梯度折射率透镜针对腔增强吸收光谱的应用制造技术

本公开涉及梯度折射率透镜针对腔增强吸收光谱的应用。一种腔增强吸收光谱(CEAS)系统，其利用结合梯度折射率(GRIN)透镜的准直器来代替传统的球面或非球面折射透镜。使用较小直径的GRIN透镜有利于减小进入样品腔的初始光束尺寸，这减小了自干扰噪声并且增加了测量的信噪比。此外，GRIN透镜的减小的尺寸和质量可以减小用于安装光学部件的安装硬件的尺寸，与集成有常规折射准直器的类似气室相比，这使得更多的激光束能够耦合到单个气室。大量的激光器使得能够使用CEAS系统基本上同时测量更多的气体峰值。多的气体峰值。多的气体峰值。

【技术实现步骤摘要】
梯度折射率透镜针对腔增强吸收光谱的应用


[0001]本公开涉及使用腔增强吸收光谱(CEAS)测量样品中包含的气体的装置。更具体地，本公开涉及使用梯度折射率(GRIN)透镜作为CEAS系统的光学部件的CEAS系统。

技术介绍

[0002]CEAS测量多种气体种类的能力，受到注入腔内的激光束的波长扫描范围的限制。对于不需要模式匹配到腔的CEAS实施方式，使用每个激光器工作在不同的中心波长的多个激光器，可以帮助克服这种限制。然而，由于透镜及其相关准直器和安装件的尺寸，能够被包括在CEAS系统中的激光器的最大数量受到约束。较大的透镜尺寸也增加了光束尺寸，这增加了激光束在腔内来回反射时的自干涉。
[0003]使用CEAS精确测量气体浓度需要分析一个或多个吸收峰，优选测量与可能存在于空腔中的其它气体相关的峰良好隔离的峰。此外，具有能够精确测量多种气体浓度的单个测量室是有利的。通常需要使用多个激光器，使得CEAS系统包括测量来自多种气体的良好隔离的吸收峰所需的带宽。能够被包括在腔中的激光器的数量受到将激光器及其安装件物理地安装到CEAS系统中的能力的限制。
[0004]当前解决这个问题的方法包括偏移每个激光器的位置。然而，如果诸如准直器的光学部件的尺寸减小，则激光器的数量甚至可以进一步增加。虽然可以使用二向色镜或利用波分复用的光纤组合器来复用多个源激光器，但是这些方法增加了系统的额外成本，并且对于波长变化很大的激光束可能不能很好地工作。
[0005]此外，激光束在腔内来回传播时的自干涉有助于系统的整体噪声。尽管典型的CEAS系统对于单个测量在腔内涉及数百或数千个反射，但是前几个反射对自干扰噪声的贡献不成比例，因为光束还没有显著发散。用于减少自干扰的当前技术包括使用准直器来最小化进入腔的激光束的尺寸并减少光束的发散。然而，存在实际约束。需要解决这些问题和/或与CEAS系统相关的其它问题。
[0006]
技术实现思路

[0007]提供了一种用于执行腔增强吸收光谱(CEAS)以测量气体样品的成分的系统、方法和设备。提供了一种CEAS系统，其利用梯度折射率(GRIN)透镜准直器来代替传统的球面或非球面折射透镜准直器。使用较小直径的GRIN透镜有利于减小进入样品腔的初始光束尺寸，这减小了自干扰噪声并增加了测量的信噪比。此外，GRIN透镜的减小的尺寸和质量可以减小用于安装光学部件的准直器和安装硬件的尺寸，这使得更多的激光束能够联接到单个气室。大量的激光器使得能够使用CEAS系统基本上同时测量更多的气体峰值。在其它实施例中，GRIN透镜可以用其它小直径透镜如球形透镜或微透镜阵列代替。
[0008]根据本公开的第一方面，提出了一种腔增强吸收光谱(CEAS)系统，其包括：气室，由气室的一端上的第一反射镜和气室的另一端上的第二反射镜包围，以在气室中形成空
腔；以及多个光学部件子单元。每个光学元件子单元至少包括准直器和安装硬件。准直器操作用为将激光束引导到具有直径小于3毫米的初始光束尺寸的腔中。每个光学部件子单元与不同波长的激光束相关联。
[0009]根据第一方面的一些实施例，初始光束尺寸的直径小于1.5毫米。
[0010]根据第一方面的一些实施例，每个光学部件子单元包括被安装在准直器的管内的透镜。
[0011]根据第一方面的一些实施例，透镜包括梯度折射率(GRIN)透镜。
[0012]根据第一方面的一些实施例，GRIN透镜是具有根据距柱体的中心轴线的距离而变化的折射率的柱体。GRIN透镜的直径在0.5和1.5mm之间，并且GRIN透镜的长度小于5mm。
[0013]根据第一方面的一些实施例，透镜包括由玻璃材料制成且具有小于3mm的直径的球形透镜。
[0014]根据第一方面的一些实施例，透镜包括微透镜阵列，微透镜阵列包括多个小透镜，每个小透镜具有小于100μm的直径。
[0015]根据第一方面的一些实施例，被集成到CEAS系统中的多个光学部件子单元的数目至少为四，使得与腔中的气体样品相关联的四个不同峰值中的最小值能够基本上同时测量。
[0016]根据第一方面的一些实施例，CEAS系统还包括多个激光二极管，每个激光二极管产生不同波长的激光束。每个激光束经由光纤被路由到特定的光学元件子单元。
[0017]根据本公开的第二方面，提出了一种腔增强吸收光谱(CEAS)系统，其包括：气室，以及多个光学部件子单元。每个光学部件子单元包括在附接到光纤的准直器中的梯度折射率(GRIN)透镜。GRIN透镜和准直器操作为将激光束引导到气室的腔中。GRIN透镜具有小于3毫米的直径。每个光学部件子单元与不同波长的激光束相关联。
[0018]根据第二方面的一些实施例，激光束的进入腔的初始光束直径小于1.5毫米。
[0019]根据第二方面的一些实施例，GRIN透镜是具有根据距柱体的中心轴线的距离而变化的折射率的柱体。GRIN透镜的直径在0.5mm和1.5mm之间，GRIN透镜的长度小于5mm。
[0020]根据第二方面的一些实施例，准直器包括不锈钢准直管。GRIN透镜位于不锈钢准直管内距光纤的端部的距离等于GRIN透镜的焦距。
[0021]根据第二方面的一些实施例，激光束的发散角小于1.5度。
[0022]根据第二方面的一些实施例，多个光学部件子单元的每个准直器经由相应的安装硬件附接到CEAS系统。
附图说明
[0023]图1示出了根据现有技术的用于测量气体浓度水平的CEAS系统。
[0024]图2示出了根据本公开的实施例的用于测量气体浓度水平的CEAS系统。
[0025]图3概念性地示出了根据本公开的一个实施例的减小CEAS系统的激光束的光束尺寸的重要性。
[0026]图4A和4B示出了根据本公开的实施例的基于减小进入腔的激光束的初始光束尺寸来减小自干扰的概念。
[0027]图5A和5B分别以正视图和侧视图示出了根据本公开的一个实施例的球透镜。
[0028]图6A和6B分别以正视图和侧视图示出根据本公开的一个实施例的微透镜阵列。
具体实施方式
[0029]本公开的实施例提供了一种CEAS系统，该CEAS系统用小直径准直器代替传统的折射透镜准直器，例如结合了GRIN透镜的准直器，该GRIN透镜可以是传统光学部件的尺寸的一半到三分之一。此外，GRIN透镜准直器的较小质量允许减小与每个激光器相关联的安装结构的尺寸，与使用常规球面或非球面准直器的相同系统相比，这允许在CEAS系统中包括更多数量的激光器。较大数量的激光器允许同时测量样品的更多气体吸收峰和气体种类。
[0030]结合到上述准直器中的较小GRIN透镜，还在激光束进入CEAS系统的腔时减小激光束的初始光束尺寸，这减小了当激光束在腔内来回反射时由激光束的自干涉引起的噪声。减小噪声改善了测量的气体浓度值的标准偏差，并且可以允许具有更小的室直径的CEAS系统以等同的性能运行。更小的室意味着可以测量更小的样品尺寸而不显著降低测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种腔增强吸收光谱CEAS系统，包括：气室，由在所述气室的一端上的第一反射镜和所述气室的另一端上的第二反射镜包围，以在所述气室中形成腔；以及多个光学部件子单元，每个光学部件子单元至少包括准直器和安装硬件，其中所述准直器操作用以将激光束引导到具有直径小于3毫米的初始光束尺寸的腔中，并且其中每个光学部件子单元与不同波长的激光束相关联。2.根据权利要求1所述的CEAS系统，其中所述初始光束尺寸的直径小于1.5毫米。3.根据权利要求1所述的CEAS系统，其中每个光学部件子单元包括被安装在所述准直器的管内的透镜。4.根据权利要求1所述的CEAS系统，其中所述透镜包括梯度折射率GRIN透镜。5.根据权利要求4所述的CEAS系统，其中所述GRIN透镜是柱体，所述柱体具有根据距所述柱体的中心轴线的距离而变化的折射率，并且其中所述GRIN透镜的直径在0.5mm和1.5mm之间，并且所述GRIN透镜的长度小于5mm。6.根据权利要求1所述的CEAS系统，其中所述透镜包括由玻璃材料制成且具有小于3mm的直径的球透镜。7.根据权利要求1所述的CEAS系统，其中所述透镜包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个小透镜，每个小透镜具有小于100μm的直径。8.根据权利要求1所述的CEAS系统，其中被集成到所述CEAS系统中的所述多个光学部件子单元的数目至少为四，使得与所述腔中的气体样品相关联的四个不同峰值中的最小值能够被基本上同时测量。...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：