射口就会彻底离开气室，光路只有一次折返过程。而本发明中腔内光束在不断反射中不会从某一个固定孔洞离开球型积分腔，只有当光束能量经过多次微弱透射衰减至探测器探测灵敏度极限之下，才会被视为光噪音处理，在此之前其路径均为有效光程。

在入射位置与出射位置的定义方面：本发明提及的球型积分腔结构的入射孔、入射位置与出射孔与传统多通池结构（包括传统积分球气室）的入射孔与出射孔并不相同。如图5所示，本发明所谓的入射孔103和入射位置111为图5中(a)处，是反射率较低（95%的反射率）的一个小区域，相比于其他区域（大于等于99.99%的反射率），该区域更有利于激光器光束能量初始尽可能多的进入球型积分腔内，提高信噪比；同理出射位置位于(b)处，其反射率较低的优势有利于对该处出射的能量进行探测，可以极大提升探测信号能量的同时，降低后端聚焦结构的复杂度。

值得注意的是，本发明中可以将入射/出射位置(a)、(b)设计在同一处，及共用出入射区域，入射与出射存在一定偏角，其设计可参考仰视视角出入射相同位置图。另外，出入射区域镀膜材料与球型积分腔其他位置材料相同，通过改变介质膜系与镀膜层数来实现反射率的降低。本发明中内层腔高反射率区域的介质层数为34层，出入射口处层数为28层，考虑到镀膜工艺及手法偏差，以上提及的镀膜层数范围在30-40层与20-30层之间浮动均为合理范围。

对于本发明所阐述的双层球型积分腔结构，其外层积分腔镜作用为将透射而未被有效探测的能量再次反射入内层球型积分腔内部，进而实现光束的再入射，其光路如图6所示。与图3-5中的不同在于，为了描述清楚，图6中的球型内腔镜105与球型外腔镜104的厚度分别进行了一定的放大，分别形成了一个有一定厚度的环形。其中，以光束1及光束2为例，光束从入射位置111进入内部球型积分腔后会有一部分微弱能量透射而出，当该部分能量不被接收时，该部分能量则被浪费。在本发明中，该部分能量被外部球型积分腔再次反射回到内部积分腔之中，进行光能量再利用，有效提高信噪比。

值得注意的是，考虑到外部积分腔的主要作用为光束能量的收集再利用，且透射能量已经较为微弱，外部球型积分腔镀膜介质可以与内部球型积分腔介质相同，实现镜面高反射；也可以采用与传统积分球相同的金银等材料实现漫反射，此时会引入微弱光噪音。

考虑到内外侧球型积分腔之间的部分并不作为气室使用，因此两层球型积分腔的间距可以灵活定义，一般在考虑装配难度的前提下应尽可能接近，减小气室总体积，本发明采用的间距为10mm。

本发明的球型积分腔结构在原有球型积分腔的基础上，在其外层再次嵌套球型积分腔结构，球型外腔镜104通过两个半球或N个1/N球面，对球型内腔镜105进行包裹。N为自然数。

球型外腔镜104采用内侧镀高反射膜层设计，且在球型内腔镜105出入射位置111反射率略低而非镂空设计，避免出入射光束能量被进一步削弱；考虑到能量入射损耗，球形外腔镜104出入射位置即可采用非镂空降低反射率设计，也可直接采用镂空设计；以上设计的优势在于将非出射点处的透射光再一次反射入球型积分腔内，使光束能量被有效利用。

实施例2

本发明以离轴积分腔输出光谱技术为例对本发明的球型积分腔结构进行了分析讲解，但球型积分腔结构不仅适用于离轴积分腔结构，亦可应用于宽光谱球型积分腔输出光谱等技术之中，是一项具有普遍使用性的新型光学气室结构。

如图4所示，以本发明的球型积分腔结构作为气体吸收池的离轴积分腔气体测量仪，其光路部分和电路部分分别为：

光路部分，按照光路方向依次包括：单相隔离110、准直器101、入射角度微调装置102、作为气体吸收池的球型积分腔、以及聚焦透镜组106；球型积分腔的前端设有入射孔103。球型积分腔包括：球型内腔镜105和包裹在球型内腔镜105外围的球型外腔镜104；球型外腔镜104通过两个半球或N个1/N球面，对球型内腔镜105进行包裹。球型内腔镜105与球型外腔镜104之间的距离为1-10mm。在球型外腔镜104的一端设有用来光束入射的入射孔103；在球型内腔镜105的一端设有用来光束入射的入射位置111；球型外腔镜104的内侧表面镀有高反射膜，高反射膜的反射率大于等于99.99%，入射孔103处反射率略低，亦可采用镂空设计。球型内腔镜105的出、入射处，包括入射位置111，的镀膜反射率略低，但不为镂空。通过入射位置111入射至球型内腔镜105的光束，在球型内腔镜105内往复反射；通过入射位置103入射至球型内腔镜105与球型外腔镜104之间的外圈光束在球型内腔镜105与球型外腔镜104之间的区域往复反射，每次反射在后腔镜的光束出射位置时，有微弱光信号透射出腔。

电路部分，按照信号流顺序依次包括：用来接收球型积分腔出射光的铟镓砷探测器207、数据采集卡206、FPGA核心处理器204、激光器电流驱动202和激光器温度控制203、DFB激光器组201；所述DFB激光器组201还与所述单相隔离110相连；所述FPGA核心处理器204还与通信接口205相连；

此外，电路部分还包括：与球型积分腔的进气口相连的质量流量控制器208，与球型积分腔的出气口相连的压力闭环测控209，以及与所述压力闭环测控209相连的可调谐气泵210。

本发明的离轴积分腔气体测量仪，由FPGA核心处理器204实现测控功能，FPGA核心处理器204控制激光器温度控制203及激光器电流驱动202对DFB激光器组201进行驱动，实现DFB激光器组201中不同的激光器分别扫描待测气体中心吸收峰的波长区域，锯齿波信号实现探测波长的往复扫描，WMS调制信号用于信号调制。

本发明的离轴积分腔气体测量仪，DFB激光器组201中的激光器发出的激光信号，通过单相隔离110后，单向传输至准直器101；光束经准直后，得到所需光束质量的准直光，经过入射角度微调装置102，通过入射位置111入射至球型积分腔的球型内腔镜105中的内圈光束，以及球型内腔镜105与球型外腔镜104之间的外圈光束，内、外圈光束不存在任何耦合与影响。球型内腔镜105的半径为R₁，球型外腔镜104的半径为R₂。内圈光束在半径为R₁的内圈范围往复反射，外圈的光束在半径为R₂-R₁的圆环区域往复反射，每次反射在后腔镜时，均有微弱光信号透射出腔，该信号即为待测信号。

待测信号先由聚焦透镜组106聚焦，然后被铟镓砷探测器207接收，由数据采集卡206采集后转化为数字信号，传输给FPGA核心处理器204进行数字正交锁相放大器处理，实现气体浓度的提取，拟合后的生成气体浓度信息，经由通信接口205外传。

与以上探测过程并行的是对腔内的环境控制，FPGA核心处理器204属于并行控制器件，可以并行探测球型积分腔的腔内压力状态，并通过控制质量流量控制器208，压力闭环测控209和可调谐气泵210稳定球型积分腔腔内压力在1Tor以内，确保探测条件的稳定性。

本发明的球型积分腔结构在原有球型积分腔的基础上，在其外层再次嵌套球型积分腔结构，球型外腔镜通过两个半球或N个1/N球面，对球型内腔镜进行包裹。球型外腔镜采用内侧镀高反射膜层设计，且在球型内腔镜出入射处采用略低反射率镀膜处理，并不采用镂空设计，避免出入射光束被能量被进一步削弱；考虑到能量入射损耗，球形外腔镜出入射位置即可采用非镂空降低反射率设计，也可直接采用镂空设计。该设计的优势在于将非出射点处的透射光再一次反射入球型积分腔内，使光束能量被有效利用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种球型积分腔结构，其特征在于，包括：球型内腔镜（105）和包裹在所述球型内腔镜（105）外围的球型外腔镜（104）；在所述球型外腔镜（104）的一端设有用来光束入射的入射孔（103）；在所述球型内腔镜（105）的一端设有用来光束入射的入射位置（111）；

所述球型外腔镜（104）的内侧表面镀有高反射膜；

通过所述入射位置（111）入射至所述球型内腔镜（105）的光束，在所述球型内腔镜（105）内往复反射；

通过所述入射孔（103）入射至球型内腔镜（105）与球型外腔镜（104）之间的光束在球型内腔镜（105）与球型外腔镜（104）之间的区域往复反射，每次反射在后腔镜的光束出射位置时，有微弱光信号透射出腔。

2.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型外腔镜（104）通过两个半球或N个1/N球面，对所述球型内腔镜（105）进行包裹。

3.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型外腔镜（104）的内侧表面的高反射膜的反射率为：大于等于99.99%。

4.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型内腔镜（105）与所述球型外腔镜（104）之间的距离为：1-10mm。

5.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，

所述球型外腔镜（104）的入射孔（103）处为反射率略低区域或者镂空；

所述球型内腔镜（105）的入射位置（111）处为反射率略低区域。

6.一种离轴积分腔气体测量仪，其特征在于，以权利要求1-5中任意一项所述的球型积分腔结构作为气体吸收池。

7.根据权利要求6所述的离轴积分腔气体测量仪，其特征在于，按照光路方向依次包括：单相隔离（110）、准直器（101）、入射角度微调装置（102）、作为气体吸收池的球型积分腔、以及聚焦透镜组（106）；

所述球型积分腔包括：球型内腔镜（105）和包裹在所述球型内腔镜（105）外围的球型外腔镜（104）；在所述球型外腔镜（104）的一端设有用来光束入射的入射孔（103）；在所述球型内腔镜（105）的一端设有用来光束入射的入射位置（111）；

所述球型外腔镜（104）的内侧表面镀有高反射膜；通过所述入射位置（111）入射至所述球型内腔镜（105）的光束，在所述球型内腔镜（105）内往复反射；通过所述入射孔（103）入射至球型内腔镜（105）与球型外腔镜（104）之间的光束在球型内腔镜（105）与球型外腔镜（104）之间的区域往复反射，每次反射在后腔镜的光束出射位置时，有微弱光信号透射出腔；

光信号由所述球型积分腔出射后，经聚焦透镜组（106）聚焦然后，按照信号流顺序依次经过：铟镓砷探测器（207）、数据采集卡（206）、FPGA核心处理器（204）、激光器电流驱动（202）和激光器温度控制（203）以及DFB激光器组（201）；所述DFB激光器组（201）还与所述单相隔离（110）相连；所述FPGA核心处理器（204）还与通信接口（205）相连；

还包括：与球型积分腔的进气口相连的质量流量控制器（208），与球型积分腔的出气口相连的压力闭环测控（209），以及与所述压力闭环测控（209）相连的可调谐气泵（210）；

FPGA核心处理器（204）用来控制激光器温度控制（203）及激光器电流驱动（202）对DFB激光器组（201）进行驱动；DFB激光器组（201）中的激光器发出的激光信号，通过单相隔离（110）后，单向传输至准直器（101）；光束经准直后，得到所需光束质量的准直光，经过入射角度微调装置（102），通过入射位置（111）入射至球型积分腔的球型内腔镜（105）中的内圈光束，以及球型内腔镜（105）与球型外腔镜（104）之间的外圈光束；内圈光束在球型内腔镜（105）范围内往复反射，外圈光束在球型内腔镜（105）与球型外腔镜（104）之间的圆环区域往复反射，每次反射在后腔镜时，均有微弱光信号作为待测信号透射出腔；待测信号先由聚焦透镜组（106）聚焦，然后被铟镓砷探测器（207）接收，由数据采集卡（206）采集后转化为数字信号，传输给FPGA核心处理器（204）进行数字正交锁相放大器处理，实现气体浓度的提取，拟合后的生成气体浓度信息，经由通信接口（205）外传。

8.根据权利要求7所述的离轴积分腔气体测量仪，其特征在于，出射光沿轴发散，FPGA核心处理器（204）用来并行探测球型积分腔的腔内压力状态，并通过控制质量流量控制器（208），压力闭环测控（209）和可调谐气泵（210）稳定球型积分腔腔内压力在1Tor以内。

9.根据权利要求7所述的离轴积分腔气体测量仪，其特征在于，出射光沿轴发散，设有两只透镜组合的聚焦透镜组，将出射光进行汇聚，会聚光由探测器接收进行光电转换。

10.根据权利要求7所述的离轴积分腔气体测量仪，其特征在于，所述球型内腔镜（105）与所述球型外腔镜（104）之间的距离为：1-10mm。