光學(xué)多通池的研制及應(yīng)用

方波,趙衛(wèi)雄,楊娜娜,王春暉,周昊,張為俊

(1 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣物理化學(xué)研究室,安徽 合肥 230031;2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026;3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230026)

0 引言

吸收光譜技術(shù)具有時(shí)間響應(yīng)快、探測靈敏度高、選擇性好、無化學(xué)干擾等優(yōu)勢,可直接獲得待測分子的絕對濃度,適于氣體的實(shí)時(shí)原位定量檢測[1]。根據(jù)Beer-Lambert 定律,光與氣體樣品相互作用的有效光程是吸收光譜的關(guān)鍵參數(shù),增加吸收光程,可有效提高探測靈敏度[2,3]。

光學(xué)多通池是增加吸收光程最簡單、最直接的方法,其由特定數(shù)量的反射鏡構(gòu)成,當(dāng)探測光束從反射鏡外圍或反射鏡上開設(shè)的通光孔入射到氣體樣品池內(nèi)后,被約束在反射鏡間來回反射幾十到幾百次后再從反射鏡外圍或通光孔出射到池外,實(shí)現(xiàn)幾米到幾百米的光程,具有結(jié)構(gòu)簡單、光路對準(zhǔn)容易、光譜通用性高(如鍍銀反射鏡適用波長覆蓋了可見到太赫茲波段)、魯棒性好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用十分廣泛。在大氣與環(huán)境監(jiān)測方面,光學(xué)多通池被廣泛應(yīng)用于CH4[4,5]、CO2[6,7]、NO2[8]、NO[9]及CH2O[10,11]等溫室氣體和污染性氣體測量;在生物醫(yī)學(xué)上,光學(xué)多通池常用于檢測呼吸中的疾病示蹤氣體[12,13]及細(xì)胞代謝氣體[14];2011 年發(fā)射的好奇號火星車上也搭載有光學(xué)多通池[15],用于測量火星大氣中CH4及其13C/12C 和D/H 同位素比[16-18],開啟了光學(xué)多通池在深空探索領(lǐng)域的應(yīng)用;此外,光學(xué)多通池還在工業(yè)[19]及化學(xué)[20]等領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

光學(xué)多通池技術(shù)一直是吸收光譜領(lǐng)域研究的重點(diǎn),從1942 年White 池[21]提出以來,經(jīng)過不斷優(yōu)化與探索,光學(xué)多通池還發(fā)展出了Herriott 池[22]、像散鏡池[23]、密集光斑型球面鏡池[24]及Chernin 池[25]等多種類型,并且仍在不斷發(fā)展。2020 年,Tuzson 等[26]研制了光程10 m、重量小于200 g 的無人機(jī)載型光學(xué)多通池,實(shí)現(xiàn)了200 m 高度的氣體垂直廓線測量;Zhou 等[27]研制了光程21.9 m、體積僅100 mL 的多通池;Cui 等[28]使用3D 打印技術(shù)研制了體積僅20 mL、光程卻達(dá)4.2 m 的微型多通池;2021 年,Feng等[29]研制了具有高魯棒性的緊湊型多通池,在0～400 Hz 震動及-10～50°C 溫度變化下依然保持非常好的穩(wěn)定性;Webster 等[30]使用探測器陣列對多通池鏡面光斑成像來代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電二極管的單光束探測,探索了光學(xué)多通池光信號的探測新方法,表現(xiàn)出了在提高動態(tài)范圍和抑制干涉方面的潛力。

本文簡要回顧了近些年在光學(xué)多通池研究方面的相關(guān)工作,主要內(nèi)容包括Herriott 池、像散鏡池、密集光斑型球面鏡池及Chernin 池的基本原理介紹,以及這四種光學(xué)多通池的詳細(xì)研制方法和相關(guān)應(yīng)用。

1 光學(xué)多通池基本原理

Herriott 池由兩塊直徑相同、曲率半徑都為r的凹球面反射鏡構(gòu)成,其中前反射鏡凹面頂點(diǎn)位于z=0 處,后反射鏡凹面頂點(diǎn)位于距離d處,即光學(xué)基長為d。在前反射鏡邊緣處開設(shè)通光孔,光束從通光孔入射池內(nèi),經(jīng)過N次反射后在單個(gè)反射鏡表面形成n(N=2n)個(gè)反射點(diǎn),再從同一小孔出射。多通池第N次反射的光線在鏡面上的位置與第N-1 次光線的位置之間可以通過ABCD矩陣描述

Herriott 池屬于典型的傍軸系統(tǒng),光線在池內(nèi)的傳輸軌跡可使用傍軸近似的ABCD矩陣描述,即

Herriott 池反射鏡上的光斑呈單圈的橢圓形或圓形分布,相鄰兩次反射在xy面上投影之間的夾角為θ,而同一反射鏡上相鄰反射點(diǎn)間的夾角為2θ,Herriott 池各結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足[15]

式中2M＜N,M為整數(shù),反映反射點(diǎn)在鏡面表面走過的圓周數(shù)。

像散鏡池入射通光孔位于前反射鏡中央,且反射鏡在x和y方向的曲率半徑不同,分別為rx和ry,屬于非旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu),其前后反射鏡相對于y軸沿光軸z軸的旋轉(zhuǎn)角度分別為τf和τb。像散鏡池也屬于傍軸系統(tǒng),其光線傳輸?shù)腁BCD矩陣需要加上反射鏡旋轉(zhuǎn)的影響,可表示為[31]

像散鏡池光斑呈利薩如圖形狀分布,鏡面反射點(diǎn)位置(xn,yn)可表示為

式中:xn和yn分別表示第n個(gè)反射點(diǎn)在鏡面x方向和y方向的位置,θx和θy分別為鏡面上相鄰兩個(gè)反射點(diǎn)夾角在x和y方向的分量。與Herriott 池類似,像散鏡池光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)要滿足

式中Mx和My為整數(shù),每一個(gè)像散鏡池光斑形狀都可以用一個(gè)數(shù)組(N,Mx,My)表示。

密集光斑型球面鏡池與Herriott 池光學(xué)結(jié)構(gòu)相同,但光線入射角度更大,反射鏡彎曲程度更高,形成的反射次數(shù)也更多,光斑非常密集。對于密集光斑型球面鏡池,旁軸理論中的sin θ ≈θ、tan θ ≈θ 及cos θ ≈1 近似會引起很大的誤差,并且誤差隨著光線反射次數(shù)的增多會進(jìn)一步放大,導(dǎo)致計(jì)算得到的光線軌跡與實(shí)際光線軌跡相差非常大,傍軸近似已不再適用。為準(zhǔn)確描述池內(nèi)光線軌跡,必須要使用沒有近似的真實(shí)球面進(jìn)行光線反射和傳輸計(jì)算,移除傍軸近似后的ABCD矩陣為[32,33]

式中dN為第N次傳輸光線的單次光程。如果已知起始光線的位置(x0,y0)和入射角(x′0,y′0),就可以通過迭代方式計(jì)算出第N次傳輸光線的反射點(diǎn)位置和光線角度,可表示為

與前述僅有兩塊反射鏡的光學(xué)多通池不同,Chernin 池[34]由五塊曲率半徑相同的凹球面反射鏡組成,其中三塊尺寸相同的圓形反射鏡O1、O2 和O3 構(gòu)成物鏡組,兩塊大小不同的矩形反射鏡F1 和F2 構(gòu)成場鏡組,物鏡組和場鏡組間隔為d。物鏡O1 和O2 的曲率中心位于大場鏡F1 表面,曲率中心連線平行于y軸;物鏡O3 的曲率中心位于小場鏡F2 上;F1 的曲率中心位于O1 和O2 之間;F2 的曲率中心位于O1和O3 之間,由此構(gòu)成共焦系統(tǒng)。O1 和O2 對齊共列,O1 和O3 對齊共行,O3 位于光線入射側(cè)。

Chernin 池的光線傳輸無法用ABCD矩陣描述。入射光線從場鏡F2 的一側(cè)入射并對準(zhǔn)物鏡O3 中心,由于O3 曲率中心在F2 上,光線被反射到F2 上曲率中心點(diǎn)的另一側(cè)位置;由于F2 的曲率中心在物鏡O1 和O3 之間,光線又被F2 反射到O1 中心;又由于O1 和O2 的曲率中心在F1 上,光線被O1 反射到F1上靠近光線入射側(cè)的下邊緣,之后又被F1 反射到O2 中心,O2 又將光線反射到F1 上邊緣且位于F2 上第一個(gè)反射點(diǎn)的正下方;由此往返循環(huán),形成多次反射,最終在F2 上形成一行光斑,在F1 上形成任意行光斑,且F1 和F2 上光斑整體呈行列整齊的矩陣式排列,光線出射位于F2 的另一側(cè)。

Chernin 池在場鏡上形成的反射點(diǎn)分布與物鏡傾斜角度相關(guān):物鏡O3 的角度始終保持反射到場鏡F2 上的第一個(gè)點(diǎn)貼近光線出射側(cè)的邊緣位置;物鏡O1 和O2 的曲率中心在場鏡F1 上的間隔決定光斑的行數(shù),間隔越小,行數(shù)越密集;O1 和O2 曲率中心同時(shí)在F1 上沿x軸移動決定了光斑的列數(shù)。光斑列數(shù)必定是偶數(shù),而行數(shù)可以任意。

表1 總結(jié)了Herritt 池、像散鏡池、密集光斑型球面鏡池及Chernin 池的基本原理,包括光學(xué)結(jié)構(gòu)、典型光斑圖及光線追跡矩陣。

表1 光學(xué)多通池基本原理(光學(xué)結(jié)構(gòu)、光斑圖及光線追跡矩陣)總結(jié)Table 1 Summary of basic principles including schematic,typical pattern and ray tracing matrix of optical multi-pass cells

2 光學(xué)多通池研制及應(yīng)用

2.1 Herriott 池

Herriott 池反射鏡直徑50 mm,基長d約1220 mm,入射孔和出射孔分別位于前反射鏡和后反射鏡。入射和出射孔直徑5 mm,開孔位置距離中心20.5 mm,則鏡面理論上最多能容納的反射點(diǎn)數(shù)n為入射孔沿其所在的半徑緊密排列一周所允許的最大數(shù)量[35],為n=π×2×20.5/5=25.8,取整數(shù)則n=25。在光學(xué)加工時(shí),曲率半徑越大,默認(rèn)曲率半徑公差也就越大,為充分發(fā)揮Herriott 池易加工、低成本的優(yōu)勢,在滿足d＜r的條件下,應(yīng)使曲率半徑r盡量接近基長d。根據(jù)(3)式,當(dāng)M=38 時(shí),r=1301.77 mm,考慮光學(xué)檢測樣板的型號,選取r=1300 mm,此時(shí)d=1218 mm。為使光束從后反射鏡出射,需要將光斑調(diào)節(jié)至圓形分布,后反射鏡相對于前反射鏡旋轉(zhuǎn)約91°,最終Herriott 池的光程為L=(2n-1)d=59.7 m。

Herriott 池研制結(jié)果如圖1 所示,其中圖1(a)為Herriott 池的反射鏡設(shè)計(jì)圖,反射面鍍有保護(hù)金膜;圖1(b)為光線追跡模擬得到的光斑分布,共25 個(gè)反射點(diǎn)(加上位于通光孔位置的入射點(diǎn));圖1(c)為使用He-Ne 激光器對Herriott 池的測試結(jié)果,測試結(jié)果與模擬吻合。

利用Herriott 池,將磁旋轉(zhuǎn)吸收光譜技術(shù)與激光閃光光解技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了OH 自由基時(shí)間分辨光譜測量[36,37]。如圖2(a)所示,2.8 μm 分布反饋式(DFB)激光器出射光入射Herriott 池,在池內(nèi)多次反射后出射并被探測器接收。在激光器與Herriott 池之間放置起偏器用于建立線偏振光,在Herriott 池與探測器之間放置檢偏器,用于檢測出射光的偏振態(tài),以解調(diào)磁旋轉(zhuǎn)光譜信號。266 nm Nd:YAG 激光器發(fā)出的紫外光經(jīng)擴(kuò)束后從Herriott 池反射鏡中央開設(shè)的直徑32 mm 圓孔通過,并與多次反射的紅外光束形成長度約52 cm、有效光程約25 m 的重疊區(qū),通過時(shí)間分辨的磁旋轉(zhuǎn)光譜信號可完整記錄重疊區(qū)OH 自由基的生成和消耗過程,實(shí)現(xiàn)了OH 自由基的化學(xué)動力學(xué)測量,獲得了0.09 s-1(1σ,112 s)的時(shí)間分辨測量極限。當(dāng)該儀器用于實(shí)際大氣OH 自由基反應(yīng)活性測量時(shí),其探測極限為0.18 s-1(1σ,112 s)。此外,在Herriott池石英腔體上纏繞環(huán)形電極[如圖2(b)所示],測量了對低壓水蒸氣輝光放電產(chǎn)生的OH 自由基濃度[38],探索了OH 自由基源產(chǎn)生的新方法。

圖2 Herriott 池的應(yīng)用。(a)OH 自由基反應(yīng)活性測量[36];(b)輝光放電產(chǎn)生的OH 自由基濃度測量[38]Fig.2 Applications of Herriott cells.(a)Measurement of total OH reactivity[36];(b)Measurement of OH density in dielectric barrier discharging[38]

2.2 像散鏡池

像散鏡池基長d=500 mm,要使吸收光程達(dá)到L=200 m,則總反射次數(shù)必須滿足N≥400。如圖3 所示,反射鏡中心通光孔直徑φhole=5 mm,光束直徑φbeam=3 mm。光斑能在鏡面分布的最小圈直徑為Φmin≥2(φhole/2+φbeam/2)=8 mm,取Φmin=10 mm。光斑能在鏡面分布的最大圈直徑可根據(jù)N=(Φmaxπ/Φmin)2計(jì)算得到[39],。因此,要使光斑不溢出鏡面,反射鏡尺寸應(yīng)大于光斑最大圈,取反射鏡直徑Φmirror=70 mm。

圖3 像散鏡池鏡面示意圖Fig.3 Schematic diagram of mirror surface of astigmatic mirror cell

根據(jù)像散鏡光斑分布公式(6),計(jì)算得到的光程大于200 m 且反射點(diǎn)重疊較少的鏡面光斑分布及相應(yīng)的數(shù)組(N,Mx,My),如圖4 所示,其中外圈較大的圓形表示鏡面,鏡面中央密集分布的圓點(diǎn)為反射點(diǎn),中心小圓形表示激光入射小孔。

圖4 總反射次數(shù)大于400 的像散鏡池光斑。(a)～(d)總反射次數(shù)N=402;(e)～(h)總反射次數(shù)N=406Fig.4 The spot patterns of astigmatic mirror cell with total passes more than 400.(a)～(d)The total passes N=402;(e)～(h)The total passes N=406

選取圖4(h)的光斑為對象,對應(yīng)數(shù)組為(N=406,Mx=176,My=170),此時(shí)像散鏡池的光程為L=203 m,可以通過計(jì)算得出θx和θy,并進(jìn)一步得到曲率半徑為rx=630.8409 mm 和ry=668.9725 mm。由于像散鏡鏡面曲率是非旋轉(zhuǎn)對稱的,在實(shí)際加工時(shí)存在一定困難,精度無法很好地保證,因此需要給出當(dāng)前設(shè)計(jì)的曲率半徑公差范圍,以約束加工質(zhì)量。圖5 給出了rx在627.7993～635.6046 mm 和ry在664.3670～673.0205 mm 范圍內(nèi)的像散鏡池總反射次數(shù)N的變化。圖中每一個(gè)顏色代表一個(gè)N值,其中使用白色五角星標(biāo)注的為N=406 的公差范圍,由此得到反射鏡曲率半徑公差約為Δrx,y=0.12 mm。

圖5 曲率變化對像散鏡池總反射次數(shù)的影響Fig.5 The total passes of astigmatic mirror cell varies with the radius of surface curvature

2.3 密集光斑型球面鏡池

密集光斑球面鏡池反射次數(shù)很多,非常適于研制短基長的長光程多通池。使用光線追跡模擬得到密集光斑球面鏡池幾種典型的光斑圖案如圖6 所示,光斑圖案可變化性很大,反射點(diǎn)非常密集。其中,圖6(a)～(d)為使用50 mm 直徑反射鏡得到的結(jié)果,圖6(e)～(g)為使用100 mm 直徑反射鏡得到的結(jié)果,圖6(h)為使用90 mm 反射鏡得到的結(jié)果。表2 為獲得圖6 光斑圖案的密集光斑型球面鏡光學(xué)池參數(shù)。

表2 獲得圖6 光斑圖案的各密集光斑型球面鏡光學(xué)池參數(shù)Table 2 The optical parameters of each spot pattern in Fig.6

圖6 光線追跡得到的密集光斑型球面鏡池典型光斑圖案。總反射次數(shù)分別為(a)N=658;(b)N=316;(c)N=508;(d)N=598;(e)N=626;(f)N=866;(g)N=358;(h)N=594Fig.6 The typical spot patterns of dense spot pattern spherical mirror cell obtained by ray tracing.The total passes are(a)N=658,(b)N=316,(c)N=508,(d)N=598,(e)N=626,(f)N=866,(g)N=358,(h)N=594,respectively

綜合對比圖6 中的光斑圖案規(guī)則程度、反射點(diǎn)重疊程度及光線入射角度,選擇圖6(h)為多通池研制方案。光學(xué)池反射鏡直徑為100 mm,曲率半徑220 mm,在離中心28 mm 的邊緣位置開設(shè)直徑5 mm 的通光孔,通光孔呈錐形,防止大角度入射或出射時(shí)造成光束切割。由于鏡面反射次數(shù)已達(dá)到594 次,而銀膜對He-Ne 光反射約180 次之后便衰減到人眼無法識別的程度,無法準(zhǔn)確指示光路,因此反射鏡鍍膜選擇了高反射率介質(zhì)膜,膜層的出廠測試結(jié)果顯示在632.8 nm 處的反射率約為99.4%。

密集光斑型球面鏡池光斑測試如圖7 所示,圖中不同的光斑形貌通過微調(diào)光學(xué)基長或入射角度獲得,其中上層光斑為使用直徑2 mm 平行光束模擬得到的結(jié)果,下層光斑為使用He-Ne 激光器測試獲得的結(jié)果,光斑形變主要由光線大角度入射帶來的離軸像差引起。即使在高達(dá)666 次池內(nèi)光線傳輸條件下,模擬結(jié)果依然與測試結(jié)果高度吻合。表3 為獲得圖7 模擬光斑的密集光斑型球面鏡池參數(shù)。由參數(shù)可以發(fā)現(xiàn),在不同基長下可以通過改變?nèi)肷浣嵌鹊玫綀D案不同但反射次數(shù)相同的光斑[如圖7(b)和(c)所示];保持基長不變,通過改變?nèi)肷浣嵌?可以得到圖案類似但反射次數(shù)不同的光斑[如圖7(c)和(d)所示]。這些特征給予了密集光斑型球面鏡池很高的變化性,可以應(yīng)對不同的應(yīng)用需求?？傊?研制的密集光斑型球面鏡池在約360 mm 的短基長下,可以獲得大于200 m 的光程。

表3 獲得圖7 模擬結(jié)果的密集光斑型球面鏡光學(xué)池參數(shù)Table 3 Optical parameters of each simulated spot pattern in Fig.7

圖7 密集光斑型球面鏡池模擬光斑(上層綠色)與實(shí)驗(yàn)光斑(下層紅色)。光程分別為:(a)96 m,(b)217 m,(c)214 m,(d)240 mFig.7 The simulated(upper panel)and experimental(lower panel)spot patterns.The optical paths are(a)96 m,(b)217 m,(c)214 m and(d)240 m,respectively

選擇圖7(a)所示的96 m 光程方案,搭建了可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)裝置[如圖8(a)所示],使用3.5 μm 連續(xù)波帶間級聯(lián)激光器(CW-ICL)作為光源,測量了2831.64 cm-1處HCHO 分子[40],獲得了5.1×10-11(1σ,10 s)的體積濃度探測極限。該裝置于2018 年秋季參加了粵港澳大灣區(qū)大氣綜合觀測實(shí)驗(yàn),觀測地點(diǎn)臨近高速公路收費(fèi)站,位于中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所內(nèi)一幢建筑的十樓樓頂,離地面高度約35 m,是一個(gè)典型的城市站點(diǎn)。觀測獲得HCHO 時(shí)間序列和日變化統(tǒng)計(jì)如圖8(b)所示,HCHO 濃度在日間午后15:00 左右出現(xiàn)峰值。

圖8 密集光斑型球面鏡池用于大氣HCHO 測量[40]。(a)多通池和HCHO 光譜儀;(b)HCHO 測量時(shí)間序列和日變化統(tǒng)計(jì)Fig.8 The dense pattern spherical mirror cell was applied to HCHO detection[40].(a)Photograph of the cell and HCHO spectrometer;(b)Time series and diurnal variation of HCHO

2.4 Chernin 池

Chernin 池的五塊反射鏡曲率半徑都為r=630 mm,基長d=630 mm,場鏡反射點(diǎn)8×8 分布,光程L=80 m。若入射光束為直徑3 mm 的平行光束,為防止反射點(diǎn)重疊,設(shè)置反射點(diǎn)之間間隔2 mm。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)可將光束看作直徑5 mm 進(jìn)行計(jì)算。如圖9 所示,將直徑5 mm 反射點(diǎn)在場鏡鏡面飽和排列8行8 列。加上入射側(cè)占據(jù)的一列,則鏡面尺寸需要容納8 行9 列的反射點(diǎn)。場鏡F2 去除光束入射和出射位置,占有1 行7 列,則尺寸為5 mm×35 mm(高×寬)。場鏡F1 加上入射側(cè)實(shí)際使用不到的位置,共占有7 行9 列,則尺寸為35 mm×45 mm(高×寬)。理論上物鏡表面的反射點(diǎn)都重疊在一起,因此只需要容納一個(gè)反射點(diǎn)的尺寸即可。然而,當(dāng)Chernin 池五塊反射鏡曲率半徑公差較大時(shí),物鏡上的反射點(diǎn)將不再集中在一點(diǎn),有一定的分布范圍,因此適當(dāng)?shù)奈镧R尺寸可以彌補(bǔ)曲率半徑公差帶來的影響。考慮物鏡尺寸與場鏡尺寸的匹配和后期裝配問題,將物鏡尺寸定為直徑20 mm。

圖9 Chernin 池場鏡鏡面光斑飽和分布Fig.9 Fully distributed spots on field mirror surface of Chernin cell

將上述反射鏡尺寸代入光線追跡軟件進(jìn)行建模,建模時(shí)場鏡之間及物鏡之間都相互間隔1 mm,以便在調(diào)節(jié)時(shí)有傾斜的空間。如圖10 所示的光線追跡結(jié)果,當(dāng)光源光線入射角度為(0.65°,-0.62°)時(shí),成功模擬Chernin 池,位于圖10 左上角的模擬光斑顯示了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的8×8 反射點(diǎn)分布。

圖10 Chernin 池光線追跡模擬Fig.10 Ray tracing of Chernin cell

由于Chernin 池有五塊反射鏡,每塊反射鏡都具有一定的傾斜角,且物鏡O1 和O2 曲率中心需要共同平移來調(diào)節(jié)光斑的列,因此便捷、穩(wěn)定的鏡組調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對Chernin 池非常重要。所設(shè)計(jì)的物鏡組及場鏡組調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖11 所示。對于場鏡組,F1 和F2 使用頂絲各自固定在獨(dú)立的鏡框中,鏡框通過彈簧彈性安裝在場鏡總背板上,通過場鏡總背板后的微調(diào)絲桿可以獨(dú)立調(diào)節(jié)F1 和F2 的x和y方向的傾斜角。對于物鏡組,O3 固定在獨(dú)立的鏡框中,通過物鏡總背板后的微調(diào)絲桿可分別獨(dú)立調(diào)節(jié)x和y方向傾斜角;O1 和O2 鏡框彈性安裝于一個(gè)共同的背板上(簡稱為O1O2 背板),通過該背板后的微調(diào)絲桿可獨(dú)立調(diào)節(jié)O1 和O2 的x和y方向的傾斜角;O1O2 背板彈性安裝于物鏡總背板上,通過物鏡總背板后的微調(diào)絲桿可調(diào)節(jié)O1O2 背板的x和y方向傾斜角,以達(dá)到同步調(diào)節(jié)O1 和O2 傾斜角的目的,用于改變光斑的列數(shù);O1、O2 和O3 的安裝高度齊平?？傊?每個(gè)場鏡可以獨(dú)立調(diào)節(jié)x和y方向的傾斜角;每個(gè)物鏡在可以獨(dú)立調(diào)節(jié)x和y方向傾斜角的同時(shí),O1 和O2 又可以聯(lián)調(diào)。

圖11 Chernin 池調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。場鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的(a)前視圖和(b)后視圖;物鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的(c)前視圖和(d)后視圖Fig.11 Designed models of mirror alignment mechanism.(a)Front view and(b)rear view of field mirror alignment mechanism;(c)Front view and(d)rear view of objective mirror alignment mechanism

根據(jù)上述設(shè)計(jì)加工出了Chernin 池的反射鏡及其機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),其中反射鏡表面鍍有銀膜,機(jī)械件材料為鋁合金。圖12 展示了使用He-Ne 激光器對Chernin 池的測試結(jié)果,其中圖12(a)～(c)中反射點(diǎn)列間距不等是由于O1 和O2 曲率中心點(diǎn)在x方向與O3 曲率中心點(diǎn)間距不合適造成的,可以通過O1O2 聯(lián)調(diào)解決;圖12(e)為初始設(shè)計(jì)目標(biāo)的8×8 分布,但He-Ne 激光器光束質(zhì)量較好,因此可以適當(dāng)增加反射點(diǎn)數(shù)量;圖12(f)展示了9×8 分布。根據(jù)9×8 光斑的亮度和反射點(diǎn)間距推測,最終光斑行列數(shù)還能繼續(xù)增加。

圖12 使用Ne-Ne 激光器測試得到的Chernin 池光斑圖。光斑陣列分別為:(a)6×6,(b)7×6,(c)8×6,(d)7×8,(e)8×8,(f)9×8Fig.12 Experimental spot patterns of Chernin cell obtained by using He-Ne laser.The spot patterns are shown in(a)6×6,(b)7×6,(c)8×6,(d)7×8,(e)8×8,(f)9×8,respectively

Chernin 池可通過改變場鏡鏡面反射點(diǎn)數(shù)量來調(diào)節(jié)光程,而不需要改變光學(xué)基長,非常適合與中大型光化學(xué)煙霧箱相結(jié)合,以研究煙霧箱內(nèi)的化學(xué)過程[41-45]。如圖13 所示,研制了一套基長1.5 m、光程3～192 m 可調(diào)的Chernin 池,并將其與內(nèi)徑270 mm、容積80 L 的石英光化學(xué)煙霧腔結(jié)合,搭建了場強(qiáng)0～1100 Gauss 可調(diào)的超導(dǎo)磁旋轉(zhuǎn)吸收光譜裝置[46,47],實(shí)現(xiàn)了煙霧腔內(nèi)OH 自由基和NO 的原位測量,在108 m 有效光程下分別獲得了1.6×106cm-3(1σ,4 s)分子數(shù)濃度和1.15×10-9(1σ,1 s)體積濃度的探測極限。此外,還為法國濱海大學(xué)CHARME 煙霧箱研制了一套基長達(dá)5m、場鏡F1 對角尺寸達(dá)420 mm的大尺寸太赫茲Chernin 池(如圖14 所示),該Chernin 池在用于小光束直徑的紅外波段測量時(shí)有效光程可達(dá)640 m,用于大光束直徑的太赫茲波段測量時(shí)有效光程可達(dá)480 m[48]。

圖13 (a)超導(dǎo)磁旋轉(zhuǎn)吸收光譜裝置照片;(b)場鏡組設(shè)計(jì)圖;(c)物鏡組設(shè)計(jì)圖Fig.13 (a)Photograph of superconducting-magnet-based Faraday rotation spectrometer;(b)Design models of field mirrors;(c)Design models of objective mirrors

圖14 為法國濱海大學(xué)CHARME 煙霧箱研制的Chernin 池。(a)場鏡;(b)物鏡;(c)測試過程;(d)光斑圖Fig.14 Chernin cell developed for the CHARME smog chamber.(a)Field mirrors;(b)Objective mirrors;(c)Testing process;(d)Spot pattern

3 總結(jié)與展望

光學(xué)多通池技術(shù)自提出以來一直是吸收光譜領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。對光學(xué)多通池研制方法進(jìn)行了論述,介紹了其在OH 自由基時(shí)間分辨光譜測量、大氣HCHO 測量及光化學(xué)煙霧箱測量等方面的應(yīng)用。基于已發(fā)展的光學(xué)多通池,還能繼續(xù)開展其他痕量氣體測量及過氧自由基等短壽命中間體的動力學(xué)研究[49,50]。以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ),可發(fā)展更加小型、更加輕量化的無人機(jī)載型光學(xué)多通池模塊,以用于需求日益增長的氣體垂直廓線測量[26]。此外,光程自由可調(diào)而無需改變基長的Chernin 池在大型乃至超大光譜學(xué)裝置上有著巨大應(yīng)用潛力。