一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜(DOAS)測量系統(tǒng)，由離軸拋物面鏡(中心打孔)望遠鏡、光源(LED)裝置、光源耦合透鏡、光源準直鏡頭、角反射鏡、光纖以及光譜儀探測器組成。光源裝置發(fā)出的光被透鏡耦合進入光纖，經準直鏡頭準直后，通過離軸拋物鏡中心小孔進入大氣，經過一定距離的傳輸，被角反射鏡反射后返回至離軸拋物面鏡望遠鏡，離軸匯聚耦合進入接收光纖并傳輸至光譜儀，經光譜儀分光后被探測器接收，從而進行后期光譜分析。與傳統(tǒng)DOAS系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)通過設計一種簡單的望遠鏡內部結構，提高了望遠鏡的接收效率，簡化系統(tǒng)，將接收光信號和發(fā)射光信號分離，便于系統(tǒng)調節(jié)。
【專利說明】一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于一種光學測量領域，具體為一種基于離軸拋物面鏡收發(fā)一體的差分吸收光譜系統(tǒng)，應用于監(jiān)測大氣痕量污染氣體。
【背景技術】
[0002]光譜分析技術可以利用不同分子在波段內對光輻射的特征吸收進行定性和定量測量，其基本原理服從朗伯-比爾吸收定律，即在一定的吸收光程下，物質的濃度與吸光度成正比，通過分析其吸收光譜可獲得物質的成分和濃度等信息。該技術廣泛應用于大氣有毒有害氣體監(jiān)測以及水體監(jiān)測等領域。DOAS技術作為痕量氣體探測的一種非接觸、開放式光程測量方法，其基本原理就是利用不同氣體分子對光輻射的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分，并根據窄帶吸收強度來反演氣體的濃度。經過幾十年的不斷發(fā)展，已成為研究大氣化學及進行城市空氣質量監(jiān)測的有效手段。
[0003]目前廣泛采用的光路收發(fā)一體式DOAS系統(tǒng)通?；诳ㄈ窳质胶团ｎD式望遠鏡結構。圖1為卡塞格林望遠鏡結構DOAS系統(tǒng)示意圖，光源裝置I發(fā)出的光經過反射鏡2反射后被望遠鏡主鏡3外圈部分準直出射，經過一定距離的傳輸，光束被角反射鏡5反射后沿原方向返回經過望遠鏡主鏡3內圈部分接收后，被副鏡4反射后，最后匯聚于光纖接收端位置，經接收光纖6傳輸進入光譜儀探測器7進行后期光譜數據處理分析。這種基于卡塞格林望遠鏡的DOAS系統(tǒng)，由于光路上存在光學器件的遮擋，主鏡利用效率較低，且結構相對復雜，調整比較困難。
[0004]近些年提出的光纖收發(fā)一體式卡塞格林望遠鏡結構DOAS系統(tǒng)如圖2所示，光源裝置I發(fā)出的光經透鏡8耦合后首先進入發(fā)射光纖9，由發(fā)射光纖9出射，經望遠鏡內的副鏡4和望遠鏡主鏡3反射后成為平行光，通過一段開放的大氣到達另一端的角反射鏡5，光束被反射后沿原光路返回，再次經卡塞格林望遠鏡內的副鏡4和主鏡3聚焦進入接收光纖6，經接收光纖6接收進入光譜儀7進行分光，發(fā)射光纖9的出射端和接收光纖6的入射端公用一個端面。這種光纖收發(fā)一體式系統(tǒng)在實際測量中存在以下問題:通常實驗為外芯發(fā)射，內芯接收，將收發(fā)光纖公共端的接收部分設計在望遠鏡主鏡的焦點位置，而發(fā)射部分則處于偏焦位置，這樣會造成部分光照射到望遠鏡主鏡后，未在大氣傳輸而直接反射回接收端，從而增大了望遠鏡內部雜散光；同時，發(fā)射部分偏焦，出射光不是平行光導致部分光不能經過角反射鏡返回，降低光學效率；由于發(fā)射端和接收端位于光纖的同一端面，難以直接觀察大氣返回光斑的情況，系統(tǒng)調節(jié)比較麻煩。
[0005]牛頓式望遠鏡結構DOAS系統(tǒng)如圖3所示，光源I發(fā)出的光經透鏡8耦合進入發(fā)射光纖9，由發(fā)射光纖9出射，經過望遠鏡主鏡3準直，在大氣中傳輸，光束被角反射鏡5反射后沿原方向返回，經過望遠鏡主鏡3反射匯聚至光纖公共端，最后由接收光纖6接收傳輸至探測器7。該系統(tǒng)由于發(fā)射光纖后端同光纖收發(fā)一體式卡塞格林望遠鏡結構DOAS相似，同樣存在由于發(fā)射部分的偏焦導致的雜散光和光效降低以及難以直接觀察大氣返回光斑帶來的系統(tǒng)調節(jié)比較麻煩的問題。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明提出的一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)。目的是簡化系統(tǒng)且發(fā)射部分與接收部分都處在焦點位置，保證出射光為平行光，提高了光效，減少了雜散光；同時接收光路和發(fā)射光路分離，便于系統(tǒng)調節(jié)。
[0007]本發(fā)明提出的一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)，包括離軸拋物面鏡(中心打孔)望遠鏡，光源準直系統(tǒng)，角反射鏡，光纖，光源裝置以及光譜儀探測器。光源發(fā)出的光被透鏡耦合進入光纖，經準直鏡頭準直后，通過離軸拋物鏡中心小孔在大氣中傳輸，光束被角反射鏡反射后沿著原方向返回，由離軸拋物面鏡反射，離軸匯聚耦合進入接收光纖并傳輸至光譜儀分光后被探測器接收，從而進行后期光譜分析。
[0008]所述的光源準直鏡頭的主光軸和離軸拋物面鏡主光軸重合。
[0009]所述的發(fā)射光纖前端位于光源耦合透鏡焦點位置；后端位于光源準直鏡頭焦點位置，接收光纖端位于離軸拋物面鏡焦點位置。接收光纖位于望遠鏡鏡筒外側，光纖兩端均安裝在三維調整平臺上，可對所處位置方便地進行X、y方向及俯仰角調節(jié)。
[0010]本發(fā)明與現有技術相比優(yōu)點在于:本發(fā)明提出的一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)，與基于卡塞格林式望遠鏡的DOAS系統(tǒng)相比，省去了副鏡，降低了遮攔比，提高了能量利用率；與光纖收發(fā)一體式相比，發(fā)射部分與接收部分都處在焦點位置，保證出射光為平行光，提高了光效，減少了雜散光；在用長光程差分吸收光譜系統(tǒng)觀測痕量氣體外場試驗中，需連續(xù)采集大氣譜，實際試驗中發(fā)現，一段時間后，返回光斑偶爾會發(fā)生一段微小的漂移，需及時調整光路進行后續(xù)的觀測，但由于光纖收發(fā)一體式卡塞格林望遠鏡結構DOAS系統(tǒng)和牛頓式望遠鏡結構DOAS系統(tǒng)中發(fā)射端和接收端位于光纖的同一端面且距離較近，實際操作情況類似于在一大塊光斑(發(fā)射光)中移動一小塊光斑(接受光)，無疑為光路的調節(jié)增添了難度，不能及時繼續(xù)采集光譜而延長了數據不連續(xù)時間。而本發(fā)明將接收光信號和發(fā)射光信號分離，可直接觀察到從大氣返回的光斑，大大降低了將接收光耦合進光纖的難度，便于系統(tǒng)調節(jié)，節(jié)約了調節(jié)時間，為外場實驗連續(xù)采譜帶來了便利。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為基于卡塞格林式望遠鏡的DOAS系統(tǒng)的結構示意圖；
[0012]圖2為光纖收發(fā)一體式卡塞格林望遠鏡結構DOAS系統(tǒng)的結構不意圖；
[0013]圖3為基于牛頓式望遠鏡的DOAS系統(tǒng)的結構示意圖；
[0014]圖4為本發(fā)明提出的一種基于離軸拋物面鏡的DOAS系統(tǒng)的結構示意圖；
[0015]圖5為帶有中心打孔的離軸拋物面鏡結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]圖4為本發(fā)明提出的一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)的結構示意圖，該系統(tǒng)包括帶有中心打孔的離軸拋物面鏡望遠鏡3’，光源準直鏡頭10，角反射鏡5，發(fā)射光纖9和接收光纖6，光源裝置1，透鏡8及光譜儀探測器7。
[0017]圖5為帶有中心打孔離軸拋物面鏡結構示意圖，被角反射鏡5反射后沿著原方向返回的入射平行光由帶有中心打孔離軸拋物面鏡離軸匯聚至焦點位置。其中，3’為帶有中心打孔離軸拋物面鏡望遠鏡，I為入射光束直徑D，2為反射有效焦距f，4為母焦距，5為匯聚光的半發(fā)散角Θ。D，f，Θ的關系描述如下:0 = 2*^110*6當使用光纖進行接收時，方程改寫為:D = 2*NA (光纖)*f。常用的光纖數值孔徑范圍為:0.18-0.23，根據方程:D/f =2*NA，可得D/f的范圍在0.36-0.46，根據這一數值可確定光源準直鏡頭10與角反射鏡位置以及離軸拋物面鏡的選擇。
[0018]測量時，將發(fā)射光纖9接收端置于透鏡8焦點位置，光源裝置I發(fā)出的光被透鏡8耦合進入發(fā)射光纖9，再將發(fā)射光纖9發(fā)射端置于光源準直鏡頭10的焦點位置，經光源準直鏡頭10準直，調節(jié)發(fā)射光纖2和準直鏡頭10位置，使得準直鏡頭10和帶有中心打孔的離軸拋物面鏡望遠鏡3’主光軸重合，準直后的平行光通過帶有中心打孔的離軸拋物面鏡望遠鏡3’中心小孔在大氣中傳輸，光束被角反射鏡5反射后沿著原方向返回，由帶有中心打孔的離軸拋物面鏡望遠鏡3’反射，將接收光纖6接收端置于帶有中心打孔的離軸拋物面鏡望遠鏡3’焦點位置，反射光離軸匯聚耦合進入接收光纖6并傳輸至光譜儀探測器7接收，從而進行后期光譜分析。
【權利要求】
1.一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)，其特征在于包括帶有中心打孔的離軸拋物面鏡望遠鏡、光源稱合透鏡、光源準直鏡頭、角反射鏡、發(fā)射光纖、接收光纖、光源裝置及光譜儀探測器；光源裝置發(fā)出的光被透鏡耦合進入發(fā)射光纖，從光纖另一端出射，經準直鏡頭準直后，通過望遠鏡離軸拋物面鏡中心小孔后在大氣中傳輸，經過一段距離傳輸以后，被遠端角反射鏡反射后沿著原光路返回至離軸拋物面鏡望遠鏡，離軸匯聚耦合進入接收光纖并傳輸至光譜儀分光后被光譜儀探測器接收，從而進行后期光譜分析。
2.根據權利要求1所述的一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)，其特征在于:所述光源準直鏡頭的主光軸和帶有中心打孔的離軸拋物面的主光軸重合。
3.根據權利要求1所述的一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)，其特征在于:所述發(fā)射光纖入射端位于光源耦合透鏡焦點位置；出射端位于準直鏡頭焦點位置，接收光纖入射端位于帶有中心打孔的離軸拋物面鏡的焦點位置，接收光纖位于望遠鏡光路外側，發(fā)射光纖和接收光纖兩端均安裝在三維調整平臺上，對所處位置方便地進行x、y方向及俯仰角調節(jié)。
4.根據權利要求1所述的一種基于離軸拋物面鏡的差分光學吸收光譜測量系統(tǒng)，其特征在于:所述光源裝置為LED。
【文檔編號】G01N21/01GK104007069SQ201410215040
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權日:2014年5月20日
【發(fā)明者】秦敏, 盧雪, 段俊, 方武, 沈蘭蘭, 江宇, 謝品華, 劉建國, 劉文清 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院