专利名称：一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种光学测量方法领域，具体涉及一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统。
背景技术：
常见的光学方法包括差分吸收光谱法(DOAS)、可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)以及傅立叶红外光谱法(FTIR)。其中TDLAS的检测限比DOAS和FTIR的检测限低许多，其缺点是二极管激光器波长可调谐范围较窄，测量气体种类单一，对不同气体检测时需要更换相应波长的激光器。因此，激光器的波长范围和探测器限制了它的使用范围。FTIR技术在红外光谱分析方面有明显的优势，一次可以获得全光谱(2 15um)的数据，不需要光谱扫描，光强利用效率高，没有分光元件，如光栅或棱镜；具有同时对多种气体检测的优点，但该系统造价昂贵，探测器需要冷却，设备体积庞大。差分吸收光谱技术(DOAS)是在20世纪70年代由德国Heidelberg大学环境物理研究所的U. Platt等人提出，该技术主要是以大气中的痕量污染气体对紫外和可见波段的特征吸收为基础，通过特征吸收光谱对大气污染气体进行定性识别和定量检测。DOAS技术是基于分子的宽带光谱吸收原理，利用空气中的污染成份对UV/VIS波段的吸收特征来定量分析，即每种污染气体都有其特点的吸收光谱，如同人的指纹一样。DOAS技术是一种遥测、连续的测量、具有高灵敏度、高时间分辨率、不破坏痕量气体特性等优点，因而可以避免一些误差源的影响。DOAS技术测量的是一段光程内的污染物的平均浓度，其测量灵敏度可以达到PPt量级，测量结果更具有代表性。而且DOAS技术一次可以采集较宽的光谱范围，可以同时得到几种污染物的浓度信息。同时测量多种成份、无需采样、高分辨率、高灵敏探测及有区域代表性的监测结果使得DOAS技术已广泛应用于大气痕量气体成份的探测及污染源监测。它容易操作，费用低廉，实时分析，全路径非接触测量，使得DOAS技术广泛应用于大气环境监测，与其他方法比较，DOAS技术有紫外探测器件体积小，容易做成便携式仪器，而且整体性价比较好。但传统DOAS系统较为复杂，不易便携，限制了它在污染重的区域、工厂、车间、室内以及污染泄漏事故中的移动快速应急监测。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术不足，提供一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，它将差分吸收光谱技术、多次反射池技术结合在一起，实现紫外吸收光谱的高效测量，在具有较低的检测下限的同时也满足便携式测量的目的，且能够满足移动快速的应急监测。本发明技术解决方案一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，包括紫外光源氘灯I、紫外光源准直光学系统、多次反射池光学系统、聚焦耦合光纤光学系统；所述紫外光源准直光学系统采用前后组透镜形式，前组透镜由第一准直光学系统镜片2构成，设计为一片正透镜，后组透镜由第二准直光学系统镜片3和第三准直光学系统镜片4构、成，设计为正负透镜组合形式的负透镜组；所述多次反射池光学系统采用三块曲率半径严格相同的凹球面反射镜共轭放置，其中一端放置一片反射主镜7，另一端并排放置两片反射次镜，即第一反射次镜5和第二反射次镜6 ;所述反射主镜7、第一反射次镜5及第二反射次镜6的曲率完全相同，曲率大小等于一端放置反射主镜7的中心和另一端放置第一反射次镜5及第二反射次镜6的中心彼此之间的间隔，所述间隔为多次反射池光学系统的腔长，所述腔长等于三片凹球面反射镜的曲率大小；第一反射次镜5、第二反射次镜6的曲率中心都在反射主镜7上,反射主镜7的曲率中心位于第一反射次镜5及第二反射次镜6的中心；所述聚焦耦合光纤光学系统为非球面聚焦透镜8 ，系统焦点位置放置耦合光纤9，耦合光纤9将非球面聚焦透镜8出射光束引入至光谱仪10的狭缝；紫外光源氘灯I经过紫外光源准直光学系统准直后的光束进入多次反射池光学系统进行多次反射；由多次反射池光学系统出射的光束经非球面聚焦透镜8聚焦汇聚，汇聚后的光束经过耦合光纤9，导入光谱仪10狭缝进行探测和处理。所述紫外光源氘灯I采用滨松氘灯L2-4000系列的L6565，光谱范围覆盖为180 400nm,发光面直径大小约为O 1mm。所述第一准直光学系统镜片2、第二准直光学系统镜片3和第三准直光学系统镜片4的材料采用紫外波段透过的玻璃材料构成，为熔融石英(JGSl)光学玻璃。所述第一准直光学系统镜片2、第二准直光学系统镜片3和第三准直光学系统镜片4均镀紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透过率。所述反射主镜7、第一反射次镜5及第二反射次镜6的表面均镀紫外反射膜，使反射主镜7、第一反射次镜5及第二反射次镜6的反射镜膜层的反射率在190 330nm范围内达到90%以上。所述非球面聚焦透镜8的材料采用紫外波段透过的玻璃材料，为熔融石英(JGSl)光学玻璃，非球面聚焦透镜8镀紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透过率。所述耦合光纤9的光纤数值孔径NA = 0. 22，光纤芯径为0 0. 4mm。所述光谱仪10是海洋公司的Maya2000pro或GratingWorks的HR03型的小型光纤光谱仪。本发明的原理本发明中的紫外光源氘灯采用滨松氘灯L2-4000系列的L6565，光谱范围覆盖为180 400nm，发光面直径大小约为O 1mm。由于氘灯光束发散角较大，需要对光束进行准直，才能进入多次反射池。只有保证氘灯光源出射光束具有较好的准直性，才能提高光束耦合进入多次反射池的效率。为了避免氘灯光束发散角过大造成的光斑发散，提高光束的传输距离，即降低光束发散角，提高准直性，设计光束扩束器来改善其发散角。这里采用前后组形式；前组透镜由准直光学系统镜片一构成，设计由一片短焦距正透镜构成，后组透镜由第一准直光学系统镜片和第二准直光学系统镜片构成，设计为正负透镜组合形式的负透镜组。紫外光源准直光学系统将准直后的光束耦合进入多次反射池光学系统。根据Lambet-Beer定律测定气体浓度的原理，加长探测光程可以提高检测灵敏度。为了满足便携式需要，本发明采用多次反射池装置来达到增加光程的目的，即入射光在其中来回反射，有效光程显著提高。这里的采用三块曲率半径严格相同的凹球面反射镜5、6、7共轭放置，其中一端放置反射主镜7，另一端并排放置反射次镜5和6。如图2所示，反射主镜7和两个反射次镜5、6的曲率半径相同，反射主镜和反射次镜之间的中心间隔和曲率半径相等，这样反射主、次镜之间就形 成了一个共焦腔，光束在反射主镜和两片反射次镜之间来回反射，达到增大光程的目的。多次反射池中有三个曲率半径完全相同的凹面镜，由于采用反射镜，因此不存在色差问题，这是透镜系统无法比拟的。对于球面镜来说，若孔径光阑置于球心处，由于任一主光线(通过光阑中心)都可以作为此物镜的光，因此任一角度投射到物镜上的光束，其像质都和轴上点像质一样，这样整个视场范围内都可以得到均匀良好的像质。从多次反射池光学系统出射光通过聚焦耦合光纤光学系统，最后由光纤导入光谱仪狭缝。本发明采用非球面聚焦透镜8对多次反射池光学系统出射的光束进行汇聚，汇聚光束耦合进入光纤9导入光谱仪10进行探测。本发明设计用耦合光纤9的芯径为Φ0. 4_、数值孔径NA = O. 22。由于出射光束本身发散角较大，轴外像差过大，很难形成较小光斑，从而导致能量损失。而非球面具有校正像差功能，本发明利用非球面聚焦透镜8作为简单有效的物镜形成耦合光纤的聚焦系统。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明将差分吸收光谱技术、多次反射池技术结合在一起，解决了差分吸收光谱法监测过程中不易便携的困扰。特别是是利用多次反射池技术代替了开放式光路，多次反射池可以使光束在小体积内完成多次反射，使气体的吸收光程得到显著增加，从而进行对污染气体进行有效探测。(2)本发明体积相对较小，重量相对较轻，造价成本相对较低、实现相对容易。通常类似的测量系统都比较笨重，体积相对较大，限制了它在污染重的区域、工厂、车间、室内以及污染泄漏事故中的移动快速应急监测。本发明是一种基于便携式测量的光学系统，体校相对较小、重量也较轻，造价成本相对较低，探测器也不需要冷却，系统较易实现。本系统能够比较灵活、机动地应用于一些特殊的污染区域，从而满足移动快速的应急监测。(3)本发明的光学系统有效能量利用效率高。本发明中所设计的紫外光源准直光学系统能够对紫外光源进行有效的准直，从而使得进入多次反射池的能量尽可能提高；本发明所设计的多次反射池光学系统中采用了一种高效紫外反射膜技术。这里采用铝膜作为镜面膜层，实现在较宽波段都能达到较高反射率要求，但是作为偏紫部分的波段，如220nm以前的波段，想达到很高的反射率需要在镀膜时采用一定的工艺要求(如镜面抛光、镀膜时真空度要求)，在190 330nm都能达到90%左右的反射率，这个反射率在国际上属于领先水平。另外，所设计的聚焦耦合光纤光学系统采用非球面聚焦透镜，使得光束能量能更好地耦合进入光纤。综上所述，上述发明使得进入光谱仪的有效能量大为提高。(4)本发明系统结构紧凑。将多次反射池光学系统和紫外光源准直光学系统及聚焦耦合光纤光学系统有机结合起来。国外目前某些装置中，氘灯光源是由光纤导入准直光学系统进入反射池，这里采用氘灯直接通过准直系统进入反射池光学系统，对整体系统的信噪比提高有显著改善。(5)本发明可以根据实际探测需要，通过调整光程来获取所需检测物质的检测灵敏度，从而较为方便地实现监测不同的目标物。即为了降低系统的检测下限使之能够满足对痕量气体的检测要求，可根据实际测定气体浓度的原理，来加长探测光程提高检测灵敏度。本发明中所涉及的多次反射池光学系统可通过调整，方便的实现反射次数的控制，达到所需光程，从而满足其检测不同污染气体的检测下限。
图I为本发明的光学系统结构示意图；图2为本发明的多次反射池光学系统示意图；图3为本发明的多次反射池光学系统中反射主镜像斑示意图；图4为本发明的多次反射池光学系统中反射主镜加工示意图；图5为本发明的多次反射池光学系统中反射次镜加工示意图；图6为本发明多次反射池镀膜反射率实测曲线图。
具体实施方式
如图I所示，本发明包括紫外光源氘灯I、紫外光源准直光学系统、多次反射池光学系统、聚焦耦合光纤光学系统。紫外光源氘灯I发出紫外波段光束，由于氘灯发光是面光源，发散角较大，必须对其进行准直，才能提高进入后续的多次反射池光学系统的有效能量。紫外光源准直光学系统采用前后组形式，前组透镜由一块短焦距正透镜构成，将氘灯的发散光束先进行初步准直，并保证一定的物方孔径角，尽可能多的接受光能量，后组透镜采用正负透镜组合形成的负透镜组用来矫正球差。本发明中的三片透镜2、3、4均采用石英(JGSl)玻璃，各表面均镀190 330nm的紫外增透膜，从而更好地提高紫外光束的透过率。第一准直光学系统镜片2为直径O IOmm的双凸透镜，两面的曲率都是35. 16mm，后两块透镜，即第二准直光学系统镜片3和第三准直光学系统镜片4的直径为O 12mm的正负组合透镜组，一块是弯月形式的负透镜，另一块是平凸的正透镜。通过控制三块准直光学透镜的彼此间距以及各自镜片的厚度，可以使得氘灯光束被较好的准直，其发散角大约控制在1°左右。当光束经透镜组准直后，由直径O 12_的入射光阑进入多次反射池光学系统，多次反射池光学系统采用三块曲率半径严格相同的凹球面反射镜5、6、7共轭放置，其中一端放置一片反射主镜7，另一端并排放置两片反射次镜，即第一反射次镜5和第二反射次镜6，反射主镜7、第一反射次镜5及第二反射次镜6的曲率完全相同，第一反射次镜5及第二反射次镜6的曲率中心F2、F3在反射主镜7的前表面上，反射主镜7的曲率中心Fl位于第一反射次镜5及第二反射次镜6的中心。反射主镜7与第一反射次镜5及第二反射次镜6的中心间隔等于凹球面反射镜的曲率半径R，也等同于多次反射池的腔长。这样反射主镜与两个反射次镜之间就形成了一个共焦腔。当光束进入多次反射池光学系统后，在三块反射镜形成多次反射。多次反射池的反射次数可由下面进行计算如图2所示为多次反射池光路示意图，图中进入多次反射池光束距反射主镜7中心长为a，第一反射次镜5、第二反射次镜6在反射主镜7上的曲率中心F2、F3距反射主镜7中心长分别为b、c，如果光束在多次反射池中的反射次数为n，则反射主镜7上成像斑点数为
「 I Ar Tl-fIN =-
2当F2、F3到反射主镜7中心距离相等即b = c时有
「 nn — 2a =-xb
2当F2、F3到反射主镜7中心距离不相等时有
a = nX (b+c)理论上只要b、c的任意组合相加是入射点到光轴距离的η分之一，则可以实现多次反射池内η次反射。因此，可以通过调节F2、F3之间的距离来达到调节多次反射池的反射次数。实际调节F2、F3之间的距离是靠调节第一反射次镜5、第二反射次镜6的俯仰、偏转的二维调整来实现的。多次反射池内气体吸收光程由公式计算La = nXL = 2 (N+l) XL 其中N为反射主镜上光斑的个数，L为多次反射池的腔长。考虑到系统便携及所测气体要求，这里设计多次反射池腔长为600_，多次反射池腔长即一端反射主镜7的中心和另一端的第一反射次镜5、第二反射次镜6的中心之间的间隔，来回反射40次，整个气体吸收光程为24m，由公式可得N = 19。本发明设计中反射主镜7上的像斑点阵图如图3所示，偶数个斑点在反射主镜7的镜面上面一排，奇数个斑点在反射主镜7镜面下面一排。F2和F3为第一反射次镜5及第二反射次镜6曲率中心在反射主镜7上的位置，F2与F3的间距决定光束在反射池中反射次数和像斑点的均匀程度，可以通过调节F2、F3之间的间距，来调节反射光斑在反射主镜7上的列数，间距越小，反射的光斑列数越多，光程也越长，通过这种方法可以方便调节光束在反射池中的反射次数。当保证多次反射池内来回反射40次时，反射主镜7的镜面上排像斑数为9个，下排像斑数应为10个，光斑直径大小为10mm。因此反射主镜7的口径设计为120x60mm。对于第一反射次镜5及第二反射次镜6，考虑到光束发散角以及加工误差，其口径确定在50x60mm。这里反射池的具体加工如图4、图5。图4反射主镜7的阴影部分是光斑主要分布位置，因此镀膜时需要保证都有膜层，镀膜的工装夹具不能夹持在这里，否则会影响反射率。在反射池中光强的损失主要是由气体吸收和镜片的反射率不高造成，光束在腔体内来回反射40次后，要使得出射光强足够强，便于提高探测系统的信噪比，这对紫外镀膜技术提出很高要求。反射主镜7、第一反射次镜5、第二反射次镜6的基片选用K9玻璃，尽可能保证抛光达到良好的光洁度，便于提高镀膜效率。由于镀膜波段过宽，采用镀增强铝膜的方式来提高反射率，其对紫外190 330nm波段反射率约为90%，如图6。实际调试时，考虑到紫外光源成像光斑无法观察，一般会用可见光作为光源来观察反射主镜上光斑数，以确定其反射次数，获取实际光程。多次反射池光学系统出射光经非球面聚焦透镜8聚焦耦合进入光纤，导入光谱仪10狭缝。现用光纤芯径为Φ0. 4mm、数值孔径NA = O. 22。由于出射光束本身发散角较大，轴外像差过大，很难形成较小光斑，从而导致能量损失。非球面聚焦透镜8具有校正像差功能，利用非球面聚焦透镜8作为简单的物镜形成耦合光纤9的聚焦系统。本发明选用的非球面聚焦透镜8的具体参数是，通光孔径Φ24πιπι，中心厚度5. 75mm，焦距是50mm，偏心率e2=-O. 59，材料选用JGS1，透镜表面镀190 330nm紫外增透膜。总之，本发明是一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，是一种差分吸收光谱技术与多次反射池技术的结合。本发明致力于针对多种污染气体实时监测所提供的一种新的光学系统。多次反射池代替了开放式光路，可使光束在多次反射池小体积内完成多次反射，使气体的吸收光程得到显著增加。因此，系统不仅易于便携，而且具有较低的检测下限。本发明尤其在紫外吸收光谱的获取上采取了很多新的设计方法，如在紫外光源的准直和多次反射池出射光聚焦耦合进入耦合光纤均采用了新的设计方法来确保高效紫外吸收光谱的获取。另外，从多次反射池的反射镜镀膜效率来看，在190 330nm的范围内，能实现90%左右的反射率，从而在紫外吸收光谱上达到一种高效测量。此外，通过第一反射次镜5、第二反射次镜的二维调整，来达到光束在多次反射池内反射次数的变化，从而实现不同的光程来获取不同污染程度的环境气体的检测。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述的光学系统包括紫外光源氘灯(I)、紫外光源准直光学系统、多次反射池光学系统、聚焦耦合光纤光学系统；所述紫外光源准直光学系统采用前后组透镜形式，前组透镜由第一准直光学系统镜片(2)构成，设计为一片正透镜，后组透镜由第二准直光学系统镜片(3)和第三准直光学系统镜片(4)构成，设计为正负透镜组合形式的负透镜组；所述多次反射池光学系统采用三块曲率半径严格相同的凹球面反射镜共轭放置，其中一端放置一片反射主镜(7)，另一端并排放置两片反射次镜，即第一反射次镜(5)和第二反射次镜(6);所述反射主镜(7)、第一反射次镜(5)及第二反射次镜(6)的曲率完全相同，曲率大小等于一端放置反射主镜(7)的中心和另一端放置第一反射次镜(5)及第二反射次镜￠)的中心彼此之间的间隔，所述间隔为多次反射池光学系统的腔长，所述腔长等于三片凹球面反射镜的曲率大小；第一反射次镜(5)、第二反射次镜(6)的曲率中心都在反射主镜(7)上，反射主镜(7)的曲率中心位于第一反射次镜(5)及第二反射次镜(6)的中心；所述聚焦耦合光纤光学系统为非球面聚焦透镜(8)，系统焦点位置放置耦合光纤(9)，耦合光纤(9)将非球面聚焦透镜(8)出射光束引入至光谱仪(10)的狭缝；紫外光源氘灯(I)经过紫外光源准直光学系统准直后的光束进入多次反射池光学系统进行多次反射；由多次反射池光学系统出射的光束经非球面聚焦透镜(8)聚焦汇聚，汇聚后的光束经过耦合光纤(9)，导入光谱仪(10)狭缝进行探测和处理。
2.根据权利要求I所述的便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述紫外光源氘灯(I)采用滨松氘灯L2-4000系列的L6565，光谱范围覆盖为180 400nm，发光面直径大小约为O 1mm。
3.根据权利要求I所述的便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述第一准直光学系统镜片(2)、第二准直光学系统镜片(3)和第三准直光学系统镜片(4)的材料采用紫外波段透过的玻璃材料构成，为熔融石英(JGSl)光学玻璃。
4.根据权利要求I或2所述的便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述第一准直光学系统镜片(2)、第二准直光学系统镜片(3)和第三准直光学系统镜片(4)均镀紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透过率。
5.根据权利要求I所述的便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述所述反射主镜(7)、第一反射次镜(5)及第二反射次镜(6)的表面均镀紫外反射铝膜，使反射主镜(7)、第一反射次镜(5)及第二反射次镜(6)的反射镜铝膜层的反射率在190 330nm范围内达到90%。
6.根据权利要求I所述的便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述非球面聚焦透镜(8)的材料采用紫外波段透过的玻璃材料，为熔融石英(JGSl)光学玻璃，非球面聚焦透镜(8)镀紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透过率。
7.根据权利要求I所述的便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述耦合光纤(9)的光纤数值孔径NA = 0. 22，光纤芯径为￠0. 4mm。
8.根据权利要求I所述的便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，其特征在于所述光谱仪(10)是海洋公司的Maya2000pro或GratingWorks的HR03型光谱仪。
全文摘要
一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，由紫外光源准直光学系统、多次反射池光学系统、聚焦耦合光纤光学系统组成。紫外光源准直光学系统由紫外光源和三片透镜构成；多次反射池光学系统采用三块曲率半径相同的凹球面反射镜共轭放置；聚焦耦合光纤光学系统利用非球面单透镜将出射光束聚焦耦合进光纤，继而导入光谱仪进行探测。本发明提高整体系统的探测分辨率，保证测量准确性，且整体光学系统便携紧凑。
文档编号G01J3/10GK102636265SQ20121011318
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者司福祺, 江宇, 秦敏, 谢品华, 陈军 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院