一种基于快反镜的三角环形衰荡腔自动对准装置及方法与流程

本发明属于环境痕量气体探测、光腔衰荡光谱，尤其是涉及一种基于快反镜的三角环形衰荡腔自动对准装置及方法。

背景技术：

1、光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy，crds)技术是吸收光谱技术中的一个重要分支，在痕量气体探测领域有着重要的应用价值。它通过谐振吸收腔的使用，在较小的体积下实现了接近万米的吸收光程，探测精度在近红外波段实现了ppb（part perbillion）量级的探测，在中红外波段可以实现ppt (ppt part per trillion )。因此，其具有高精度、体积小、环境适应性强等优势。光腔衰荡光谱技术被应用于需要快速检测的领域，如医疗诊断、光谱分析等，各种严苛环境，如深海、大气、空间等领域；如今被大量应用于环境检测领域。

2、现有的腔衰荡光谱装置的核心结构光学谐振腔多采用直腔结构，直腔具有稳定性强、装调便捷等优势，却存在无法有效抑制光反馈、存在标准具效应等劣势。采用三角腔的腔衰荡光谱装置有效改善这些问题，但同时却带来了装调过程复杂，对准精度低、稳定性差等问题。

3、现有的光腔衰荡光谱系统的光学对准流程，第一阶段是实现腔体光轴的自对准，第二阶段是光源光轴与腔内光轴的精确匹配和对准。光轴匹配和对准的质量直接决定仪器的探测精度。现有对准步骤中通常分为粗调和精调两个步骤，粗调环节，实现光轴的对准后，可以初步建立谐振，探测到腔内光强跃迁的谐振现象；精调对准阶段，目的是实现光轴的高精度匹配，通过观测衰荡时间的长短，同步进行手动对准。现有的装调对准方法存在以下缺点：1、在粗调过程中需要监测腔内光强的同时手动调节对准镜，实现腔内外光轴的对准和谐振现象的初步建立，手动调节过程中调节步长和调节精度无法精确控制且效率较低；2、在精调过程中衡量对准性能通常为衰荡时间的长短，该信息无法准确获取的失调误差的存在平面以及该平面的调整方向；且在手动精调过程中需要比粗调更高的调节精度，手动调节方法更加难以控制。

4、现有的腔衰荡光谱系统在实际应用过程中会由于环境振动变化，发生对准关系的破坏，手动调节方案需要拆机装调，存在效率低和周期长的缺点。

5、中国专利cn109580541a公开一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法，所述测量装置包括用于产生激光光束的激光光源，调制光路机构，用于接收经过调制光路机构调制后的激光光束并将激光光束发生干涉叠加的无源谐振腔，用于接收所述干涉叠加后的激光光束并产生电信号的光学外差探测机构，接收所述电信号并判断所述电信号与预设阈值的关系的数据处理机构，若电信号大于所述预设阈值时，数据处理机构发出关断所述激光光源的指令并通过数据采集电路采集、描绘衰荡曲线及计算待测痕量物质浓度。该测量装置及方法能够提高测量精度、操作简单且成本低。但是，并未针对三角腔衰荡腔的对准问题提出解决方案。

6、中国专利cn116539281a公开一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置及测量方法，所述测量装置沿光源入射方向至光源出射方向依次设置的激光光源、准直匹配对准光路、无源三角谐振腔、聚焦镜、探测器和数据采集记录分析机构；激光光源用以实现光源的出射和光源波长的扫描；无源三角谐振腔用以接收光源能量实现谐振峰值的建立，准直匹配对准光路用以将光源的光束特性与无源三角谐振腔的光束特性进行匹配；探测器用于获取无源三角谐振腔出射光的能量；数据采集记录分析机构用于获取光源光轴与无源三角谐振腔内光轴之间的倾斜与轴平移误差；无源三角谐振腔上还连接有谐振建立机构和腔长伺服控制机构，谐振建立机构用于扫描腔长并使无源三角谐振腔满足谐振条件，腔长伺服控制机构用以实现腔长调节。但是，失调误差获取方案只能用于误差信息的指示，无法用于腔衰荡光谱设备装调效率的提高，无法弥补装调过程复杂，且使用过程中高精度光路被破坏后无法自动对准。

7、中国专利cn218585094u公开一种大行程高带宽快反镜结构，包括基座，所述基座上端中部安装有连接轴，所述连接轴顶端连接有镜座，所述镜座上端中部安装有反射镜，所述镜座底端四角处安装有音圈电机磁铁，所述音圈电机磁铁上端中部安装有压电陶瓷，所述基座上端正对所述音圈电机磁铁处安装有音圈电机线圈，所述基座上端位于所述连接轴一侧安装有角位移传感器；使用时音圈电机线圈和压电陶瓷可以推拉镜座使其产生两轴的角度旋转，同时角位移传感器的作用下可以测量镜座的角度偏转量并反馈给控制系统，外部集成控制算法的驱动控制系统可根据角度测量值闭环控制驱动元件使反射镜实现可控角度偏转。但是，对于上述反射镜的角度调整不是基于子午和弧矢双平面的调整，没有建立对两个平面角度调整的精确控制，且其获取误差是通过角位置传感器。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于快反镜的三角环形衰荡腔自动对准装置及方法，其通过配合失调误差的获取系统，能够实现腔衰荡光谱系统由粗调至精调的自动化高精度对准。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于快反镜的三角环形衰荡腔自动对准装置，其包括激光光源、光路机构、快反镜对准镜组、三角环形无源谐振腔、聚焦镜、探测器、数据采集记录分析机构，其中，

4、所述激光光源，用于产生激光光束的光源；

5、所述光路机构，用于对所述激光光束进行准直、匹配、分光调整；

6、所述快反镜对准镜组，设置在光路机构与三角环形无源谐振腔之间，用于对经光路机构调整后的光束进行倾斜失调误差和轴移失调误差对准、子午与弧矢平面的调节、大量程粗调、精调；

7、所述三角环形无源谐振腔，用于接收经快反镜对准镜组对准的光束，并将所述光束在所述无源谐振腔发生干涉叠加；

8、所述聚焦镜，用于对所述三角环形无源谐振腔出射光束聚焦并射出；

9、所述探测器，用于接收所述聚焦镜射出的激光光束并产生电信号；

10、上述数据采集记录分析机构，用于接收所述探测器的电信号，并进行所述无源谐振腔衰荡时间的记录，衰荡时间为在所述无源谐振腔内光强达到阈值光强后，关断激光光源，光强下降到阈值光强1/e的时间，e为数学常数，是自然对数函数的底数。

11、进一步地，上述的快反镜对准镜组包括第一快反镜、第二快反镜，第一快反镜、第二快反镜结构相同，二者平行且间隔设置；所述第一快反镜包括反射镜、镜座、底座，所述反射镜固定安装在所述镜座上开设的凹槽中，所述镜座位于所述底座上方，且与之平行布置；所述镜座与所述底座之间垂直设置有沿底座圆周方向依次间隔均匀分布的第一刚性弹簧支撑轴、第二刚性弹簧支撑轴、第一调节轴、第二调节轴，所述底座与所述镜座中央垂直设置有与二者铰接的主支撑轴。

12、更进一步地，上述的第一快反镜、第二快反镜同角度倾斜设置。

13、更进一步地，上述的第一调节轴、第二调节轴结构相同，均由音圈电机和第一压电陶瓷组成，所述第一压电陶瓷安装在音圈电机上端中部。

14、进一步地，上述的光路机构包括准直镜组、匹配镜组、分光镜，所述准直镜组、匹配镜组、分光镜依次设置在所述激光光源的输出光轴上。

15、进一步地，上述的三角环形无源谐振腔包括位于腔体内的输入耦合镜、输出耦合镜、球面镜，所述平面结构的输入耦合镜、输出耦合镜位于腔体内顶部，所述球面镜通过第二压电陶瓷设置在腔体内底部，所述输入耦合镜、输出耦合镜、球面镜之间的光路形成三角腔闭合光轴回路；所述腔体具有进气口、出气口，且进气口处设置有气体过滤器。

16、更进一步地，上述的球面镜连接有腔长伺服控制机构，用于调整所述球面镜与所述输入耦合镜、输出耦合镜之间的距离。

17、进一步地，上述的光路机构连接有失调误差自动获取系统，用于扫频对比所述三角环形无源谐振腔内光与光源光的模式特征，给出所述三角环形无源谐振腔中失调误差存在的平面和类型。

18、更进一步地，上述的失调误差自动获取系统、快反镜对准镜组与主控系统连接，所述主控系统用于将失调误差的对准方式传输至所述快反镜对准镜组。

19、一种基于快反镜的三角环形衰荡腔装调对准方法，其包括以下步骤：

20、s1、使三角环形无源谐振腔的光路满足闭合光轴特性：激光光源发射激光光束入射到三角环形无源谐振腔内的输入耦合镜，然后被输出耦合镜再次反射，反射光入射到球面镜上并被原路反射回输入耦合镜，最终再由输出耦合镜射出腔外，形成初始衰荡光腔；通过设计三角环形无源谐振腔的闭合光轴回路中三角腔的腔长、腔角及球面镜的曲率满足谐振腔稳定条件及闭合光轴条件；

21、s2、激光光源发射激光光束经过光路机构进行准直、匹配、分光调整，再经手动调节快反镜对准镜组进行初步对准，使调整后的光源光路与三角环形无源谐振腔光路完成初步对准；

22、s3、通过快反镜对准镜组中的音圈电机进行大行程粗调，配合与球面镜连接的腔长伺服控制机构，初步建立谐振现象；探测器观测到三角环形无源谐振腔内光强的跃迁；

23、s4、建立阈值光强后，对衰荡事件进行扫描；通过失调误差自动获取系统扫频对比三角环形无源谐振腔内光与激光光源光的频域特性，获得存在失调误差的平面和失调类型；

24、s5、获取到误差信息后，主控系统通过控制快反镜对准镜组中的第一调节轴中的第一压电陶瓷实现子午平面的倾斜对准，通过第二调节轴中的第一压电陶瓷实现弧矢平面的倾斜对准；第一快反镜、第二快反镜同角度倾斜设置实现轴移误差的对准。

25、进一步地，上述的基于快反镜的三角环形衰荡腔装调对准方法，其还包括：

26、步骤s6、使用过程中出现光路破坏后，需要再次进入步骤s4，读取失调误差的量级，进行判断；若音圈电机扫描调节中无法建立谐振，被判断为破坏性损伤，需要手动调节，则进入步骤s2；若扫描过程中再次建立谐振，被判断为一般性损伤，回到步骤s4，重新进入精调步骤。

27、由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

28、该基于快反镜的三角环形衰荡腔自动对准装置，其在粗调阶段通过大行程的轴移机构实现谐振现象的快速建立，在精调阶段配合失调误差自动获取系统，通过实时获取两个正交平面的失调误差信息，配合第一、第二快反镜，实现子午和弧矢两个各自平面的倾斜和轴移失调误差的对准，实现衰荡时间的最优化建立；配合失调误差自动获取系统实现失调误差的自动对准，有效解决了现有手动对准方案效率低，无法实现自动化对准的问题；在整机阶段，对于光轴破坏后的再次装调过程中，无需拆机，能够实现光轴的自动对准。