多反气室及确定在多反气室内形成矩阵型光斑的方法技术

本发明专利技术公开了一种多反气室及确定在多反气室内形成矩阵型光斑的方法，多反气室包括对称布置的第一镜面、第二镜面，其中：所述第一镜面、第二镜面分别包括预定数量个互不重叠的矩形凹面镜；所述第一镜面或第二镜面上设有入射孔，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后射出，并适于在所述第一镜面和第二镜面上形成相互对称的矩阵型光斑。根据本发明专利技术的技术方案，通过形成矩阵型的光斑样式，可以充分利用多反气室的镜面面积，光程体积比较高，并且，两侧镜面间距较大，从而有利于以较少的反射次数来实现较大的光程。光程。光程。

【技术实现步骤摘要】
多反气室及确定在多反气室内形成矩阵型光斑的方法


[0001]本专利技术涉及痕量气体监测
，尤其涉及一种多反气室及确定在多反气室内形成矩阵型光斑的方法。

技术介绍

[0002]痕量气体的高精度实时在线测量技术在环境污染监测、大气化学和生态保护等领域具有极为广泛的应用前景。近年来发展起来的光腔衰荡光谱技术(CRDS)和离轴积分腔输出光谱技术(OA
‑
ICOS)作为重要的痕量气体光谱测量方法，具有高灵敏度、高时间分辨率等优点，但由于这种技术需采用极高反射率的光学反射镜，导致成本高、技术实现难度大、环境鲁棒性差等缺点。
[0003]可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高精度、高响应性、高选择性和环境适应性好等优点，已成功应用于环境监测，工业过程控制，石油化工等众多行业和领域。多次反射气室是TDLAS技术有效提升光程的关键核心器件，结合长光程多次反射气室的TDLAS技术有望克服CRDS和OA
‑
ICOS技术的缺点，成为低成本、高精度痕量气体监测的重要手段。
[0004]适用于痕量气体多组分监测的理想长光程多次反射气室应具备如下特点：1.光程长，可达数百米以上；2.光斑分布具有明显规律性，易于辨别，反射镜面利用率高；3.具有良好的光学性能，光束质量好；4.成本低，光路调节简单，具有高可靠性，高稳定性及较好的环境适应性；5.可实现多组分同时测量，且光程可调节。因此，高性能、长光程多次反射气室的设计与优化是实现低成本、高精度痕量气体实时监测的重大挑战。
[0005]多次反射气室的设计是TDLAS技术的研究热点之一。目前研究的一类多次反射气室基于经典Herriott型气室，由两面曲率半径相同的球面镜同轴对称摆放构成，光斑分布为椭圆型或圆型，光斑整体分散在镜面的边缘，其镜面利用率较低、气室光程体积比很小。为克服上述缺点，有研究人员采用复曲面镜替代球面镜，形成李萨如图形，增大了镜面利用率和光程体积比，但存在像散镜制造成本高、光斑规律性较差、光程不易确定的缺点。另外，有研究人员基于Herriott型球面镜，设计出同心圆、独立圆等密集型光斑样式，这一类型多次反射气室虽然镜面利用率有所提高，但光斑分布不均匀且处于球面镜的外围，常常不满足近轴近似假设，设计过程中需要对光斑形变进行模拟分析，过程较为繁琐，而且，两个球面镜间距较小，常见的设计光程在数十米范围内，仅适用于制作小型化便携型气室装置，难以实现数百米以上的长光程。
[0006]为此，需要一种多反气室及确定在多反气室内形成矩阵型光斑的方法，以解决上述技术方案中存在的问题。

技术实现思路

[0007]为此，本专利技术提供了一种多反气室及确定在多反气室内形成矩阵型光斑的方法，以解决或至少缓解上面存在的问题。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供了一种多反气室，包括对称布置的第一镜面、第二镜
面，其中：所述第一镜面、第二镜面分别包括预定数量个互不重叠的矩形凹面镜；所述第一镜面或第二镜面上设有入射孔，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后射出，并适于在所述第一镜面和第二镜面上形成相互对称的矩阵型光斑。
[0009]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述预定数量为3；所述第一镜面包括相互拼接的第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜，其中，所述第一矩形凹面镜的第一曲率中心(C1)与第三凹面镜的第三曲率中心(C3)共线；所述第二镜面包括：第四矩形凹面镜，与所述第一矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置；第五矩形凹面镜，与所述第二矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置；第六矩形凹面镜，与所述第三矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置。
[0010]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述第一曲率中心(C1)与第三曲率中心(C3)位于第一方向的直线上；所述矩阵型光斑的第一方向间距是所述第一曲率中心(C1)与第三曲率中心(C3)的第一方向距离的2倍；所述矩阵型光斑的第二方向间距是所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离的2倍；其中，所述第一方向为竖直方向或水平方向，所述第二方向与第一方向相互垂直。
[0011]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，当所述第一方向为竖直方向时，所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离为：其中，L表示所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离，m表示所述矩阵型光斑的行数，d
l
表示所述矩阵型光斑的第一方向间距；当所述第一方向为水平方向时，所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离为：其中，L表示所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离，n表示所述矩阵型光斑的列数，d
c
表示所述矩阵型光斑的第一方向间距。
[0012]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，其中，所述第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜依次拼接；所述第一矩形凹面镜的高度等于第二矩形凹面镜与第三矩形凹面镜的高度之和，且所述第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜的长度相同；所述第一曲率中心(C1)与第三曲率中心(C3)位于竖直方向的直线上。
[0013]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述第一矩形凹面镜分别与第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜拼接；所述第一矩形凹面镜的长度等于第二矩形凹面镜与第三矩形凹面镜的长度之和，且所述第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜的高度相同；所述第一曲率中心(C1)与第三曲率中心(C3)位于水平方向的直线上。
[0014]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述矩阵型光斑包括呈m行n列排布的多个光斑；其中，m≥4，且m为偶数，且n为正整数。
[0015]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述矩阵型光斑包括呈m行n列排布的多个光斑；其中，m≥2，且m为偶数，且n为正整数。
[0016]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述入射孔设置在第二矩形凹面镜或第五矩形凹面镜上。
[0017]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述第二矩形凹面镜和/或第五矩形凹面镜
上共设有多个入射孔；所述多反气室适于射入多束激光，每束激光分别适于检测一种气体；其中，多束激光适于经多个入射孔入射并在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后射出，并适于在所述第一镜面和第二镜面上形成多组互不重叠的矩阵型光斑。
[0018]可选地，在根据本专利技术的多反气室中，所述预定数量为4；所述第一镜面包括相互拼接的第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜、第四矩形凹面镜，其中，所述第二矩形凹面镜的第二曲率中心与第四凹面镜的第四曲率中心在竖直方向共线，所述第一矩形凹面镜的第一曲率中心与第四凹面镜的第四曲率中心在水平方向共线；所述第二镜面包括：第五矩形凹面镜，与所述第一矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置；第六矩形凹面镜，与所述第二矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置；第七矩形凹面镜，与所述第三矩形凹面镜的镜面参数相同且对称本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多反气室，包括对称布置的第一镜面、第二镜面，其中：所述第一镜面、第二镜面分别包括预定数量个互不重叠的矩形凹面镜；所述第一镜面或第二镜面上设有入射孔，经所述入射孔入射的光线适于在所述第一镜面与第二镜面之间进行多次反射后射出，并适于在所述第一镜面和第二镜面上形成相互对称的矩阵型光斑。2.如权利要求1所述的多反气室，其中，所述预定数量为3；所述第一镜面包括相互拼接的第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜，其中，所述第一矩形凹面镜的第一曲率中心(C1)与第三凹面镜的第三曲率中心(C3)共线；所述第二镜面包括：第四矩形凹面镜，与所述第一矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置；第五矩形凹面镜，与所述第二矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置；第六矩形凹面镜，与所述第三矩形凹面镜的镜面参数相同且对称布置。3.如权利要求2所述的多反气室，其中，所述第一曲率中心(C1)与第三曲率中心(C3)位于第一方向的直线上；所述矩阵型光斑的第一方向间距是所述第一曲率中心(C1)与第三曲率中心(C3)的第一方向距离的2倍；所述矩阵型光斑的第二方向间距是所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离的2倍；其中，所述第一方向为竖直方向或水平方向，所述第二方向与第一方向相互垂直。4.如权利要求3所述的多反气室，其中，当所述第一方向为竖直方向时，所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离为：其中，L表示所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离，m表示所述矩阵型光斑的行数，d
l
表示所述矩阵型光斑的第一方向间距；当所述第一方向为水平方向时，所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离为：其中，L表示所述第二曲率中心(C2)与第一曲率中心(C1)的第二方向距离，n表示所述矩阵型光斑的列数，d
c
表示所述矩阵型光斑的第一方向间距。5.如权利要求2
‑
4中任一项所述的多反气室，其中，所述第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜依次拼接；所述第一矩形凹面镜的高度等于第二矩形凹面镜与第三矩形凹面镜的高度之和，且所述第一矩形凹面镜、第二矩形凹面镜、第三矩形凹面镜的长度相同；所述第一曲率中心(C...

【专利技术属性】
技术研发人员：周欣，肖向君，师米云，邱晶晶，欧雪，刘鹏，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：