真空怀特池光程调节机构的设计*



真空怀特池光程调节机构的设计*

张露

(中科院南京天文仪器有限公司， 江苏 南京210042)

摘要：介绍了真空怀特池光程调节的难度和必要性。利用曲柄滑块机构的工作原理，设计了一种用于真空怀特池光程调节的机构，其具有结构简单、调节方便、调节范围及精度灵活等特点。在实际应用中，起到了较好的调节作用。

关键词：怀特池；光程；曲柄滑块机构

0引言

近年来，随着环境的恶化，人类对生活环境健康状况的关注意识加强，环境监测技术，尤其是有害气体分析检测成为了重要的研究课题[1]。由于大气中的痕量气体含量比较低，必须降低仪器的检测下限，使之能够满足检测的要求，这一目的通常通过增加光程来实现[2]。增加光程的方法有开放光路、多次反射池等。多次反射池是利用入射光在其中来回反射而获得所需光程的装置，常用的多次反射池有怀特型[3]、矩阵型[4]和Herriott型[5]。其中，怀特池由3片曲率半径相同的凹球面镜构成，具有结构简单、体积小巧和光程可调等优点，通过增加基本长度或反射次数的方法，其光程长度可达几十米甚至上百米，是目前最常用的吸收式气体传感器。

1怀特池的工作原理

怀特池是John U.White利用三块共焦的凹球面镜设计了一种吸收池。其结构如图1所示。凹球面镜A1、A2与B具有相同的曲率半径，B的曲率中心落在A1、A2两镜之间的a点，A1、A2的曲率中心分别落在B镜中心附近。当入射光从B的一侧入射时，经过A1发射到B形成点1，再经A2反射到B上形成点2，依次类推。最后光线从B的一侧射出。其光程L与镜面B上的光点数目N及怀特池基本长度l之间的关系为：

L=2(N+1)l

从上式可以看出，怀特池的光程L可通过改变其基本长度l和系统中光线传播次数N进行调节，而对于某一特定的吸收池，其基本长度l一定，N为唯一能改变的量。实验发现，改变反射次数N最简单的办法是改变入射光束第一次落在A1上的位置，同时配合调整A1、A2的偏转角度。

图1　为怀特池结构原理图

一般情况下，通过调节光源可方便的改变入射光束的位置，对于偏转角的调节，普通怀特池结构简单，可直接微调方便的改变偏转角度，但在真空怀特池系统中，由于系统自身的密封性，这一过程难以实现。针对这一问题，本文提出了一种用于真空怀特池光程调节的机构。

2真空怀特池调节机构设计

在真空怀特池设计时，如图2所示，首先在真空罐体上靠近凹球面镜A1、A2的一侧安装两组法兰式实心轴磁流体密封件，并在其轴外端各安装一个调节旋钮。

其次，针对每块凹球面镜设置独立、对称的曲柄滑块机构。每组机构中，与怀特池内机架构成移动副的构件为滑块，在真空罐内，用可伸缩万向节将法兰式实心轴磁流体密封件与带动滑块运动的丝杆连接，滑块沿丝杆移动。凹球面镜下方安装扳的旋转中心为转动副O1，绕O1旋转的部件上设置转动副O2，两转动副O1与O2中心部分即为曲柄，连接曲柄和滑块铰链的部分为连杆。当滑块由O3运动到O3′时，连杆另一端O2′将处于以O2O3为半径、O3′为圆心的圆上，同时由于曲柄的运动轨迹是以O1为圆心、O1O2为半径的圆，所以O2′的位置即为两圆的交点，偏转角则为O1O2与O1O2′之间的夹角。

图2　真空怀特池光程调节机构原理图　1.旋钮　2.法兰式实心轴磁流体密封件　3.真空罐体　4.可伸缩万向节　5.滑块　6.连杆　7.曲柄

当需调节光程时，在真空罐外配合转动两个旋钮，扭矩通过万向节传递给丝杆，再转化为滑块的移动副，使与之对应的凹球面镜绕其旋转中心运动，实现了凹球面镜的偏转角的调整，光程也随之发生改变。

3结论

利用上述方法设计的真空怀特池调节机构采用简单的机械原理进行设计，结构非常简单；同时调节方便，只需在真空罐外转动旋钮即可完成调节。实践验证，该调节机构在实际应用中，效果良好。

参考文献：

[1]宋志强,倪家升,尚盈,等.光纤藕合结构长光程怀特池气体传感器[J].光电子激光，2012，23(6):1082-1085.

[2]刘文彬,谢品华,司福祺,等.便携式差分吸收光谱气体监测仪的研究[J].光学技术，2008，34(增刊)：103-105.

[3]White J U. Long optical paths of large aperture[J]. J Opt Soc Am,1942(32):285-288.

[4]Chernin S M, Barskaya E G. Optical multipass matrix systems[J]. Appl Opt, 1991,30(1):51-58.

[5]Herriott D, Kogelnik H, Kompfner R. Off-axis path in spherical mirror interferometers[J]. Appl Opt,1964,3(4): 523-526.

Design for Optical Path Regulating Mechanism in Vacuum White Cell

ZHANGLu

(NanjingAstronomicalInstrumentsCo.，Ltd,ChineseAcademyofSciences,NanjingJiangsu210042,China)

Abstract:In this paper, the difficulties and necessity of the optical path regulation in vacuum White cell are introduced. Through the working principles of the slider-crank mechanism, a kind of optical path regulating mechanism in vacuum White cell is designed, which has advantages such as simple-configured, convenient regulating, flexible in regulating range and precision. It is proved that such mechanism could work well in the actual application.

Key words:white cell; optical path; slider-crank mechanism

中图分类号:TH122

文献标志码：A

文章编号：1007-4414(2015)03-0165-002

作者简介：张露(1984-)，女，湖南长沙人，硕士，工程师，主要从事光学仪器结构设计方面的研究。

*收稿日期：2015-05-05