[发明专利]多光程气体吸收腔及其测量系统

说明书

本发明公开了一种偶态多光程气体吸收腔，通过改变传统Chernin型MMS四物镜多光程吸收腔的其中两个物镜的曲率中心位置，实现主场镜上除入射点和出射点所对应的列之外的(m‑1)行(n‑1)列光斑位置复用四次，入射点对应列和辅助场镜上的一行光斑位置复用两次，从而使腔内总通过次数增大为(4m‑2)·(2n‑1)，相较于传统Chernin提出的结构，光程增大了一倍左右，从而在吸收腔体积不变的情况下大大提升有效吸收光程，降低仪器的检出限。本发明还公开了一种奇态多光程气体吸收腔。本发明还公开了相应的测量系统。

技术领域

本发明涉及气体吸收光谱定量分析技术领域，特别涉及一种多光程气体吸收腔及其测量系统。

背景技术

多光程气体吸收腔是一种广泛用于痕量气体定量分析仪器中的重要装置。基于朗伯比尔吸收定律，利用光在气体池的有限体积内多次反射的原理来增加探测光吸收光程，从而降低对痕量气体探测的浓度的检出限(可达到ppbv量级)。

目前常用的增大吸收光程的方法主要有两种：1、长光程差分光学吸收光谱法(LP-DOAS)，通过直接在空间增大探测光的收发装置和合作目标之间的距离来提升吸收光程，收发装置采用卡塞格林式望远镜将宽带光源的出射光发射向空间中较远距离上(可达到几百米到几千米)的合作目标(比如:角锥棱镜)，然后接收反射的回波信号，特定波长的探测光在往返过程中被待测气体吸收，通过差分光学吸收光谱算法可以构建出气体的吸收光谱，从而反演往返路径中的气体平均浓度。这种仪器对于光路对准，测量空间范围内的气象、遮挡等条件要求严格；且只能得到较长路径上待测气体的平均浓度，无法得出气体在空间内的精确浓度分布；且不便于携带、转移和部署。2、多光程气体吸收腔方法，在进行气体吸收光谱测量时,首先将目标气体充入多光程吸收腔,然后将激光器或白光光源的出射光耦合进入腔内进行多次反射,经历一个较长光程后从腔内出射,通过测量不同波长的光在腔内被吸收的强度,得到目标气体的吸收光谱,从而反演处气体浓度等信息。在腔体尺寸一定的情况下，光在多光程吸收腔内经过的反射次数越多，光程就越长，能够实现的目标气体浓度的检出限就越低。

现有技术中Chernin型MMS(multipass matrix system)是一种White Cell的改进系统，是Chernin在1991年提出的一种多光程吸收腔，它主要分为三物镜腔和四物镜腔两种结构，其中四物镜腔利用位置满足偏心共轭关系四个物镜M₁～M₄分别与主场镜F₁组成的两个PBWC结构，激光或宽带光源发出的光从辅助场镜F₂的一侧入射腔内，在其中一个PBWC内完成往返后出射到辅助场镜F₂上，然后切换到另一个PBWC中继续来回反射，直到从辅助场镜F₂的另一侧出射，腔的整体结构如图1所示。入射光在Chernin型四物镜腔的场镜F_i、F₂上能够依次形成m行(m可以是任意正整数)n列(n可以为任何正奇数)的矩形分布的反射光斑，如图2所示(图2中取m＝5，n＝7)，其中主场镜中央的(m-1)行(n-2)列的同一光斑位置被复用了两次(即有两次反射光落在矩阵中的同一个光斑位置)，因此光在腔内的总通过次数为(4m-2)·(n-1)。

由此可以看出，上述多光程吸收腔在场镜F₁、F₂上形成的矩阵型光斑只能是奇数列，而无法设计出偶数列。而且，进一步增大吸收光程是业内有待解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明目的是：在吸收腔体积不变的情况下提升有效吸收光程。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：