一种基于气体吸收池的光路系统的制作方法

1.本发明属于检测分析技术领域，具体涉及一种基于气体吸收池的光路系统。


背景技术：

2.紫外光源为以氘灯、led、氙灯等光源为主的发散光源，与拥有良好准直性能的激光光源不同，该光源在长距离或长光程应用中，单光程远距离传播，由于光源发散作用光斑会增大。而气体吸收池，例如采用短距离多次回返的怀特池，同样受制于光斑大小制约在镜片成像的数量，影响光程的提高；如果单纯的提高数量会导致光斑重叠等因素导致不能将其扩展到长距离应用。
3.目前，发散光源的处理方案主要采用以下三种方式：
4.第一种方式是采用透镜方式先汇聚，但是经过较长的传播后光斑会变更大，需要将镜片尺寸做大，增加气体室的容积使得气体分析的置换时间增加；由此增加镜片成本，同时增加测试池的尺寸，也增大一些粘滞性气体的吸附气体，进而影响气体室中待测气体的置换时间从而影响时间，无法追求高响应速度。
5.第二种方式是缩短单次的光程、缩小光斑为代价的设计方式，在反射次数不变的情况下，总光程也就变小，为了等效光程，镜片需要延长，同样增加置换体积，影响气体分析的时间。而且，减少光程带来了气体吸收减小，直接导致气体浓度检出限无法做高。
6.第三种方式是采用开路式长光程方式，尽管可以在线实时测量污染物浓度，但是污染物是整条线路上的平均浓度，且无法实现在线调零和校准，只能通过等效校准方案，无法准确测量真实浓度，只能研判趋势。
7.另外，现有的气体吸收池的光路系统存在以下不足之处：
8.一、光斑大，有效面积下反射次数少；
9.以共轭方式的长光程式的怀特池为例，如图1所示，是曲率为300mm的球面反射镜共轭系统，左侧光斑分布如图2所示，不同光斑大小在有限尺寸下，可以进行多次回返次数不同，光斑越小回返次数越来越多。光斑的数量可根据怀特池两个小镜子和入射角度调节反射次数。
10.二、光斑大，光斑之间有重叠
11.如图3所示，光斑如果过大，会造成光斑受内部反射镜遮挡，同时也会受其他多级的光斑的影响，在采用吸收方法的测量方式中，出射光强in与入射光强i0、反射次数n、光程l、气体浓度x、气体吸收截面σ(λ)有关系具体满足下列公式：
12.in＝i0×
e-σ(λ)xnl
13.通过上述公式可知，i0》i2》i4》
…
》in；如果光斑重叠就可能导致最后接收的光强in中包含i2、i4、i6等，造成实际测量过程中吸收结果不能达到n倍的效果，很难达到更高的检出限，只能有限地提高光强信号。
14.三、长距离传输，透镜方案远离焦距光斑会增大
15.此外，现有大多数厂商紫外光源耦合方式采用透镜组合方式，很难做紫外的长光
程测量池，以薄凸透镜为例，如图4所示，光斑在焦点位置f处光斑最小，其关系满足公式：
[0016][0017]
其中l为物距，l’为像距，f为焦点位置；
[0018]
因此，在采用透镜方案过程中，光斑经过一段距离后，发散特别严重，无法在长光程中应用。
[0019]
四、经过光纤后的光会发散严重
[0020]
紫外光源在长距离的传播说明如下：
[0021]
假设入射光线入下：光线宽度为d，传播距离为r，与怀特池曲率相等；
[0022]
d＝2r*sinθ
[0023]
传统上，θ＝12.7
°
；sinθ＝0.22；如果r＝600mm；d＝132mm；
[0024]
即使采用透镜方案仍然存在很大的发散光斑；
[0025]
如图6所示，保持入射角度不变，发散光源的光线与球直径c，c’，c，c’，夹角越大，光斑在球面的距离拉的越开，如光线a,b,c,a,b,c；出射光纤夹角与入射夹角x＝2a；
[0026]
五、发散后光斑重叠后，有效吸收降低，有效光程降低
[0027]
在怀特池中，实际光斑大的情况，出射光斑可能是第n和m次的能量之和；
[0028]
当怀特池中通入吸收气体，待测光强
[0029]
i＝rm*i0*e-m*a
rn*i0*e-n*a
[0030]
当怀特池中未通入吸收气体，初始光强
[0031]
i0′
＝rm*i0 rn*i0[0032]
等效待测吸收如下：
[0033]in
＝i0′
e(-a)
[0034]
吸收系数a如下：
[0035][0036]
假设光线a在怀特池中进行了8次反射，出射能量为i8，a为单次长度的吸收；
[0037]
i8＝r^8*i0*e(-8*a)；
[0038]
假设光线b在怀特池中进行了6次反射，出射能量为i6，a为单次长度的吸收；
[0039]
i6＝r^6*i0*e(-6*a)
[0040]
等效的吸收：in＝i0*e(-a)
[0041]
i＝r8*i0*e-8*a
r6*i0*e-6*a
[0042]
i0′
＝r8*i0 r6*i0[0043][0044][0045]
假设r＝0.75；a＝0.01；a＝0.0672；倍率：n＝a/a 6.7154
[0046]
假设r＝0.8；a＝0.01；a＝0.0678；倍率：n＝a/a 6.7757
[0047]
假设r＝0.9；a＝0.01；a＝0.0689；倍率：n＝a/a 6.8901
[0048]
假设r＝0.75；a＝0.02；a＝0.1342；倍率：n＝a/a 6.7108
[0049]
假设r＝0.8；a＝0.01；a＝0.1354；倍率：n＝a/a 6.7710
[0050]
假设r＝0.9；a＝0.01；a＝0.1377；倍率：n＝a/a 6.8852
[0051]
假设光线a在怀特池中进行了8次反射；出射能量为i8，a为单次长度的吸收；
[0052]
i8＝r^8*i0*e(-8*a)；
[0053]
假设光线b在怀特池中进行了16次反射；出射能量为i16，a为单次长度的吸收；
[0054]
i16＝r^16*i0*e(-16*a)
[0055]
等效的吸收：in＝i0*e(-a)
[0056]
i＝r8*i0*e-8*a
r
16
*i0*e-6*a
[0057]
i0′
＝r8*i0 r
16
*i0[0058][0059][0060]
假设r＝0.75；a＝0.01；a＝0.0870；倍率：n＝a/a 8.7021
[0061]
假设r＝0.8；a＝0.01；a＝0.0911；倍率：n＝a/a 9.1107
[0062]
假设r＝0.9；a＝0.01；a＝0.1034；倍率：n＝a/a 10.3408
[0063]
假设r＝0.75；a＝0.02；a＝0.1735；倍率：n＝a/a 8.6773
[0064]
假设r＝0.8；a＝0.01；a＝0.1815；倍率：n＝a/a 9.0736
[0065]
假设r＝0.9；a＝0.01；a＝0.2055；倍率：n＝a/a 10.2757
[0066]
由此可见，发散光斑带来的影响很大，低次数与高次数的光斑重叠将使得长光程的功能严重失效。


技术实现要素：

[0067]
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于气体吸收池的光路系统。
[0068]
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
[0069]
一种基于气体吸收池的光路系统，包括紫外发散光源、离轴抛物面镜、光阑和光谱仪，紫外发散光源发射的光进入离轴抛物面镜，经过离轴抛物面镜之后平行出射至光阑，经过光阑之后进入气体吸收池，在气体吸收池内经过多次反射之后出射至准直透镜，经过准直透镜的耦合作用后进入光谱仪。
[0070]
作为优选方案，所述光阑为可调光阑。
[0071]
作为优选方案，所述可调光阑由电机驱动。
[0072]
作为优选方案，所述紫外发散光源发射的光经过光纤进入离轴抛物面镜。
[0073]
作为优选方案，所述气体吸收池为怀特池。
[0074]
作为优选方案，经过光阑之后的光进入怀特池的第一平面反射镜，由第一平面反射镜反射至怀特池小球面反射镜，经过怀特池小球面反射镜的汇聚后反射至怀特池大球面反射镜，经过怀特池大球面反射镜的反射后进入另一怀特池小球面反射镜，经过另一怀特池小球面反射镜的汇聚后反射至怀特池大球面反射镜；
[0075]
根据怀特池的共轭系统作用下，在怀特池大球面反射镜形成上下两排的光斑数后，经过怀特池的第二平面反射镜反射后出射至准直透镜；
[0076]
其中，所有反射镜的反射镜面设有紫外增强铝膜。
[0077]
作为优选方案，经过准直透镜的耦合作用后通过光纤进入光谱仪。
[0078]
作为优选方案，所述气体吸收池为herriot池或长光程气体室。
[0079]
作为优选方案，光路系统，还包括激光光源，与紫外发散光源联用。
[0080]
作为优选方案，所述紫外发散光源为氙灯或氘灯光源。
[0081]
本发明与现有技术相比，有益效果是：
[0082]
本发明的基于气体吸收池的光路系统，在使用紫外发散光源的前提下，利用离轴抛物面镜的准直特性，在其母焦距和反射焦距处发出的发散光，能够无色差地聚焦准直光束或准直发散光源成为平行光，且离轴设计能够在空间上将焦点从光路中分离出来，有效解决光斑发散，且可做长光程；另外，反射式设计消除了现有透射光学元件会引入的相位延迟和吸收损耗。
附图说明
[0083]
图1是现有技术的怀特池光路仿真示意图；
[0084]
图2是现有技术的不同光斑条件下镜面的数量情况示意图；
[0085]
图3是现有技术的光斑重叠的情况示意图；
[0086]
图4是现有技术的薄透镜的光学特性示意图；
[0087]
图5是现有技术的光纤传播后的光斑情况示意图；
[0088]
图6是现有技术的出射光线与入射光线的夹角情况示意图；
[0089]
图7是本发明实施例1的基于气体吸收池的光路系统的结构示意图；
[0090]
图8是本发明实施例1的基于气体吸收池的光路系统的光路示意图；
[0091]
图9是本发明实施例1的离轴抛物面镜的抛物特性关系示意图；
[0092]
图10是本发明实施例1的离轴抛物面镜的光路示意图；
[0093]
图11是本发明实施例1的怀特池的原理图；
[0094]
图12是本发明实施例4的herriot池的原理图。
具体实施方式
[0095]
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0096]
实施例1：
[0097]
如图7和8所示，本实施例的基于气体吸收池的光路系统，包括紫外发散光源、离轴
抛物面镜、光阑和光谱仪。其中，本实施例的气体吸收池为怀特池。具体地，紫外发散光源1(氙灯或氘灯光源等)经过光纤2后进入离轴抛物面镜3后平行出射至由电机4控制的可调光阑5，进而进入至怀特池平面反射镜6，由反射镜6反射至怀特池小球面反射镜7，然后在经过小球面反射镜7的汇聚作用后传播至怀特池大球面反射镜8的反射光后，进入至怀特池小球面反射镜9，然后又经过怀特池小球面反射镜9汇聚后入射至怀特池大球面反射镜8，然后根据怀特的共轭系统作用下(光路部分如左下图所示)，在怀特池大球面反射镜8形成理论的上下两排的光斑数后，经由平面反射镜10反射后，由准直透镜11耦合作用后进入光纤12进入至光谱仪13中。
[0098]
本实施例利用离轴抛物面镜的准直特性关系，其中，如图9所示，抛物特性为：
[0099]
在抛物线y2＝2px中，焦点f是(p/2，0)，准线a1b1的方程是x＝-p/2，离心率e＝1，范围：x》0；
[0100]
如图10所示，离轴抛物面反射镜的第一表面反射镜，其反射表面是从母抛物面上截的一部分。在母焦距(parent focal length)和反射焦距(reflected focal length)处发出的发散光，它们能够无色差地聚焦准直光束或准直发散光源成为平行光，其离轴设计能够在空间上将焦点从光路中分离出来。反射式设计消除了透射光学元件会引入的相位延迟和吸收损耗。聚焦光束和准直光束的夹角(离轴角)为90
°
。
[0101]
本实施例利用电机控制可调光阑的位移特性关系为：
[0102]
通过电机推进距离d从0-5mm调节，可以控制光阑从最大直径d从10mm缩减到4mm；
[0103]
其调节关系为
[0104]
d＝10*(1-k*sin(f*x))；
[0105]
其中，f为电机特性参数，x为推进距离，k为光阑系数；
[0106]
由于理论加工和实际加工存在一定的偏差，实测通过电机控制光阑后抛物面镜成像，可以控制光斑出射角度0-12.7度，实验发现：
[0107]
控制光阑10mm，出射1m后光斑基本维持10mm；
[0108]
控制光阑8mm，出射1m后光斑基本维持8mm；
[0109]
控制光阑6mm，出射1m后光斑基本维持6mm。
[0110]
本实施例采用的怀特池光路特性为：
[0111]
如图11所示，怀特池中，假设怀特池大镜，怀特池两小镜位置固定，a、b值固定，相应的镜片曲率中心固定；
[0112]
入射角度决定了在镜面中的次数：
[0113]
x＝n*(a b)；
[0114]
保持入射中心不变，增大入射光线的角度，出射次数n会增加；
[0115]
设入射光到b镜中心距离为x，a、a’镜的曲率中心到b镜中心的距离分别为a、b；反射次数为n，可推得：
[0116]
x＝n(a b)
[0117]
其中，n＝折返次数/4。
[0118]
因此，决定反射次数的是入射光与主光轴的距离和小镜的曲率中心与主光轴的距离。
[0119]
本实施例采用怀特池，利用其共轭系统，光斑在离轴抛物面镜光路的尺寸范围内
变化，可以达到n次反射的效果，达到很低的检出限。
[0120]
另外，本实施例的怀特池的所有反射镜的反射镜面设有紫外增强铝膜，可以在250～450nm波长范围内提供》90％的平均反射率。如在其他光谱波段可采用高反的介质膜。
[0121]
实施例2：
[0122]
本实施例的基于气体吸收池的光路系统与实施例1的不同之处在于：
[0123]
紫外发散光源直接连接离轴抛物面镜，替换光纤连接光源方式，能够有效提高光通量，可提高怀特池的长度实现更长光程；
[0124]
其他结构可以参考实施例1。
[0125]
实施例3：
[0126]
本实施例的基于气体吸收池的光路系统与实施例1的不同之处在于：
[0127]
还可以配套使用准直性好的激光光源，与紫外发散光源联用，进行多种物质检测、多技术使用，如tdlas、uv-doas、ndir，实现高光程；
[0128]
另外，还可与恶臭光谱检测技术联用；
[0129]
可应用于走航车；
[0130]
其他结构可以参考实施例1。
[0131]
实施例4：
[0132]
本实施例的基于气体吸收池的光路系统与实施例1的不同之处在于：
[0133]
气体吸收池为herriot池，如图12所示，光斑尺寸决定在圆环中分布的数量；
[0134]
其他结构可以参考实施例1。
[0135]
实施例5：
[0136]
本实施例的基于气体吸收池的光路系统与实施例1的不同之处在于：
[0137]
气体吸收池为长光程气体室，实验已验证采用高灵敏的光谱仪检测能量去分析低检出限的气体分子浓度；
[0138]
其他结构可以参考实施例1。
[0139]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。