一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜（DOAS）測量系統(tǒng)，包括λ/4波晶片，偏振分光片，拋物面反射鏡主鏡，角反射鏡，光纖，光源裝置以及光譜儀探測器。本發(fā)明利用偏振分光片的特性，攜帶吸收光譜的信號(hào)由于兩次通過λ/4波晶片，偏振態(tài)將改變，會(huì)被偏振分光片反射至接收光纖；而未在大氣傳輸不攜帶吸收光譜的望遠(yuǎn)鏡雜散光信號(hào)由于不通過λ/4波晶片，偏振態(tài)不改變，將透過偏振分光片而不會(huì)被偏振分光片反射至接收光纖。本發(fā)明相比于現(xiàn)有光路收發(fā)一體DOAS測量系統(tǒng)可以減少望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光和大氣背景散射光在測量信號(hào)中所占比重，在保證光效的同時(shí)可提高差分吸收光譜測量信噪比，提高差分光學(xué)吸收光譜探測精度。
【專利說明】一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光路收發(fā)一體的差分光學(xué)吸收光譜空氣質(zhì)量測量系統(tǒng)，尤其是探測空氣中痕量有毒有害氣體的高靈敏度監(jiān)測系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，環(huán)境污染問題也隨之而來，尤其近些年來出現(xiàn)的區(qū)域性大氣復(fù)合污染問題如光化學(xué)污染、灰霾細(xì)顆粒物污染嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)象，大氣污染形勢日益突出。環(huán)境監(jiān)測作為環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的改進(jìn)提高對(duì)促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展有著重要作用和意義。差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)技術(shù)作為痕量氣體探測的一種非接觸、開放式光程測量方法，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，已成為研究大氣化學(xué)及進(jìn)行城市空氣質(zhì)量監(jiān)測的有效手段，該技術(shù)在我國用于空氣質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測被普遍應(yīng)用。其基本原理就是利用不同氣體分子對(duì)光輻射的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分，并根據(jù)窄帶吸收強(qiáng)度來反演氣體的濃度。
[0003]目前廣泛采用的光路收發(fā)一體式DOAS測量系統(tǒng)通?；诳ㄈ窳质酵h(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，如圖1所示，光源I發(fā)出的光輻射經(jīng)過平面反射鏡2反射后照射望遠(yuǎn)鏡主鏡3外圈部分，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡主鏡3準(zhǔn)直后出射，經(jīng)過一定距離的傳輸，光束被角反射鏡4反射后沿原方向返回，再經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡主鏡3內(nèi)圈部分和平面鏡5反射，最后匯聚于光纖接收端位置，經(jīng)光纖接收后傳輸進(jìn)入光譜儀探測器6進(jìn)行后期光譜數(shù)據(jù)處理分析。此望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡主鏡分為兩個(gè)部分，外圈部分用來發(fā)射，內(nèi)圈部分用來接收，由于望遠(yuǎn)鏡主光軸上器件的遮擋，只有通過望遠(yuǎn)鏡主鏡外圈部分準(zhǔn)直發(fā)射出去的光輻射被角反射鏡反射回內(nèi)圈部分才能最終被光譜儀探測器接收，故光效較低。
[0004]近些年提出的基于牛頓式望遠(yuǎn)鏡的光路收發(fā)一體式DOAS測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，光源I發(fā)出的光首先耦合進(jìn)入分支光纖束的發(fā)射光纖端，傳輸至發(fā)射光纖與接收光纖公共端2，經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡主鏡3準(zhǔn)直，在大氣中傳輸，光束被角反射鏡4反射后沿原方向返回，經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡主鏡3反射匯聚至光纖公共端2，最后由接收光纖接收傳輸至探測器5。這種基于牛頓式望遠(yuǎn)鏡DOAS測量系統(tǒng)雖然簡化了系統(tǒng)，充分利用望遠(yuǎn)鏡主鏡。但是在實(shí)際測量中存在以下問題，通常將收發(fā)光纖公共端的接收部分設(shè)計(jì)在望遠(yuǎn)鏡主鏡的焦點(diǎn)位置，而發(fā)射部分則處于偏焦位置，但是這樣會(huì)造成部分光輻射照射到望遠(yuǎn)鏡主鏡后，未在大氣傳輸直接反射回到接收端，造成望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出的一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)，目的是減少望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光和大氣背景散射光在測量信號(hào)中所占比重，保證光效的同時(shí)可提高差分光學(xué)吸收光譜測量信噪比，從而提高差分光學(xué)吸收光譜探測精度。
[0006]本發(fā)明提出的一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)，包括λ /4波晶片，偏振分光片，拋物面反射鏡主鏡，角反射鏡，光纖，光源裝置以及光譜儀探測器。光源裝置發(fā)出的光被透鏡耦合進(jìn)入光纖，傳輸至拋物面反射鏡主鏡的焦點(diǎn)位置，光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部偏振分光片后，其中P光透過偏振分光片，被拋物面反射鏡主鏡準(zhǔn)直成為平行光，P光經(jīng)過λ/4波晶片，在大氣中傳輸，被角反射鏡反射后沿著原方向返回，再次通過λ/4波晶片，原P光經(jīng)過兩次λ /4波晶片后將變?yōu)镾光，再次經(jīng)過拋物面反射鏡主鏡匯聚，根據(jù)偏振分光片的特性，S光無法透過偏振分光片而被反射，最終匯聚耦合進(jìn)入接收光纖并傳輸至光譜儀分光后被探測器接收，從而進(jìn)行后期光譜分析。
[0007]所述的一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)充分利用拋物面反射鏡主鏡的有效面積，拋物面反射鏡主鏡不區(qū)分發(fā)射部分和接收部分，使發(fā)射到大氣的光輻射較多反射回來望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)并接收。
[0008]所述的望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光指的是未經(jīng)過大氣傳輸，由望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部直接反射進(jìn)入接收光纖的光輻射。光源發(fā)出的光輻射經(jīng)過偏振分光片后變?yōu)镻光，若僅通過拋物面反射鏡主鏡反射而不通過波晶片，將不改變其偏振態(tài)，即望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光偏振態(tài)基本上仍為P態(tài)。根據(jù)偏振分光片的特性，P光將透過偏振分光片，而無法由偏振分光片反射至接收光纖，從而可以消除大部分望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光。
[0009]所述的大氣背景散射光主要來自于被DOAS望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收到的太陽散射光，而大氣背景散射光通過本發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中所使用的波晶片以及偏振分光片分光后，約半數(shù)大氣背景散射光將透過偏振分光片而不會(huì)經(jīng)過偏振分光片反射耦合進(jìn)入光譜儀探測器，達(dá)到減少大氣雜散光的目的。
[0010]所述的偏振分光片和λ/4波晶片的中心均位于望遠(yuǎn)鏡主光軸上,其中偏振分光片與光軸夾角約45度，λ/4波晶片與主光軸垂直。
[0011]所述發(fā)射光纖端位于望遠(yuǎn)鏡拋物面鏡主鏡的焦點(diǎn)位置，接收光纖位于望遠(yuǎn)鏡鏡筒外側(cè)，均安裝在三維調(diào)整平臺(tái)上，能對(duì)所處位置方便地進(jìn)行三維調(diào)節(jié)。
[0012]所述的角反射鏡盡量正對(duì)望遠(yuǎn)鏡鏡筒，保證望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直的發(fā)出的平行光近似垂直照射在角反射鏡平面，從而提高反射效率。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:本發(fā)明提出的一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)，可以減少望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光和大氣背景散射光在測量信號(hào)中所占比重，保證光效的同時(shí)可提高差分光學(xué)吸收光譜測量信噪比，從而提高差分光學(xué)吸收光譜探測精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是現(xiàn)有技術(shù)基于卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是現(xiàn)有技術(shù)基于牛頓式望遠(yuǎn)鏡的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明提供的一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖3所示，本發(fā)明提供的一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)包括λ /4波晶片，偏振分光片，拋物面反射鏡主鏡，角反射鏡，光纖，光源裝置以及光譜儀探測器。[0018]測量時(shí)，光源裝置I發(fā)出的光被透鏡耦合進(jìn)入光纖，傳輸至拋物面反射鏡主鏡3的焦點(diǎn)位置，光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部偏振分光片2后，其中P光透過偏振分光片，被拋物面反射鏡主鏡3準(zhǔn)直成為平行光，P光經(jīng)過λ/4波晶片4，在大氣中傳輸，被角反射鏡5反射后沿著原方向返回，再次通過λ/4波晶片4，原P光經(jīng)過兩次λ/4波晶片后將變?yōu)镾光，再次經(jīng)過拋物面反射鏡主鏡3匯聚，根據(jù)偏振分光的原理，S光無法透過偏振分光片2而被反射，最終匯聚耦合進(jìn)入接收光纖并傳輸至光譜儀分光后被探測器6接收，從而進(jìn)行后期光譜分析。可根據(jù)氣體的特征吸收反演得到空氣中痕量氣體的濃度，實(shí)現(xiàn)高靈敏度高精確性的空氣有害痕量氣體測量。
[0019]本發(fā)明將偏振分光片和λ/4波晶片運(yùn)用于差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)，光源發(fā)出的光輻射透過偏振分光片成為P光，再兩次通過λ /4波晶片變成S光，攜帶吸收光譜的信號(hào)會(huì)被偏振分光片反射至接收光纖，可以保證光效；而未在大氣傳輸不攜帶吸收光譜的望遠(yuǎn)鏡雜散光信號(hào)由于不通過λ/4波晶片，偏振態(tài)不改變，將透過偏振分光片而不會(huì)被偏振分光片反射至接收光纖，故可以消除大部分望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光；大氣背景散射光透過入/4波晶片，偏振分光片，約半數(shù)也將透過偏振分光片而不進(jìn)入吸收光纖。本發(fā)明可以減少望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部雜散光和大氣背景散射光在測量信號(hào)中所占比重，在保證光效的同時(shí)可提高差分吸收光譜測量信噪比，提高差分光學(xué)吸收光譜探測精度。
【權(quán)利要求】
1.一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)，其特征在于包括:λ /4波晶片，偏振分光片，拋物面反射鏡主鏡，角反射鏡，光纖，光源裝置以及光譜儀探測器；所使用的偏振分光片和λ/4波晶片的中心均位于望遠(yuǎn)鏡主光軸上,其中偏振分光片與光軸夾角為45度，λ/4波晶片與主光軸垂直；光源裝置發(fā)出的光輻射被透鏡耦合進(jìn)入光纖，傳輸至拋物面反射鏡主鏡的焦點(diǎn)位置，光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部偏振分光片后，其中P光透過偏振分光片，被拋物面反射鏡主鏡準(zhǔn)直成為平行光，P光經(jīng)過λ /4波晶片，在大氣中傳輸，被角反射鏡反射后沿著原方向返回，再次通過λ/4波晶片，原P光經(jīng)過兩次λ/4波晶片后將變?yōu)镾光，再次經(jīng)過拋物面反射鏡主鏡匯聚，根據(jù)偏振分光片的特性，S光無法透過偏振分光片而被反射，最終匯聚耦合進(jìn)入接收光纖并傳輸至光譜儀分光后被探測器接收，從而進(jìn)行后期光譜分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用偏振分光的差分光學(xué)吸收光譜測量系統(tǒng)，其特征在于:發(fā)射光纖端位于望遠(yuǎn)鏡拋物面鏡主鏡的焦點(diǎn)位置，接收光纖位于望遠(yuǎn)鏡鏡筒外側(cè)，均安裝在三維調(diào)整平臺(tái)上，能對(duì)所 處位置方便地進(jìn)行三維調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK103604501SQ201310602788
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】秦敏, 段俊, 方武, 盧雪, 沈蘭蘭, 張?zhí)焓? 謝品華, 劉文清, 王煜 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院