利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，属于光学领 域。
【背景技术】：
[0002] 光束穿过大气时，大气中的气溶胶粒子吸收光辐射能量，引起光束传输路径上空 气热状态如温度、气压和密度等发生变化。如果入射光束受到周期性调制，空气的局部热状 态就产生周期性的变化，测量单位时间内这种变化随调制入射光的线性波动范围，能够实 时获得待测气溶胶的吸收系数。光热干涉方法就是建立在入射激光辐射能量热转换导致样 品气体折射率改变的基础上实现探测的，不同于一般吸收光谱的是，提高入射光功率能够 提高光热干涉方法的探测灵敏度。由于光热干涉方法测量的是光吸收的热扩散结果，该结 果对气体成分的散射和反射不敏感，因此光热干涉方法在散射和反射共存的介质中的吸收 测量较消光扣除散射获得吸收特性的差分法更为准确。
[0003] 空气温度状态的改变引起光束路径的折射率或者说光程产生微小变化，该变化 量可以通过相位检测的方法得到。光热干涉法通过调制激励激光加热探测激光光路上的 气溶胶粒子实现相位改变。纵观光热干涉法的进展，激励激光对探测激光的作用方式分为 同轴式结构和掠射式结构两类。同轴式结构通常将波长差别较大而不能形成干涉的激励 激光和探测激光放置在同一光路上，在该光路的适当距离处固定一平面反射镜，该反射镜 所选择材料反射激励激光而透过干涉光束，从而实现二者分离。CampilloAJ(1982)等 采用同轴式结构，利用Fabry-Perot干涉仪结构进行了痕量气体的探测，激励激光与干涉 光通过同一分光镜以同轴方式进入Fabry-Perot腔中，在出射端米用滤光片将二者分离， 该方法获得的吸收系数能够达到1〇_5!^量级。LinHB(1985)等采用同轴式结构，将利用 Mach-Zehnder干涉仪结构的痕量气体探测技术引入气溶胶吸收系数探测领域，成功实现了 对硫酸铵气溶胶吸收的原位测量，该结构通过在样品池两侧分别以一定角度放置一个半 反半透镜，从而实现激励激光与探测激光的同轴耦合与分离，实验获得的吸收系数探测灵 敏度达到了lOlT1量级。同轴式结构的优点是空间利用率高，但激励激光对平面反射镜的 热效应所导致的局部形变，对本就非常微弱的吸收系数（1(T6~IO^iT1)的测量带来不利影 响。掠射式结构是将激励激光对探测激光以较小夹角产生作用，夹角大小依据实际设计而 定，越小越有利于加大有效作用距离，OwensMA(1999)等采用掠射式结构，成功通过Jamin 干涉仪对氨气进行了探测。Jamin干涉仪由两个平行Jamin板构成，其间以一定角度放置两 个表层镀金金属板，激励光束经过两金属板反射进出干涉仪，金属板带有小孔，可让探测光 束通过，从而实现激励激光与探测激光的小角度重合，根据吸收特性对氨的测量精度达到 10 1~102ppt。SedlacekAJ(2005)等采用掠射式结构，通过对折返Jamin干涉仪结构进 行了改造，创造性的将角反射器分为前后两部分，并通过压电陶瓷来连接，成功的解决了干 涉仪振动敏感性问题，其通过在角反射器与Jamin板间放置两个小的直角棱镜，使激励激 光与探测光束成1~2°角，当样品长度为5cm时，获得的最低探测灵敏度达到4XlCTm1。 掠射式结构避免了反射镜因激励激光导致的热形变，但有效作用距离往往由于激励激光和 探测激光夹角的存在而受到限制，而夹角继续减小的空间已经很小。
[0004] 根据光热干涉基本原理，在系统其它参数一定的条件下，光热干涉法探测气溶胶 吸收系数的灵敏度与有效作用距离成反比，即有效作用距离越长，该方法的探测灵敏度越 高。无论是同轴式结构还是掠射式结构，截至目前激励激光对探测激光作用均为一次最多 两次，有效作用距离受到严重制约，阻碍了光热干涉方法灵敏度的提高。换一个角度说，在 激励激光对探测激光的夹角已经接近极限的前提下，延长有效作用距离就意味着增大探测 激光的长度。
[0005] 目前已有结构是将探测激光的光程和有效作用距离等同起来，实际上它们是两个 概念。发明人认为：如果激励激光能够在探测激光光路上多次反射，即使探测激光的光程较 短，实现较长的有效作用距离是完全可能的。作为成熟技术，光学长程池的入射光在其中来 回反射，能够显著增大有效光程。对于光热干涉方法来说，激励光源是激光，发散角较小， 无需使用孔径角较大、结构复杂的长程池，赫里奥特池足以满足要求。本发明将赫里奥特池 引入光热干涉，提出了利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法。
【发明内容】
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[0006] 本发明的目的是针对光热干涉法在测量气溶胶吸收系数时有效作用距离小的缺 陷，提供一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，通过多次反射延长激励激 光对探测激光作用距离；本发明所阐述的光热干涉法含有三个干涉探测通道，通过上下两 通道获得环境因素对相位基线的影响，利用中间通道与上下两通道的差分方法获得气溶胶 吸收引起的相位变化量，在线测量待测气溶胶的吸收系数，摆脱了环境因素和相位改变量 角度区间的限制，具有设计原理简单、检测灵敏度高等特点。
[0007] 本发明采用的技术方案是：
[0008] 利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：包括有调制的光 纤载波激光、激励激光，光纤载波激光的传输路径上设有光分束器，光纤载波激光的入射光 经光分束器分成三束光，三束光的传输路径上分别依次设置光隔离器、光环形器、光准直 器，所述的三个光准直器位于气溶胶检测池的左端，气溶胶检测池的右端等距离处相应设 有三个平面高反镜，气溶胶样品池中设有赫里奥特池，赫里奥特池的右端设有激励激光入 射孔，激励激光从气溶胶检测池右端外部射入。
[0009] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的气 溶胶检测池采用赫里奥特池，赫里奥特池由两片高反凹面镜组成，两高反凹面镜中心掏空， 以分别放置同轴的光纤准直器和圆形平面反射镜，两高反凹面镜在满足试验条件的前提下 尽量小，赫里奥特池的激励激光入射孔开在圆形平面反射镜一端的高反凹面镜上。
[0010] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光由入射口进入赫里奥特池前先后经过了分束器和光环形器，激励激光在赫里奥特池 内多次反射后由入射口射出，激励激光在多次反射过程中始终对干涉光路产生作用，实现 了激励激光对干涉光路有效作用距离的数量级延长；所述的激励激光在多次反射过程中， 其光束截面始终维持圆形。
[0011] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的赫 里奥特池含在气溶胶检测池内，三个干涉光路检测的是同一气溶胶样品。
[0012] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光包含了入射激光和出射激光，其入射激光来源于光纤激光器的光束一，光束一经分 光片分为光束二和激励激光，光束二进入光功率计，实时测量入射激光的功率起伏，激励激 光经激励激光的光环形器进入赫里奥特池，在赫里奥特池多次反射后，在激励激光入射孔 处射出，出射激光经光环形器和光隔离器后进入光功率计。
[0013] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光的截面为圆形，在赫里奥特池内的多次反射及出射激光均为圆形。
[0014] 一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉方法，其特征在于：所述的光纤 载波激光的入射光经光分束器分成三束光，三束光均在准直器端面产生反射和透射，反射 光沿各自光纤返回，透射光经气溶胶检测池内