的光热干涉装置及方法，包括有光 纤载波激光1，光纤载波激光1的传输光路上设有光分束器2,光纤载波激光1的入射光经 光分束器2分成三束光，三束光的前方传输光路上分别依次设置有光隔离器3、光环形器4 和光准直器。三个光准直器位于气溶胶样品池10的前端，气溶胶样品池10的后端等距离 处设有三个和光准直器端面6平行的平面高反镜8,气溶胶样品池10中设有赫里奥特池7， 三束光分别在准直器端面6存在反射和透射，反射光沿原路返回，透射光经气溶胶样品池 10内的待检测样品区由高反镜8反射后原路返回，穿过气溶胶样品池10内的待检测样品 后再次透过光准直器端面6,该透射光和光准直器端面6的反射光形成干涉光5。所述三路 干涉光5通过光环形器4后形成干涉光束进入光电探测器，其中上下两路干涉光束检测相 位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大于某一阈值时做无效处理，该阈值根据实验标 定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处于赫里奥特池7内，激励激光9在赫里奥特池7 内反射n次后，再次由入射孔射出，详见图2。当激励激光对探测激光的单次有效作用距离 为L时，在赫里奥特池7内，有效作用距离变为2nL，反射次数n依据入射激光的直径和能量 确定。中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸收激励激光9导致的相位变 化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
[0069] 激励激光9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 13,光束13经分光片12分为光束14和激励激光，光束14进入光功率计，实时测量入射激 光的功率起伏，激励激光9经光环形器11进入赫里奥特池7,在赫里奥特池7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11和光隔离器后进入光功率计。
[0070] 激励激光9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。光 路如图3所示。激励激光9对探测光路的有效作用距离受到两个因素的制约：激励激光9 对探测光路的夹角和激励激光在赫里奥特池内的反射次数。激励激光9对探测光路的夹角 大小与赫里奥特池的曲率半径、光准直器端面6的直径及高反镜8的直径有关，协调三者间 的关系，尽量减小激励激光9对探测光路的夹角。激励激光在赫里奥特池内的反射次数由 赫里奥特池两凹面镜的反射率及激励激光的直径共同决定，反射次数的确定需兼顾探测激 光光程的长短、装置的小型化及需要达到的探测灵敏度等因素，反射次数并非越多越好。
[0071] 将赫里奥特池7置于气溶胶样品池10,使得三个干涉光路所测量的样品相同，将 样品本身差异带来的误差降至最低。
[0072] 图2中，其中A出射为激励激光，B出射为探测激光，为描述方便，将探测激光和激 励激光做理想化光线处理。激励激光经反射镜多次反射其光束形成一个圆柱形薄壁，薄壁 厚度为泵浦光直径，探测光束正好处于该圆柱形薄壁中轴位置，对于满足稳定性条件与重 入射条件的赫里奥特池，当斜率与两镜子间距一定的情况下，多次反射次数N为一定值，投 影圆半径r只与入射光斜率有关，通过调节入射光入射角，可使激励激光光斑与探测激光 光斑逐渐接近，达到类似于共线耦合的效果，同时因入射光具有一定的斜率，对于一条光线 来说，激励激光与探测激光具有类似于掠射式结构的效果。赫里奥特池折返次数可达到100 次以上，理论上可将有效作用长度提高1~2个数量级。
[0073] 图3中，中间白色圆斑为探测激光，外围白色圆斑为激励激光，+为入射孔。
[0074] 光热干涉法的噪声主要来源于环境温度渐变和平台振动，其中环境温度渐变是缓 变量，容易通过低频滤波的方式去除，平台振动的频率可能和激励激光频率处于一个频段， 需要通过锁相放大器滤除。
【主权项】
1. 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。2. 根据权利要求1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。3. 根据权利要求1或2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：所述的赫里奥特池的激励激光在多次反射过程中，其光束截面始终维持圆形。4. 根据权利要求1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。5. 根据权利要求1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。6. 根据权利要求1或5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。7. -种基于权利要求1的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的样品区域后由平面高反镜 反射原路返回，穿过气溶胶检测池内的样品区域后再次透过光准直器端面，该透射光和前 述光准直器端面的反射光形成干涉，所述三路干涉光通过各自光环形器后形成干涉光束进 入光电探测器，其中上下两路干涉光束检测相位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大 于某一阈值时做无效处理，该阈值根据实验标定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处 于赫里奥特池内，激励激光在赫里奥特池内反射n次后，再次由入射孔射出，当激励激光对 探测激光的单次有效作用距离为L时，在赫里奥特池内，有效作用距离变为2nL，反射次数n 依据入射激光的直径和能量确定，中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸 收激励激光导致的相位变化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
【专利摘要】本发明公开了一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法，设计三路干涉光，利用上下两路检测环境温度渐变和平台振动引起的相位基线漂移并形成自校正，中间一路的探测激光在赫里奥特池内传输，在探测激光光程不变的前提下，使得激励激光对探测激光的有效作用长度获得了数量级的延长，通过中间一路和上下两路的配合获得激励激光导致的相位变化，实现气溶胶吸收系数的在线检测。本发明利用赫里奥特池对有效作用距离延长使得光热干涉法的探测灵敏度极大提高，所用相位调制解调方法使得相位差结算摆脱了角度区间限制。
【IPC分类】G01N21/45
【公开号】CN104897613
【申请号】CN201510163971
【发明人】李树旺, 邵士勇, 梅海平, 曹振松, 刘强, 饶瑞中
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月8日