專利名稱：一種基于便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種光學(xué)測(cè)量方法領(lǐng)域，具體涉及一種基于便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常見(jiàn)的光學(xué)方法包括差分吸收光譜法(DOAS)、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法(TDLAS)以及傅立葉紅外光譜法(FTIR)。其中TDLAS的檢測(cè)限比DOAS和FTIR的檢測(cè)限低許多，其缺點(diǎn)是二極管激光器波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍較窄，測(cè)量氣體種類單一，對(duì)不同氣體檢測(cè)時(shí)需要更換相應(yīng)波長(zhǎng)的激光器。因此，激光器的波長(zhǎng)范圍和探測(cè)器限制了它的使用范圍。FTIR技術(shù)在紅外光譜分析方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，一次可以獲得全光譜(2 15um)的數(shù)據(jù)，不需要光譜掃描，光強(qiáng)利用效率高，沒(méi)有分光元件，如光柵或棱鏡；具有同時(shí)對(duì)多種氣體檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但該系統(tǒng)造價(jià)昂貴，探測(cè)器需要冷卻，設(shè)備體積龐大。差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)是在20世紀(jì)70年代由德國(guó)Heidelberg大學(xué)環(huán)境物理研究所的U. Platt等人提出，該技術(shù)主要是以大氣中的痕量污染氣體對(duì)紫外和可見(jiàn)波段的特征吸收為基礎(chǔ)，通過(guò)特征吸收光譜對(duì)大氣污染氣體進(jìn)行定性識(shí)別和定量檢測(cè)。DOAS技術(shù)是基于分子的寬帶光譜吸收原理，利用空氣中的污染成份對(duì)UV/VIS波段的吸收特征來(lái)定量分析，即每種污染氣體都有其特點(diǎn)的吸收光譜，如同人的指紋一樣。DOAS技術(shù)是一種遙測(cè)、連續(xù)的測(cè)量、具有高靈敏度、高時(shí)間分辨率、不破壞痕量氣體特性等優(yōu)點(diǎn)，因而可以避免一些誤差源的影響。DOAS技術(shù)測(cè)量的是一段光程內(nèi)的污染物的平均濃度，其測(cè)量靈敏度可以達(dá)到PPt量級(jí)，測(cè)量結(jié)果更具有代表性。而且DOAS技術(shù)一次可以采集較寬的光譜范圍，可以同時(shí)得到幾種污染物的濃度信息。同時(shí)測(cè)量多種成份、無(wú)需采樣、高分辨率、高靈敏探測(cè)及有區(qū)域代表性的監(jiān)測(cè)結(jié)果使得DOAS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大氣痕量氣體成份的探測(cè)及污染源監(jiān)測(cè)。它容易操作，費(fèi)用低廉，實(shí)時(shí)分析，全路徑非接觸測(cè)量，使得DOAS技術(shù)廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，與其他方法比較，DOAS技術(shù)有紫外探測(cè)器件體積小，容易做成便攜式儀器，而且整體性價(jià)比較好。但傳統(tǒng)DOAS系統(tǒng)較為復(fù)雜，不易便攜，限制了它在污染重的區(qū)域、工廠、車間、室內(nèi)以及污染泄漏事故中的移動(dòng)快速應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，它將差分吸收光譜技術(shù)、多次反射池技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)紫外吸收光譜的高效測(cè)量，在具有較低的檢測(cè)下限的同時(shí)也滿足便攜式測(cè)量的目的，且能夠滿足移動(dòng)快速的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種基于便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，包括紫外光源氘燈I、紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、多次反射池光學(xué)系統(tǒng)、聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)；所述紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)采用前后組透鏡形式，前組透鏡由第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片2構(gòu)成，設(shè)計(jì)為一片正透鏡，后組透鏡由第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片3和第三準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片4構(gòu)、成，設(shè)計(jì)為正負(fù)透鏡組合形式的負(fù)透鏡組；所述多次反射池光學(xué)系統(tǒng)采用三塊曲率半徑嚴(yán)格相同的凹球面反射鏡共軛放置，其中一端放置一片反射主鏡7，另一端并排放置兩片反射次鏡，即第一反射次鏡5和第二反射次鏡6 ;所述反射主鏡7、第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的曲率完全相同，曲率大小等于一端放置反射主鏡7的中心和另一端放置第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的中心彼此之間的間隔，所述間隔為多次反射池光學(xué)系統(tǒng)的腔長(zhǎng)，所述腔長(zhǎng)等于三片凹球面反射鏡的曲率大??；第一反射次鏡5、第二反射次鏡6的曲率中心都在反射主鏡7上,反射主鏡7的曲率中心位于第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的中心；所述聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)為非球面聚焦透鏡8 ，系統(tǒng)焦點(diǎn)位置放置耦合光纖9，耦合光纖9將非球面聚焦透鏡8出射光束引入至光譜儀10的狹縫；紫外光源氘燈I經(jīng)過(guò)紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)入多次反射池光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行多次反射；由多次反射池光學(xué)系統(tǒng)出射的光束經(jīng)非球面聚焦透鏡8聚焦匯聚，匯聚后的光束經(jīng)過(guò)耦合光纖9，導(dǎo)入光譜儀10狹縫進(jìn)行探測(cè)和處理。所述紫外光源氘燈I采用濱松氘燈L2-4000系列的L6565，光譜范圍覆蓋為180 400nm,發(fā)光面直徑大小約為O 1mm。所述第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片2、第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片3和第三準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片4的材料采用紫外波段透過(guò)的玻璃材料構(gòu)成，為熔融石英(JGSl)光學(xué)玻璃。所述第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片2、第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片3和第三準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片4均鍍紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透過(guò)率。所述反射主鏡7、第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的表面均鍍紫外反射膜，使反射主鏡7、第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的反射鏡膜層的反射率在190 330nm范圍內(nèi)達(dá)到90%以上。所述非球面聚焦透鏡8的材料采用紫外波段透過(guò)的玻璃材料，為熔融石英(JGSl)光學(xué)玻璃，非球面聚焦透鏡8鍍紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透過(guò)率。所述耦合光纖9的光纖數(shù)值孔徑NA = 0. 22，光纖芯徑為0 0. 4mm。所述光譜儀10是海洋公司的Maya2000pro或GratingWorks的HR03型的小型光纖光譜儀。本發(fā)明的原理本發(fā)明中的紫外光源氘燈采用濱松氘燈L2-4000系列的L6565，光譜范圍覆蓋為180 400nm，發(fā)光面直徑大小約為O 1mm。由于氘燈光束發(fā)散角較大，需要對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直，才能進(jìn)入多次反射池。只有保證氘燈光源出射光束具有較好的準(zhǔn)直性，才能提高光束耦合進(jìn)入多次反射池的效率。為了避免氘燈光束發(fā)散角過(guò)大造成的光斑發(fā)散，提高光束的傳輸距離，即降低光束發(fā)散角，提高準(zhǔn)直性，設(shè)計(jì)光束擴(kuò)束器來(lái)改善其發(fā)散角。這里采用前后組形式；前組透鏡由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片一構(gòu)成，設(shè)計(jì)由一片短焦距正透鏡構(gòu)成，后組透鏡由第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片和第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片構(gòu)成，設(shè)計(jì)為正負(fù)透鏡組合形式的負(fù)透鏡組。紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)將準(zhǔn)直后的光束耦合進(jìn)入多次反射池光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)Lambet-Beer定律測(cè)定氣體濃度的原理，加長(zhǎng)探測(cè)光程可以提高檢測(cè)靈敏度。為了滿足便攜式需要，本發(fā)明采用多次反射池裝置來(lái)達(dá)到增加光程的目的，即入射光在其中來(lái)回反射，有效光程顯著提高。這里的采用三塊曲率半徑嚴(yán)格相同的凹球面反射鏡5、6、7共軛放置，其中一端放置反射主鏡7，另一端并排放置反射次鏡5和6。如圖2所示，反射主鏡7和兩個(gè)反射次鏡5、6的曲率半徑相同，反射主鏡和反射次鏡之間的中心間隔和曲率半徑相等，這樣反射主、次鏡之間就形 成了一個(gè)共焦腔，光束在反射主鏡和兩片反射次鏡之間來(lái)回反射，達(dá)到增大光程的目的。多次反射池中有三個(gè)曲率半徑完全相同的凹面鏡，由于采用反射鏡，因此不存在色差問(wèn)題，這是透鏡系統(tǒng)無(wú)法比擬的。對(duì)于球面鏡來(lái)說(shuō)，若孔徑光闌置于球心處，由于任一主光線(通過(guò)光闌中心)都可以作為此物鏡的光，因此任一角度投射到物鏡上的光束，其像質(zhì)都和軸上點(diǎn)像質(zhì)一樣，這樣整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)都可以得到均勻良好的像質(zhì)。從多次反射池光學(xué)系統(tǒng)出射光通過(guò)聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)，最后由光纖導(dǎo)入光譜儀狹縫。本發(fā)明采用非球面聚焦透鏡8對(duì)多次反射池光學(xué)系統(tǒng)出射的光束進(jìn)行匯聚，匯聚光束耦合進(jìn)入光纖9導(dǎo)入光譜儀10進(jìn)行探測(cè)。本發(fā)明設(shè)計(jì)用耦合光纖9的芯徑為Φ0. 4_、數(shù)值孔徑NA = O. 22。由于出射光束本身發(fā)散角較大，軸外像差過(guò)大，很難形成較小光斑，從而導(dǎo)致能量損失。而非球面具有校正像差功能，本發(fā)明利用非球面聚焦透鏡8作為簡(jiǎn)單有效的物鏡形成耦合光纖的聚焦系統(tǒng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明將差分吸收光譜技術(shù)、多次反射池技術(shù)結(jié)合在一起，解決了差分吸收光譜法監(jiān)測(cè)過(guò)程中不易便攜的困擾。特別是是利用多次反射池技術(shù)代替了開(kāi)放式光路，多次反射池可以使光束在小體積內(nèi)完成多次反射，使氣體的吸收光程得到顯著增加，從而進(jìn)行對(duì)污染氣體進(jìn)行有效探測(cè)。(2)本發(fā)明體積相對(duì)較小，重量相對(duì)較輕，造價(jià)成本相對(duì)較低、實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。通常類似的測(cè)量系統(tǒng)都比較笨重，體積相對(duì)較大，限制了它在污染重的區(qū)域、工廠、車間、室內(nèi)以及污染泄漏事故中的移動(dòng)快速應(yīng)急監(jiān)測(cè)。本發(fā)明是一種基于便攜式測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)，體校相對(duì)較小、重量也較輕，造價(jià)成本相對(duì)較低，探測(cè)器也不需要冷卻，系統(tǒng)較易實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)能夠比較靈活、機(jī)動(dòng)地應(yīng)用于一些特殊的污染區(qū)域，從而滿足移動(dòng)快速的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。(3)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)有效能量利用效率高。本發(fā)明中所設(shè)計(jì)的紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)ψ贤夤庠催M(jìn)行有效的準(zhǔn)直，從而使得進(jìn)入多次反射池的能量盡可能提高；本發(fā)明所設(shè)計(jì)的多次反射池光學(xué)系統(tǒng)中采用了一種高效紫外反射膜技術(shù)。這里采用鋁膜作為鏡面膜層，實(shí)現(xiàn)在較寬波段都能達(dá)到較高反射率要求，但是作為偏紫部分的波段，如220nm以前的波段，想達(dá)到很高的反射率需要在鍍膜時(shí)采用一定的工藝要求(如鏡面拋光、鍍膜時(shí)真空度要求)，在190 330nm都能達(dá)到90%左右的反射率，這個(gè)反射率在國(guó)際上屬于領(lǐng)先水平。另外，所設(shè)計(jì)的聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)采用非球面聚焦透鏡，使得光束能量能更好地耦合進(jìn)入光纖。綜上所述，上述發(fā)明使得進(jìn)入光譜儀的有效能量大為提高。(4)本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。將多次反射池光學(xué)系統(tǒng)和紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)及聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。國(guó)外目前某些裝置中，氘燈光源是由光纖導(dǎo)入準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入反射池，這里采用氘燈直接通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入反射池光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)整體系統(tǒng)的信噪比提高有顯著改善。(5)本發(fā)明可以根據(jù)實(shí)際探測(cè)需要，通過(guò)調(diào)整光程來(lái)獲取所需檢測(cè)物質(zhì)的檢測(cè)靈敏度，從而較為方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)不同的目標(biāo)物。即為了降低系統(tǒng)的檢測(cè)下限使之能夠滿足對(duì)痕量氣體的檢測(cè)要求，可根據(jù)實(shí)際測(cè)定氣體濃度的原理，來(lái)加長(zhǎng)探測(cè)光程提高檢測(cè)靈敏度。本發(fā)明中所涉及的多次反射池光學(xué)系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)整，方便的實(shí)現(xiàn)反射次數(shù)的控制，達(dá)到所需光程，從而滿足其檢測(cè)不同污染氣體的檢測(cè)下限。


圖I為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的多次反射池光學(xué)系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明的多次反射池光學(xué)系統(tǒng)中反射主鏡像斑示意圖；圖4為本發(fā)明的多次反射池光學(xué)系統(tǒng)中反射主鏡加工示意圖；圖5為本發(fā)明的多次反射池光學(xué)系統(tǒng)中反射次鏡加工示意圖；圖6為本發(fā)明多次反射池鍍膜反射率實(shí)測(cè)曲線圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本發(fā)明包括紫外光源氘燈I、紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、多次反射池光學(xué)系統(tǒng)、聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)。紫外光源氘燈I發(fā)出紫外波段光束，由于氘燈發(fā)光是面光源，發(fā)散角較大，必須對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)直，才能提高進(jìn)入后續(xù)的多次反射池光學(xué)系統(tǒng)的有效能量。紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)采用前后組形式，前組透鏡由一塊短焦距正透鏡構(gòu)成，將氘燈的發(fā)散光束先進(jìn)行初步準(zhǔn)直，并保證一定的物方孔徑角，盡可能多的接受光能量，后組透鏡采用正負(fù)透鏡組合形成的負(fù)透鏡組用來(lái)矯正球差。本發(fā)明中的三片透鏡2、3、4均采用石英(JGSl)玻璃，各表面均鍍190 330nm的紫外增透膜，從而更好地提高紫外光束的透過(guò)率。第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片2為直徑O IOmm的雙凸透鏡，兩面的曲率都是35. 16mm，后兩塊透鏡，即第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片3和第三準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片4的直徑為O 12mm的正負(fù)組合透鏡組，一塊是彎月形式的負(fù)透鏡，另一塊是平凸的正透鏡。通過(guò)控制三塊準(zhǔn)直光學(xué)透鏡的彼此間距以及各自鏡片的厚度，可以使得氘燈光束被較好的準(zhǔn)直，其發(fā)散角大約控制在1°左右。當(dāng)光束經(jīng)透鏡組準(zhǔn)直后，由直徑O 12_的入射光闌進(jìn)入多次反射池光學(xué)系統(tǒng)，多次反射池光學(xué)系統(tǒng)采用三塊曲率半徑嚴(yán)格相同的凹球面反射鏡5、6、7共軛放置，其中一端放置一片反射主鏡7，另一端并排放置兩片反射次鏡，即第一反射次鏡5和第二反射次鏡6，反射主鏡7、第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的曲率完全相同，第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的曲率中心F2、F3在反射主鏡7的前表面上，反射主鏡7的曲率中心Fl位于第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的中心。反射主鏡7與第一反射次鏡5及第二反射次鏡6的中心間隔等于凹球面反射鏡的曲率半徑R，也等同于多次反射池的腔長(zhǎng)。這樣反射主鏡與兩個(gè)反射次鏡之間就形成了一個(gè)共焦腔。當(dāng)光束進(jìn)入多次反射池光學(xué)系統(tǒng)后，在三塊反射鏡形成多次反射。多次反射池的反射次數(shù)可由下面進(jìn)行計(jì)算如圖2所示為多次反射池光路示意圖，圖中進(jìn)入多次反射池光束距反射主鏡7中心長(zhǎng)為a，第一反射次鏡5、第二反射次鏡6在反射主鏡7上的曲率中心F2、F3距反射主鏡7中心長(zhǎng)分別為b、c，如果光束在多次反射池中的反射次數(shù)為n，則反射主鏡7上成像斑點(diǎn)數(shù)為
「 I Ar Tl-fIN =-
2當(dāng)F2、F3到反射主鏡7中心距離相等即b = c時(shí)有
「 nn — 2a =-xb
2當(dāng)F2、F3到反射主鏡7中心距離不相等時(shí)有
a = nX (b+c)理論上只要b、c的任意組合相加是入射點(diǎn)到光軸距離的η分之一，則可以實(shí)現(xiàn)多次反射池內(nèi)η次反射。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)F2、F3之間的距離來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)多次反射池的反射次數(shù)。實(shí)際調(diào)節(jié)F2、F3之間的距離是靠調(diào)節(jié)第一反射次鏡5、第二反射次鏡6的俯仰、偏轉(zhuǎn)的二維調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的。多次反射池內(nèi)氣體吸收光程由公式計(jì)算La = nXL = 2 (N+l) XL 其中N為反射主鏡上光斑的個(gè)數(shù)，L為多次反射池的腔長(zhǎng)?？紤]到系統(tǒng)便攜及所測(cè)氣體要求，這里設(shè)計(jì)多次反射池腔長(zhǎng)為600_，多次反射池腔長(zhǎng)即一端反射主鏡7的中心和另一端的第一反射次鏡5、第二反射次鏡6的中心之間的間隔，來(lái)回反射40次，整個(gè)氣體吸收光程為24m，由公式可得N = 19。本發(fā)明設(shè)計(jì)中反射主鏡7上的像斑點(diǎn)陣圖如圖3所示，偶數(shù)個(gè)斑點(diǎn)在反射主鏡7的鏡面上面一排，奇數(shù)個(gè)斑點(diǎn)在反射主鏡7鏡面下面一排。F2和F3為第一反射次鏡5及第二反射次鏡6曲率中心在反射主鏡7上的位置，F(xiàn)2與F3的間距決定光束在反射池中反射次數(shù)和像斑點(diǎn)的均勻程度，可以通過(guò)調(diào)節(jié)F2、F3之間的間距，來(lái)調(diào)節(jié)反射光斑在反射主鏡7上的列數(shù)，間距越小，反射的光斑列數(shù)越多，光程也越長(zhǎng)，通過(guò)這種方法可以方便調(diào)節(jié)光束在反射池中的反射次數(shù)。當(dāng)保證多次反射池內(nèi)來(lái)回反射40次時(shí)，反射主鏡7的鏡面上排像斑數(shù)為9個(gè)，下排像斑數(shù)應(yīng)為10個(gè)，光斑直徑大小為10mm。因此反射主鏡7的口徑設(shè)計(jì)為120x60mm。對(duì)于第一反射次鏡5及第二反射次鏡6，考慮到光束發(fā)散角以及加工誤差，其口徑確定在50x60mm。這里反射池的具體加工如圖4、圖5。圖4反射主鏡7的陰影部分是光斑主要分布位置，因此鍍膜時(shí)需要保證都有膜層，鍍膜的工裝夾具不能夾持在這里，否則會(huì)影響反射率。在反射池中光強(qiáng)的損失主要是由氣體吸收和鏡片的反射率不高造成，光束在腔體內(nèi)來(lái)回反射40次后，要使得出射光強(qiáng)足夠強(qiáng)，便于提高探測(cè)系統(tǒng)的信噪比，這對(duì)紫外鍍膜技術(shù)提出很高要求。反射主鏡7、第一反射次鏡5、第二反射次鏡6的基片選用K9玻璃，盡可能保證拋光達(dá)到良好的光潔度，便于提高鍍膜效率。由于鍍膜波段過(guò)寬，采用鍍?cè)鰪?qiáng)鋁膜的方式來(lái)提高反射率，其對(duì)紫外190 330nm波段反射率約為90%，如圖6。實(shí)際調(diào)試時(shí)，考慮到紫外光源成像光斑無(wú)法觀察，一般會(huì)用可見(jiàn)光作為光源來(lái)觀察反射主鏡上光斑數(shù)，以確定其反射次數(shù)，獲取實(shí)際光程。多次反射池光學(xué)系統(tǒng)出射光經(jīng)非球面聚焦透鏡8聚焦耦合進(jìn)入光纖，導(dǎo)入光譜儀10狹縫?，F(xiàn)用光纖芯徑為Φ0. 4mm、數(shù)值孔徑NA = O. 22。由于出射光束本身發(fā)散角較大，軸外像差過(guò)大，很難形成較小光斑，從而導(dǎo)致能量損失。非球面聚焦透鏡8具有校正像差功能，利用非球面聚焦透鏡8作為簡(jiǎn)單的物鏡形成耦合光纖9的聚焦系統(tǒng)。本發(fā)明選用的非球面聚焦透鏡8的具體參數(shù)是，通光孔徑Φ24πιπι，中心厚度5. 75mm，焦距是50mm，偏心率e2=-O. 59，材料選用JGS1，透鏡表面鍍190 330nm紫外增透膜?？傊景l(fā)明是一種基于便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，是一種差分吸收光譜技術(shù)與多次反射池技術(shù)的結(jié)合。本發(fā)明致力于針對(duì)多種污染氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所提供的一種新的光學(xué)系統(tǒng)。多次反射池代替了開(kāi)放式光路，可使光束在多次反射池小體積內(nèi)完成多次反射，使氣體的吸收光程得到顯著增加。因此，系統(tǒng)不僅易于便攜，而且具有較低的檢測(cè)下限。本發(fā)明尤其在紫外吸收光譜的獲取上采取了很多新的設(shè)計(jì)方法，如在紫外光源的準(zhǔn)直和多次反射池出射光聚焦耦合進(jìn)入耦合光纖均采用了新的設(shè)計(jì)方法來(lái)確保高效紫外吸收光譜的獲取。另外，從多次反射池的反射鏡鍍膜效率來(lái)看，在190 330nm的范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)90%左右的反射率，從而在紫外吸收光譜上達(dá)到一種高效測(cè)量。此外，通過(guò)第一反射次鏡5、第二反射次鏡的二維調(diào)整，來(lái)達(dá)到光束在多次反射池內(nèi)反射次數(shù)的變化，從而實(shí)現(xiàn)不同的光程來(lái)獲取不同污染程度的環(huán)境氣體的檢測(cè)。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)包括紫外光源氘燈(I)、紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、多次反射池光學(xué)系統(tǒng)、聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)；所述紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)采用前后組透鏡形式，前組透鏡由第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(2)構(gòu)成，設(shè)計(jì)為一片正透鏡，后組透鏡由第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(3)和第三準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(4)構(gòu)成，設(shè)計(jì)為正負(fù)透鏡組合形式的負(fù)透鏡組；所述多次反射池光學(xué)系統(tǒng)采用三塊曲率半徑嚴(yán)格相同的凹球面反射鏡共軛放置，其中一端放置一片反射主鏡(7)，另一端并排放置兩片反射次鏡，即第一反射次鏡(5)和第二反射次鏡(6);所述反射主鏡(7)、第一反射次鏡(5)及第二反射次鏡(6)的曲率完全相同，曲率大小等于一端放置反射主鏡(7)的中心和另一端放置第一反射次鏡(5)及第二反射次鏡￠)的中心彼此之間的間隔，所述間隔為多次反射池光學(xué)系統(tǒng)的腔長(zhǎng)，所述腔長(zhǎng)等于三片凹球面反射鏡的曲率大?。坏谝环瓷浯午R(5)、第二反射次鏡(6)的曲率中心都在反射主鏡(7)上，反射主鏡(7)的曲率中心位于第一反射次鏡(5)及第二反射次鏡(6)的中心；所述聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)為非球面聚焦透鏡(8)，系統(tǒng)焦點(diǎn)位置放置耦合光纖(9)，耦合光纖(9)將非球面聚焦透鏡(8)出射光束引入至光譜儀(10)的狹縫；紫外光源氘燈(I)經(jīng)過(guò)紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)入多次反射池光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行多次反射；由多次反射池光學(xué)系統(tǒng)出射的光束經(jīng)非球面聚焦透鏡(8)聚焦匯聚，匯聚后的光束經(jīng)過(guò)耦合光纖(9)，導(dǎo)入光譜儀(10)狹縫進(jìn)行探測(cè)和處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述紫外光源氘燈(I)采用濱松氘燈L2-4000系列的L6565，光譜范圍覆蓋為180 400nm，發(fā)光面直徑大小約為O 1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(2)、第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(3)和第三準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(4)的材料采用紫外波段透過(guò)的玻璃材料構(gòu)成，為熔融石英(JGSl)光學(xué)玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(2)、第二準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(3)和第三準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)鏡片(4)均鍍紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透過(guò)率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述所述反射主鏡(7)、第一反射次鏡(5)及第二反射次鏡(6)的表面均鍍紫外反射鋁膜，使反射主鏡(7)、第一反射次鏡(5)及第二反射次鏡(6)的反射鏡鋁膜層的反射率在190 330nm范圍內(nèi)達(dá)到90%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述非球面聚焦透鏡(8)的材料采用紫外波段透過(guò)的玻璃材料，為熔融石英(JGSl)光學(xué)玻璃，非球面聚焦透鏡(8)鍍紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透過(guò)率。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述耦合光纖(9)的光纖數(shù)值孔徑NA = 0. 22，光纖芯徑為￠0. 4mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光譜儀(10)是海洋公司的Maya2000pro或GratingWorks的HR03型光譜儀。
全文摘要
一種基于便攜式測(cè)量高效紫外吸收光譜的光學(xué)系統(tǒng)，由紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、多次反射池光學(xué)系統(tǒng)、聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)組成。紫外光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)由紫外光源和三片透鏡構(gòu)成；多次反射池光學(xué)系統(tǒng)采用三塊曲率半徑相同的凹球面反射鏡共軛放置；聚焦耦合光纖光學(xué)系統(tǒng)利用非球面單透鏡將出射光束聚焦耦合進(jìn)光纖，繼而導(dǎo)入光譜儀進(jìn)行探測(cè)。本發(fā)明提高整體系統(tǒng)的探測(cè)分辨率，保證測(cè)量準(zhǔn)確性，且整體光學(xué)系統(tǒng)便攜緊湊。
文檔編號(hào)G01J3/10GK102636265SQ20121011318
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者司福祺, 江宇, 秦敏, 謝品華, 陳軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院