一种四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔制造技术

本发明专利技术公开了一种四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔，所述四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔的两端分别相对设置有物镜和凸型场镜组，所述凸型场镜组包括球面顶点坐标垂直分布的第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，所述物镜包括四个球面反射镜区域，每个区域表面的曲率半径相同为基本光程R；在XY轴方向，曲率中心坐标之间具有相对共轭的位置关系。采用本发明专利技术能够对非相干宽带光源在一定小体积范围内，提供较长光学吸收长度，并保证输出光优良像质，有利于高灵敏度、低检出限的仪器探测需求，同时在光机系统上，减少了可调元件数量，提高装调效率，降低维护成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及紫外可见光谱定量分析
，特别涉及一种四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔。
技术介绍
多光程气体吸收腔是基于光学吸收原理气体定量分析仪器的重要部件。基于朗伯比尔吸收定律，在给定的光源强度和探测系统噪声等效光功率和量子效率时，增加气体的吸收光程，可使仪器对气体定量分析的检出限达到ppbv量级，提高探测灵敏度。这对大气环境监测具有十分重要的意义。常规使用Chernin型四物镜多光程折叠腔，四物镜组均采用传统的球面反射镜(球面顶点在圆形光阑正中心)，为实现所设计的吸收光程，必须将四个物镜分别进行俯仰和偏摆的角度调节到预设的共轭位置，实际调节起来非常困难，考虑到振动，要满足所有镜子同时达到所设计的空间绝对共轭位置值，实现难度大，稳定性无法长期满足，而且当失调的时候，无法判断是哪个镜子失调。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的专利技术目的是：在保证相同优良输出像质的同时，减少可调光学元件数量，提高装调效率。为达到上述目的，本专利技术的技术方案具体是这样实现的：本专利技术提供了一种四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔，所述Chernin型多光程气体吸收腔的两端分别相对设置有物镜和凸型场镜组，所述凸型场镜组包括球面顶点坐标垂直分布的第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，所述物镜包括四个球面反射镜区域，每个区域表面的曲率半径相同为基本光程R；在XY轴方向，曲率中心坐标之间具有相对共轭的位置关系。由上述的技术方案可见，采用本专利技术中物镜的面型设计：包括四个球面反射镜区域，每个区域表面的曲率半径相同为基本光程R；在XY轴方向，曲率中心坐标之间具有相对共轭的位置关系。从而只需要调节一个物镜的位置和倾斜实现光路的多次反射的目的，与现有技术相比，传统四物镜Chernin型多通气体吸收腔四个物镜需要分别进行俯仰和偏摆调节。由此可以看出，本专利技术Chernin型多光程气体吸收腔中的物镜设计，提高了装调效率和系统的稳定性，减少人工维护成本，有利于现场在线监测的环境使用。附图说明图1为基于Chernin型多光程气体吸收腔的测试系统组成框图。图2为Chernin型多光程气体吸收腔的两端分别相对设置有物镜和凸型场镜组的示意图。图3为本专利技术四胞胎物镜尺寸和区域划分示意图(正视反射面方向)。图4为本专利技术凸型场镜组尺寸示意图(正视反射面方向)。图5为本专利技术在凸型场镜组上形成m行×n列的矩阵型光斑分布示意图。图6a为第一子周期的反射示意图。图6b为第二子周期的反射示意图。图7为凸型场镜组上形成5行×7列，行间距15mm，列间距15mm光斑出现顺序示意图。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。图1为基于Chernin型多光程气体吸收腔的测试系统组成框图。包括耦合输入单元101，Chernin型多光程气体吸收腔102，耦合输出单元103，光谱探测单元104。耦合输入单元101包括集光器、多模光纤、准直器等，耦合输出单元103包括耦合透镜，光谱探测单元104包括光谱仪。Chernin型多光程气体吸收腔102的两端分别相对设置有物镜11和凸型场镜组12，如图2所示。图3为本专利技术四胞胎物镜11尺寸和区域划分示意图。图4为本专利技术凸型场镜组12尺寸示意图。如图3所示，本专利技术中物镜11由四个球面反射镜贴合而成，或者所述物镜为取自同一基底的曲面反射镜，该曲面被划分成四个球面反射镜区域。本专利技术中物镜11为中心对称图形，例如矩形，圆形，正方形等，其中的四个球面反射镜区域为等区域划分，划分的四个区域分别为第一球面反射镜M1至第四球面反射镜M4。如图4所示，凸型场镜组12包括两个矩形凹面反射镜，分别为第一凹面反射镜F1和第二凹面反射镜F2，F1和F2保持球面顶点坐标垂直分布，并胶合在一起。本专利技术中将根据光程设计好的物镜11直接安装到预定位置上，只需要在XY轴方向进行微调，就可以达到所设计的光程。从图3和图4还可以看出，M1和M2呈对角分布，CM1和CM2呈垂直分布；M3和M4呈对角分布，CM3和CM4呈垂直分布。凸型场镜组12一侧对称设置有光源入射窗口和出射窗口，光源从入射窗口进入吸收腔体，经过凸型场镜组和物镜之间的多次反射，从出射窗口出射。设置在入射窗口外的是输入耦合单元，设置在出射窗口外的是耦合输出单元，宽带光源发出的光经过耦合输入单元101，将光充分约束在腔体内从预设的出射窗口射出，且调整入射光源达到所设计的(d0，NA)。光从出射窗口射出后，将经过Chernin型多光程气体吸收腔102的输出光通过耦合输出单元103中的光纤准直器耦合到导出光纤后进入光谱探测单元104的光谱仪狭缝进行探测。在实际应用中，宽带光源可以是高压氙灯或氘灯，光源发出的光可以是平行光、发散光、会聚光，经过耦合输入单元101的耦合，都可以达到所设计的(d0，NA)。为了保证入射光全部被物镜接收，要求满足公式：2(d0+2RNA)<Dx，2(d0+2RNA)<Dy，，其中d0表示入射窗口处光斑直径，NA表示数值孔径，R表示基本光程，Dx表示物镜在x轴向最大长度，Dy表示物镜在y轴向最大长度。同时，考虑到如果Dx或者Dy取值过大，超过凸型场镜组F1和F2覆盖的区域，会造成不必要的空间浪费，从而造成气室体积过大，不利于便携性要求，造成气体流通时间过长，因此限定Dx≤w1，Dy≤h1+h2，w1表示F1的宽度，h1+h2表示F1和F2的总高度。综上，Dx和Dy分别满足公式：2(d0+2RNA)<Dx≤w1；2(d0+2RNA)<Dy≤h1+h2。需要说明的是，上述Dx和Dy的取值是为节省空间考虑，是一种优选取值方式，如果取值大于上限，也在本专利技术的保护范围内。在已知入射光源(d0，NA)条件下，为设计出符合吸收腔结构参数组(R,m,n,a,b)的矩阵型光斑分布，R表示基本光程长度，也表示所有球面反射镜的曲率半径；m表示光斑的行数，n表示光斑的列数，a表示光斑行间距，b表示光斑列间距，并且，为了使相邻两行和两列光斑不混叠，要求a>d0，b>d0。本专利技术提出一种Chernin型多光程气体吸收腔，包括两端相对设置的物镜和凸型场镜组，其中，物镜包括四个球面反射镜区域，每个区域表面的曲率半径相同为基本光程R；在XY轴方向，曲率中心坐标之间具有相对共轭的位置关系。其中，以第一凹面反射镜F本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔，所述四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔的两端分别相对设置有物镜和凸型场镜组，所述凸型场镜组包括球面顶点坐标垂直分布的第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，其特征在于，所述物镜包括四个球面反射镜区域，每个区域表面的曲率半径相同为基本光程R；在XY轴方向，曲率中心坐标之间具有相对共轭的位置关系。

【技术特征摘要】
1.一种四胞胎物镜的Chernin型多光程气体吸收腔，所述四胞胎物镜的
Chernin型多光程气体吸收腔的两端分别相对设置有物镜和凸型场镜组，所述凸
型场镜组包括球面顶点坐标垂直分布的第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，其
特征在于，所述物镜包括四个球面反射镜区域，每个区域表面的曲率半径相同
为基本光程R；在XY轴方向，曲率中心坐标之间具有相对共轭的位置关系。
2.如权利要求1所述的吸收腔，其特征在于，所述物镜由四个球面反射镜
贴合而成，或者所述物镜为取自同一基底的曲面反射镜，该曲面被划分成四个
球面反射镜区域。
3.如权利要求2所述的吸收腔，其特征在于，所述物镜为中心对称图形，
其中的四个球面反射镜区域为等区域划分。
4.如权利要求1所述的吸收腔，其特征在于，以第一凹面反射镜的球面顶
点坐标作为坐标系原点建立全局笛卡尔坐标系，在XY轴方向所述第一凹面反
射镜的球面顶点坐标与物镜的几何中心坐标重合；在Z轴方向所述第一凹面反
射镜与物镜间的距离为R；
所述物镜包括的四个球面反射镜区域，分别为第一球面反射镜M1至第四
球面反射镜M4，第一球面反射镜位于第一象限，第二球面反射镜位于第三象
限，第三球面反射镜位于第二象限，第四球面反射镜位于第四象限；
在XY轴方向，第一球面反射镜的曲率中心坐标为CM1(w，c)；第二球面
反射镜的曲率中心坐标为CM2(w，-c)；第三球面反射镜的曲率中心坐标为CM3(-w，c)；第四球面反射镜的曲率中心坐标为CM4(-w，-c)。
5.如权利要求4所述的吸收腔，其特征在于，凸型场镜组一侧对称设置有
光源入射窗口和出射窗口，光源从入射窗口进入吸收腔体，经过凸型场镜组和
物镜之间的多次反射，从出射窗口出射过程中，在凸型场镜组上形成m行×n
列的矩阵型光斑分布，行间距为a＝4c，列间距为b＝2w，m为自然数，n为奇数。
6.如权利要求5所述的吸收腔，其特征在于，
根据m行×n列的矩阵型光斑分布，确定产生n-2列的重合列，得到光斑总
列数＝n+n-2＝2n-2；
根据每个反射周期产生4列光斑，以及光斑总列数2n-2，得到反射周期
T = 2 n - 2 4 ; ]]>根据反射周期取整数的原则，得到n为奇数。
7.如权利要求6所述的吸收腔，其特征在于，每个反射周期包括第一子周
期和第二子周期，每个子周期产生2列光斑；经过第一子周期，实现在凸型场
镜组、第一球面反射镜、第二球面反射镜上的来回反射，在凸型场镜组上形成
两列光斑；经过第二子周期，实现在凸型场镜组、第三球面反射镜、第四球面
反射镜上的来回反射，在凸型场镜组上形成两列光斑；第一子周期的第二列与
第二子周期的第一列重合；
第一子周期的列的横坐标关于CM1(w,c)对称；第二子周期的列的横坐标关于
CM3(-w,c)对称；
假设光源从入射窗口入射的入射点横坐标为X，则，
第一反射周期T＝1时，第一子周期的第一列的横坐标为X，第二列的横坐
标为2w-x；第二子周期的第一...

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