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作者：

常虹

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摘要：

激光光谱技术已经被广泛应用于环境监测,燃烧诊断,医学,工业,农业等领域.基于朗伯比尔定律,激光吸收光谱的测量灵敏度和激光与物质作用的有效光程(Optical Path Length,OPL)有直接关系.增加有效光程可以使气体吸收信号的幅值得到提高,有利于提高检测灵敏度.提高OPL的常用方法是使用多光程池(Multipass Cell,MPC).传统的多光程池包括Herriott型MPC,White型MPC和Chernin型MPC.与传统的多光程池相比,环形MPC具有小型化,光程易调节,镜面利用率高的优点,因此,本文主要对环形多光程吸收池的光学设计及相关理论展开研究.主要工作如下:1.本文基于光束的离轴入射情况,提出一种可实现多层光斑分布的环形光学多光程吸收池.该环形多光程吸收池的内表面是单个环形表面,其镜面的利用率高且加工难度低,并增加了有效光程长度.2.基于矢量计算法,提出了设计环形多光程池的精确解析方程.此方法可快速得到光程长度的最大值所对应的唯一入射角度.另外,根据在环形多光程吸收池内的光线传输过程中,第n-1次反射的光束的方向向量和法向量与第n次反射的光束的方向向量之间的矢量关系,从而计算出每次反射形成光斑的空间位置坐标.另外,通过Matlab,Tracepro以及Solidworks软件对内半径为50 mm的环形多光程池中的两,三层光斑分布进行了数值模拟.理论上,在光斑紧密分布且不重叠的条件下,在池内最多可实现300次反射,此时光斑分为三层且每层都均匀分布,可实现的光程最大值为30 m.通过实验验证,得到了一组两层和三层光斑分布的实际调节结果.当环形多光程吸收池中两,三层光斑分布对应的有效体积为63 mL,94 mL时,在池内分别实现了8.3 m和10 m的有效光程.3.在实验验证的过程中,在环形光学多光程池里加入了可以有效抑制杂散光的光学遮罩.为了验证环形多光程吸收池的条纹抑制能力,使用信号发生器产生频率为5 Hz的三角波信号对激光频率进行扫描.之后再通过光电探测器对于最终从环形多光程吸收池中出射的激光束进行检测,得到基线测量结果.通过使用设计的光学遮罩,条纹噪声可降低到0.5%以下.4.为了提高光程池的性能,进一步提高环形多光程吸收池的有效光程长度与有效体积之间的比值(OPL/V),设计出一种小体积,长光程的光学多光程吸收池.在本文的研究工作中,初步提出了两种方法.第一种方法是通过减小光斑的大小来增加反射次数从而增加光程长,第二种方法是在不影响光束正常传输的前提下,可以通过在光程池中心的空位置处添加一个圆柱体,此圆柱体也可以进一步拓展,用于装配所需传感器.本文所提出的环形多光程吸收池具有光学稳定性强,体积小,调节简单方便,快速响应,镜面利用率高的优点,可广泛用于痕量有毒气体的检测,大气环境监测,医学诊断,工业过程中的控制等领域.

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