多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统的制作方法

本发明涉及气体吸收光谱定量分析技术领域，特别涉及一种多光程气体吸收腔及其痕量气体测量系统。

背景技术：

气体吸收光谱测量法是监控大气中浓度水平在百万分之一(partspermillion，以下简称ppm)体积分数到万亿分之一(partspertrillion,以下简称ppt)体积分数的痕量气体浓度的重要方法，其原理一般基于beer-lambert定律，即当一束平行光通过某一均匀非散射吸光物质时(如待测痕量气体)，其吸光度a(λ)与待测吸光物质的浓度c及探测光在吸光物质中通过的光程l成正比：

a(λ)＝ln[i0(λ)/i(λ)]＝ln[1/t(λ)]＝σ(λ)cl(1)

式(1)中的i0(λ)和i(λ)分别为某特定波长λ上的入射吸收样品前的光强和通过样品后的透射光强，t(λ)为待测样品的透射比，即透射光强度与入射光强度之比，σ(λ)称为吸收样品在特定波长λ上的吸收截面。大气中各种痕量气体的吸收截面数据可以通过查询hitran等标准气体数据库得到，在吸收光程l已知的情况下，通过测量光强通过样品前后的变化得到吸收度a(λ)，就可以根据式(1)反演出待测气体的浓度。可以看出，在探测器能够测得的最小吸光度一定，吸收截面σ(λ)已知的情况下，能够反演出的最小浓度与吸收光程成反比，即气体吸收腔内的吸收光程l越长，仪器能够测得的气体最小浓度就越低，检出限越低，仪器探测灵敏度越高，因此增大吸收光程l是提升气体吸收光谱测量仪器性能的常用方法。

环形腔也是chernin首先提出的多光程腔型，它仅由一个圆环形镜子组成，其内表面一般为球面，抛物面等具有聚焦光束能力的面型，光束从镜面侧壁上的入射孔以一定的入射角入射后，被另一端的镜面面反射聚焦，然后又发散开来，随后再次被镜面反射聚焦，经过一定次数(该次数仅与入射角相关)的反射后从出射孔出射，在腔内形成正多角星形的光束分布。

当出射孔的设置方式与入射孔重合时，此时入射光与出射光之间的夹角为入射角的2倍，这种情况下可以完全实现p-1(p为正多角星形的角数)次反射，且可以任意改变入射角度实现不同的反射次数，但当反射次数较大时，入射角相对较小，此时出射光束和入射光束在空间上高度重合，容易引起前置光学系统和后置光学系统之间的元件干涉。而且，现有技术中，为了增加光程，则减小入射角，此时正多角星形的角数会增多，则光斑间隔就会变小，因此干涉噪声就会增大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的发明目的是：在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下增大光程。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种多光程气体吸收腔，包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜几何形状完全相同，且自下而上累叠；

建立直角坐标系，以第一环形球面镜的曲率中心o1和第二环形球面镜的曲率中心o2的连线与两镜接合面垂直相交的交点为原点，以o1o2的连线为y轴，以两镜接合面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；

光束通过第一环形球面镜上的入射孔入射至腔内，在腔内y方向上的上下两个平面来回渡越2p-1次，形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，从第二环形球面镜上的出射孔出射。

本发明还提供了一种基于所述多光程气体吸收腔的痕量气体测量系统，该系统包括：前置光学子系统、多光程气体吸收腔和后置光学子系统；

所述前置光学子系统包括：激光光源和第一离轴抛物面镜；

所述后置光学子系统包括：第二离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜和探测器；

激光光源，用于将发出的准直激光出射到第一离轴抛物面镜上；

第一离轴抛物面镜，用于将所述准直激光进行聚焦后入射到所述多光程气体吸收腔中；

多光程气体吸收腔，用于将聚焦后的光束通过第一环形球面镜上的入射孔入射至腔内，在腔内y方向上的上下两个平面来回渡越2p-1次，形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，从第二环形球面镜上的出射孔出射；

第二离轴抛物面镜和第三离轴抛物面镜，用于将出射光束进行聚焦后发送到探测器上；

探测器，用于通过调谐激光光源的输出波长，记录不同波长的光强，得到腔内气体的吸收光谱。

由上述的技术方案可见，本发明的多光程气体吸收腔包括两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，上下堆叠而成，探测光束在镜面上形成的光斑均匀分布在两个平面上，形成两个正p角星形图样，此时光束在腔内的通过次数从传统环形腔的p增加到最多2p-1次，即在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下将光程增大了约一倍，避免干涉噪声增大的同时提升了镜面利用效率，有利于仪器的小型化、便携化；同时入射孔和出射孔分别在上下两个环形球面镜上，既有利于前置光学子系统和后置光学子系统在空间上分开，以避免元件之间的干涉。

附图说明

图1为本发明多光程气体吸收腔的结构示意图。

图2为示意有参数a和a的多光程气体吸收腔的结构示意图。

图3为示意有各参数的多光程气体吸收腔的俯视示意图。

图4(a)为现有技术环形多光程腔内光束传播在腔内壁上形成光斑的顺序。

图4(b)为本发明多光程气体吸收腔内光束传播在腔内壁上形成光斑的顺序。

图5(a)为基于新型多光程气体吸收腔的痕量气体测量系统结构示意图。

图5(b)为光束在y方向的上下两个平面来回渡越的过程示意图。

图6为本发明实施例建模仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例一

图1为本发明多光程气体吸收腔的结构示意图。该多光程气体吸收腔包括：两个内表面为球面，外表面为圆柱面的环形球面镜，分别为第一环形球面镜m1和第二环形球面镜m2，所述第一环形球面镜和第二环形球面镜几何形状完全相同，且自下而上累叠。

建立直角坐标系，以第一环形球面镜的曲率中心o1和第二环形球面镜的曲率中心o2的连线与两镜接合面垂直相交的交点为原点，以o1o2的连线为y轴，以两镜接合面为xoz平面，且光束的入射方向与z轴平行；

将波长范围覆盖待测痕量气体吸收峰的激光光源的出射光聚焦后通过第一环形球面镜m1上的入射孔入射至充满待测痕量气体的密闭多光程气体吸收腔内，在腔内y方向上的上下两个平面来回渡越2p-1次，形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，从第二环形球面镜m2上的出射孔出射。

其中，气体吸收腔由参数组来表征，可以参考图2和图3，图2为示意有参数a和a的多光程气体吸收腔的结构示意图。图3为示意有各参数的多光程气体吸收腔的俯视示意图。r为球面曲率半径；p,q为互质的正整数，用以确定光束在腔内来回反射所形成的两个正多角星形轨迹的形状，其中p为正多角星的角数，q为正多角星的边幅；d为气体吸收腔底面直径；h为环形球面镜高度；c为曲率中心与两镜接合面的垂直距离；a为入射/出射孔在内表面上的直径；a为入射/出射孔在外表面上的直径；为两个孔中心相对于o1o2连线在接合面上的投影所形成的夹角。

两个环形球面镜一上一下堆叠，其曲率中心o1和o2连线与水平面垂直，可以看出两个环形球面镜的曲率中心不在其几何中心处，而是更靠近两个环形球面镜的接合面，c即为两个环形球面镜曲率中心与其接合面的垂直距离，同时也是两个环形球面镜的反射光斑所在的平面与其曲率中心的垂直距离。

在选取参数时，首先根据所需要的总光程和腔的总体积大小选择r,p,q。为了尽可能减小仪器体积，r不宜选择过大；但r也不宜过小使得相邻反射光斑有所重叠，假设激光光源入射到多光程气体吸收腔入射孔的光斑直径为a0，则r,p需满足：

q为正多角星的边幅，指的是p等分环形球面镜圆周时，圆周劣弧被分割的段数。由于角数p一定时，边幅为q和p-q的正多角星形状完全相同，因此我们可以约定同理，q也可以指圆周优弧被分割的段数，此时也可以约定q>p/2。本发明实施例中约定一般在多光程气体吸收腔内，为了使得光束在经过2p-1后从m2上的出射孔以近似水平的方向出射，需要选取p＝4k+2(k＝1,2,3,...)，为了在p一定的情况下尽可能减小入射角，从而增大实现的总光程，减小像散，一般选取

θ0为光束的未修正前的入射角，该入射角由参数r,p,q决定，此时，未修正的入射角值为

当所需的光程为ldes时，r,p需满足(4p-2)rcosθ0≥ldes(4)

利用式(2)～(4)确定r,p,q参数后，即可以确定参数c的取值范围

以保证上下两层反射光斑不重叠(从而不增大干涉噪声)且光束在多光程气体吸收腔内能够稳定传播，直至按照设计好的反射次数反射完毕后从出射孔出射。

在式(5)限定的范围内根据加工精度等因素选定c的值。此时修正后的入射角的值为：

能够实现的最大光程为(二阶近似下)：

d的值一般关系到多光程气体吸收腔内球面的面型加工精度，一般选取但也不宜选择得过大从而使得环形球面镜加工的材料成本过高，仪器的体积、重量增大。

入射/出射孔在内壁上的直径a需要满足：

既能使入射/出射光束能够完全从开孔入射/出射，同时也使得相邻的反射次数所对应的反射光束不会从开孔处泄露出来。

入射/出射孔在外壁上的直径a需要满足a≥a+2(d-2r)sinθ(9)

才能够保证光束以角度θ入射/出射时不会打在入射孔的侧壁上造成光强的损耗。

环形球面镜的侧壁高度h需要满足

使得有足够的空间在环形球面镜侧壁相应的高度上打下满足式(9)尺寸大小的出射/入射孔。

图4(a)为现有技术环形多光程腔内光束传播在腔内壁上形成光斑的顺序。图4(b)为本发明多光程气体吸收腔内光束传播在腔内壁上形成光斑的顺序。两图中圆圈代表形成的反射光斑位置，圈中的数字代表形成的光斑的序号。两图中入射角θ相同，p＝14,q＝5。图4(a)中现有技术环形多光程腔中可实现p次渡越(p-1次反射)，每次光程为2rcosθ，因此可以实现的最大光程为2prcosθ；而图4(b)本发明多光程气体吸收腔中则最多可以实现2p-1次渡越(2p-2次反射，此时)，因此可以实现的最大光程约为(4p-2)rcosθ，相较于现有技术环形多光程腔，本发明多光程气体吸收腔在不改变光斑间隔(从而不改变干涉噪声)的情况下将光程提升了约两倍，从而在其它探测条件都相同的情况下对于痕量气体浓度的探测灵敏度增大了约两倍。

上述参数为入射孔和出射孔这两个孔中心相对于各自球面镜曲率中心连线在接合面上的投影所形成的夹角。参数决定光束在腔内反射的总次数，通过沿y轴同心地旋转第二环形球面镜m2，调节光束的出射孔位置，从而可以调节参数的大小，从而等间隔调节光束在腔内的总吸收光程长短。

例如图4(b)中所示的多光程气体吸收腔中，此时光束在腔内传播的总次数为2p-1＝27次，实现的总光程为(4p-2)rcosθ＝54rcosθ；

如果将调节为光束在腔内传播的总次数为2p-5＝23次，实现的总光程为(4p-10)rcosθ＝46rcosθ。总的来说，可以分别将调节到从而实现光束在腔内分别传播2p-(1+4n),(n＝0,1,2,...,q)次，总光程分别为[4p-2(1+4n)]rcosθ,(n＝0,1,2,...,q)，即实现了不改变入射角(从而光斑间隔不减小，干涉噪声不增大)前提下的等间隔总吸收光程调节。

实施例二

基于新型多光程气体吸收腔的痕量气体测量系统结构示意图如图5(a)所示，该系统包括：前置光学子系统、多光程气体吸收腔和后置光学子系统；

所述前置光学子系统包括：激光光源和第一离轴抛物面镜(离轴抛物面镜1)；

所述后置光学子系统包括：第二离轴抛物面镜(离轴抛物面镜2)、第三离轴抛物面镜(离轴抛物面镜3)和探测器；

激光光源，用于将发出的准直激光出射到第一离轴抛物面镜(离轴抛物面镜1)上；

第一离轴抛物面镜(离轴抛物面镜1)，用于将所述准直激光进行聚焦后入射到所述多光程气体吸收腔中；

多光程气体吸收腔，用于将聚焦后的光束通过第一环形球面镜上的入射孔入射至腔内，在腔内y方向上的上下两个平面来回渡越2p-1次，形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，从第二环形球面镜上的出射孔出射；

第二离轴抛物面镜(离轴抛物面镜2)和第三离轴抛物面镜(离轴抛物面镜3)，用于将出射光束进行聚焦后发送到探测器上；

探测器，用于通过调谐激光光源的输出波长，记录不同波长的光强，得到腔内气体的吸收光谱。

坐标系设定与图1相同。系统工作时，由激光光源发出的直径为a0的准直激光(发散角在mrad量级)由焦距为f1的离轴抛物面镜1(或其它有类似聚焦效果的元件组)聚焦后，从点处的入射孔(位于多光程气体吸收腔靠下的环形球面镜m1上)以一个入射角θ(θ为入射光束主光线与入射点处半径的夹角)入射至多光程气体吸收腔内，光束聚焦的焦点设置在入射主光线被多光程气体吸收腔内壁所切的弦长的中点处，随后再次发散，在多光程气体吸收腔其中一个环形球面镜的侧壁上反射后，再次在该次反射与下一次反射的中点处聚焦，如此循环往复，在两个环形球面镜上轮流发生多次反射，聚焦，发散，再反射过程，直至从腔的入射孔处再次出射，此时光束在腔内形成p等分两个环形球面镜圆周的两排在y方向上分开的反射光斑，其轨迹呈上下两层的p角星形状，图5(b)中展示了光束在y方向的上下两个平面来回渡越的过程(图5(b)中略去了除多光程气体吸收腔之外的元件)，随后从出射孔pout处出射。出射光由离轴抛物镜2、3(或其它有类似聚焦效果的元件组)聚焦到探测器上。通过调谐激光光源的输出波长，可以在探测器上记录下不同波长的光强，从而得到腔内气体的吸收光谱。

在实施例一中镜面结构参数以及用于前置聚焦离轴抛物面镜1，后置聚焦的离轴抛物面镜2、3的焦距f1,f2,f3都得以确定的基础上，可以计算出图5(a)所示的基于多光程气体吸收腔的痕量气体测量系统的结构参数，其中由于激光光源的出射光束基本可以视为平行光束，所以激光光源和离轴抛物面镜1中心之间的距离l1的大小基本不影响后续光路中光束的传播，所以该距离可以在满足实际光路中元件不冲突，整体仪器尺寸不过大这两个要求的情况下自由选取。

离轴抛物面镜1中心与多光程气体吸收腔入射孔的距离d1满足

d1＝f1-rcosθ(3)

使得光束聚焦在多光程气体吸收腔中心附近，光束入射点和第一次反射点所构成的弦长的中点处(即距离入射点和反射点距离均为rcosθ)，光束在该点聚焦后随即发散，在环形球面镜镜面上的第一次反射点对应的位置上反射，由于环形球面镜的内壁为凹球面，对光束有聚焦作用，其子午焦距为

所以光束在环形球面镜上的第一次反射可以视为一次二倍焦距成像，被球面镜聚焦所形成的聚焦点仍大致在环形腔中心附近，即第一次反射和第二次反射点的中点处，因此第一次反射聚焦后的光束又在腔中心附近发散，随后在第二次反射点处反射，再次进行一次二倍焦距成像，光束被聚焦于第二次反射与第三次反射点之间…以此类推，光束在多光程气体吸收腔内的每一次反射都可以视为一次二倍焦距成像，直至光束从出射孔出射。由于二倍焦距成像的物距和相距相等，即光束每次聚焦、发散和再聚焦之间的距离均为rcosθ，因此在环形镜面上形成的光斑大小也基本保持恒定不变，从而实现了光束的在整个腔内传输的过程中光斑大小保持稳定而不是持续弥散变大，避免了光能提前出射导致的损耗以及不同反射次数的光束同时被聚焦到探测面上形成干涉噪声。

多光程气体吸收腔出射孔与离轴抛物面镜2中心之间的距离d2则需要满足

d2＝f2-rcosθ(5)

使得在环形球面镜上最后一次反射后的光束在聚焦到最后一次反射点和出射孔所成弦长中心之后，从出射孔中出射，随后被离轴抛物面镜2反射，当d2满足式(5)时，该弦长中心恰好处于离轴抛物面镜2的焦点处，因此光束经离轴抛物面镜2反射后形成平行光束；进而离轴抛物面镜2，3之间的距离l2可以在满足实际光路中元件不冲突，整体仪器尺寸不过大这两个要求的情况下自由选取；离轴抛物面镜3与探测器之间的距离即为其焦距f2，使得平行光束聚焦在探测器上，形成光谱信号。

基于以上分析，我们可以在图1，2，3所给出的坐标系中计算本发明多光程气体吸收腔中两个环形球面镜m1,m2的曲率中心坐标及入射/出射孔坐标，以及系统中其它元件的中心坐标，以及入射该元件和从该元件出射后探测光束主光线的方向向量，从而唯一确定系统中各个元件的空间位置和朝向。

系统的核心器件多光程气体吸收腔由两个完全相同的环形球面镜m1,m2组成，其曲率中心坐标分别为o1(0,-c,0)和o2(0,c,0)；入射孔位于m1镜上，坐标为出射孔位于m2镜上，坐标为入射多光程气体吸收腔的主光线方向向量为(0,0,1)，从腔内出射的主光线方向向量为

激光光源为整个探测光路的起始，在本发明中激光光源的中心是指其发出的探测光束的出射点的中心，坐标为(l1-rsinθ,-2c,-f1)；其出射主光线方向向量为(-1,0,0)。

离轴抛物面镜1的中心坐标为(-rsinθ,-2c,-f1)，其入射主光线方向向量为(-1,0,0)，出射主光线方向向量为(0,0,1)。

离轴抛物面镜2的中心坐标为其入射主光线方向向量为出射主光线方向向量为

离轴抛物面镜3的中心坐标为其入射主光线方向向量为出射主光线方向向量为

探测器是整个探测光路的终点，其中心坐标为

入射主光线方向向量为

实施例三

选取参数组的值分别为(125mm,150,73,4.4mm,300mm,20mm,4mm,8mm,175.2089230179479^°)，

则由式(3)(6)可以计算出入射角θ＝2.395538491026053^°，腔内光束的通过次数为2p-1＝299次，实现的最大吸收光程为l＝(4p-2)rcosθ＝74.684675066345903m。离轴抛物面镜1,2采用edmund公司生产的#83-97型90°离轴抛物面镜，其有效焦距f1＝f2＝203.2mm；离轴抛物面镜3采用thorlabs公司生产的mpd029-f01，有效焦距f3＝50.8mm；探测器则采用滨松公司生产的s1226-18bq型硅光电二极管；从而可以根据式(3)(5)计算出d1＝d2＝78.309239019488430mm。激光光源与离轴抛物面镜1之间的距离和离轴抛物面镜2与离轴抛物面镜3之间的距离选取为l1＝l2＝50mm。根据以上参数可以计算出各个元件的位置与朝向如下。

m1,m2的曲率中心坐标分别为(坐标单位均为mm，下同)(0,-4.4,0)和(0,4.4,0)；入射孔坐标为(-5.221493906510009,-8.8,-124.8133646745583)，出射孔坐标为(15.627992654643503,8.8,123.9411386327655)；入射新型环形多光程腔的主光线方向向量为(方向向量均为无量纲，下同)(0,0,1)，从腔内出射的主光线方向向量为(0.166461628390264,0,0.986047933050753)。

激光光源为整个探测光路的起始，在本发明中激光光源的中心是指其发出的探测光束的出射点的中心，坐标为(44.775268264424369,-8.8,-203.2)；其出射主光线方向向量为(-1,0,0)。

离轴抛物面镜1的中心坐标为(-rsinθ,-2c,-f1)，其入射主光线方向向量为(-1,0,0)，出射主光线方向向量为(0,0,1)。

离轴抛物面镜2的中心坐标为(28.673166960292590,8.8,201.2346573485191)，其入射主光线方向向量为(0.166461628390264,0,0.986047933050753)，出射主光线方向向量为(-0.986047933050753,0,0.166461628390264)。

离轴抛物面镜3的中心坐标为-20.629229692245040,8.8,209.5577387680323)，其入射主光线方向向量为(-0.986047933050753,0,0.166461628390264)，出射主光线方向向量为(0.166461628390264,0,0.986047933050753)。

探测器中心坐标为-12.172978970019642,8.8,259.6489737670105)，入射主光线方向向量为(0.166461628390264,0,0.986047933050753)。

根据以上参数在光线追迹软件tracepro7.0.3中对该系统进行建模仿真，结果由图6所示。图中可以清晰看出分别在两个环形球面镜面上分布的两排共298个反射光斑，即探测光束按照实现设计的参数在腔内通过了299次，在1.963495408493620l的小体积内实现了l＝74.684675066345903m的长吸收光程。

综上，由实施例一和实施例二可以看出，当参数组唯一确定，且离轴抛物镜1、2、3的焦距f1,f2,f3也分别确定时，光束在本发明多光程气体吸收腔内的正多角星形轨迹的形状唯一确定，离轴抛物面镜1(或其它有类似聚焦效果的元件组)中心与多光程气体吸收腔入射孔的距离d1，多光程气体吸收腔出射孔与离轴抛物面镜2(或其它有类似聚焦效果的元件组)中心之间的距离d2等各个结构参数，以及本发明多光程气体吸收腔中两个完全相同的环形球面镜的形状与尺寸都可以唯一确定。同时，可以在本发明所给出的坐标系中计算本发明多光程气体吸收腔中两个环形球面镜m1,m2的曲率中心坐标及入射/出射孔坐标，以及系统中其它元件的中心坐标，以及入射该元件和从该元件出射后探测光束主光线的方向向量，从而唯一确定系统中各个元件的空间位置和朝向。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的多光程气体吸收腔相较于传统的环形多光程腔，光束在腔内的通过次数从传统环形多光程腔的p增加到最多2p-1次，即在不改变入射角，不减小光斑间隔的情况下将光程增大了约一倍，避免干涉噪声增大的同时提升了镜面利用效率，有利于仪器的小型化、便携化。

2)本发明入射孔和出射孔分别在上下两个环形球面镜上，既有利于前置光学子系统和后置光学子系统在空间上分开，以避免元件之间的干涉。

3)本发明可以通过旋转其中一个环形球面镜，调节入射孔和出射孔这两孔相对于球心的夹角，在不改变光束入射角的情况下简单实现光程的等间隔调节，以适应不同种类、浓度的痕量气体测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。