[發明專利]多光程氣體吸收腔及其痕量氣體測量系統

有效

• 申請號: 201811207808.1
• 申請日: 2018-10-17
• 公開（公告）號: CN109270006B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 楊錚;孫利群
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/01
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 謝安昆;宋志強

1.一種多光程氣體吸收腔，其特征在于，包括：兩個內表面為球面，外表面為圓柱面的環形球面鏡，分別為第一環形球面鏡和第二環形球面鏡，所述第一環形球面鏡和第二環形球面鏡的曲率半徑相同，且自下而上累疊，所述第一環形球面鏡的曲率中心P_c1位于兩鏡接合面之外，所述第二環形球面鏡的曲率中心P_c2位于兩鏡接合面之上；

建立直角坐標系，以所述第一環形球面鏡M1的曲率中心P_c1和第二環形球面鏡M2的曲率中心P_c2的連線與光束的入射平面垂直相交的交點為原點，以P_c1P_c2的連線為y軸，以所述光束的入射平面為xoz平面，且光束的入射方向與z軸平行；

光束通過第一環形球面鏡上的入射孔水平入射至腔內，從第二環形球面鏡上的出射孔出射，在腔內y方向上的上下兩個平面至多來回渡越Np-N+1次，N2，形成至多在y方向上分開的N排、各自p等分所在環形球面鏡圓周的反射光斑，其軌跡為在y方向上不同的N個平面上分別分布的N個p角星形。

2.如權利要求1所述的多光程氣體吸收腔，其特征在于，所述氣體吸收腔由參數組來表征，R為球面曲率半徑；p,q為互質的正整數，用以確定光束在腔內來回反射所形成的N個正多角星形軌跡的形狀，其中p為正多角星的角數，q為正多角星的邊幅；D為氣體吸收腔底面直徑；H₁為所述第一環形球面鏡高度；H₂為所述第二環形球面鏡高度；c為曲率中心P_c1與光束的入射平面在y方向的垂直距離，c'為光束的入射平面與兩鏡接合面的垂直距離；c”為光束的入射平面與出射平面的垂直距離，a為入射和出射孔在內表面上的直徑；A為入射和出射孔在外表面上的直徑；為兩個孔中心相對于P_c1P_c2連線在接合面上的投影所形成的夾角；

其中，p＝2Nk+2或p＝2Nk+N-2(k＝1,2,3…)，且q與p互質，a₀為光束入射到多光程氣體吸收腔入射孔的光斑直徑。

3.如權利要求2所述的多光程氣體吸收腔，其特征在于，

根據未修正的入射角確定修正后的入射角θ，

根據L_max≈2(Np-N+1)Rcosθ，確定最大光程L_max。

4.如權利要求3所述的多光程氣體吸收腔，其特征在于，

當所需的光程為L_des時，R,p需滿足2(Np-N+1)R cosθ₀≥L_des；A≥a+2(D-2R)sinθ。

5.如權利要求3所述的多光程氣體吸收腔，其特征在于，

根據確定c'；

根據確定c”。

6.如權利要求4所述的多光程氣體吸收腔，其特征在于n＝0,1,2…(p/2-1)。

7.一種基于權利要求1所述多光程氣體吸收腔的痕量氣體測量系統，其特征在于，該系統包括：前置光學子系統、多光程氣體吸收腔和后置光學子系統；

所述前置光學子系統包括：激光光源和第一離軸拋物面鏡；

所述后置光學子系統包括：第二離軸拋物面鏡、第三離軸拋物面鏡和探測器；

激光光源，用于將發出的準直激光出射到第一離軸拋物面鏡上；

第一離軸拋物面鏡，用于將所述準直激光進行聚焦后水平入射到所述多光程氣體吸收腔中；

多光程氣體吸收腔，用于將聚焦后的光束通過第一環形球面鏡上的入射孔水平入射至腔內，從第二環形球面鏡上的出射孔出射，在腔內y方向上的上下兩個平面至多來回渡越Np-N+1次，N2，形成至多在y方向上分開的N排、各自p等分所在環形球面鏡圓周的反射光斑，其軌跡為在y方向上不同的N個平面上分別分布的N個p角星形；

第二離軸拋物面鏡和第三離軸拋物面鏡，用于將出射光束進行聚焦后發送到探測器上；

探測器，用于通過調諧激光光源的輸出波長，記錄不同波長的光強，得到腔內氣體的吸收光譜。