用于激光吸收光谱技术的新型平面镜光学多通池的设计与分析

许棕,曹亚南,张荣荣,刘成静

(1深圳大学新能源研究中心,广东 深圳 518000;2深圳大学光电工程学院光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室, 广东 深圳 518000;3安徽理工大学深部煤矿开采响应与灾害防治国家重点实验室,安徽 淮南 232001;4安徽理工大学机械工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引言

基于激光吸收光谱技术的光学气体传感器,因其实时在线测量、高灵敏度、高选择性和非入侵式等优点,被广泛应用于大气、环境和工业等领域[1-6]。光学气体传感器的重要性源于其检测痕量气体(如CH4、CO2、HCHO、N2O、NH3等)的能力,为了提高其探测灵敏度,通过光学多通吸收池增加光和样品相互作用程长。White和Herriot早期发展的球面镜光学多通池,由于结构简单和操作方便,已被广泛应用于痕量气体监测领域[7]。近年来,为了获得长光程的小型化光学多通池,许多研究小组开展了不同类型光学多通池研究。Dong等[8-10]发展了一种小型化的光学多通池,能提供54.6 m的光程,体积仅600 cm3;Cui等[11]为了获取更长光程的小型化光学多通池,提出了非傍轴近似条件下的光学多通池仿真计算方法;Kong等[12]利用光线方程,提出了长光程光学多通池设计方法,激光在光学多通池内部实现183次光反射得到20.4 m有效光程,体积仅为332 mL;Liu等[7]利用非傍轴光线实现凹面镜反射面上7个圆圈的光斑分布,提高凹面镜反射面利用率,在光斑不重合的情况下实现了高达215次的光反射,从而用12 cm物理基长实现了26 m的有效光程。文献调研发现许多研究小组利用像散镜片取代球面镜设计像散型光学多通池[13,14],以此提高镜面利用效率,获取更长的光程。Ozharar等[15]报道了一种像散型光学多通池,其像散镜片焦距会随镜片的高度而变化。Tuzson、Mangold等[16,17]设计了一种小型化的圆柱形光学多通池,而在实际应用中要制造出如此高精度的像散镜片存在诸多困难。因此,这些像散型光学多通池既昂贵又复杂。

相比于球面镜与非球面镜,平面镜由于其结构简单和成本低等优点而广泛用于光学多通池设计。为了获得高探测灵敏度的低成本光学多通池,本文提出了一种新型平面镜光学多通池设计方法。

1 平面镜光学多通池计算模型

鉴于平面镜对光束无聚焦作用,仅由两个平面镜无法组成稳定的平面镜光学多通池,因此透镜的光束聚焦能力对形成稳定的平面镜光学多通池起着重要作用。图1为平面镜光学多通池结构,入射光线通过平面镜M1上的入射光孔进入光学多通池,分别经过平面镜(M1、M4)的N次循环反射与透镜(M2、M3)N次循环折射后,最后从平面镜M1出光孔处射出。

图1 平面光学多通池结构框图Fig.1 Schematic diagram of the plane multipass cell

为得到平面镜反射面光斑分布图,根据矩阵光学方法,自由空间光线传输矩阵L1、L2与L3分别表示为

对于透镜M2、M3,变换矩阵R1、R2分别表示为

因此,光线往返一次ABCD矩阵表示为

根据光学谐振腔理论,入射光束复参数q应满足自洽方程

由(8)式可得稳定光学多通池判据准则|A+D|＜2。设xn、yn为光斑空间坐标,为光线入射角度。如果入射光线在M1参考面上以初始参数进入光学多通池,光线经过n次反射折射后,此时光线在平面镜M1参考面上的光斑信息可以表示为

为了证明四镜片平面光学多通池也具有产生有效长光程的能力,利用光学软件对具有不同设计参数的平面镜光学多通池进行了光学仿真。

2 平面镜光学多通池结构设计

通过上述理论分析,设计了一种新型光学多通池,其机械结构如图2(a)所示,仿真模型如图2(b)所示。此新型光学多通池由2片平面镜、2片透镜、光学底座和石英玻璃管组成。平面镜和透镜的直径均为50 mm,透镜折射率为1.52,2个尺寸为75 mm×75 mm×30 mm的光学底座用于安装平面镜、2个尺寸为75 mm×75 mm×21 mm的光学底座用于安装透镜,3个石英玻璃管内径为48 mm,与平面镜相连接的石英玻璃管各带有1个气孔,气孔用于多通池与外界进行交换气体。图2(b)显示光学仿真模型包含入射光线、出射光线以及4个光学元件。在光学仿真模型中,平面镜外侧设有高反射率镀膜层,这种镀膜方法应用到光学多通池有助于隔绝待测腐蚀性目标气体与高反射率镀膜层的接触,减小腐蚀性气体对高反射率镀膜层的污染,从而提高仪器的使用寿命和检测精度。

3 平面镜光学多通池光学仿真

为了验证新型平面镜光学多通池是否能产生密集的光斑分布图案并获取有效长光程,设计了不同的光学参数,如表1所示。其中(xi,yi,zi)为入射光线初始坐标,(x′、y′、z′)为入射光线方向向量,L1、L2、L3为相邻光学元件间距,R为透镜曲率半径,n为透镜中心厚度,d为透镜中心厚度,D为反射镜直径,V为吸收池体积,OPL为光程,RLV为光程与光学多通池体积比率,获取了不同设计参数条件下平面镜、透镜表面光斑分布图案,如图3～5所示。

图3～5均由光学软件仿真得到。图3为9个相切圆的光斑分布图,光束实现99次光反射,有效光程为42.57 m;在获取图3的前提下,通过调整相邻光学元件间距L1、L2、L3得到椭圆形光斑分布图,如图4所示,光束实现61次光反射,有效光程为14.64 m;图5展示了一个圆环形的光斑分布图案,光束实现100次光反射,有效光程为40 m。从图3～5可以发现透镜表面的光斑点数是平面镜表面光斑点数的2倍。图4可以通过标准光学传输ABCD矩阵等式(9)、(10)得到;但是对于图3、图5,由于入射光线为非傍轴光线,经过多次反射、折射后傍轴近似误差被不断放大,光学传输ABCD矩阵计算得到的图3、图5光斑分布图案会产生较大的误差。

图4 (a)平面镜及(b)透镜表面光斑分布图。L1=35 mm,L2=40 mm,L3=45 mm,R=200 mmFig.4 Spot distribution patterns on the surface of(a)plane mirror and(b)lens with L1=35 mm,L2=40 mm,L3=45 mm,R=200 mm

图5 (a)平面镜及(b)透镜表面光斑分布图。L1=50 mm,L2=100 mm,L3=50 mm,R=100 mmFig.5 Spot distribution patterns on the surface of(a)plane mirror and(b)lens with L1=50 mm,L2=100 mm,L3=50 mm,R=100 mm

这些密集型光斑分布图案表明新型平面镜光学多通池可在较小体积内实现较长光程,从而实现较高的检测灵敏度。表1中列出不同参数类型平面镜光学多通池的光程长度(OPL)与体积(V)比值。有效光程与体积比值越大表明光线对光学多通池的空间利用率越高,如表1所示。图3～5的RLV比值分别为100、62、101 mm-2。

表1 平面光学多通池性能参数Table 1 Parameters and performance of the plane optical multipass cell

4 结论

提出了一种新型光学多通池,其由2个平面镜和2个透镜构成。光学软件仿真结果表明新型四镜片平面镜光学多通池像传统的White和Herriot池一样能够提供长光程,但是体积更小,对于提高光程与体积比率具有重要的实用价值。由于采用特殊的镀膜方式,将平面镜外侧镀上高反射膜,降低了腐蚀性目标气体对镜片镀膜层的污染,实现了仪器使用寿命与探测精度的提升。