一种具有密集光斑图案的多通池制造技术

本发明专利技术属于光学探测领域，具体涉及一种具有密集光斑图案的多通池，包括球面入射镜M1和球面出射镜M2，所述球面入射镜M1和球面出射镜M2的焦距为50mm，入射光束在所述球面入射镜M1和球面出射镜M2上反射率高于98%，入射光束的光束直径为1mm，入射光束在球面入射镜M1上的初始入射角度为（6.42°，3.44°），所述球面入射镜M1上设置有光束入射孔，所述球面出射镜M2上设置有光束出射孔，所述入射光束从光束入射孔进入多通池后在球面入射镜M1和球面出射镜M2之间多次反射后从光束出射孔中射出，并在多次反射时在镜面上形成非相交圆环图案光斑。本发明专利技术提高了镜面的利用效率，使得可以以较低成本的镜面产生了更长的总光程长度。

【技术实现步骤摘要】
一种具有密集光斑图案的多通池
本专利技术属于光学探测领域，具体涉及一种具有密集光斑图案的球面镜多通池。
技术介绍
基于两个反射率高于98％的球面镜组成的长光程多通池已经被广泛应用于光学吸收光谱和气相光学延迟线中。怀特和赫里奥特赫里奥特开发的早期基于球面镜的多通池，由于其具有简单性、可靠性、稳健性和可操作性，目前仍被使用在基于激光的光谱痕量气体传感器中。为了提高镜面的利用效率，并且能够获得更长的总光程长度，赫里奥特设计了基于像散镜的多通池，其中这个球面镜在x-z和y-z平面具有不同的焦距，从而产生李萨如光斑图案，使得在多通池中的光线反射次数增加，同时能够最小化光斑的重叠。最近，有相关文献报道了许多基于像散镜和具有类似高填充因子的多通池变体，其中至少一个球面镜被柱面镜替代。因此，目前拥有密集的光斑图案的多通池是基于非球面镜产生的。在实际制造中，具有高表面精度的反射镜的球形表面是通过自然的研磨和抛光技术产生。非球面的制造过程更加复杂，并且难以制造具有足够表面精度的反射镜以匹配所设计的光斑图案。因此，在多通池设计中球面镜更受欢迎，因为它们制造过程简单，更加容易控制表面质量，更重要的是使用球面镜设计多通池能够降低成本。如图1所示，在一个由双球面镜组成的多通池中，入射光线在两个反射镜(M1和M2)之间传输，然后在M2表面上反射，完成一次传输反射过程。在传统基于傍轴近似理论的常规计算中，包含了两个假设：(i)两个反射镜之间的任何光线的光程长度dn是常数D，其中n是通过次数；(ii)所有光线与系统的光轴成小角度，使得三个重要的角度近似是有效的，即sinθ≈θ，tanθ≈θ和cosθ≈1。然而，随着反射表面更加弯曲，特别是边缘光线和更多的通过次数，傍轴近似理论由于球面镜像差而产生与实际性能越来越大的偏差。例如，在角度为10°下，sinθ≈θ的傍轴近似具有0.5％的误差，然而在传统ABCD矩阵中不会考虑这些误差。随着通过次数的增加，这些误差将被累积和放大，并扭曲实际光斑图案。多通池设计过程中，傍轴近似的存在以及实际光线轨迹解析方程式的缺乏，限制了开发密集型光斑图案的能力。特别是，传统的ABCD矩阵方法中并没有考虑球面镜的像差效应，以至于传统的ABCD矩阵根本无法计算模拟实际光线轨迹，从而无法获得密集光斑图案的球面镜多通池，限制了球面镜多通池的发展。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具有密集光斑图案的球面镜多通池。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种具有密集光斑图案的球面镜多通池，包括球面入射镜M1和球面出射镜M2，所述球面入射镜M1和球面出射镜M2的焦距为50mm，入射光束在所述球面入射镜M1和球面出射镜M2上反射率高于98％，入射光束的光束直径为1mm，入射光束在球面入射镜M1上的初始入射角度为(6.42°，3.44°)，所述球面入射镜M1上设置有光束入射孔，所述球面出射镜M2上设置有光束出射孔，所述入射光束从光束入射孔进入多通池后在球面入射镜M1和球面出射镜M2之间多次反射后从光束出射孔中射出，并在多次反射时在镜面上形成非相交圆环图案光斑。所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(17.58,12.68)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为50.60mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(-0.91,20.24)。所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(17.58,12.68)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为29.54mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(9.35,18.97)。所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(17.71,13.16)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为69.92mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(1.77,-9.37)。所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(16.53,8.93)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为123.04mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(13.64,5.75)。所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(16.43,7.93)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为139.01mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(-11.71,2.09)。所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(14.83,8.53)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为118.15mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(-4.49,-16.75)。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提出了一种具有密集光斑图案的球面镜多通池，通过不含傍轴近似的精确的ABCD矩阵对两个球面镜之间的离轴和边缘光线的传播以及这些光线在镜面上的反射进行数值模拟，验证了该多通池可以在镜面上产生多个非相交的圆环图案，该多通池不仅可以确保光束经反射投影到球面镜表面上的面积不与相邻反射的光斑面积发生重叠外，还可以保证光束在第一个入射面上和最后一次出射面上的投影能够分别小于入光孔的孔径和出光孔的孔径，从而使得光束能够顺利进入多通池内经过多次反射后顺利离开腔体，使得基于一对普通的球面镜的多通池数学模型能够在实际应用中得以实现，提高了镜面的利用效率，使得可以以较低成本的镜面产生了更长的总光程长度。附图说明图1为在笛卡尔坐标系的x-z平面中，两个相同的球面镜M1和M2之间的光线传输示意图；图2为由传统ABCD矩阵产生的标准赫里奥特光斑图案和采用不含傍轴近似的ABCD矩阵计算得到的扭曲的赫里奥特光斑图案；图3为本专利技术实施例通过双球面镜多通池产生的六种奇异的光斑图案的示意图；图4为本专利技术实施例中理论计算得到的一组光斑图案；图5为本专利技术为通过图4的入射参数进行实验得到的光斑图案；图6为图3b对应的光束入射参数在光束直径为0.4mm时在入射镜和出射镜上的光斑图案；图7～图8为本专利技术实施例对应的多通池在入射镜和出射镜上的光斑图案。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。首先介绍本专利技术的球面多通池的数值模拟过程的原理。如图1所示，为在笛卡尔坐标系的x-z平面中，两个相同的球面镜M1和M2之间的第(n+1)传输，以及在M2表面上的反射。这两个球面M1和M2为同轴设置。其中，R表示球面镜的曲率半径；D表示镜面间距；O：坐标原点；dn+1表示M1和M2之间第(n+1)次传输的光程长度；(xn，x'n)表示M1上的光斑位置和初始光线倾斜角；(xn+1，x'n+1)表示M2上的光斑位置和初始光线倾斜角。一般而言，对于由两个相同的球面镜组成的多通池来说，进行近轴分析时，描述一次通过次数的ABCD矩阵是由标准传输矩阵和标准反射矩阵组成，其表达式为：本专利技术实施例采用不包含傍轴近似的ABCD矩阵进行迭代运算，在该矩阵中，我们将传统ABCD中所对应的反射矩阵中进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有密集光斑图案的多通池，其特征在于，包括球面入射镜M1和球面出射镜M2，所述球面入射镜M1和球面出射镜M2的焦距为50mm，入射光束在所述球面入射镜M1和球面出射镜M2上反射率高于98%，入射光束的光束直径为1mm，入射光束在球面入射镜M1上的初始入射角度为（6.42°，3.44°），所述球面入射镜M1上设置有光束入射孔，所述球面出射镜M2上设置有光束出射孔，所述入射光束从光束入射孔进入多通池后在球面入射镜M1和球面出射镜M2之间多次反射后从光束出射孔中射出，并在多次反射时在镜面上形成非相交圆环图案光斑。

【技术特征摘要】
1.一种具有密集光斑图案的多通池，其特征在于，包括球面入射镜M1和球面出射镜M2，所述球面入射镜M1和球面出射镜M2的焦距为50mm，入射光束在所述球面入射镜M1和球面出射镜M2上反射率高于98%，入射光束的光束直径为1mm，入射光束在球面入射镜M1上的初始入射角度为（6.42°，3.44°），所述球面入射镜M1上设置有光束入射孔，所述球面出射镜M2上设置有光束出射孔，所述入射光束从光束入射孔进入多通池后在球面入射镜M1和球面出射镜M2之间多次反射后从光束出射孔中射出，并在多次反射时在镜面上形成非相交圆环图案光斑。2.根据权利要求1所述的一种具有密集光斑图案的多通池，其特征在于，所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(17.58,12.68)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为50.60mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(-0.91,20.24)。3.根据权利要求1所述的一种具有密集光斑图案的多通池，其特征在于，所述入射光束在所述球面入射镜M1上的光束入射孔的坐标为(17.58,12.68)mm，球面入射镜M1和球面出射镜M2的镜面距离为29.54mm，球面出射镜M2上的光束出射孔的坐标为(9.35,18.97)。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：董磊，崔茹悦，武红鹏，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14