CN117589295A - 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，通过降低干涉噪音，增强离轴积分腔输出，涉及痕量气体探测技术领域。该球型积分腔结构包括：球型腔镜；内壁镀有介质膜，球型腔镜内壁的所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求；球型腔镜的外壁镀有增透膜，球型腔镜的外壁的透射率大于98%；入射光的光斑均匀分布在球型腔镜内部的一个平面上，分布轨迹长度为球型腔镜周长。球型腔镜内部镀膜材料为介质膜，球型腔镜的外壁镀有增透膜，球型腔镜的外壁的透射率大于98%。在实现高反射率的同时，剩余能量尽可能透射。相比于传统积分腔结构，有效延展了无干涉路径长度，降低了干涉噪音。

Description

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。

在传统积分腔增强的反射镜设计中，干涉噪音是主要的噪音来源之一，而抑制该噪音的方法一直是离轴积分输出光谱技术优化的主要方向之一。传统积分腔由两片腔镜组成，这种腔体结构决定了光束在腔内的光斑落点组成的路径不会超过镜片外圈直径。因此，干涉噪音的降低与腔镜体积始终处于相互制约的关系。

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

本发明要解决现有技术中的上述技术问题，提供一种球型积分腔结构及离轴积分腔气体测量仪，优化积分腔内光束离轴化后光束落点，配合离轴腔增强输出光谱技术，实现在保证积分腔长光程优势的前提下降低干涉噪音，提高探测系统信噪比。

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：球型腔镜；

所述球型腔镜的内壁镀有介质膜，所述球型腔镜内壁的所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求；

所述球型腔镜的外壁镀有增透膜，所述球型腔镜的外壁的透射率大于98%；

入射光的光斑均匀分布在所述球型腔镜内部的一个平面上，分布轨迹长度为所述球型腔镜周长。

在上述技术方案中，所需特征窗口波段反射率满足：大于99.9%。

在上述技术方案中，所述球型腔镜的壁厚为2-4mm。

在上述技术方案中，所述球型腔镜由两个中空半球形腔镜无缝对接。

在上述技术方案中，所述球型腔镜的内壁镀有的介质膜材料为氧化钽或氧化硅。

在上述技术方案中，所述球型腔镜的入射光的入射点位置的材料为透射介质材料。

在上述技术方案中，所述球型腔镜的入射光的入射点位置的材料为K9玻璃或JGS3。

一种离轴积分腔气体测量仪，以上述的球型积分腔结构作为气体吸收池。

在上述技术方案中，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；该球型积分腔的前端设有入射孔；

所述球型积分腔包括：球型腔镜；所述球型腔镜的内壁镀有介质膜，所述球型腔镜内壁的所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求；所述球型腔镜的外壁镀有增透膜，所述球型腔镜的外壁的透射率大于98%；入射光的光斑均匀分布在所述球型腔镜内部的一个平面上，分布轨迹长度为所述球型腔镜周长；

光信号由所述球型积分腔出射后，经聚焦透镜组聚焦后，依次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，通过入射孔入射至球型积分腔的球型腔镜中，在所述球型腔镜内部的一个平面上往复反射，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球型积分腔；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。

本发明具有以下有益效果：

本发明的球型积分腔结构，球型腔镜内部镀膜材料为介质膜，球型腔镜的外壁镀有增透膜，球型腔镜的外壁的透射率大于98%。在实现高反射率的同时，剩余能量尽可能透射。本发明的球型积分腔结构，光斑可均匀分布在球型积分腔内部的一个平面上，分布轨迹长度为球型积分腔周长。相比于传统积分腔结构，有效延展了无干涉路径长度，降低了干涉噪音。

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为光束在球型积分腔内部多次反射的光束传播路径示意图。

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；105-球型腔镜；106-聚焦透镜组；110-单相隔离；

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

本发明的球型积分腔结构，包括一个球型腔镜105，其由两个中空半球形腔镜无缝对接而成。该球型腔镜105的内壁镀有介质膜，球型腔镜105内壁的所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求，大于99.9%。球型腔镜105的外壁镀有增透膜，球型腔镜105的外壁的透射率大于98%。入射光的光斑均匀分布在球型腔镜105内部的一个平面上，分布轨迹长度为所述球型腔镜105周长。球型腔镜105的壁厚为2-4mm。

本发明的球型积分腔结构，采用半球形加工工艺，左右两腔镜均为中空半球形，壁厚在2-4mm之间。两球面腔镜可无缝对接为完整中空球体，其结构类似未打孔积分球。球内壁镀介质膜层，使所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求，一般大于99.9%。球外壁镀膜增透膜，透射率一般大于98%。

光从球型积分腔任何一点小偏角入射，光斑在球型积分腔内轨迹如图1所示。当入射光为完美准直光束，存在偏角(X1,Y1,Z1)入射时，光斑为沿球内壁一平面分布。同理，当偏角为(X1,0,Z1)入射时，光斑为沿球内壁X和Z轴所在平面分布。此时，在球型腔镜105内部的一个平面上往复反射，每次反射在后腔镜时，均有微弱光信号透射出腔；光斑可均匀分布在球型积分腔内部的一个平面上，分布轨迹长度为球型积分腔周长。相比于传统积分腔结构，有效延展了无干涉路径长度，降低了干涉噪音。

进一步解释来说，光束在球型积分腔内部多次反射的光束路径：光束由准直器101存在一定偏角透射至球型积分腔内部，当入射角度不完全垂直入射面时，光路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。当调节偏角合适且足够小，光斑将布满该平面，实现增加有效光程的同时，降低干涉噪音的效果。

值得注意的是，传统多通池（气体吸收池）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。而本发明中球型积分腔内光束在不断反射中不会从某一个固定孔洞离开，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。

在入射孔与出射孔的定义方面：本发明的球型积分腔结构不存在传统多通池结构（包括传统的积分球气室）的入射孔与出射孔，只存在入射点。其原因在于整个球型积分腔不存在传统意义的无镜片孔洞，入射点处也同样为透射介质材料（如K9玻璃，JGS3等），该类介质材料表面镀膜材料为介质膜，根据反射波长中心位置不同，介质膜材料不同，本发明中介质膜材料为氧化钽或氧化硅，且反射方式为镜面反射（传统积分球气室为漫反射）。同时本发明中不存在传统多通池式气室所存在的出射孔，所有光能量经过高反介质反射后，会有微弱光透射而出，该部分能量即为待测信号。本发明中在积分腔入射光的另一侧设有汇聚透镜组106接收透射能量，因此不存在传统意义出射孔。

经过仿真可得，实际的光斑分布情况与理论状态相同，如图2所示。在满足以上设计条件的情况下，球形积分腔结构已经可以充分利用腔内空间，降低干涉噪音，提高探测系统信噪比。

本发明的球型积分腔结构，采用单轴向离轴调节方式，平视视角及俯视视角如图3所示。如俯视视角所示，入射光在积分球内光斑与入射光在水平轴发散角相关，当发散角足够大，光斑可分布在整个水平平面的积分球腔内，有效降低干涉噪音，出射光沿轴发散，聚焦透镜组采用两只透镜进行组合，尽可能将出射光进行汇聚，会聚光由探测接收进行光电转换。

实施例2

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；该球型积分腔包括：球型腔镜105；球型腔镜105的内壁镀有介质膜，球型腔镜105内壁的所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求；球型腔镜105的外壁镀有增透膜，球型腔镜105的外壁的透射率大于98%；入射光的光斑均匀分布在所述球型腔镜105内部的一个平面上，分布轨迹长度为所述球型腔镜105周长；球型腔镜105的前端设有入射孔103。球型腔镜105的厚度为2-4mm。

电路部分，依次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，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，通过入射孔103入射至球型积分腔的球型腔镜105中，在球型腔镜105内部的一个平面上往复反射，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。

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。

本发明的球型积分腔结构，球型腔镜内部镀膜材料为介质膜，球型腔镜的外壁镀有增透膜，球型腔镜的外壁的透射率大于98%。在实现高反射率的同时，剩余能量尽可能透射。本发明的球型积分腔结构，光斑可均匀分布在球型积分腔内部的一个平面上，分布轨迹长度为球型积分腔周长。相比于传统积分腔结构，有效延展了无干涉路径长度，降低了干涉噪音。

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：球型腔镜（105）；

所述球型腔镜（105）的内壁镀有介质膜，所述球型腔镜（105）内壁的所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求；

所述球型腔镜（105）的外壁镀有增透膜，所述球型腔镜（105）的外壁的透射率大于98%；

入射光的光斑均匀分布在所述球型腔镜（105）内部的一个平面上，分布轨迹长度为所述球型腔镜（105）周长。

2.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所需特征窗口波段反射率满足：大于99.9%。

3.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型腔镜（105）的壁厚为2-4mm。

4.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型腔镜（105）由两个中空半球形腔镜无缝对接。

5.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型腔镜（105）的内壁镀有的介质膜材料为氧化钽或氧化硅。

6.根据权利要求1所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型腔镜（105）的入射光的入射点位置的材料为透射介质材料。

7.根据权利要求6所述的球型积分腔结构，其特征在于，所述球型腔镜（105）的入射光的入射点位置的材料为K9玻璃或JGS3。

8.一种离轴积分腔气体测量仪，其特征在于，以权利要求1-7中任意一项所述的球型积分腔结构作为气体吸收池。

9.根据权利要求8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）；该球型积分腔的前端设有入射孔（103）；

所述球型积分腔包括：球型腔镜（105）；所述球型腔镜（105）的内壁镀有介质膜，所述球型腔镜（105）内壁的所需特征窗口波段反射率满足积分腔输出光谱技术要求；所述球型腔镜（105）的外壁镀有增透膜，所述球型腔镜（105）的外壁的透射率大于98%；入射光的光斑均匀分布在所述球型腔镜（105）内部的一个平面上，分布轨迹长度为所述球型腔镜（105）周长；

光信号由所述球型积分腔出射后，经聚焦透镜组（106）聚焦后，依次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），通过入射孔（103）入射至球型积分腔的球型腔镜（105）中，在所述球型腔镜（105）内部的一个平面上往复反射，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球型积分腔；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。

10.根据权利要求8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。