一种用于气体拉曼信号增强的光束共心密集多反腔制造技术

一种光束共心密集多反腔，包括：首端腔镜与末端腔镜，首端腔镜、末端腔镜中间相对的区域构成增强腔，增强腔用于激光在首端腔镜与末端腔镜之间多次反射，首端腔镜开设多个通光孔，包括第一通光孔与第二通光孔，其中，多个通光孔距离首端腔镜中心的位置均不相同，且多个通光孔与首端腔镜的圆心共线；激光经由第一通光孔沿着光束共心方向进入增强腔；激光从第一通光孔射出增强腔，利用反射装置，经由第二通光孔沿着光束共心方向再次进入增强腔。本发明专利技术提出的光束共心密集多反腔，可使激光在腔内反射数百次，且腔内光束共心，大幅提升腔焦点处的激光强度。多组分气体拉曼光谱检测的检出限可达亚ppm量级。可达亚ppm量级。可达亚ppm量级。

【技术实现步骤摘要】
一种用于气体拉曼信号增强的光束共心密集多反腔


[0001]本专利技术属于气体拉曼光谱检测领域，更具体地，涉及一种用于气体拉曼信号增强的光束共心密集多反腔。

技术介绍

[0002]拉曼光谱法利用激光照射气体产生拉曼效应，通过检测拉曼散射光的波长判断气体组分，通过检测散射光的强度判断气体浓度。相比于其他光谱气体检测方法(如红外吸收光谱法、光声光谱法等)，拉曼光谱法利用单一波长激光器即可实现多组分混合气体的同时测量；相比基于红外吸收效应的方法，拉曼光谱法可以实现同核双原子气体(H2、O2、N2等)的测量；水汽的拉曼峰距离其他气体较远，气体样品中的水汽对拉曼光谱法的影响较小。因此，拉曼光谱法在气体检测领域中具有良好的应用前景。
[0003]然而，由于气体分子的拉曼散射截面积极小，导致拉曼光谱法气体检测的检出限较高。因此若使拉曼光谱法用于微量气体的检测，必须采用适当的信号增强方法。
[0004]多反腔增强法是目前常用的气体拉曼信号增强方法之一。多反腔利用激光在腔内多次反射并近似通过同一点(腔的焦点)，从而使腔内光束共心，提升焦点处的激光强度，增强侧向收集的气体拉曼信号强度。然而现有能使腔内光束共心的多反腔，其反射镜利用率较低，反射镜仅使用边缘区域反射激光，中心区域均为无效区域，导致腔内激光反射次数较少，焦点处激光强度较低，气体拉曼信号强度有待进一步提升。
[0005]综上，现有能使腔内光束共心的多反腔无法实现腔内光束的密集型多次反射，拉曼散射光侧向收集时，信号增强幅度较低，气体检出限仍然较高。
[0006]现有技术文件1(CN108535192A)公开了基于多路定量检测的激光拉曼气体检测装置，气体室内设有两个凹面反射镜，气体室一侧的外光路上同轴依次放置第一反射镜、三棱镜、高压氦氖管，气体室另一侧设有正对气体室开口的第二反射镜；高压氦氖管输出的激光通过三棱镜到垂直光路的第一反射镜反射后经过三棱镜和高压氦氖管从气体室一侧窗口垂直入射至气体室，在两个凹面反射镜之间反复折射，从气体室另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第二反射镜上，激光被反射镜反射回气体室内，再次进入两个凹面反射镜之间反复折射，多路气体由气体室上的进气口进入气体室，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过气体室上的探测器模块收集，现有技术文件1的不足之处在于：构成该腔体的反射镜无通光孔，激光只能从其中一个反射镜的外侧以较大的角度入射至腔内，该种方式可以形成的反射次数较少。相反的，若激光从通光孔入射至腔内，则可以形成更多的反射次数。同等条件下(相同的反射镜等)，即使反射镜只有单个通光孔，有孔反射镜形成的多次反射腔的反射次数至少是无孔镜的两倍。此外，该文件所述技术没有将激光多次引导至腔内以进一步增加腔内激光反射次数。
[0007]本专利技术的最大创新点在于提出了多通光孔反射镜构成的多次反射腔，以使激光可以多次进入腔内并多次反射。相比于传统的单通光孔反射镜构成的多次反射腔，本专利技术可以实现更多的激光反射次数。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提出用于气体拉曼信号增强的光束共心密集多反腔，不仅使腔内激光密集型多次反射，并且光束每次反射时都经过腔的焦点，从而提升腔焦点处的激光强度，增强侧向收集的气体拉曼信号强度，实现微量气体的低检出限拉曼光谱检测。
[0009]本专利技术采用如下的技术方案。
[0010]一种光束共心密集多反腔，包括：首端腔镜与末端腔镜，所述首端腔镜、末端腔镜中间相对的区域构成增强腔，所述增强腔用于激光在所述首端腔镜与末端腔镜之间多次反射；
[0011]所述首端腔镜开设多个通光孔，包括第一通光孔与第二通光孔，其中，所述多个通光孔距离首端腔镜中心的位置均不相同；
[0012]激光经由所述第一通光孔沿着光束共心方向进入所述增强腔；
[0013]激光从所述第一通光孔射出所述增强腔，利用平面反射镜，经由所述第二通光孔沿着光束共心方向再次进入所述增强腔。
[0014]进一步的，所述首端腔镜与末端腔镜为焦距相等、大小相同的凹面反射镜，所述首端腔镜与末端腔镜的距离为所述焦距的4倍。
[0015]进一步的，所述多个通光孔为圆形通光孔，所述通光孔中心至首端腔镜的中心距离呈等差数列。
[0016]一种用于气体拉曼信号增强的光束共心密集多反腔，包括：权利要求1至权利要求3任一所述的一种光束共心密集多反腔、激光器、气室、拉曼光准直透镜、长通滤镜、拉曼光聚焦透镜、光谱仪与CCD；
[0017]所述气室放置于所述增强腔内，用于填充所述气体；
[0018]所述激光器用于发射激光，其中，所述激光用于激发气体产生拉曼信号；
[0019]所述拉曼光准直透镜用于收集拉曼信号，聚焦于所述光束共心点处；
[0020]所述长通滤镜、拉曼光聚焦透镜、光谱仪与CCD依次位于所述光束共心点至所述拉曼光准直透镜中心的延长线上，其中，所述长通滤镜用于滤除干扰信号，所述拉曼光聚焦透镜用于聚焦拉曼光至所述光谱仪，所述光谱仪与CCD用于探测待测所述气体的拉曼信号。
[0021]进一步的，所述首端腔镜、末端腔镜的直径均为100mm，焦距均为200mm。
[0022]进一步的，所述通光孔为圆形，直径为3.5mm。
[0023]进一步的，所述激光器的波长为532nm、功率为1.5W。
[0024]进一步的，所述长通滤镜截止波长为533nm。
[0025]进一步的，所述拉曼光准直透镜为球面透镜，焦距为50mm；所述拉曼光聚焦透镜为球面透镜，焦距为50mm。
[0026]一种光束共心密集多反腔用于气体拉曼信号增强的方法，包括如下步骤：
[0027]步骤1，激光经由第一通光孔沿着光束共心方向进入增强腔；并在首端腔镜与末端腔镜之间多次反射；
[0028]步骤2，激光激光从第一通光孔射出增强腔，利用平面反射镜，经由第二通光孔沿着光束共心方向再次进入增强腔，用于增强光束共心处的气体的拉曼信号。
[0029]本专利技术的有益效果在于，与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0030](1)现有的腔内光束共心的多反腔通常能使激光反射数十次，至多100余次。而本专利技术提出的光束共心密集多反腔，可使激光在腔内反射数百次，且腔内光束共心，大幅提升腔焦点处的激光强度。多组分气体拉曼光谱检测的检出限可达亚ppm量级。
附图说明
[0031]图1是本公开实施例提供的光束共心多反腔的结构示意图。
[0032]图2是本公开实施例提供的首端腔镜上的光斑分布正视图。
[0033]图3是本公开实施例提供的用于气体拉曼信号增强的光束共心密集多反腔的结构示意图。
[0034]图4是本公开实施例的多组分气体拉曼光谱图。
[0035]图中标号：101、首端腔镜；102、末端腔镜；103、激光器；104、气室；105、拉曼光准直透镜；106、长通滤镜；107、拉曼光谱收集透镜；108、光谱仪；109、CCD；201、第一通光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光束共心密集多反腔，包括：首端腔镜与末端腔镜，所述首端腔镜、末端腔镜中间相对的区域构成增强腔，所述增强腔用于激光在所述首端腔镜与末端腔镜之间多次反射，其特征在于：所述首端腔镜开设多个通光孔，包括第一通光孔与第二通光孔，其中，所述多个通光孔距离首端腔镜中心的位置均不相同；激光经由所述第一通光孔沿着光束共心方向进入所述增强腔；激光从所述第一通光孔射出所述增强腔，利用平面反射镜，经由所述第二通光孔沿着光束共心方向再次进入所述增强腔。2.根据权利要求1所述的一种光束共心密集多反腔，其特征在于，所述首端腔镜与末端腔镜为焦距相等、大小相同的凹面反射镜，所述首端腔镜与末端腔镜的距离为所述焦距的4倍。3.根据权利要求1所述的一种光束共心密集多反腔，其特征在于，所述多个通光孔为圆形通光孔，所述通光孔中心至首端腔镜的中心距离呈等差数列。4.一种用于气体拉曼信号增强的光束共心密集多反腔，其特征在于，包括：权利要求1至权利要求3任一所述的一种光束共心密集多反腔、激光器、气室、拉曼光准直透镜、长通滤镜、拉曼光聚焦透镜、光谱仪与CCD；所述气室放置于所述增强腔内，用于填充所述气体；所述激光器用于发射激光，其中，所述激光用于激发气体产生拉曼信号；所述拉曼光准直透镜用于收集拉曼信号，聚焦于所述光束共心点处；所述长通滤镜、拉曼光聚焦透镜、光谱仪与CCD依次位于所述光束共心点至所述拉曼光准直透镜中心的延...

【专利技术属性】
技术研发人员：王品一，陈伟根，王建新，万福，王有元，杜林，周湶，李剑，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：