一种红外双光路多次反射吸收光谱装置及装调方法

1.本发明涉及可调谐二极管激光多次反射吸收光谱领域，具体是一种红外双光路多次反射吸收光谱装置及装调方法。


背景技术：

2.可调谐二极管激光吸收光谱技术(tdlas)是一种光学式气体检测技术，具有非接触、快响应、高气体选择性、高灵敏等诸多优点。在测量低含量的气体时，其用于气体浓度反演的吸光度小，获得的信号信噪比低，反演得到的气体浓度误差大。为了解决这一问题，可以增加光与气体的相互作用距离，提高气体吸光度，提高信号信噪比，使得tdlas对低浓度气体的探测具备高精度的特点。其中一种提高有效光程的最简单方式就是使用多次反射吸收池。多次反射吸收池使用两个高反射率腔镜，使得激光在两个反射镜之间来回多次反射，成倍的增加吸收光程。然而现有的多次反射吸收池为单光程吸收池，难以满足在浓度范围变化大的环境中的使用条件，如在深空探测这种未知环境的检测。另一个问题是大多数气体分子的吸收波长位于红外波段，而红外波段人眼不可见，使得红外光学系统的装调较为困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种红外双光路多次反射吸收光谱装置及装调方法，以解决上述背景技术中提出的反射吸收光谱装置测量范围窄、装调困难这两大问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明一方面公开了一种红外双光路多次反射吸收光谱装置，包括：
6.吸收池，用于实现双光路多次反射；
7.光源，位于所述吸收池的入射侧；
8.红外光电探测器，位于所述吸收池的出射侧；
9.内窥镜，用于窥视光源在吸收池内的反射光斑分布位置；
10.第一转接块，连接于所述光源和吸收池之间，所述第一转接块中部开设有供入射光源通过的第一通孔；
11.第二转接块，连接于红外光电探测器和吸收池之间，所述第二转接块中部开设有供出射光源通过的第二通孔。
12.作为本发明进一步的方案：所述吸收池具有两组同轴且相对设置的反射镜，每组反射镜的曲率半径不同，每组反射镜的直径不同；
13.每一组反射镜的入射端和出射端各开有一个通光孔，两组反射镜的通光孔位置距离轴心位置不同，用以实现激光在吸收池两个不同的光程。
14.作为本发明进一步的方案：所述光源包括可见光源和红外光源。
15.作为本发明进一步的方案：所述红外光源包括光源套筒、同轴设于光源套筒内部的激光二极管和非球面准直透镜。
16.作为本发明进一步的方案：所述第一转接块和第二转接块均为楔形结构。
17.作为本发明进一步的方案：所述红外光电探测器包括探测器套筒、同轴设于探测器套筒内部的聚焦透镜和光敏面。
18.作为本发明进一步的方案：还包括用于检测吸收池的出射光束方向和大小的光束质量分析仪。
19.本发明另一方面公开了如上述任一项所述的一种红外双光路多次反射吸收光谱装置的装调方法，包括以下步骤：
20.s1、根据吸收池中的两组反射镜的间距及其曲率半径，通过zemax模拟两路并光源从吸收池的入射侧射向出射侧分别获得落在相对反射镜表面的光斑分布图；
21.s2、根据激光二极管的发散角大小，以及非球面准直透镜的直径、有效焦距、数值孔径大小，通过zemax确定非球面准直透镜的非球面参数；
22.s3、根据红外光电探测器的光敏面直径大小、聚焦透镜直径、有效焦距、数值孔径大小，通过zemax确定聚焦透镜的非球面参数；
23.s4、将吸收池放置于光学平台，调整可见光源的相对位置，同时利用内窥镜观察所述反射镜上的光斑分布，使该光斑分布与步骤s1中对应的光斑分布图相一致；
24.s5、撤掉可见光源，在原位置放置红外光源，并通过第一转接块将红外光源与吸收池连接固定；
25.s6、通过吸收池出射侧的光束质量分析仪观察透射光束光斑成像，得到其出射方向和束腰位置；
26.s7、根据所述的出射方向和束腰位置，确定第二转接块的楔角与厚度，并撤掉光束质量分析仪，在原位置上放置红外光电探测器，通过第二转接块将红外光电探测器与吸收池连接固定。
27.作为本发明进一步的方案：步骤s2和s3中所述的非球面参数为曲面的弯曲基圆半径、圆锥常数以及曲面相对圆锥偏离系数。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.本装置能够在线快速测量气体的浓度，包括低浓度和高浓度两个量程，装调方法可以简单有效地实现红外光学系统的精密装调。解决了红外波段人眼不可见，红外光系统装调较难的问题，装调方法经济、简单、有效。
附图说明
30.图1为本发明系统原理图；
31.图2为本发明中第一转接块结构示意图；
32.图3为本发明中的双光路光线追迹得到镜面模拟光斑分布；
33.图4为本发明中的在位移量为0(a)、100mm(b)、200mm(c)处得到的透射光束光斑；
34.图5为本发明中的红外双光路多次反射吸收光谱；
35.图6为本发明中红外光源结构示意图；
36.图7为本发明中红外光电探测器的结构示意图；
37.图中：1-吸收池、11-反射镜、2-光源、21-可见光源、22-红外光源、221-光源套筒、222-激光二极管、223-非球面准直透镜、3-红外光电探测器、31-探测器套筒、32-聚焦透镜、
33-光敏面、4-内窥镜、5-第一转接块、6-第二转接块、7-光束质量分析仪。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是通讯连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.请参阅图1-7，本发明实施例中，一种红外双光路多次反射吸收光谱装置，包括吸收池1、光源2、红外光电探测器3、内窥镜4、第一转接块5、第二转接块6以及光束质量分析仪7。其中，光源2包括可见光源21和红外光源22两种，可见光源21用于确定红外光源22的空间位置，确保红外光源22与吸收池1的有效连接。第一转接块5呈楔形，中间开设一贯穿的第一通孔，供入射光源射入吸收池1内。吸收池1与红外光源22通过第一转接块5实现固定连接。第二转接块6也呈楔形，中间开设有贯穿的第二通孔，供出射光源射出。光束质量分析仪7用于检测吸收池1的出射光束方向和大小，尔后，红外光电探测器3通过第二转接块6实现其与吸收池1的出射侧的固定连接。
42.进一步的，吸收池1包括位置相对的前后两组反射镜11，每组反射镜数量为两个，不同组反射镜11的曲率半径设置为不同。内窥镜4可窥视吸收池1内部可见光在反射镜11上的光斑分布。
43.需要特别指出的是，如图6所示，可见光源21与红外光源22具有相同的机械结构，二者区别仅为激光波长不一样，可见光源21可预先为红外光源22定位，当红外光源22代替可见光源21后，能保证相同的激光入射方向。
44.如图7所示，红外光源22包括光源套筒221、同轴套设在光源套筒221内的激光二极管222和非球面准直透镜223。红外光电探测器3包括探测套筒31、同轴套设在探测套筒31内的聚焦透镜32和光敏面33(又称有效面)。
45.上述的红外双光路多次反射吸收光谱装置的装调方法具体如下：
46.按照表1中的参数设计双光路多次反射吸收池，得到双光路光线追迹得到镜面模拟光斑分布如图3所示。
47.表1双光路光学参数
48.参数光学基长光圈分布直径曲率半径反射点数光程
光路1170mm40mm1600mm279m光路2170mm23mm1970mm155m
49.按照上述的设计输入要求，设计双光路多次反射吸收池光学系统。光路1在前反射镜直径40mm的x轴上开设直径4.6mm的入射孔，在后反射镜直径40mm且在xy面与入射孔夹角26.7
°
处开设出射孔；光路2在前反射镜直径23mm的x轴上远离光路1入射孔方向上开设直径4.6mm的入射孔，在后反射镜直径23mm且在xy面与入射孔夹角24
°
处开设出射孔。两束直径3mm准直光束从入射孔入射池，双光路光线追迹得到镜面模拟光斑分布如图3所示。
50.采用德国nanoplus公司生产的2731nm激光二极管作为光源，进行激光准直透镜223设计。nanoplus公司的2731nm激光器，其光束发散角是40
°
。准直透镜223使用消除了球差的非球面透镜。根据直径5mm、有效焦距4.12mm、数值孔径na＝0.56等参数进行非球面透镜优化设计，激光器准直透镜223非球面参数如表2所示。
51.表1激光器准直透镜非球面参数
[0052][0053]
红外光电探测器3采用了荷兰vigo公式生产的红外光电探测器，其有效面直径为1mm。聚焦透镜32的直径8mm，有效焦距5.95mm，数值孔径na0.56，通过zemax设计得到的透镜非球面参数如表3所示。
[0054]
表3探测器聚焦透镜非球面参数
[0055][0056]
加工吸收池1腔体。吸收池1腔体采用石英空心套筒，两端面平行，两面角度优于10”。使用真空胶将两组反射镜11按需要的角度粘到石英空心套筒上。粘好的吸收池腔体放置于光学平台。
[0057]
使用高精度六维调整架，调整可见光源21与吸收池1的相对位置，在此过程中，内窥镜4通过吸收池1侧边小孔伸入吸收池内成像，观察可见光在反射镜11表面的光斑分布。
[0058]
调整可见光源21的位置，使光斑分布与图3中的设计结果一致。此时利用三坐标测量仪测量可见光源21与吸收池1之间的相对空间位置。按此相对空间位置，加工第一转接块5。
[0059]
将红外光源22通过上述第一转接块5与吸收池1连接固定。在吸收池1出射端用光束质量分析仪7可观察到透射光束的光斑成像，如图4所示，得到其出射方向和束腰位置。根
据该出射光束的出射方向和束腰位置，设计第二转接块6的楔角与厚度，将红外光电探测器3通过上述第二转接块6与吸收池1连接。
[0060]
光谱测量
[0061]
在吸收池1内部通入含有水汽的空气，利用真空泵使其内部压力保持在2kpa。红外光电探测器3的输出信号如图5所示，其中黑色虚线为光路1(长光程)的信号，黑色实线为光路2(短光程)的信号。
[0062]
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0063]
故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。