一种透过增强型离轴积分腔结构制造技术

本发明专利技术涉及一种透过增强型离轴积分腔结构，该离轴积分腔结构包括激光器、第一腔镜和第二腔镜，第一腔镜和第二腔镜均为平凹镜，第一腔镜和第二腔镜的凹面相对设置组成一个光腔，第一腔镜的平面为非抛光面，第一腔镜的凹面为精抛光面且镀有高反膜，第一腔镜上开设有一个锥孔，第二腔镜的平面和凹面均为精抛光面，第二腔镜的凹面镀有高反膜，激光器发出的光束经过锥孔入射到第二腔镜的凹面后，经反射回到第一腔镜的凹面，再反射回第二腔镜的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜的凹面及第二腔镜的凹面上形成光斑，同时有大量微弱光束经第二腔镜高反膜透过射出形成所需的探测光。本发明专利技术具有透射的探测光光强高、结构简单以及制造和使用成本低的优点。

An enhanced off-axis integrated cavity structure

The invention relates to a through enhanced off-axis integrated cavity structure, the off-axis integrated cavity structure includes first and second laser, mirror mirror, mirror and second mirrors are first plane concave concave mirror and second mirrors, the first is to form a cavity, the first cavity mirror for non planar surface polishing, the first mirror for concave polishing surface and coated with high reflection film, the first mirror is provided with one hole, second mirror plane and concave surfaces are polished smooth, second concave mirror coated with high reflection film, a laser beam through the hole into the concave mirror to shoot second, the back reflection the first concave mirror, and then reflected back to the second concave mirror, which reflected back and forth, and the spot formed on the concave surface and two mirror mirror on the first, with a large number of weak beam by second cavity The mirror height passes through the jet to form the desired detection light. The invention has the advantages of high transmission light intensity, simple structure and low cost of manufacture and use.

【技术实现步骤摘要】
一种透过增强型离轴积分腔结构
本专利技术涉及积分腔输出光谱探测
，具体涉及一种透过增强型离轴积分腔结构。
技术介绍
吸收光谱探测技术被广泛的应用于大气痕量气体、同位素、自由基及分子光谱探测与研究，增加有效吸收光程和提高透过光强是提升其探测灵敏度的两个关键因素。在吸收光程方面，光学多通池技术、腔衰荡吸收光谱技术(“CavityRing-downOpticalSpectrometerforAbsorptionMeasurementsUsingPulsedLaserSources”，ReviewofScientificInstruments，1988，59(12)：2544～2511)、积分腔输出光谱腔或增强吸收光谱(“IntegratedCavityOutputAnalysisofUltra-WeakAbsorption”，ChemicalPhysicsLetter，1998，293(5～6)：331～336)及离轴积分腔输出光谱技术(“SensitiveAbsorptionMeasurementsInTheNear-infraredRegionUsingOff-axisIntegratedCavity-outputSpectroscopy”，ApplyPhysicsB，2002，75(2～3)：261～265；美国专利US6795190及“WavelengthModulatedOff-axisIntegratedCavityOutputSpectroscopyInTheNearInfrared”，ApplyPhysicsB，2007，86(2)：353～359)先后被提出用来增加吸收光程，提高探测灵敏度。光学多通池(如Herriot型、White型及Chernin型、柱面镜型、像散镜型等)将入射光束在两片反射镜之间多次反射后出射，使得光程为基长的几十倍提高，但仍然限制在几十米到两百多米范围内。腔衰荡吸收光谱与腔增强吸收光谱技术装置类似，都利用由两片高反镜(反射率R>99％)组成的高精细度光学谐振腔，使入射光在谐振腔内无限的来回反射，可以在短基长下实现数公里的光程，具有很高的探测灵敏度。其不同点在于腔衰荡光谱探测的为衰荡时间，而腔增强光谱探测的为透过光的光强，装置相较于腔衰荡光谱简单，但由于光学谐振腔不可避免的干涉效应造成探测光强的波动，探测灵敏度相对于腔衰荡光谱要稍低。离轴积分腔输出光谱技术是在传统共轴积分腔基础上将入射光离轴入射(如图1所示)，形成类似腔内光束无限循环反射的光学多通池，在镜面上形成Herriott型的圆形/椭圆形光斑或柱面镜/像散镜型的利萨如光斑，所需装置更为简单，系统稳定性要求低，且能有效避免谐振腔的干涉影响，有效提高探测灵敏度。当前已有报道显示该方法能实现高于CRDS的探测灵敏度(“DesignConsiderationsInHighSensitivityOff-axisIntegratedCavityOutputSpectroscopy”，ApplyPhysicsB，2008，92：467-474)。共轴/离轴积分腔输出光谱的其基本原理为：若入射光强为I0，腔镜反射率相同都为R＝R1＝R2，腔长为d，单程吸收为α，则可实现的吸收程长为：若为腔内无吸收，即空腔时，有α＝0，吸收程长公式变为L＝d/(1-R)，其中1/(1-R)为光程增益因子，例如基长d＝50cm和腔镜反射率R＝99.98％时可实现L＝2.5km的空腔光程。若忽略腔镜对光的吸收，透过光强可表示为：通过吸收程长公式和透过光强公式可以看出，腔镜反射率R越高，光程增益越大，相应的透过光强就越低。R和透过光强之间有一个平衡折中，并非增加R就一定能提高探测灵敏度，当透过光强弱到一定程度时，增加R反而会降低灵敏度。反射率R与透过光强的矛盾关系限制了离轴积分腔探测灵敏度的进一步提升。美国专利US20140319352提出一种提高离轴积分腔透过光强的技术方案，如图2所示，通过在样品光腔前再加一前级光腔，将入射光离轴入射样品腔时被高反镜反射回的部分通过前级腔来回反射再次进入样品腔，以增强最终透过探测光的光强，但该方法不但使得系统结构更加复杂，而且无法避免入射光经样品腔第一块腔镜后直接锐减为(1-R)I0的事实，无法根本上解决问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种透过增强型离轴积分腔结构，用以解决现有的积分腔透射的探测光的光强低、结构复杂以及制造和使用成本高的问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种透过增强型离轴积分腔结构，所述透过增强型离轴积分腔结构包括激光器、第一腔镜和第二腔镜，所述激光器为波长可调谐激光器，所述第一腔镜和第二腔镜均为平凹镜，所述第一腔镜和第二腔镜的凹面相对设置组成一个稳定光腔，所述第一腔镜的平面为非抛光面，所述第一腔镜的凹面为精抛光面且镀有高反膜，所述第一腔镜上开设有一个贯穿第一腔镜的锥孔，所述第二腔镜的平面和凹面均为精抛光面，所述第二腔镜的凹面镀有高反膜，所述激光器发出的光束经过所述锥孔入射到第二腔镜的凹面后，经反射回到第一腔镜的凹面，再反射回第二腔镜的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜的凹面及第二腔镜的凹面上形成光斑，同时有大量微弱光束经第二腔镜高反膜透过射出形成所需的探测光。优选的，所述锥孔的大小能使所述激光器发出的平行光束穿过并离轴进入所述光腔。优选的，所述第一腔镜和第二腔镜的凹面为曲率相同的球面。优选的，所述第一腔镜和第二腔镜的间距和凹面的曲率取值使得离轴入射光束打破傍轴近似条件。优选的，所述透过增强型离轴积分腔结构还包括空腔壳体，所述空腔壳体的前后两端分别开设有前端口和后端口，所述第一腔镜安装在所述前端口内，所述第二腔镜安装在所述后端口内，所述空腔壳体上还设置有与空腔壳体内部连通的第一进气嘴和第一出气嘴。本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术的透过增强型离轴积分腔结构利用激光光束经第一腔镜的锥孔入射到光腔，而非直接透射第一腔镜的高反膜导致光强锐减，因此光强较传统离轴积分腔技术直接提高到了1/(1-R)倍，增加了探测光的光强，有效提高了信噪比，提高了探测灵敏度。(2)本专利技术的透过增强型离轴积分腔结构使用球面腔镜及非旁轴近似条件实现密集复杂的光斑排列，避免了传统离轴积分腔使用球面镜仅能实现单圈的圆形或椭圆形Herriott型光斑图案，提高了镜面的使用效率，最大程度提升反射次数以达到光程增益因子。此外该装置还具有结构简单、制造和使用成本等低优点。附图说明图1为目前广泛应用的离轴积分腔的结构示意图。图2为美国专利US20140319352所述的离轴积分腔的结构示意图。图3为本专利技术实施例1透过增强型离轴积分腔结构的结构示意图。图4为本专利技术实施例1透过增强型离轴积分腔结构用于大气甲醛探测时的结构示意图。图5为本专利技术实施例2透过增强型离轴积分腔结构用于大气甲醛探测时的结构示意图。图6为本专利技术透过增强型离轴积分腔结构在调光过程所产生的不同反射次数光斑图。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1如图3和4所示，本实施例中示出了透过增强型离轴积分腔结构用于大气甲醛(HCHO)的探测，该透过增强型离轴积分腔结构包括激光器1、第一腔镜3和第二腔镜4。激光器1为波长可调谐激光器1，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透过增强型离轴积分腔结构，所述透过增强型离轴积分腔结构包括激光器、第一腔镜和第二腔镜，所述激光器为波长可调谐激光器，所述第一腔镜和第二腔镜均为平凹镜，所述第一腔镜和第二腔镜的凹面相对设置组成一个稳定光腔，其特征在于，所述第一腔镜的平面为非抛光面，所述第一腔镜的凹面为精抛光面且镀有高反膜，所述第一腔镜上开设有一个贯穿第一腔镜的锥孔，所述第二腔镜的平面和凹面均为精抛光面，所述第二腔镜的凹面镀有高反膜，所述激光器发出的光束经过所述锥孔入射到第二腔镜的凹面后，经反射回到第一腔镜的凹面，再反射回第二腔镜的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜的凹面及第二腔镜的凹面上形成光斑，同时有大量微弱光束经第二腔镜高反膜透过射出形成所需的探测光。

【技术特征摘要】
1.一种透过增强型离轴积分腔结构，所述透过增强型离轴积分腔结构包括激光器、第一腔镜和第二腔镜，所述激光器为波长可调谐激光器，所述第一腔镜和第二腔镜均为平凹镜，所述第一腔镜和第二腔镜的凹面相对设置组成一个稳定光腔，其特征在于，所述第一腔镜的平面为非抛光面，所述第一腔镜的凹面为精抛光面且镀有高反膜，所述第一腔镜上开设有一个贯穿第一腔镜的锥孔，所述第二腔镜的平面和凹面均为精抛光面，所述第二腔镜的凹面镀有高反膜，所述激光器发出的光束经过所述锥孔入射到第二腔镜的凹面后，经反射回到第一腔镜的凹面，再反射回第二腔镜的凹面，由此来回反射，并在第一腔镜的凹面及第二腔镜的凹面上形成光斑，同时有大量微弱光束经第二腔镜高反膜透过射出形成所需的探测光。2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：方波，赵卫雄，张为俊，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34