[发明专利]一种透过增强型离轴积分腔结构

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及积分腔输出光谱探测技术领域，具体涉及一种透过增强型离轴积分腔结构。

背景技术

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(“Cavity Ring-downOptical Spectrometer for Absorption Measurements Using Pulsed Laser Sources”，Review of Scientific Instruments，1988，59(12)：2544～2511)、积分腔输出光谱腔或增强吸收光谱(“Integrated Cavity Output Analysis of Ultra-Weak Absorption”，Chemical Physics Letter，1998，293(5～6)：331～336)及离轴积分腔输出光谱技术(“Sensitive Absorption Measurements In The Near-infrared Region Using Off-axis Integrated Cavity-output Spectroscopy”，Apply Physics B，2002，75(2～3)：261～265；美国专利US6795190及“Wavelength Modulated Off-axis Integrated CavityOutput Spectroscopy In The Near Infrared”，Apply Physics B，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(“Design Considerations In High Sensitivity Off-axisIntegrated Cavity Output Spectroscopy”，Apply Physics B，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：