多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多光程气体吸收腔和相应的测量系统：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且自下而上累叠，第一环形球面镜的曲率中心Pc1位于两镜接合面之外，第二环形球面镜的曲率中心Pc2位于两镜接合面之上；光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np‑N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排、各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形。在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下极大增大了光程。

【技术实现步骤摘要】
多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统
本专利技术涉及气体吸收光谱定量分析
，特别涉及一种多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统。
技术介绍
气体吸收光谱测量法是监控大气中浓度水平在百万分之一(partspermillion，以下简称ppm)体积分数到万亿分之一(partspertrillion,以下简称ppt)体积分数的痕量气体浓度的重要方法，其原理一般基于Beer-Lambert定律，即当一束平行光通过某一均匀非散射吸光物质时(如待测痕量气体)，其吸光度A(λ)与待测吸光物质的浓度C及探测光在吸光物质中通过的光程l成正比：A(λ)＝ln[I0(λ)/I(λ)]＝ln[1/T(λ)]＝σ(λ)Cl(1)式(1)中的I0(λ)和I(λ)分别为某特定波长λ上的入射吸收样品前的光强和通过样品后的透射光强，T(λ)为待测样品的透射比，即透射光强度与入射光强度之比，σ(λ)称为吸收样品在特定波长λ上的吸收截面。大气中各种痕量气体的吸收截面数据可以通过查询HITRAN等标准气体数据库得到，在吸收光程l已知的情况下，通过测量光强通过样品前后的变化得到吸收度A(λ)，就可以根据式(1)反演出待测气体的浓度。可以看出，在探测器能够测得的最小吸光度一定，吸收截面σ(λ)已知的情况下，能够反演出的最小浓度与吸收光程成反比，即气体吸收腔内的吸收光程l越长，仪器能够测得的气体最小浓度就越低，检出限越低，仪器探测灵敏度越高，因此增大吸收光程l是提升气体吸收光谱测量仪器性能的常用方法。环形腔也是Chernin首先提出的多光程腔型，它仅由一个圆环形镜子组成，其内表面一般为球面，抛物面等具有聚焦光束能力的面型，光束从镜面侧壁上的入射孔以一定的入射角入射后，被另一端的镜面面反射聚焦，然后又发散开来，随后再次被镜面反射聚焦，经过一定次数(该次数仅与入射角相关)的反射后从出射孔出射，在腔内形成正多角星形的光束分布。当出射孔的设置方式与入射孔重合时，此时入射光与出射光之间的夹角为入射角的2倍，这种情况下可以完全实现P-1(P为正多角星形的角数)次反射，且可以任意改变入射角度实现不同的反射次数，但当反射次数较大时，入射角相对较小，此时出射光束和入射光束在空间上高度重合，容易引起前置光学系统和后置光学系统之间的元件干涉。而且，现有技术中，为了增加光程，则减小入射角，此时正多角星形的角数会增多，则光斑间隔就会变小，因此干涉噪声就会增大。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的专利技术目的是：在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下增大光程。为达到上述目的，本专利技术的技术方案具体实现如下：本专利技术提供了一种多光程气体吸收腔，包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且自下而上累叠，第一环形球面镜的曲率中心Pc1位于两镜接合面之外，第二环形球面镜的曲率中心Pc2位于两镜接合面之上；建立直角坐标系，以第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1和第二环形球面镜M2的曲率中心Pc2的连线与光束的入射平面垂直相交的交点为原点，以Pc1Pc2的连线为y轴，以光束的入射平面为xoz平面，且光束的入射方向z轴平行；光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排，各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形。本专利技术还提供了一种基于上述多光程气体吸收腔的痕量气体测量系统，该系统包括：前置光学子系统、多光程气体吸收腔和后置光学子系统；前置光学子系统包括：激光光源和第一离轴抛物面镜；后置光学子系统包括：第二离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜和探测器；激光光源，用于将发出的准直激光出射到第一离轴抛物面镜上；第一离轴抛物面镜，用于将准直激光进行聚焦后水平入射到多光程气体吸收腔中；多光程气体吸收腔，用于将聚焦后的光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排，各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形；第二离轴抛物面镜和第三离轴抛物面镜，用于将出射光束进行聚焦后发送到探测器上；探测器，用于通过调谐激光光源的输出波长，记录不同波长的光强，得到腔内气体的吸收光谱。由上述的技术方案可见，本专利技术的多光程气体吸收腔包括两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，上下堆叠而成，探测光束在镜面上形成的光斑均匀分布在N个平面上，形成N个正p角星形图样，此时光束在腔内的通过次数从传统环形腔的p增加到最多Np-N+1次，即在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下将光程增大了约N(N>2)倍，避免干涉噪声增大的同时提升了镜面利用效率，有利于仪器的小型化、便携化；同时入射孔和出射孔分别在上下两个环形球面镜上，既有利于前置光学子系统和后置光学子系统在空间上分开，以避免元件之间的干涉。附图说明图1为本专利技术多光程气体吸收腔的结构示意图。图2为示意有参数A和a的多光程气体吸收腔的结构示意图。图3为示意有各参数的多光程气体吸收腔的俯视示意图。图4a为现有技术环形多光程腔内光束传播在腔内壁上形成光斑的顺序。图4b为本专利技术N＝3时多光程气体吸收腔内光束传播在腔内壁上形成光斑的顺序。图4c为本专利技术N＝4时多光程气体吸收腔内光束传播在腔内壁上形成光斑的顺序。图5a为基于新型多光程气体吸收腔的痕量气体测量系统结构示意图。图5b为N为奇数时光束在y方向的上下两个平面来回渡越的过程示意图。图5c为N为偶数时光束在y方向的上下两个平面来回渡越的过程示意图。图6a为N为奇数时本专利技术实施例建模仿真结果示意图。图6b为N为偶数时本专利技术实施例建模仿真结果示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术进一步详细说明。实施例一图1为本专利技术多光程气体吸收腔的结构示意图。该多光程气体吸收腔包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜M1和第二环形球面镜M2，第一环形球面镜M1和第二环形球面镜M2的曲率半径相同，且自下而上累叠，第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1位于两镜接合面之外，第二环形球面镜M1的曲率中心Pc2位于两镜接合面之上。建立直角坐标系，以第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1和第二环形球面镜M2的曲率中心Pc2的连线与光束的入射平面(入射光所在的水平面)垂直相交的交点为原点，以Pc1Pc2的连线为y轴，以光束的入射平面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；将波长范围覆盖待测痕量气体吸收峰的激光光源的出射光聚焦后通过第一环形球面镜M1上的入射孔水平入射至充满待测痕量气体的密闭多光程气体吸收腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排，各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多光程气体吸收腔，其特征在于，包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且自下而上累叠，所述第一环形球面镜的曲率中心Pc1位于两镜接合面之外，所述第二环形球面镜的曲率中心Pc2位于两镜接合面之上；建立直角坐标系，以所述第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1和第二环形球面镜M2的曲率中心Pc2的连线与光束的入射平面垂直相交的交点为原点，以Pc1Pc2的连线为y轴，以所述光束的入射平面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np‑N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排、各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形。

【技术特征摘要】
1.一种多光程气体吸收腔，其特征在于，包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且自下而上累叠，所述第一环形球面镜的曲率中心Pc1位于两镜接合面之外，所述第二环形球面镜的曲率中心Pc2位于两镜接合面之上；建立直角坐标系，以所述第一环形球面镜M1的曲率中心Pc1和第二环形球面镜M2的曲率中心Pc2的连线与光束的入射平面垂直相交的交点为原点，以Pc1Pc2的连线为y轴，以所述光束的入射平面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；光束通过第一环形球面镜上的入射孔水平入射至腔内，从第二环形球面镜上的出射孔出射，在腔内y方向上的上下两个平面至多来回渡越Np-N+1次，N>2，形成至多在y方向上分开的N排、各自p等分所在环形球面镜圆周的反射光斑，其轨迹为在y方向上不同的N个平面上分别分布的N个p角星形。2.如权利要求1所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，所述气体吸收腔由参数组来表征，R为球面曲率半径；p,q为互质的正整数，用以确定光束在腔内来回反射所形成的N个正多角星形轨迹的形状，其中p为正多角星的角数，q为正多角星的边幅；D为气体吸收腔底面直径；H1为所述第一环形球面镜高度；H2为所述第二环形球面镜高度；c为曲率中心Pc1与光束的入射平面在y方向的垂直距离，c'为光束的入射平面与两镜接合面的垂直距离；c”为光束的入射平面与出射平面的垂直距离，a为入射/出射孔在内表面上的直径；A为入射/出射孔在外表面上的直径；为两个孔中心相对于Pc1Pc2连线在接合面上的投影所形成的夹角；其中，p＝2Nk+2或p＝2Nk+N-2(k＝1,2,3…)，且q互质，a0为光束入射到多光程气体吸收腔入射孔的光斑直径。3.如权利要求2所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，根据未修正的入射角确定修正后的入射角θ，根据Lmax≈2(Np-N+1)Rcosθ，确定最大光程Lmax。4.如权利要求3所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，当所需的光程为Ldes时，R,p需满足2(Np-N+1)Rcosθ0≥Ldes；A≥a+2(D-2R)sinθ。5.如权利要求3所述的多光程气体吸收腔，其特征在于，根据确定c'；根据确定c”。6.如权利要求4所述的多光程气体吸收腔，其特征在于n＝0,1,2…(p/2-1)。7.一种基于权利要求1所述多光程气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨铮，孙利群，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11