[发明专利]一种高效光程折叠器件

说明书

本方案提供的高效光程折叠器件，通过在光学反射腔焦平面上引入一个倾斜子反射镜，破坏反射光线的循环条件，使得光线在反射腔内多次反射，实现长光程；进一步，通过引入第二倾斜子反射镜和条反射镜，实现反射光斑的二维排布，达到更多的反射次数和更长的光程；光线在输出时保持了输入时的光斑大小和发散特性，适合相干光和非相干光的输入条件；进一步，通过引入一个控制器，驱动倾斜子反射镜旋转，改变倾斜子反射镜的角度，进而改变光线在反射腔内的反射次数，实现光程的可变特性。本方案还允许阵列的光束输入和输出，以到达同时探测多种气体的目的，或实现串联，以达到更长的光程。

技术领域

本方案涉及光学传感领域的光程折叠器件，尤其涉及用于气体光学传感以及可变光程的高效光程折叠器件。

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都需要一个长光程气室，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，长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0d2f或2fd4f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)。

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。