[发明专利]一种紧凑和稳定的光程气室

说明书

本发明提供了一种紧凑和稳定的光程气室，采用凹面镜、平面镜和准直镜组成的共焦光学系统，在输出端上可获得与输入光束相同大小和角度的输出光束，并且在温度和应力变化以及振动情况下，凹面反射镜相对于平面镜产生的平移和角度变化不会影响输出光束的位置、角度和大小，光路是稳定的，因而满足了光纤波导作为输入和输出端的光程气室的应用需要。

技术领域

本发明涉及光学传感领域的光程气室，尤其涉及用于气体光学传感，采用光纤作为输入和输出端、光路紧凑并对温度和应力变化以及振动不敏感的光程气室。

背景技术

在有限体积内，实现光束的多次反射，使光束走过相对较长的光程，这样的光学器件在光学传感领域，特别是针对特种气体的传感和分析领域有重要的应用。

目前半导体可调激光吸收光谱分析(以下简称TDLAS)和傅里叶变换红外光谱分析(以下简称FTIR)是两个主流的技术路线，前者主要基于可调激光在近红外波段进行光谱分析，后者采用宽谱光源通过傅里叶变换在中远红外进行光谱分析。

为了达到足够的探测精度，无论TDLAS还是FTIR都需要一个光程气室，以使光束在所需分析气体内传输足够的光程以增强吸收谱线，为了使探测仪器仪表的体积在可接受范围内，光程气室需采用光程折叠器件的形式，以在有限体积内尽可能多次反射光束，以达到足够的光程。

针对TDLAS应用，由于激光束的发散角小，工业界普遍采用赫里奥特室结构(APPLIED OPTICS/Vol.3，No.4/April 1964)，如图1所示，赫里奥特室100采用两个具有相同焦距f的凹面反射镜103、104形成反射腔，当输入端101输入光束的入射方向和位置、两个凹面反射镜沿z方向的距离d满足一定条件时(一般取0＜d＜2f或2f＜d＜4f的离焦配置)，光束将在两个凹面反射镜来回多次反射，最后从输出端102输出。图2表所示两个凹面反射镜203、204上，反射点在x-y平面上形成圆形的光斑轨迹201。从光路分析可以得知，最后光斑的输出位置与两个凹面反射镜103、104的相对位置和角度有关。

针对FTIR应用，由于光源需要非相干的宽谱热光源，光束发散角大，赫里奥特室的性能不能满足要求，这是由于赫里奥特室必需的离焦配置特性导致，离焦系统多次反射后非相干光束发散角无法收敛，工业界则普遍采用传统的怀特室结构(White，J.U.“LongOptical Paths of Large Aperture”J.Opt.Soc.Am.，Vol.32，，pp285-288，May 1942)，如图3所示，怀特室300由三个具有相同曲率半径和焦距f的凹面反射镜组成，主反射镜301位于一侧，两个次反射镜302、303位于主反射镜相对一侧，输入光束304和输出光束305位于主反射镜两侧。两个次反射镜带有一定倾角，主反射镜与两个次反射镜的距离设置为2f，使光束在主反射镜和两个次反射镜来回多次反射成像，最后从主反射镜一侧输出。光斑在主反射镜上的轨迹如图4所示，通常输入光束位置404偏离主反射镜401轴心线402，使得光斑分布在两排轨迹403、406上，以获得最大的反射次数。输出光束位置405通常在与输入光束同排轨迹406的另一侧。输出光束位置与轨迹406的光束间距有关，通过光路分析可以得知，两个次反射镜302、303的相对位置和角度的变化对输出光束位置影响最大。

可以看到，赫里奥特室和怀特室存在光路稳定性问题，温度和应力变化、振动等因素造成的反射镜之间的相对位置和角度的变化都会导致输出光束位置的变化，从而使输出端接收的光能量不稳定。因此，在应用中，赫里奥特室和怀特室一般采用光源自由空间直接输入，输出端则采用大面积的光探测器，以消除输出光束位置的变化对输出光能量带来的影响。

工业应用中需要采用光纤波导如光纤作为传感气室的输入和输出端，以方便光源与气室、以及气室与光探测器之间的连接，并且可以将光纤拉远，将传感气室放到远端，实现分布式光纤探测，以及在危险易爆场合使用纯无源光学传感气室。由于光纤的芯径较小，单模光纤在10微米左右，多模光纤在几十微米左右，输出光束位置的微米级变化都会导致输出端光能量的巨大变化。因此，赫里奥特室和怀特室在使用光纤作输入和输出端时，不能解决稳定性问题。