光学多通池光谱技术

基于多通吸收池的光谱技术综述

摘要：随着我国工业化的迅速发展，大气环境污染问题日益严峻，严重威胁着人们的身体健康，发展大气污染物的检测技术，对环境污染的监控以及环境科学的研究具有重要的意义。为了满足对痕量气体检测的要求，采用光学多通吸收池法以增加探测光程从而提高检测灵敏度的方法快速发展。基于多通吸收池光谱技术，本文从white多通吸收池、Herriottt型以及基于两种改进的多通吸收池的原理，装置出发，综述基于多通吸收池光谱技术的发展及其应用前景，对相关后续研究有一定参考意义。

关键词：光谱学 ； white多通吸收池；Herriottt型；Chernin多通吸收池

1.前言

随着半导体激光器制造技术的进步，基于多通吸收池的光谱技术构建的气体检测系统具有高灵敏度、高精度、反应快等优点，已广泛应用于气体检测、工业过程控制、污染源排放检测等领域。在实际监测中，如大气中有毒气体检测，由于其含量一般都在ppb~ppm量级甚至更低，一般的探测系统应用很难满足这个条件。因此，为了降低仪器的检测下限，使之能够满足对痕量气体检测的要求，根据Lambet-Beer定律的原理，可以采取增大探测光程的方法来提高检测灵敏度。增大光程的方法有开放光路法和光学多通吸收池法等。如LP-DOAS采用的就是开放光路的方法，其光程一般可达到几百米甚至几公里。但是开放方法只能测量光程内的平均浓度，而且不易在实验室比较狭小的空间内使用，因此采用光学多通吸收池来增加有效光程的方法成为解决这一问题的有效方法。其中设计和改进光学吸收池对基于多通吸收池探测系统的小型化和低功耗发展具有重要意义。

2.光学多通吸收池

光学多通吸收池是使入射光在其中来回反射，从而增大有效光程的装置。在

传统的吸收光谱、拉曼光谱和光声光谱，特别是高分辨光谱的实验中，多种不同种类的光学多通吸收池得到了广泛的应用。目前常用的多次反射池有White型和Herriott型以及基于上述两种类型的改进型，下面就上述类型的多次反射池的结构及其在某些领域所取得成功应用和前景展望展开论述。

2.1 WHITE型多通吸收池

传统的White型多通吸收池[已经为大家所熟悉，在很多领域有着广泛的应用。它的结构如图1.1所示，由三块曲率半径相同的凹面反射镜A、A'和B构成，其中反射镜A和A'并排放置在多通吸收池的一侧，第三块反射镜B放在另一侧。它们近共焦放置，A和A'的曲率中心落在反射镜B上，B的曲率中心落在反射镜A和A'的中间，如图1.1中的小圆圈所示。光线从Source点的小孔入射，经过A的反射，在反射镜B上形成光斑1，由于B的曲率中心落在A与A'的中间位置，因此光斑1经B反射后，落在反射镜A'上，光线经过A'反射，在反射镜B上形成光斑2，光斑2经过A反射在B镜面上形成光斑3，光斑3经反射镜A'反射，从Out点出射，光线在此光路中一共经过了4次往返传播。通过控制光束入射方向或调节反射镜曲率中心的相对位置，可以改变光束在三个反射镜之间来回反射次数，形成比较大的有效光程。如图所示，White型多通吸收池可以实现大发散角光束的离轴入射，由于光束被聚焦到反射镜上，因此减小了边缘溢出，光强损失主要是由于反射镜面的吸收和散射。

图1.1 传统的White型多通吸收池

White池的光束入射方式可以有两种选择，一种是入射光斑位置在反射镜A，

A′曲率中心的连线上，如图1.2(A)所示，这种入射方式可以在反射镜面B上形成一排光斑，其中，F、F′代表反射镜A和A′的曲率中心，数字1、2、3、4和5代表光在腔内来回反射时，在镜面B上依次形成的光斑，光斑间距通过控制反射镜曲率中心相对位置确定；另一种是入射光斑位置不在反射镜A，A′曲率中心的连线上，如图1.2(B)所示，这种入射方式可以在反射镜面上形成两排光斑，偶数斑点在镜面的上面一排，奇数斑点在镜面下面一排。F和F′分别为White池副镜A和A′的曲率中心在主镜B上的位置，F与F′的相对位置决定着光在怀特池中反射次数和光斑点的均匀程度，可以通过调节F与F′的间距，来调节反射光斑在主镜上的列数，间距越小，反射光斑的列数越多，光程越长；间距越大，反射光斑的列数越少，光程相应的越小。通过这种方法可以很方便的调节光线在反射池中的反射次数。

图1.2 反射镜B上光斑分布示意图

显然，采用第二种入射方式，镜面B上可以排列更多的光斑，能够比较有效的利用腔镜面积，对于相同的光斑尺寸和腔镜面积，可以获得更多次的反射，形成更大的光程。

White型多通吸收池的有效光程可由下面进行计算获得：

图1.3 White型多通吸收池的光路示意图

如图1.3所示，光束入射孔距主镜B中心距离为a，副镜A和A'的曲率中心F和F'在主镜B上距其中心距离相等均为d，以图1.2(a)所示的光束入射方式为例，如果光束在主镜B上形成的光斑数为N，则N = a/d – 1，光束在White型光学多通吸收池中单次反射次数n为：

n 2N 2 (2-1)

因此，White池内吸收气体总光程为：

S n L 2(N 1) L (2-2)

其中，N为主镜上光斑的个数，L为White池的腔长。

因此，可以通过调节F和F'之间的距离调节White池的反射次数，实现不同的有效光程，通过主镜上光斑个数，可以方便的确定有效光程的大小。

2.2 HERRIOTT型多通吸收池

Herriott型多通吸收池结构原理如图2.1所示，该多通吸收池由两个共焦的球面反射镜组成，在其中一个球面反射镜边缘有一个开孔，准直光束以一定倾角θ入射，到达对面的反射镜，被反射、聚焦，经过多次反射从同一个窗口与入射光成2θ出射。光斑在腔镜上形成椭圆形排列，数目由反射镜间距决定，通过调节入射光的角度可以实现对反射次数和有效光程的调节。该种结构是最简单的形式并且具有优秀的光学机械稳定性，因此是目前应用最广泛的多通吸收池之一。但是，该种多通吸收池并不适合大数值孔径的光束入射，而且由于大部分腔镜面

积没有被利用，因此难以形成很大的有效光程，这限制了它的应用领域。

图2.1 Herriott型多通吸收池的光路示意图

在光线追迹中，两块共轴放置、曲率半径相同的凹面反射镜等效于一系列焦距f，等间距d放置的薄透镜组，如图2.2所示。我们假设在透镜X0上坐标点(x0,y0)处光线以斜率x0'、y0'入射，则在透镜Xn上光线的坐标(xn,yn)为：

xn x0cos(n )x0 2fx0')sin(n )

(2-3) y0 2fy0')sin(n ) (2-4) yn y0cos(n )其中cos 1

(df)

图2.2 Herriott型多通吸收池等效透镜组 假设系统满足条件：0 d 4，方程(4-3)可以写为下列形式： f

xn Asin(n ) (2-5)

其中，tan 4fx'(x02 dx0x0' dfx0'2) 2f0)，A2 4f dx0

A表示光线经过整个透镜组时，在x方向可能的最大坐标值，同理，对于y方向，可以表示为：

yn Bsin(n ) (2-6)

现在假设所有透镜上的光斑点落在同一个平面上，由式(4-5) 、(4-6)可知，

所有点将形成一个椭圆，如果A = B，并且α = β，所有光斑将形成一个圆，2

如图2.3所示。光斑(xn,yn)相应于极坐标中的极角为：

n n (2-7)

相应的相邻光斑间的极角差为θ。

通过以上分析，可以很容易理解实际Herriott池中光束的来回反射：一面反射镜上形成偶数光斑，另一面反射镜上形成奇数光斑。这 …… 此处隐藏：5360字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……