[发明专利]多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统

权利要求书

1.一种多光程气体吸收腔，其特征在于，包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且自下而上累叠，所述第一环形球面镜的曲率中心P_c1位于两镜接合面之外，所述第二环形球面镜的曲率中心P_c2位于两镜接合面之上；

建立直角坐标系，以所述第一环形球面镜M1的曲率中心P_c1和第二环形球面镜M2的曲率中心P_c2的连线与光束的入射平面垂直相交的交点为原点，以P_c1P_c2的连线为y轴，以所述光束的入射平面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；

光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N2，形成至多在y方向上分开的N排、各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形。

2.如权利要求1所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，所述气体吸收腔由参数组来表征，R为球面曲率半径；p,q为互质的正整数，用以确定光束在腔内来回反射所形成的N个正多角星形轨迹的形状，其中p为正多角星的角数，q为正多角星的边幅；D为气体吸收腔底面直径；H₁为所述第一环形球面镜高度；H₂为所述第二环形球面镜高度；c为曲率中心P_c1与光束的入射平面在y方向的垂直距离，c'为光束的入射平面与两镜接合面的垂直距离；c”为光束的入射平面与出射平面的垂直距离，a为入射和出射孔在内表面上的直径；A为入射和出射孔在外表面上的直径；为两个孔中心相对于P_c1P_c2连线在接合面上的投影所形成的夹角；

其中，p＝2Nk+2或p＝2Nk+N-2(k＝1,2,3…)，且q与p互质，a₀为光束入射到多光程气体吸收腔入射孔的光斑直径。

3.如权利要求2所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，

根据未修正的入射角确定修正后的入射角θ，

根据L_max≈2(Np-N+1)Rcosθ，确定最大光程L_max。

4.如权利要求3所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，

当所需的光程为L_des时，R,p需满足2(Np-N+1)R cosθ₀≥L_des；A≥a+2(D-2R)sinθ。

5.如权利要求3所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，

根据确定c'；

根据确定c”。

6.如权利要求4所述的多光程气体吸收腔，其特征在于n＝0,1,2…(p/2-1)。

7.一种基于权利要求1所述多光程气体吸收腔的痕量气体测量系统，其特征在于，该系统包括：前置光学子系统、多光程气体吸收腔和后置光学子系统；

所述前置光学子系统包括：激光光源和第一离轴抛物面镜；

所述后置光学子系统包括：第二离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜和探测器；

激光光源，用于将发出的准直激光出射到第一离轴抛物面镜上；

第一离轴抛物面镜，用于将所述准直激光进行聚焦后水平入射到所述多光程气体吸收腔中；

多光程气体吸收腔，用于将聚焦后的光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N2，形成至多在y方向上分开的N排、各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形；

第二离轴抛物面镜和第三离轴抛物面镜，用于将出射光束进行聚焦后发送到探测器上；

探测器，用于通过调谐激光光源的输出波长，记录不同波长的光强，得到腔内气体的吸收光谱。