一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，由紫外光源准直光学系统、多次反射池光学系统、聚焦耦合光纤光学系统组成。紫外光源准直光学系统由紫外光源和三片透镜构成；多次反射池光学系统采用三块曲率半径相同的凹球面反射镜共轭放置；聚焦耦合光纤光学系统利用非球面单透镜将出射光束聚焦耦合进光纤，继而导入光谱仪进行探测。本发明专利技术提高整体系统的探测分辨率，保证测量准确性，且整体光学系统便携紧凑。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一种光学测量方法领域，具体涉及一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统。
技术介绍
常见的光学方法包括差分吸收光谱法(DOAS)、可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)以及傅立叶红外光谱法(FTIR)。其中TDLAS的检测限比DOAS和FTIR的检测限低许多，其缺点是二极管激光器波长可调谐范围较窄，测量气体种类单一，对不同气体检测时需要更换相应波长的激光器。因此，激光器的波长范围和探测器限制了它的使用范围。FTIR技术在红外光谱分析方面有明显的优势，一次可以获得全光谱(2 15um)的数据，不需要光谱扫描，光强利用效率高，没有分光元件，如光栅或棱镜；具有同时对多种气体检测的优点，但该系统造价昂贵，探测器需要冷却，设备体积庞大。差分吸收光谱技术(DOAS)是在20世纪70年代由德国Heidelberg大学环境物理研究所的U. Platt等人提出，该技术主要是以大气中的痕量污染气体对紫外和可见波段的特征吸收为基础，通过特征吸收光谱对大气污染气体进行定性识别和定量检测。DOAS技术是基于分子的宽带光谱吸收原理，利用空气中的污染成份对UV/VIS波段的吸收特征来定量分析，即每种污染气体都有其特点的吸收光谱，如同人的指纹一样。DOAS技术是一种遥测、连续的测量、具有高灵敏度、高时间分辨率、不破坏痕量气体特性等优点，因而可以避免一些误差源的影响。DOAS技术测量的是一段光程内的污染物的平均浓度，其测量灵敏度可以达到PPt量级，测量结果更具有代表性。而且DOAS技术一次可以采集较宽的光谱范围，可以同时得到几种污染物的浓度信息。同时测量多种成份、无需采样、高分辨率、高灵敏探测及有区域代表性的监测结果使得DOAS技术已广泛应用于大气痕量气体成份的探测及污染源监测。它容易操作，费用低廉，实时分析，全路径非接触测量，使得DOAS技术广泛应用于大气环境监测，与其他方法比较，DOAS技术有紫外探测器件体积小，容易做成便携式仪器，而且整体性价比较好。但传统DOAS系统较为复杂，不易便携，限制了它在污染重的区域、工厂、车间、室内以及污染泄漏事故中的移动快速应急监测。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题克服现有技术不足，提供一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，它将差分吸收光谱技术、多次反射池技术结合在一起，实现紫外吸收光谱的高效测量，在具有较低的检测下限的同时也满足便携式测量的目的，且能够满足移动快速的应急监测。本专利技术技术解决方案一种基于便携式测量高效紫外吸收光谱的光学系统，包括紫外光源氘灯I、紫外光源准直光学系统、多次反射池光学系统、聚焦耦合光纤光学系统；所述紫外光源准直光学系统采用前后组透镜形式，前组透镜由第一准直光学系统镜片2构成，设计为一片正透镜，后组透镜由第二准直光学系统镜片3和第三准直光学系统镜片4构、成，设计为正负透镜组合形式的负透镜组；所述多次反射池光学系统采用三块曲率半径严格相同的凹球面反射镜共轭放置，其中一端放置一片反射主镜7，另一端并排放置两片反射次镜，即第一反射次镜5和第二反射次镜6 ;所述反射主镜7、第一反射次镜5及第二反射次镜6的曲率完全相同，曲率大小等于一端放置反射主镜7的中心和另一端放置第一反射次镜5及第二反射次镜6的中心彼此之间的间隔，所述间隔为多次反射池光学系统的腔长，所述腔长等于三片凹球面反射镜的曲率大小；第一反射次镜5、第二反射次镜6的曲率中心都在反射主镜7上,反射主镜7的曲率中心位于第一反射次镜5及第二反射次镜6的中心；所述聚焦耦合光纤光学系统为非球面聚焦透镜8 ，系统焦点位置放置耦合光纤9，耦合光纤9将非球面聚焦透镜8出射光束引入至光谱仪10的狭缝；紫外光源氘灯I经过紫外光源准直光学系统准直后的光束进入多次反射池光学系统进行多次反射；由多次反射池光学系统出射的光束经非球面聚焦透镜8聚焦汇聚，汇聚后的光束经过耦合光纤9，导入光谱仪10狭缝进行探测和处理。所述紫外光源氘灯I采用滨松氘灯L2-4000系列的L6565，光谱范围覆盖为180 400nm,发光面直径大小约为O 1mm。所述第一准直光学系统镜片2、第二准直光学系统镜片3和第三准直光学系统镜片4的材料采用紫外波段透过的玻璃材料构成，为熔融石英(JGSl)光学玻璃。所述第一准直光学系统镜片2、第二准直光学系统镜片3和第三准直光学系统镜片4均镀紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透过率。所述反射主镜7、第一反射次镜5及第二反射次镜6的表面均镀紫外反射膜，使反射主镜7、第一反射次镜5及第二反射次镜6的反射镜膜层的反射率在190 330nm范围内达到90%以上。所述非球面聚焦透镜8的材料采用紫外波段透过的玻璃材料，为熔融石英(JGSl)光学玻璃，非球面聚焦透镜8镀紫外增透膜，提高190 330nm波段的紫外波段透过率。所述耦合光纤9的光纤数值孔径NA = 0. 22，光纤芯径为0 0. 4mm。所述光谱仪10是海洋公司的Maya2000pro或GratingWorks的HR03型的小型光纤光谱仪。本专利技术的原理本专利技术中的紫外光源氘灯采用滨松氘灯L2-4000系列的L6565，光谱范围覆盖为180 400nm，发光面直径大小约为O 1mm。由于氘灯光束发散角较大，需要对光束进行准直，才能进入多次反射池。只有保证氘灯光源出射光束具有较好的准直性，才能提高光束耦合进入多次反射池的效率。为了避免氘灯光束发散角过大造成的光斑发散，提高光束的传输距离，即降低光束发散角，提高准直性，设计光束扩束器来改善其发散角。这里采用前后组形式；前组透镜由准直光学系统镜片一构成，设计由一片短焦距正透镜构成，后组透镜由第一准直光学系统镜片和第二准直光学系统镜片构成，设计为正负透镜组合形式的负透镜组。紫外光源准直光学系统将准直后的光束耦合进入多次反射池光学系统。根据Lambet-Beer定律测定气体浓度的原理，加长探测光程可以提高检测灵敏度。为了满足便携式需要，本专利技术采用多次反射池装置来达到增加光程的目的，即入射光在其中来回反射，有效光程显著提高。这里的采用三块曲率半径严格相同的凹球面反射镜5、6、7共轭放置，其中一端放置反射主镜7，另一端并排放置反射次镜5和6。如图2所示，反射主镜7和两个反射次镜5、6的曲率半径相同，反射主镜和反射次镜之间的中心间隔和曲率半径相等，这样反射主、次镜之间就形 成了一个共焦腔，光束在反射主镜和两片反射次镜之间来回反射，达到增大光程的目的。多次反射池中有三个曲率半径完全相同的凹面镜，由于采用反射镜，因此不存在色差问题，这是透镜系统无法比拟的。对于球面镜来说，若孔径光阑置于球心处，由于任一主光线(通过光阑中心)都可以作为此物镜的光，因此任一角度投射到物镜上的光束，其像质都和轴上点像质一样，这样整个视场范围内都可以得到均匀良好的像质。从多次反射池光学系统出射光通过聚焦耦合光纤光学系统，最后由光纤导入光谱仪狭缝。本专利技术采用非球面聚焦透镜8对多次反射池光学系统出射的光束进行汇聚，汇聚光束耦合进入光纤9导入光谱仪10进行探测。本专利技术设计用耦合光纤9的芯径为Φ0. 4_、数值孔径NA = O. 22。由于出射光束本身发散角较大，轴外像差过大，很难形成较小光斑，从而导致能量损失。而非球面具有校正像差功能，本专利技术利本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：江宇，谢品华，司福祺，秦敏，陈军，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。