[發(fā)明專利]一種自由曲面氣體池及其加工方法

在審

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• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107402185A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張效棟;王穎墨;房豐洲;李澤驍
• 申請（專利權(quán)）人: 三代光學(xué)科技（天津）有限公司
• 主分類號: G01N21/03
• 分類號: G01N21/03;G02B27/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體池設(shè)計(jì)及超精密加工領(lǐng)域，特別是涉及一種基于自由曲面的氣體池及其加工方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著大家對身體健康關(guān)注度的提升，光譜學(xué)技術(shù)在空氣質(zhì)量的定性與定量分析以及通過呼出氣體進(jìn)行醫(yī)療診斷等方面的應(yīng)用在近幾十年已得到廣泛應(yīng)用。無論是其中的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)，還是可調(diào)諧激光吸收光譜(TLAS)技術(shù)，氣體池作為被測氣體的容器與進(jìn)行光譜吸收的場所是不可或缺的。要實(shí)現(xiàn)痕量氣體ppm甚至ppb量級的檢測，根據(jù)朗伯-比爾定律，需要有氣體池能夠提供足夠長的光程。為了儀器的使用方便，希望氣體池在能保證提供足夠長的光程外，自身體積要盡量小，這樣有利于測量系統(tǒng)的小型化與便攜化。常見的氣體池種類有White型、Herriott型和Chernin型(美國專利US4626078)。

White型氣體池由三塊反射鏡組成，裝配較易，且具有允許較大孔徑角光源入射、光程可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，然而其光線始終在一個(gè)平面上折返，未充分有效利用鏡面，反射次數(shù)相對較少，造成結(jié)構(gòu)不夠緊湊。傳統(tǒng)Herriott型氣體池由兩塊反射鏡組成，其不但同樣具有光程可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，而且其光線在腔鏡內(nèi)形成的光斑以橢圓的形式分布，鏡面利用率相對于White型氣體池有了明顯提升，然而橢圓內(nèi)部的鏡面仍未被充分利用。許多學(xué)者對Herriott型氣體池進(jìn)行了改進(jìn)，如：Herriott本人在原先的設(shè)計(jì)中加入一小塊折返鏡片來充分利用鏡面，提升氣體池光程，然而加入的折返鏡片裝配存在困難。為了解決Herriott型氣體池裝配過程中難以共軸的問題，郝綠原等人將傳統(tǒng)Herriott型氣體池中的一塊凹面鏡替換為一面平面鏡，使裝配過程中僅保證兩反射鏡相對平行即可，避免了調(diào)整兩鏡軸線的復(fù)雜過程。但是此種改善方式使氣體池在同等條件下比傳統(tǒng)的Herriott長程池的反射次數(shù)還少。夏滑等人則巧妙地將傳統(tǒng)Herriott型氣體池的入射凹面鏡沿水平對稱軸平均分成上下兩塊，通過水平旋轉(zhuǎn)上凹面反射鏡面可以改變光線分布，增加了光線的反射周期，從而大大增加了光線的反射次數(shù)。美中不足的是，光線分布不夠均勻且入射光源的孔徑角仍然不能很大。Chernin型氣體池作為White型氣體池的改進(jìn)型，在保留了White型氣體池允許較大孔徑角光源入射且光程可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，巧妙地將光線按照矩陣形式進(jìn)行折疊，滿足足夠光程長度的同時(shí)，保證光線在氣體池內(nèi)分布均勻且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。然而傳統(tǒng)四物鏡Chernin型氣體池由4塊分立的物鏡與2塊分立的場鏡組成，此種多鏡片的離軸反射結(jié)構(gòu)裝配難度與成本較高，因而長期以來應(yīng)用不是很廣泛。目前市場主流長光程氣體池仍為White型與Herriott型。與White池和Herriott池相比，傳統(tǒng)四物鏡Chernin型氣體池具有允許較大孔徑角光源入射、鏡面利用率高利于氣體池結(jié)構(gòu)緊湊、光線分布均勻利于保證檢測精度、光程容易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，更利于實(shí)現(xiàn)大光程小體積的氣體池。總之，現(xiàn)有的氣體池類型中，結(jié)構(gòu)簡單易于裝配的氣體池可實(shí)現(xiàn)的有效光程小，或者體積大；有效光程大，結(jié)構(gòu)緊湊的吸收池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對類似具有多個(gè)鏡面的氣體池結(jié)構(gòu)存在裝配困難的技術(shù)問題，提出利用一面自由曲面鏡代替初始結(jié)構(gòu)中多個(gè)鏡面的自由曲面鏡氣體池，在保留初始結(jié)構(gòu)有效光程大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)且不改變其工作效果的同時(shí)，削減鏡面數(shù)量，以極大降低光學(xué)裝調(diào)難度與成本。技術(shù)方案流程如下：

1.針對目標(biāo)氣體池，根據(jù)對氣體池的光程長度范圍、體積、入射激光孔徑等指標(biāo)的需求，確定氣體池的初始結(jié)構(gòu)，初始結(jié)構(gòu)包括氣體池腔體長度、氣體池截面積，反射鏡面形與尺寸等；

2.根據(jù)初始結(jié)構(gòu)中分立鏡面的面形與分布特征，選擇適合的方法將多個(gè)分立鏡面擬合為一面自由曲面鏡，以保證作為擬合結(jié)果的自由曲面具有足夠的面形精度的同時(shí)有具有很好的連續(xù)性，以便于加工。

3.可以通過光學(xué)設(shè)計(jì)工具(或軟件)對擬合的自由曲面物鏡進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，直到自由曲面物鏡面形達(dá)到需求的精度。

4.根據(jù)鏡面的面形特征以及加工材料，采用超精密加工實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自由曲面。

上述第2點(diǎn)中的目標(biāo)曲面包括但不限于多個(gè)分立鏡面，針對多個(gè)分立曲面的結(jié)構(gòu)本發(fā)明均適用。

上述第2點(diǎn)中的擬合方法包括但不限于XY多項(xiàng)式擬合、Zernike多項(xiàng)式擬合、樣條曲面擬合、徑向基函數(shù)擬合等。

上述第3點(diǎn)中的提到的對作為擬合結(jié)果的自由曲面鏡進(jìn)行優(yōu)化，有一定經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員完全可以通過Code V、Zemax等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)自由曲面鏡的優(yōu)化。