[发明专利]一种自由曲面气体池及其加工方法

说明书

技术领域

本发明属于气体池设计及超精密加工领域，特别是涉及一种基于自由曲面的气体池及其加工方法。

背景技术

近年来，随着大家对身体健康关注度的提升，光谱学技术在空气质量的定性与定量分析以及通过呼出气体进行医疗诊断等方面的应用在近几十年已得到广泛应用。无论是其中的傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术，还是可调谐激光吸收光谱(TLAS)技术，气体池作为被测气体的容器与进行光谱吸收的场所是不可或缺的。要实现痕量气体ppm甚至ppb量级的检测，根据朗伯-比尔定律，需要有气体池能够提供足够长的光程。为了仪器的使用方便，希望气体池在能保证提供足够长的光程外，自身体积要尽量小，这样有利于测量系统的小型化与便携化。常见的气体池种类有White型、Herriott型和Chernin型(美国专利US4626078)。

White型气体池由三块反射镜组成，装配较易，且具有允许较大孔径角光源入射、光程可调的优点，然而其光线始终在一个平面上折返，未充分有效利用镜面，反射次数相对较少，造成结构不够紧凑。传统Herriott型气体池由两块反射镜组成，其不但同样具有光程可调的优点，而且其光线在腔镜内形成的光斑以椭圆的形式分布，镜面利用率相对于White型气体池有了明显提升，然而椭圆内部的镜面仍未被充分利用。许多学者对Herriott型气体池进行了改进，如：Herriott本人在原先的设计中加入一小块折返镜片来充分利用镜面，提升气体池光程，然而加入的折返镜片装配存在困难。为了解决Herriott型气体池装配过程中难以共轴的问题，郝绿原等人将传统Herriott型气体池中的一块凹面镜替换为一面平面镜，使装配过程中仅保证两反射镜相对平行即可，避免了调整两镜轴线的复杂过程。但是此种改善方式使气体池在同等条件下比传统的Herriott长程池的反射次数还少。夏滑等人则巧妙地将传统Herriott型气体池的入射凹面镜沿水平对称轴平均分成上下两块，通过水平旋转上凹面反射镜面可以改变光线分布，增加了光线的反射周期，从而大大增加了光线的反射次数。美中不足的是，光线分布不够均匀且入射光源的孔径角仍然不能很大。Chernin型气体池作为White型气体池的改进型，在保留了White型气体池允许较大孔径角光源入射且光程可调等优点的基础上，巧妙地将光线按照矩阵形式进行折叠，满足足够光程长度的同时，保证光线在气体池内分布均匀且系统结构紧凑。然而传统四物镜Chernin型气体池由4块分立的物镜与2块分立的场镜组成，此种多镜片的离轴反射结构装配难度与成本较高，因而长期以来应用不是很广泛。目前市场主流长光程气体池仍为White型与Herriott型。与White池和Herriott池相比，传统四物镜Chernin型气体池具有允许较大孔径角光源入射、镜面利用率高利于气体池结构紧凑、光线分布均匀利于保证检测精度、光程容易调节的优点，更利于实现大光程小体积的气体池。总之，现有的气体池类型中，结构简单易于装配的气体池可实现的有效光程小，或者体积大；有效光程大，结构紧凑的吸收池结构复杂，装配困难。

发明内容

本发明针对类似具有多个镜面的气体池结构存在装配困难的技术问题，提出利用一面自由曲面镜代替初始结构中多个镜面的自由曲面镜气体池，在保留初始结构有效光程大、结构紧凑等优点且不改变其工作效果的同时，削减镜面数量，以极大降低光学装调难度与成本。技术方案流程如下：

1.针对目标气体池，根据对气体池的光程长度范围、体积、入射激光孔径等指标的需求，确定气体池的初始结构，初始结构包括气体池腔体长度、气体池截面积，反射镜面形与尺寸等；

2.根据初始结构中分立镜面的面形与分布特征，选择适合的方法将多个分立镜面拟合为一面自由曲面镜，以保证作为拟合结果的自由曲面具有足够的面形精度的同时有具有很好的连续性，以便于加工。

3.可以通过光学设计工具(或软件)对拟合的自由曲面物镜进行进一步的优化，直到自由曲面物镜面形达到需求的精度。

4.根据镜面的面形特征以及加工材料，采用超精密加工实现设计的自由曲面。

上述第2点中的目标曲面包括但不限于多个分立镜面，针对多个分立曲面的结构本发明均适用。

上述第2点中的拟合方法包括但不限于XY多项式拟合、Zernike多项式拟合、样条曲面拟合、径向基函数拟合等。

上述第3点中的提到的对作为拟合结果的自由曲面镜进行优化，有一定经验的技术人员完全可以通过Code V、Zemax等光学设计软件实现自由曲面镜的优化。