一種測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量氣體濃度的光學(xué)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)地球開(kāi)發(fā)利用的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地球的可再生周期，因 而出現(xiàn)了許多環(huán)境問(wèn)題，其中最嚴(yán)重的是空氣質(zhì)量問(wèn)題。工業(yè)排放的廢氣、汽車排放的尾 氣、煤炭的燃燒無(wú)不對(duì)空氣造成嚴(yán)重的污染。所以我們需要對(duì)空氣進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，全面了 解空氣的質(zhì)量，以做出相應(yīng)的對(duì)策。
[0003] 測(cè)量空氣濃度的方法許多比如：色譜法、射線吸收法和光譜吸收法等。其中光譜吸 收法應(yīng)用普遍，技術(shù)較成熟。多次反射池是吸收光譜學(xué)學(xué)系統(tǒng)中非常重要的一部分，特別是 在痕量氣體檢測(cè)中，根據(jù)朗伯-比爾（Lambert-Beer)定律，增加光和樣品的作用距離，能增 大吸收信號(hào)的幅度，從而能有效地提高光譜探測(cè)靈敏度。
[0004] 最常用的光學(xué)長(zhǎng)程池有White型光學(xué)長(zhǎng)程池[1] John U. White. Long Opti cal Paths of Large Aperture. Journa I of the Optical Soc iety of America. 1942, 32 (5) : 285.和 Herriott 型光學(xué)長(zhǎng)程池[2]D. Herriott，H. Kogelinik，R. Kompfner. Off-Axi s Paths in Spherical Mirror Interferometers. AppL Opt. 1964, 3(4) :523~526^其中White型長(zhǎng)程池的特點(diǎn)是孔徑角較大，適用于普通光源 和激光光源，但所用反射鏡較多，至少三塊，不利于調(diào)節(jié)，機(jī)械穩(wěn)定性差。而Herriott型長(zhǎng) 程池的光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)凹面反射鏡組成，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路調(diào)節(jié)相對(duì)容易，但孔徑角 較小，適用于激光光源，所以目前吸收光譜學(xué)的研究多使用Herriott池。
[0005] Herriott池要求兩塊等焦距凹面鏡平行且同軸。但在實(shí)際應(yīng)用中難以使兩凹面鏡 的主光軸重合，并且微小的振動(dòng)都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大的影響。為此，多光程池向著易于調(diào)節(jié)、 較多的反射次數(shù)、小型化和機(jī)械穩(wěn)定性好方向發(fā)展。比如：2000年郝綠原用凹面反射鏡和 平面反射鏡組成，只需調(diào)節(jié)兩鏡相對(duì)平行即可，簡(jiǎn)化了光學(xué)儀器的調(diào)節(jié)。2010年夏滑將其中 一塊凹面鏡分割成上下兩半，實(shí)現(xiàn)了反射次數(shù)成倍的增加。最近B6la Tuzson研制出一個(gè) 體積只有40cm3的圓環(huán)型多光程池，通過(guò)調(diào)節(jié)入射角度，使圓筒中出現(xiàn)單圈循環(huán)反射，其等 效光程可達(dá)到4m。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS)技術(shù)，設(shè)計(jì) 出一種測(cè)量氣體濃度的螺旋型的多光程裝置，可以用于精確測(cè)量氣體的濃度。
[0007] 本發(fā)明提供的一種測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置，包括激光光源模塊、螺旋 型多光程池和輸出信號(hào)檢測(cè)模塊，其中，所述螺旋型多光程池包括凹面螺旋光學(xué)腔，入射窗 口和出射窗口，所述凹面螺旋光學(xué)腔由曲率半徑為r的曲線沿徑向半徑R做螺旋旋轉(zhuǎn)而成； 所述激光光源模塊射出的激光通過(guò)入射窗口入射到所述凹面螺旋光學(xué)腔，經(jīng)過(guò)螺旋式的來(lái) 回循環(huán)反射，由所述出射窗口出射，經(jīng)輸出信號(hào)檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)；
[0008] 其中，所述凹面螺旋光學(xué)腔滿足條件0 < R < r
[0009] 所述螺旋型多光程池還包括密封外蓋，所述密封外蓋位于所述凹面螺旋光學(xué)腔的 上下表面，所述密封外蓋上設(shè)有進(jìn)氣口和進(jìn)氣口，所述進(jìn)氣口用于注入待測(cè)氣體，所述進(jìn)氣 口用于對(duì)螺旋型多光程池進(jìn)行真空吸收。
[0010] 所述激光光源模塊包括激光溫度電流控制器，激光器，所述激光溫度電流控制器 用于控制激光器的溫度和電流，從而達(dá)到波長(zhǎng)的調(diào)諧。
[0011] 所述輸出信號(hào)檢測(cè)模塊包括光電探測(cè)器、鎖相放大器、和A/D轉(zhuǎn)換電路，所述光電 探測(cè)器用于探測(cè)從所述輸出窗口輸出的光束，并將探測(cè)得到光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，所述鎖 相放大器對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波以及解調(diào)成為模擬信號(hào)，所述A/D轉(zhuǎn)換電路用于將 解調(diào)出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
[0012] 此外，所述測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置還包括高頻調(diào)制電路和MCU (單片 微型計(jì)算機(jī)），所述高頻調(diào)制電路用于對(duì)所述激光器輸入高頻率正弦波信號(hào)，以及為所述鎖 相放大器輸入高頻率正弦波參考信號(hào)，所述鎖相放大器通過(guò)所述高頻率正弦波參考信號(hào)為 所述電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；所述MCU用于為激光溫度電流控制器輸出低頻三角波，以及對(duì)所述 A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集與處理。
[0013] 此外，所述螺旋型多光程池還包括入射窗口密封閥和出射窗口密封閥，所述入射 窗口密封閥包括入射窗底盤(pán)、第一平面鏡和入射窗頂盤(pán)，所述入射窗底盤(pán)有0-15°的傾斜 度，所述入射窗底盤(pán)密封安裝在所述入射窗口上，所述第一平面鏡通過(guò)所述入射窗頂盤(pán)密 封安裝在所述入射窗底盤(pán)上；
[0014] 所述出射窗口密封閥包括出射窗底盤(pán)、第二平面鏡和出射窗頂盤(pán)，所述出射窗底 盤(pán)有0-15°的傾斜度，所述出射窗底盤(pán)密封安裝在所述出射窗口上，所述第二平面鏡通過(guò) 所述出射窗頂盤(pán)密封安裝在所述出射窗底盤(pán)上。
[0015] 此外，所述螺旋型多光程池還包括第一密封內(nèi)蓋和第二密封內(nèi)蓋，所述第一密封 內(nèi)蓋用于密封所述進(jìn)氣口，所述第二密封內(nèi)蓋用于密封所述出氣口。
[0016] 此外，所述螺旋型多光程裝置還包括薄透鏡，所述薄透鏡位于所述入射窗口前，用 于將所述激光光源模塊射出的激光會(huì)聚到所述凹面螺旋光學(xué)腔的中心軸附近。
[0017] 本發(fā)明提供的測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置，運(yùn)用了螺旋型多光程池，通過(guò) 光束在該螺旋型光程池中的多次循環(huán)反射，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該裝置能夠在更小的體積下， 得到更長(zhǎng)的有效光程，從而能有效地提高光譜探測(cè)靈敏度，提高吸收氣體濃度測(cè)量的精確 度。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明提供的螺旋型多光程裝置中，光線進(jìn)入凹面螺旋光學(xué)腔后形成螺旋 式循環(huán)反射后射出的示意圖；
[0019] 圖2為凹面螺旋光學(xué)腔63的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置的示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例二提供的測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置的示意圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例三提供的測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置所使用的螺旋 型多光程池的裝配示意圖；
[0023] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例三提供的測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置所使用的螺旋 型多光程池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 首先介紹一下螺旋型多光程池 6,如圖1所示，該螺旋型多光程池 6包括一個(gè)凹面 螺旋光學(xué)腔63,凹面螺旋光學(xué)腔63外側(cè)有一個(gè)圓筒62,凹面螺旋光學(xué)腔63和圓筒62上同 一位置開(kāi)有入射窗口 61，凹面螺旋光學(xué)腔63及其內(nèi)光束反射的示意圖。當(dāng)光線進(jìn)入凹面螺 旋光學(xué)腔63后，會(huì)形成螺旋式循環(huán)反射，最后從出射窗口 64射出。
[0025] 如圖2所示為凹面螺旋光學(xué)腔63的結(jié)構(gòu)示意圖，凹面螺旋光學(xué)腔63由曲率半徑 為r的曲線沿徑向半徑R做螺旋式旋轉(zhuǎn)而成。凹面螺旋光學(xué)腔63由可以看做多個(gè)凹面環(huán) 631螺旋疊加而成，其中凹面環(huán)631是以徑向半徑R和以軸向半徑r(r即是曲率半徑）螺 旋旋轉(zhuǎn)而成，其螺距為d。凹面螺旋光學(xué)腔63的厚度忽略的情況下，R即是圓筒62的半徑。 若徑向半徑R和曲率半徑r相等，凹面環(huán)631是一個(gè)球面。
[0026] 要使入射光線在光學(xué)腔63中循環(huán)反射而不溢出。則要滿足以下兩個(gè)條件：
[0027] (1)根據(jù)光學(xué)腔原理，曲率半徑r與圓筒62半徑R應(yīng)符合激光穩(wěn)定腔的穩(wěn)定條件， 即
[0028] 0 彡 glg2彡 1
[0029] (1)
[0030] 在凹面螺旋型光學(xué)腔中： ，則有，當(dāng)0 < R < r時(shí)，可以滿足光學(xué)激 光穩(wěn)定腔的穩(wěn)定條件。
[0031] 若不滿足激光穩(wěn)定腔的條件，則會(huì)出現(xiàn)池內(nèi)光線反射幅度太大，不能充分利用光 學(xué)反射腔的反射面積。
[0032] (2)要使光斑被束縛在凹面環(huán)631面上，則在裝置螺旋型多光程池6的入射孔61 前，需放置一個(gè)特定焦點(diǎn)的薄透鏡5。入射光線65通過(guò)薄透鏡5,使得光束會(huì)聚在圓筒62 的中心（即凹面螺旋光學(xué)腔63的中心軸）附近，然后光束再?gòu)闹行母浇l(fā)散，射到光學(xué)腔 63反射表面上，光線被反射回來(lái)，光束再在中心附近會(huì)聚，如此循環(huán)，光線在光學(xué)腔63中形 成穩(wěn)定的來(lái)回反射，最后從出射孔射出。
[0033] 光線在光學(xué)腔63中形成的光線軌跡形如螺旋型如圖2所示。參考圖2,光線軌跡 由兩個(gè)規(guī)則的曲線合成：
[0034] X = Acosnt
[0035] (2)
[0036] Y = Asinnt
[0037] (3)
[0038] 其中，A等于凹面環(huán)631的徑向半徑R，也等于圓筒62的半徑，一等于兩個(gè)相鄰的 }% 凹面環(huán)631的間距d(即凹面螺旋腔的螺距），即ι凹面螺旋光學(xué)腔63中的光斑點(diǎn)落 在凹面環(huán)631中心線處，呈螺旋型軌跡。螺旋型光學(xué)吸收池的反射次數(shù)與與兩凹面環(huán)631 的間距d (即凹面螺旋腔的螺距）有關(guān)，螺距d越小，螺旋的跨幅越小，導(dǎo)致光線填補(bǔ)更多的 鏡面空間，使得較長(zhǎng)的有效光程能夠在小體積中循環(huán)反射，得到更多的反射次數(shù)。例如，在 一個(gè)徑向半徑R較小的螺旋型光學(xué)吸收池裝置中，圓筒半徑lcm，螺距d是1_，圓筒高度是 100cm。入射角度是1. 5°，穿過(guò)池內(nèi)1000次，在314cm3的體積中，得到大約20m的有效光 程。假如圓筒62的半徑不變，螺距d減小，能在更小的體積下，得到更長(zhǎng)的有效光程。
[0039] 為了深入了解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0040] 實(shí)施例一
[0041] 參見(jiàn)附圖3,本發(fā)明實(shí)施例一提供的測(cè)量氣體濃度的螺旋型多光程裝置，包括激光 光源模塊1、薄透鏡2,螺旋型多光程池6和輸出信號(hào)檢測(cè)模塊5。螺旋型多光程池包括凹面 螺旋光學(xué)腔63,入射窗口 61和出射窗口 64,薄透鏡2位于入射窗口 61前。
[0042] 激光光源模塊1發(fā)出的激光，通過(guò)薄透鏡2后由入射窗口 61進(jìn)入凹面螺旋光學(xué) 腔，并會(huì)聚在螺旋型凹面螺旋光學(xué)腔63的