[发明专利]一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统

说明书

技术领域

本发明属于一种光学测量领域，具体为一种基于离轴抛物面镜收发一体的差分吸收光谱系统，应用于监测大气痕量污染气体。

背景技术

光谱分析技术可以利用不同分子在波段内对光辐射的特征吸收进行定性和定量测量，其基本原理服从朗伯-比尔吸收定律，即在一定的吸收光程下，物质的浓度与吸光度成正比，通过分析其吸收光谱可获得物质的成分和浓度等信息。该技术广泛应用于大气有毒有害气体监测以及水体监测等领域。DOAS技术作为痕量气体探测的一种非接触、开放式光程测量方法，其基本原理就是利用不同气体分子对光辐射的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来反演气体的浓度。经过几十年的不断发展，已成为研究大气化学及进行城市空气质量监测的有效手段。

目前广泛采用的光路收发一体式DOAS系统通常基于卡塞格林式和牛顿式望远镜结构。图1为卡塞格林望远镜结构DOAS系统示意图，光源装置1发出的光经过反射镜2反射后被望远镜主镜3外圈部分准直出射，经过一定距离的传输，光束被角反射镜5反射后沿原方向返回经过望远镜主镜3内圈部分接收后，被副镜4反射后，最后汇聚于光纤接收端位置，经接收光纤6传输进入光谱仪探测器7进行后期光谱数据处理分析。这种基于卡塞格林望远镜的DOAS系统，由于光路上存在光学器件的遮挡，主镜利用效率较低，且结构相对复杂，调整比较困难。

近些年提出的光纤收发一体式卡塞格林望远镜结构DOAS系统如图2所示，光源装置1发出的光经透镜8耦合后首先进入发射光纤9，由发射光纤9出射，经望远镜内的副镜4和望远镜主镜3反射后成为平行光，通过一段开放的大气到达另一端的角反射镜5，光束被反射后沿原光路返回，再次经卡塞格林望远镜内的副镜4和主镜3聚焦进入接收光纤6，经接收光纤6接收进入光谱仪7进行分光，发射光纤9的出射端和接收光纤6的入射端公用一个端面。这种光纤收发一体式系统在实际测量中存在以下问题：通常实验为外芯发射，内芯接收，将收发光纤公共端的接收部分设计在望远镜主镜的焦点位置，而发射部分则处于偏焦位置，这样会造成部分光照射到望远镜主镜后，未在大气传输而直接反射回接收端，从而增大了望远镜内部杂散光；同时，发射部分偏焦，出射光不是平行光导致部分光不能经过角反射镜返回，降低光学效率；由于发射端和接收端位于光纤的同一端面，难以直接观察大气返回光斑的情况，系统调节比较麻烦。

牛顿式望远镜结构DOAS系统如图3所示，光源1发出的光经透镜8耦合进入发射光纤9，由发射光纤9出射，经过望远镜主镜3准直，在大气中传输，光束被角反射镜5反射后沿原方向返回，经过望远镜主镜3反射汇聚至光纤公共端，最后由接收光纤6接收传输至探测器7。该系统由于发射光纤后端同光纤收发一体式卡塞格林望远镜结构DOAS相似，同样存在由于发射部分的偏焦导致的杂散光和光效降低以及难以直接观察大气返回光斑带来的系统调节比较麻烦的问题。

发明内容

本发明提出的一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统。目的是简化系统且发射部分与接收部分都处在焦点位置，保证出射光为平行光，提高了光效，减少了杂散光；同时接收光路和发射光路分离，便于系统调节。

本发明提出的一种基于离轴抛物面镜的差分光学吸收光谱测量系统，包括离轴抛物面镜(中心打孔)望远镜，光源准直系统，角反射镜，光纤，光源装置以及光谱仪探测器。光源发出的光被透镜耦合进入光纤，经准直镜头准直后，通过离轴抛物镜中心小孔在大气中传输，光束被角反射镜反射后沿着原方向返回，由离轴抛物面镜反射，离轴汇聚耦合进入接收光纤并传输至光谱仪分光后被探测器接收，从而进行后期光谱分析。

所述的光源准直镜头的主光轴和离轴抛物面镜主光轴重合。

所述的发射光纤前端位于光源耦合透镜焦点位置；后端位于光源准直镜头焦点位置，接收光纤端位于离轴抛物面镜焦点位置。接收光纤位于望远镜镜筒外侧，光纤两端均安装在三维调整平台上，可对所处位置方便地进行x、y方向及俯仰角调节。