[发明专利]一种小体积光学多通系统

说明书

本发明公开了一种小体积光学多通系统，包括两面近镜：以一定角度并排放置，用于形成稳定的光学腔；一面远镜：放置于两面近镜的对侧，用于折叠激光一次；两面引导镜：放置在近镜背侧，用于引导激光进入和退出光学多通池；一面拾取镜：放置在光学多通系统内部适当位置，用于引导退出光学多通池的激光到达激光探测器；激光发生器：用于产生激光；激光探测器：用于探测从光学多通池内退出的激光强度。本发明适用于多通池技术领域，大幅减小非必要腔室体积，从而减小系统内部死体积，有助于提升气体在折叠式光学多通系统内的周转速率，缩短测量响应时间，提高气体浓度测量的准确度，具备小型化、高精度的特征。

技术领域

本发明属于多通池技术领域，具体是一种小体积光学多通系统。

背景技术

红外光谱定量分析法是指根据物质在特定红外波长处对该波长吸收强度与物质浓度之间的关系，对物质进行定量的分析。由于每种物质的红外光谱的谱带很多，因此可以根据需要在近红外处或远红外处选择波长，对多组分的物质同时进行定量分析而不互相影响。

朗伯-比尔定律是红外光谱法中最基本理论，当包含有特定频率ν(cm^-1)的光通过待检测的气体与该气体分子相互作用时，在满足一定条件时，分子吸收光子后发生振动、转动能级跃迁而引起的光强衰减，其将遵循Beer-Lambert定律：

I(v)＝I₀(v)exp(-α(v)L)                (1)

其中，I(ν)和I0(ν)分别表示透射光强和入射光强，L表示有效吸收路径长度，α(ν)表示吸收系数，与气体浓度、吸收线强度，线型函数等有关，单位为cm^-1。

由朗伯比尔定律可知，当光程一定时光强衰减与气体浓度成指数关系，通过光强信息即可检测待测气体浓度。由于光强变化呈指数关系，导致气体在低浓度时分辨率高，高浓度时分辨率降低。通过公式(1)可知，当浓度降低到一定程度时，光强衰减幅度被噪声淹没，此时达到了系统的检测下限。但通过增加光程，可以增加衰减幅度提高系统信噪比，从而有效提高系统的检测下限。

光学多通池是增加光路长度最有效的手段之一，它可以显著提高吸收光谱的检测灵敏度。当激光束从镜面上开的槽入射到测量腔室中时，它被约束在镜面之间来回反射几十到几百次，最后通过同一槽退出测量腔室，以实现几米到几百米的光路。光学多通池具有结构简单、光路对准容易、光谱通用性高、鲁棒性好及成本低等优势，目前得到了广泛的应用。

光学多通池技术一直是吸收光谱领域研究的重点，从1942年White池提出以来，经过不断优化与探索，光学多通池还发展出了Herriott池、Chernin池等多种类型，并且仍在不断发展中。White池由三块反射镜组成，可以实现光束在多通池内的多次反射并在场镜镜面上最多形成两排光斑分布，但是这种设计本身存在一些缺点，如体积过大，稳定性差，镜面有效利用率低等，限制了White池的应用范围。

Chernin池是在White池基础上改进的光学多通池，由5块反射镜构成，可以在镜面上形成偶数列、任意行的光斑分布，有效利用了腔镜面积，并且在实验中调节方便，可以根据需要随时改变吸收光程，但是其结构复杂，体积较大，限制了其在小型化仪器需求中的应用。

1964年，Herriott提出了用2个凹面反射镜组成结构简单、多次反射的光学装置的初步设想，分析了形成轨迹循环的条件并完成相应的实验验证，这个装置因此被命名为Herriott池。相比于White池，Herriott池光机结构更稳固，对热形变不敏感，体积小，安装简单，易于操作。