[发明专利]一种长光程可调谐吸收池及其出射光束采集方法

说明书

本发明公开了一种长光程可调谐吸收池及其出射光束采集方法，其中长光程可调谐吸收池，包括前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜、离轴抛物面反射镜和探测器；所述前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜共计四块平面反射镜构成一个长方体谐振腔，其中谐振腔内部长为l，宽为w，高为h；入射光束从前反射镜右上角一侧以一定角度入射进吸收池谐振腔内，在谐振腔内反射多次后从后反射镜的另一侧出射，出射光束经离轴抛物面反射镜反射后进入探测器中。本发明气体吸收池谐振腔实现可实现入射光束有效光程连续调节，并且在进行光程连续调节过程中，出射光束经抛物面反射镜会聚后的光斑位置不变，因此，可连续调节气体吸收光程。

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及的是，一种长光程可调谐吸收池及其出射光束采集方法。

背景技术

光谱分析技术凭借其快速、无损和检测精度高的优点，成为当前主流的物质成分和浓度检测手段。在痕量气体浓度检测方面，随着半导体激光器制造技术的进步，以可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术为代表的新型光谱分析技术凭借其高精度、小型化、灵敏度高、反应快等优点，在痕量气体浓度检测等领域发挥着重要作用。TDLAS光谱分析装置主要由可调谐半导体激光器、气体吸收池、探测器和调制解调器等几部分构成。TDLAS光谱分析所依据的机理还是朗伯-比尔定律，即：A＝Kbc，其中A为吸光度，K为摩尔吸收系数，b为吸收层厚度，c为吸光物质浓度。根据朗伯-比尔定律可知，在待测气体物质摩尔吸收系数和浓度确定的情况下，为提高气体物质吸光度和检测灵敏度，就要提高吸收层厚度，也就是增加探测光束与待测气体之间的相互作用距离。现有常用方法是采用经过特殊光路设计的光学气体吸收池，利用探测光束在谐振腔内多次反射的原理，实现在有限的空间内获得较长的吸收光程。因此，吸收池已成为气体吸收光谱检测技术中的核心器件之一，设计和改进气体吸收池对于光谱分析系统的小型化和提高检测精度具有重要意义。

当前比较常用的气体吸收池根据光路划分主要有White型、Herriott型、圆柱型以及在此基础上的多种改进型。Herriott型气体吸收池是目前较为常用的光路结构，其中比较典型的改进型气体吸收池代表有McManus(参见《Applied Optics》1995,34(18):3336-3348)和陈家金(参见《光谱学与光谱分析》,2019,39(1):292-296)等人在Herriott型吸收池的基础上改进提出的基于双柱面反射镜的光学多通池；Robert结合White型和Herriott型吸收池的优点，将反射镜B从中间切成两块，构成两个Herriott池。上述改进型吸收池可以在不增加吸收池体积的情况下，充分利用镜面面积，在一定程度上提高有效光程(参见《Applied Optics》,2007,46(22):5408-5418)。

现有光学吸收池大都利用两块或多块球面反射镜或柱面镜反射镜等来构建光学谐振腔，在此基础上搭建出光学吸收池，由于吸收池对反射镜加工精度和镀膜水平要求极高，因此价格都高达数万元甚至几十万元。此外，现有改进型光学吸收池的反射次数仍然有限，无法在小体积吸收池内实现长有效光程，且光程一般不可调。在实际应用过程中，针对待测物质浓度不同，所需的最优光程往往也不相同，因此，对于固定光程吸收池需要选择多个不同光程吸收池进行切换。

发明内容

本发明提供一种基于平面反射镜的长光程可调谐吸收池，所要解决的技术问题包括：(1)通过增加入射光束在谐振腔内的反射次数，在小体积光学吸收池内获得长有效光程；(2)利用光学三维调整架调节入射光束入射角度，实现光程可调谐；(3)利用离轴抛物面反射镜搭建汇聚光路对出射光束进行会聚，在改变入射光束入射角度的情况下依然能保证对出射光束的有效采集。

本发明的技术方案如下：一种长光程可调谐吸收池，包括前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜、离轴抛物面反射镜和探测器；所述前反射镜、后反射镜、上反射镜、下反射镜共计四块平面反射镜构成一个长方体谐振腔，其中谐振腔内部长为l，宽为w，高为h；入射光束从前反射镜右上角一侧以一定角度入射进吸收池谐振腔内，在谐振腔内反射多次后从后反射镜的另一侧出射，出射光束经离轴抛物面反射镜反射后进入探测器中。