一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种测量气体浓度的光学装置。
【背景技术】
[0002] 随着经济的发展，人类对地球开发利用的速度远远超出了地球的可再生周期，因 而出现了许多环境问题，其中最严重的是空气质量问题。工业排放的废气、汽车排放的尾 气、煤炭的燃烧无不对空气造成严重的污染。所以我们需要对空气进行实时的监测，全面了 解空气的质量，以做出相应的对策。
[0003] 测量空气浓度的方法许多比如：色谱法、射线吸收法和光谱吸收法等。其中光谱吸 收法应用普遍，技术较成熟。多次反射池是吸收光谱学学系统中非常重要的一部分，特别是 在痕量气体检测中，根据朗伯-比尔（Lambert-Beer)定律，增加光和样品的作用距离，能增 大吸收信号的幅度，从而能有效地提高光谱探测灵敏度。
[0004] 最常用的光学长程池有White型光学长程池[1] John U. White. Long Opti cal Paths of Large Aperture. Journa I of the Optical Soc iety of America. 1942, 32 (5) : 285.和 Herriott 型光学长程池[2]D. Herriott，H. Kogelinik，R. Kompfner. Off-Axi s Paths in Spherical Mirror Interferometers. AppL Opt. 1964, 3(4) :523~526^其中White型长程池的特点是孔径角较大，适用于普通光源 和激光光源，但所用反射镜较多，至少三块，不利于调节，机械稳定性差。而Herriott型长 程池的光学系统由两个凹面反射镜组成，其特点是结构简单，光路调节相对容易，但孔径角 较小，适用于激光光源，所以目前吸收光谱学的研究多使用Herriott池。
[0005] Herriott池要求两块等焦距凹面镜平行且同轴。但在实际应用中难以使两凹面镜 的主光轴重合，并且微小的振动都会对其产生很大的影响。为此，多光程池向着易于调节、 较多的反射次数、小型化和机械稳定性好方向发展。比如：2000年郝绿原用凹面反射镜和 平面反射镜组成，只需调节两镜相对平行即可，简化了光学仪器的调节。2010年夏滑将其中 一块凹面镜分割成上下两半，实现了反射次数成倍的增加。最近B6la Tuzson研制出一个 体积只有40cm3的圆环型多光程池，通过调节入射角度，使圆筒中出现单圈循环反射，其等 效光程可达到4m。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS)技术，设计 出一种测量气体浓度的螺旋型的多光程装置，可以用于精确测量气体的浓度。
[0007] 本发明提供的一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置，包括激光光源模块、螺旋 型多光程池和输出信号检测模块，其中，所述螺旋型多光程池包括凹面螺旋光学腔，入射窗 口和出射窗口，所述凹面螺旋光学腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成； 所述激光光源模块射出的激光通过入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺旋式的来 回循环反射，由所述出射窗口出射，经输出信号检测模块进行检测；
[0008] 其中，所述凹面螺旋光学腔满足条件0 < R < r
[0009] 所述螺旋型多光程池还包括密封外盖，所述密封外盖位于所述凹面螺旋光学腔的 上下表面，所述密封外盖上设有进气口和进气口，所述进气口用于注入待测气体，所述进气 口用于对螺旋型多光程池进行真空吸收。
[0010] 所述激光光源模块包括激光温度电流控制器，激光器，所述激光温度电流控制器 用于控制激光器的温度和电流，从而达到波长的调谐。
[0011] 所述输出信号检测模块包括光电探测器、锁相放大器、和A/D转换电路，所述光电 探测器用于探测从所述输出窗口输出的光束，并将探测得到光信号转化为电信号，所述锁 相放大器对所述电信号进行放大和滤波以及解调成为模拟信号，所述A/D转换电路用于将 解调出的模拟信号转化为数字信号。
[0012] 此外，所述测量气体浓度的螺旋型多光程装置还包括高频调制电路和MCU (单片 微型计算机），所述高频调制电路用于对所述激光器输入高频率正弦波信号，以及为所述锁 相放大器输入高频率正弦波参考信号，所述锁相放大器通过所述高频率正弦波参考信号为 所述电信号进行解调；所述MCU用于为激光温度电流控制器输出低频三角波，以及对所述 A/D转换电路输出的数字信号进行采集与处理。
[0013] 此外，所述螺旋型多光程池还包括入射窗口密封阀和出射窗口密封阀，所述入射 窗口密封阀包括入射窗底盘、第一平面镜和入射窗顶盘，所述入射窗底盘有0-15°的倾斜 度，所述入射窗底盘密封安装在所述入射窗口上，所述第一平面镜通过所述入射窗顶盘密 封安装在所述入射窗底盘上；
[0014] 所述出射窗口密封阀包括出射窗底盘、第二平面镜和出射窗顶盘，所述出射窗底 盘有0-15°的倾斜度，所述出射窗底盘密封安装在所述出射窗口上，所述第二平面镜通过 所述出射窗顶盘密封安装在所述出射窗底盘上。
[0015] 此外，所述螺旋型多光程池还包括第一密封内盖和第二密封内盖，所述第一密封 内盖用于密封所述进气口，所述第二密封内盖用于密封所述出气口。
[0016] 此外，所述螺旋型多光程装置还包括薄透镜，所述薄透镜位于所述入射窗口前，用 于将所述激光光源模块射出的激光会聚到所述凹面螺旋光学腔的中心轴附近。
[0017] 本发明提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，运用了螺旋型多光程池，通过 光束在该螺旋型光程池中的多次循环反射，与现有技术相比，该装置能够在更小的体积下， 得到更长的有效光程，从而能有效地提高光谱探测灵敏度，提高吸收气体浓度测量的精确 度。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明提供的螺旋型多光程装置中，光线进入凹面螺旋光学腔后形成螺旋 式循环反射后射出的示意图；
[0019] 图2为凹面螺旋光学腔63的结构示意图；
[0020] 图3为本发明实施例一提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的示意图；
[0021] 图4为本发明实施例二提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的示意图；
[0022] 图5为本发明实施例三提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置所使用的螺旋 型多光程池的装配示意图；
[0023] 图6为本发明实施例三提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置所使用的螺旋 型多光程池的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 首先介绍一下螺旋型多光程池 6,如图1所示，该螺旋型多光程池 6包括一个凹面 螺旋光学腔63,凹面螺旋光学腔63外侧有一个圆筒62,凹面螺旋光学腔63和圆筒62上同 一位置开有入射窗口 61，凹面螺旋光学腔63及其内光束反射的示意图。当光线进入凹面螺 旋光学腔63后，会形成螺旋式循环反射，最后从出射窗口 64射出。
[0025] 如图2所示为凹面螺旋光学腔63的结构示意图，凹面螺旋光学腔63由曲率半径 为r的曲线沿径向半径R做螺旋式旋转而成。凹面螺旋光学腔63由可以看做多个凹面环 631螺旋叠加而成，其中凹面环631是以径向半径R和以轴向半径r(r即是曲率半径）螺 旋旋转而成，其螺距为d。凹面螺旋光学腔63的厚度忽略的情况下，R即是圆筒62的半径。 若径向半径R和曲率半径r相等，凹面环631是一个球面。
[0026] 要使入射光线在光学腔63中循环反射而不溢出。则要满足以下两个条件：
[0027] (1)根据光学腔原理，曲率半径r与圆筒62半径R应符合激光稳定腔的稳定条件， 即
[0028] 0 彡 glg2彡 1
[0029] (1)
[0030] 在凹面螺旋型光学腔中： ，则有，当0 < R < r时，可以满足光学激 光稳定腔的稳定条件。
[0031] 若不满足激光稳定腔的条件，则会出现池内光线反射幅度太大，不能充分利用光 学反射腔的反射面积。
[0032] (2)要使光斑被束缚在凹面环631面上，则在装置螺旋型多光程池6的入射孔61 前，需放置一个特定焦点的薄透镜5。入射光线65通过薄透镜5,使得光束会聚在圆筒62 的中心（即凹面螺旋光学腔63的中心轴）附近，然后光束再从中心附近发散，射到光学腔 63反射表面上，光线被反射回来，光束再在中心附近会聚，如此循环，光线在光学腔63中形 成稳定的来回反射，最后从出射孔射出。
[0033] 光线在光学腔63中形成的光线轨迹形如螺旋型如图2所示。参考图2,光线轨迹 由两个规则的曲线合成：
[0034] X = Acosnt
[0035] (2)
[0036] Y = Asinnt
[0037] (3)
[0038] 其中，A等于凹面环631的径向半径R，也等于圆筒62的半径，一等于两个相邻的 }% 凹面环631的间距d(即凹面螺旋腔的螺距），即ι凹面螺旋光学腔63中的光斑点落 在凹面环631中心线处，呈螺旋型轨迹。螺旋型光学吸收池的反射次数与与两凹面环631 的间距d (即凹面螺旋腔的螺距）有关，螺距d越小，螺旋的跨幅越小，导致光线填补更多的 镜面空间，使得较长的有效光程能够在小体积中循环反射，得到更多的反射次数。例如，在 一个径向半径R较小的螺旋型光学吸收池装置中，圆筒半径lcm，螺距d是1_，圆筒高度是 100cm。入射角度是1. 5°，穿过池内1000次，在314cm3的体积中，得到大约20m的有效光 程。假如圆筒62的半径不变，螺距d减小，能在更小的体积下，得到更长的有效光程。
[0039] 为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0040] 实施例一
[0041] 参见附图3,本发明实施例一提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，包括激光 光源模块1、薄透镜2,螺旋型多光程池6和输出信号检测模块5。螺旋型多光程池包括凹面 螺旋光学腔63,入射窗口 61和出射窗口 64,薄透镜2位于入射窗口 61前。
[0042] 激光光源模块1发出的激光，通过薄透镜2后由入射窗口 61进入凹面螺旋光学 腔，并会聚在螺旋型凹面螺旋光学腔63的