利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，屬于光學領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 光束穿過大氣時，大氣中的氣溶膠粒子吸收光輻射能量，引起光束傳輸路徑上空 氣熱狀態(tài)如溫度、氣壓和密度等發(fā)生變化。如果入射光束受到周期性調(diào)制，空氣的局部熱狀 態(tài)就產(chǎn)生周期性的變化，測量單位時間內(nèi)這種變化隨調(diào)制入射光的線性波動范圍，能夠?qū)?時獲得待測氣溶膠的吸收系數(shù)。光熱干涉方法就是建立在入射激光輻射能量熱轉(zhuǎn)換導致樣 品氣體折射率改變的基礎(chǔ)上實現(xiàn)探測的，不同于一般吸收光譜的是，提高入射光功率能夠 提高光熱干涉方法的探測靈敏度。由于光熱干涉方法測量的是光吸收的熱擴散結(jié)果，該結(jié) 果對氣體成分的散射和反射不敏感，因此光熱干涉方法在散射和反射共存的介質(zhì)中的吸收 測量較消光扣除散射獲得吸收特性的差分法更為準確。
[0003] 空氣溫度狀態(tài)的改變引起光束路徑的折射率或者說光程產(chǎn)生微小變化，該變化 量可以通過相位檢測的方法得到。光熱干涉法通過調(diào)制激勵激光加熱探測激光光路上的 氣溶膠粒子實現(xiàn)相位改變?？v觀光熱干涉法的進展，激勵激光對探測激光的作用方式分為 同軸式結(jié)構(gòu)和掠射式結(jié)構(gòu)兩類。同軸式結(jié)構(gòu)通常將波長差別較大而不能形成干涉的激勵 激光和探測激光放置在同一光路上，在該光路的適當距離處固定一平面反射鏡，該反射鏡 所選擇材料反射激勵激光而透過干涉光束，從而實現(xiàn)二者分離。CampilloAJ(1982)等 采用同軸式結(jié)構(gòu)，利用Fabry-Perot干涉儀結(jié)構(gòu)進行了痕量氣體的探測，激勵激光與干涉 光通過同一分光鏡以同軸方式進入Fabry-Perot腔中，在出射端米用濾光片將二者分離， 該方法獲得的吸收系數(shù)能夠達到1〇_5!^量級。LinHB(1985)等采用同軸式結(jié)構(gòu)，將利用 Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)的痕量氣體探測技術(shù)引入氣溶膠吸收系數(shù)探測領(lǐng)域，成功實現(xiàn)了 對硫酸銨氣溶膠吸收的原位測量，該結(jié)構(gòu)通過在樣品池兩側(cè)分別以一定角度放置一個半 反半透鏡，從而實現(xiàn)激勵激光與探測激光的同軸耦合與分離，實驗獲得的吸收系數(shù)探測靈 敏度達到了lOlT1量級。同軸式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是空間利用率高，但激勵激光對平面反射鏡的 熱效應所導致的局部形變，對本就非常微弱的吸收系數(shù)（1(T6~IO^iT1)的測量帶來不利影 響。掠射式結(jié)構(gòu)是將激勵激光對探測激光以較小夾角產(chǎn)生作用，夾角大小依據(jù)實際設(shè)計而 定，越小越有利于加大有效作用距離，OwensMA(1999)等采用掠射式結(jié)構(gòu)，成功通過Jamin 干涉儀對氨氣進行了探測。Jamin干涉儀由兩個平行Jamin板構(gòu)成，其間以一定角度放置兩 個表層鍍金金屬板，激勵光束經(jīng)過兩金屬板反射進出干涉儀，金屬板帶有小孔，可讓探測光 束通過，從而實現(xiàn)激勵激光與探測激光的小角度重合，根據(jù)吸收特性對氨的測量精度達到 10 1~102ppt。SedlacekAJ(2005)等采用掠射式結(jié)構(gòu)，通過對折返Jamin干涉儀結(jié)構(gòu)進 行了改造，創(chuàng)造性的將角反射器分為前后兩部分，并通過壓電陶瓷來連接，成功的解決了干 涉儀振動敏感性問題，其通過在角反射器與Jamin板間放置兩個小的直角棱鏡，使激勵激 光與探測光束成1~2°角，當樣品長度為5cm時，獲得的最低探測靈敏度達到4XlCTm1。 掠射式結(jié)構(gòu)避免了反射鏡因激勵激光導致的熱形變，但有效作用距離往往由于激勵激光和 探測激光夾角的存在而受到限制，而夾角繼續(xù)減小的空間已經(jīng)很小。
[0004] 根據(jù)光熱干涉基本原理，在系統(tǒng)其它參數(shù)一定的條件下，光熱干涉法探測氣溶膠 吸收系數(shù)的靈敏度與有效作用距離成反比，即有效作用距離越長，該方法的探測靈敏度越 高。無論是同軸式結(jié)構(gòu)還是掠射式結(jié)構(gòu)，截至目前激勵激光對探測激光作用均為一次最多 兩次，有效作用距離受到嚴重制約，阻礙了光熱干涉方法靈敏度的提高。換一個角度說，在 激勵激光對探測激光的夾角已經(jīng)接近極限的前提下，延長有效作用距離就意味著增大探測 激光的長度。
[0005] 目前已有結(jié)構(gòu)是將探測激光的光程和有效作用距離等同起來，實際上它們是兩個 概念。發(fā)明人認為：如果激勵激光能夠在探測激光光路上多次反射，即使探測激光的光程較 短，實現(xiàn)較長的有效作用距離是完全可能的。作為成熟技術(shù)，光學長程池的入射光在其中來 回反射，能夠顯著增大有效光程。對于光熱干涉方法來說，激勵光源是激光，發(fā)散角較小， 無需使用孔徑角較大、結(jié)構(gòu)復雜的長程池，赫里奧特池足以滿足要求。本發(fā)明將赫里奧特池 引入光熱干涉，提出了利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 本發(fā)明的目的是針對光熱干涉法在測量氣溶膠吸收系數(shù)時有效作用距離小的缺 陷，提供一種利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，通過多次反射延長激勵激 光對探測激光作用距離；本發(fā)明所闡述的光熱干涉法含有三個干涉探測通道，通過上下兩 通道獲得環(huán)境因素對相位基線的影響，利用中間通道與上下兩通道的差分方法獲得氣溶膠 吸收引起的相位變化量，在線測量待測氣溶膠的吸收系數(shù)，擺脫了環(huán)境因素和相位改變量 角度區(qū)間的限制，具有設(shè)計原理簡單、檢測靈敏度高等特點。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0008] 利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，其特征在于：包括有調(diào)制的光 纖載波激光、激勵激光，光纖載波激光的傳輸路徑上設(shè)有光分束器，光纖載波激光的入射光 經(jīng)光分束器分成三束光，三束光的傳輸路徑上分別依次設(shè)置光隔離器、光環(huán)形器、光準直 器，所述的三個光準直器位于氣溶膠檢測池的左端，氣溶膠檢測池的右端等距離處相應設(shè) 有三個平面高反鏡，氣溶膠樣品池中設(shè)有赫里奧特池，赫里奧特池的右端設(shè)有激勵激光入 射孔，激勵激光從氣溶膠檢測池右端外部射入。
[0009] 所述的利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，其特征在于：所述的氣 溶膠檢測池采用赫里奧特池，赫里奧特池由兩片高反凹面鏡組成，兩高反凹面鏡中心掏空， 以分別放置同軸的光纖準直器和圓形平面反射鏡，兩高反凹面鏡在滿足試驗條件的前提下 盡量小，赫里奧特池的激勵激光入射孔開在圓形平面反射鏡一端的高反凹面鏡上。
[0010] 所述的利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，其特征在于：所述的激 勵激光由入射口進入赫里奧特池前先后經(jīng)過了分束器和光環(huán)形器，激勵激光在赫里奧特池 內(nèi)多次反射后由入射口射出，激勵激光在多次反射過程中始終對干涉光路產(chǎn)生作用，實現(xiàn) 了激勵激光對干涉光路有效作用距離的數(shù)量級延長；所述的激勵激光在多次反射過程中， 其光束截面始終維持圓形。
[0011] 所述的利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，其特征在于：所述的赫 里奧特池含在氣溶膠檢測池內(nèi)，三個干涉光路檢測的是同一氣溶膠樣品。
[0012] 所述的利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，其特征在于：所述的激 勵激光包含了入射激光和出射激光，其入射激光來源于光纖激光器的光束一，光束一經(jīng)分 光片分為光束二和激勵激光，光束二進入光功率計，實時測量入射激光的功率起伏，激勵激 光經(jīng)激勵激光的光環(huán)形器進入赫里奧特池，在赫里奧特池多次反射后，在激勵激光入射孔 處射出，出射激光經(jīng)光環(huán)形器和光隔離器后進入光功率計。
[0013] 所述的利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉裝置，其特征在于：所述的激 勵激光的截面為圓形，在赫里奧特池內(nèi)的多次反射及出射激光均為圓形。
[0014] 一種利用赫里奧特池測量氣溶膠吸收的光熱干涉方法，其特征在于：所述的光纖 載波激光的入射光經(jīng)光分束器分成三束光，三束光均在準直器端面產(chǎn)生反射和透射，反射 光沿各自光纖返回，透射光經(jīng)氣溶膠檢測池內(nèi)