CN205157412U - 一种测量气体浓度的光学吸收池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量气体浓度的光学吸收池，属于气体浓度光学测量领域。该光学吸收池包括凹面螺旋光学腔，入射窗口和出射窗口，所述凹面螺旋光学腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成；激光通过所述入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺旋式的循环反射，由所述出射窗口出射。使用该光学吸收池对气体浓度进行测量时，可以有效地缩小光程池的体积，加长光作用的有效光程，从而能有效地提高光谱探测灵敏度，提高吸收气体浓度测量的精确度。

Description

一种测量气体浓度的光学吸收池

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，特别涉及一种测量气体浓度的光学吸收池。

背景技术

随着经济的发展，人类对地球开发利用的速度远远超出了地球的可再生周期，因而出现了许多环境问题，其中最严重的是空气质量问题。工业排放的废气、汽车排放的尾气、煤炭的燃烧无不对空气造成严重的污染。所以我们需要对空气进行实时的监测，全面了解空气的质量，以做出相应的对策。

测量气体浓度的方法许多比如：色谱法、射线吸收法和光谱吸收法等。其中光谱吸收法应用普遍，技术较成熟。多次反射池是吸收光谱学学系统中非常重要的一部分，特别是在痕量气体检测中，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，增加光和样品的作用距离，能增大吸收信号的幅度，从而能有效地提高光谱探测灵敏度。

最常用的光学长程池有White型光学长程池[1]JohnU.White.LongOpticalPathsofLargeAperture.JournaloftheOpticalSocietyofAmerica.1942,32(5):285.和Herriott型光学长程池[2]D.Herriott,H.Kogelinik,R.Kompfner.Off-AxisPathsinSphericalMirrorInterferometers.Appl.Opt.1964,3(4):523~526.。其中White型长程池的特点是孔径角较大，适用于普通光源和激光光源，但所用反射镜较多，至少三块，不利于调节，机械稳定性差。而Herriott型长程池的光学系统由两个凹面反射镜组成，其特点是结构简单，光路调节相对容易，但孔径角较小，适用于激光光源，所以目前吸收光谱学的研究多使用Herriott池。

Herriott池要求两块等焦距凹面镜平行且同轴。但在实际应用中难以使两凹面镜的主光轴重合，并且微小的振动都会对其产生很大的影响。为此，多光程池向着易于调节、较多的反射次数、小型化和机械稳定性好方向发展。比如：2000年郝绿原用凹面反射镜和平面反射镜组成，只需调节两镜相对平行即可，简化了光学仪器的调节。2010年夏滑将其中一块凹面镜分割成上下两半，实现了反射次数成倍的增加。最近BélaTuzson研制出一个体积只有40cm³的圆环型多光程池，通过调节入射角度，使圆筒中出现单圈循环反射，其等效光程可达到4m。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种可以用于测量气体浓度的光学吸收池，可以运用于精确测量吸收气体的浓度。

本实用新型提供的测量气体浓度的光学吸收池，包括凹面螺旋光学腔，入射窗口和出射窗口，所述凹面螺旋光学腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成；激光通过所述入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺旋式的来回循环反射，由所述出射窗口出射。

优选地，所述凹面螺旋光学腔满足条件0≤R≤r。

优选地，所述测量气体浓度的光学吸收池还包括入射窗口密封阀和出射窗口密封阀；所述入射窗口密封阀包括入射窗底盘、第一平面镜和入射窗顶盘，所述入射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述入射窗底盘密封安装在所述入射窗口上，所述第一平面镜通过所述入射窗顶盘密封安装在所述入射窗底盘上；所述出射窗口密封阀包括出射窗底盘、第二平面镜和出射窗顶盘，所述出射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述出射窗底盘密封安装在所述出射窗口上，所述第二平面镜通过所述出射窗顶盘密封安装在所述出射窗底盘上。

优选地，所述测量气体浓度的光学吸收池还包括密封外盖；所述密封外盖位于所述凹面螺旋光学腔的上下表面，用于密封所述凹面螺旋光学腔的上下表面，所述密封外盖上设有进气口和出气口，所述出气口用于注入待测气体，所述进气口用于对螺旋型多光程池进行真空吸收。

优选地，所述测量气体浓度的光学吸收池还包括第一密封内盖和第二密封内盖，所述第一密封内盖用于密封所述进气口，所述第二密封内盖用于密封所述出气口。

本实用新型提供的测量气体浓度的光学吸收池可又在更小的体积下，得到更长的有效光程，从而能有效地提高光谱探测灵敏度，提高吸收气体浓度测量的精确度。

附图说明

图1为本实用新型提供的测量气体浓度的光学吸收池6中，光线进入凹面螺旋光学腔63后形成螺旋式循环反射后射出的示意图；

图2为凹面螺旋光学腔63的结构示意图；

图3为本实用新型提供的测量气体浓度的光学吸收池6的装配示意图；

图4为本实用新型提供的测量气体浓度的光学吸收池6的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供的光学吸收池包括一个凹面螺旋光学腔63，凹面螺旋光学腔63外侧有一个圆筒62，凹面螺旋光学腔63和圆筒62上同一位置开有入射窗口61，当光线通过入射窗口61进入凹面螺旋光学腔63后，会形成螺旋式循环反射，最后从出射窗口64射出。

如图2所示为凹面螺旋光学腔63的结构示意图，凹面螺旋光学腔63由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋式旋转而成。凹面螺旋光学腔63由可以看做多个凹面环631螺旋叠加而成，其中凹面环631是以径向半径R和以轴向半径r（r即是曲率半径）螺旋旋转而成，其螺距为d。凹面螺旋光学腔63的厚度忽略的情况下，R即是圆筒62的半径。若径向半径R和曲率半径r相等，凹面环631是一个球面。

要使入射光线在光学腔63中循环反射而不溢出。则要满足以下两个条件：

(1)根据光学腔原理，曲率半径r与圆筒62半径R应符合激光稳定腔的稳定条件，即

(1)

在凹面螺旋型光学腔中，，则有，当时，可以满足光学激光稳定腔的稳定条件。

若不满足激光稳定腔的条件，则会出现池内光线反射幅度太大，不能充分利用光学反射腔的反射面积。

(2)要使光斑被束缚在凹面环631面上，则在装置螺旋型多光程池6的入射孔61前，需放置一个特定焦点的薄透镜5。入射光线65通过薄透镜5，使得光束会聚在圆筒62的中心附近，然后光束再从中心附近发散，射到凹面螺旋光学腔63反射表面上，光线被反射回来，光束再在中心附近会聚，如此循环，光线在光学腔63中形成稳定的来回反射，最后从出射孔射出。

光线在光学腔63中形成的光线轨迹形如螺旋型如图2所示。参考图2，光线轨迹由两个规则的曲线合成：

(2)

(3)

其中，A等于凹面环631的径向半径R，也等于圆筒62的半径，等于两个相邻的凹面环631的间距d（即凹面螺旋腔的螺距），即。凹面螺旋光学腔63中的光斑点落在凹面环631中心线处，呈螺旋型轨迹。螺旋型光学吸收池的反射次数与与两凹面环631的间距d（即凹面螺旋腔的螺距）有关，螺距d越小，螺旋的跨幅越小，导致光线填补更多的镜面空间，使得较长的有效光程能够在小体积中循环反射，得到更多的反射次数。例如，在一个径向半径R较小的螺旋型光学吸收池装置中，圆筒半径1cm，螺距d是1mm，圆筒高度是100cm。入射角度是1.5°，穿过池内1000次，在314cm³的体积中，得到大约20m的有效光程。假如圆筒62的半径不变，螺距d减小，能在更小的体积下，得到更长的有效光程。

参见附图3，本实用新型提供的光学吸收池6还包括入射窗口密封阀601，密封外盖602和密封外盖607和出射窗口密封阀606。参见附图4，螺旋型多光程池6的边缘有凹槽605，用于放O圈,密封外盖601和密封内盖607通过O圈压紧在螺旋型多光程池6的上下两端，从而密封螺旋型多光程池6。

参考附图4，入射窗口密封阀601由入射窗底盘6011、平面镜6012和入射窗顶盘6013组成。其中，入射窗口61上设有凹槽，凹槽上放置O圈，入射窗底盘6011压紧凹槽上的O圈，对入射窗口61形成密封，入射窗底盘6011的顶端也设有凹槽，凹槽上放置有O圈，平面镜6012通过入射窗顶盘6013压紧入射窗底盘6011顶端凹槽处的O圈，这样就能够将入射窗口完全密封。出射窗口密封阀606的结构和入射窗口密封阀601的结构相同，为了简单起见，图4中未标出出射窗口密封阀606的结构。可参照入射窗口密封阀601，出射窗口密封阀606也包括出射窗底盘，第二平面镜和出射窗顶盘，其中，出射窗口64上设有凹槽，凹槽上放置O圈，出射窗底盘压紧凹槽上的O圈，对出射窗口形成密封，出射窗底盘的顶端也设有凹槽，凹槽上放置有O圈，第二平面镜通过出射窗顶盘压紧出射窗底盘的顶端凹槽处的O圈，这样就能够将出射窗口完全密封。

此外，入射窗底盘6011有0-15°的倾斜度，使平面镜6012也有0-15°的倾斜，以避免入射光到平面镜6012上的干涉效应。出射窗底盘也有0-15°的倾斜度，使第二平面镜也有0-15°的倾斜，以避免入射光到第二平面镜上的干涉效应。此外，平面镜6012和第二平面镜可以为在相应波长上镀了增透膜的平板玻璃。

此外，本实用新型的提供的光学吸收池6的密封外盖602上背面穿透了一个直径为6mm的进气口603，用于对光学吸收池6进行真空吸收，密封外盖607背面穿透一个出气口608，用于注入待测气体。此时，本实用新型的提供的光学吸收池6还包括密封内盖604和密封内盖609，其中密封内盖604用于对进气口603的密封，密封内盖609对出气口608进行密封。

以上所述，仅为本实用新型的最佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量气体浓度的光学吸收池，其特征在于，包括凹面螺旋光学腔，入射窗口和出射窗口，所述凹面螺旋光学腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成；

激光通过所述入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺旋式的来回循环反射，由所述出射窗口出射。

2.根据权利要求1所述的测量气体浓度的光学吸收池，其特征在于，所述凹面螺旋光学腔满足条件0≤R≤r，所述R为所述凹面螺旋光学腔的径向半径，所述r为所述凹面螺旋光学腔的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的测量气体浓度的光学吸收池，其特征在于，还包括入射窗口密封阀和出射窗口密封阀，

所述入射窗口密封阀包括入射窗底盘、第一平面镜和入射窗顶盘，所述入射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述入射窗底盘密封安装在所述入射窗口上，所述第一平面镜通过所述入射窗顶盘密封安装在所述入射窗底盘上；

所述出射窗口密封阀包括出射窗底盘、第二平面镜和出射窗顶盘，所述出射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述出射窗底盘密封安装在所述出射窗口上，所述第二平面镜通过所述出射窗顶盘密封安装在所述出射窗底盘上。

4.根据权利要求1所述的测量气体浓度的光学吸收池，其特征在于，还包括密封外盖；

所述密封外盖位于所述凹面螺旋光学腔的上下表面，用于密封所述凹面螺旋光学腔的上下表面，所述密封外盖上设有进气口和出气口，所述出气口用于注入待测气体，所述进气口用于对螺旋型多光程池进行真空吸收。

5.根据权利要求4所述的测量气体浓度的光学吸收池，其特征在于，所述螺旋型多光程池还包括第一密封内盖和第二密封内盖，所述第一密封内盖用于密封所述进气口，所述第二密封内盖用于密封所述出气口。