光学多通池的研制及应用

方波,赵卫雄,杨娜娜,王春晖,周昊,张为俊

(1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室,安徽 合肥 230031;2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026;3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026)

0 引言

吸收光谱技术具有时间响应快、探测灵敏度高、选择性好、无化学干扰等优势,可直接获得待测分子的绝对浓度,适于气体的实时原位定量检测[1]。根据Beer-Lambert 定律,光与气体样品相互作用的有效光程是吸收光谱的关键参数,增加吸收光程,可有效提高探测灵敏度[2,3]。

光学多通池是增加吸收光程最简单、最直接的方法,其由特定数量的反射镜构成,当探测光束从反射镜外围或反射镜上开设的通光孔入射到气体样品池内后,被约束在反射镜间来回反射几十到几百次后再从反射镜外围或通光孔出射到池外,实现几米到几百米的光程,具有结构简单、光路对准容易、光谱通用性高(如镀银反射镜适用波长覆盖了可见到太赫兹波段)、鲁棒性好、制造成本低等优点,应用十分广泛。在大气与环境监测方面,光学多通池被广泛应用于CH4[4,5]、CO2[6,7]、NO2[8]、NO[9]及CH2O[10,11]等温室气体和污染性气体测量;在生物医学上,光学多通池常用于检测呼吸中的疾病示踪气体[12,13]及细胞代谢气体[14];2011 年发射的好奇号火星车上也搭载有光学多通池[15],用于测量火星大气中CH4及其13C/12C 和D/H 同位素比[16-18],开启了光学多通池在深空探索领域的应用;此外,光学多通池还在工业[19]及化学[20]等领域有着相当广泛的应用。

光学多通池技术一直是吸收光谱领域研究的重点,从1942 年White 池[21]提出以来,经过不断优化与探索,光学多通池还发展出了Herriott 池[22]、像散镜池[23]、密集光斑型球面镜池[24]及Chernin 池[25]等多种类型,并且仍在不断发展。2020 年,Tuzson 等[26]研制了光程10 m、重量小于200 g 的无人机载型光学多通池,实现了200 m 高度的气体垂直廓线测量;Zhou 等[27]研制了光程21.9 m、体积仅100 mL 的多通池;Cui 等[28]使用3D 打印技术研制了体积仅20 mL、光程却达4.2 m 的微型多通池;2021 年,Feng等[29]研制了具有高鲁棒性的紧凑型多通池,在0～400 Hz 震动及-10～50°C 温度变化下依然保持非常好的稳定性;Webster 等[30]使用探测器阵列对多通池镜面光斑成像来代替传统光电二极管的单光束探测,探索了光学多通池光信号的探测新方法,表现出了在提高动态范围和抑制干涉方面的潜力。

本文简要回顾了近些年在光学多通池研究方面的相关工作,主要内容包括Herriott 池、像散镜池、密集光斑型球面镜池及Chernin 池的基本原理介绍,以及这四种光学多通池的详细研制方法和相关应用。

1 光学多通池基本原理

Herriott 池由两块直径相同、曲率半径都为r的凹球面反射镜构成,其中前反射镜凹面顶点位于z=0 处,后反射镜凹面顶点位于距离d处,即光学基长为d。在前反射镜边缘处开设通光孔,光束从通光孔入射池内,经过N次反射后在单个反射镜表面形成n(N=2n)个反射点,再从同一小孔出射。多通池第N次反射的光线在镜面上的位置与第N-1 次光线的位置之间可以通过ABCD矩阵描述

Herriott 池属于典型的傍轴系统,光线在池内的传输轨迹可使用傍轴近似的ABCD矩阵描述,即

Herriott 池反射镜上的光斑呈单圈的椭圆形或圆形分布,相邻两次反射在xy面上投影之间的夹角为θ,而同一反射镜上相邻反射点间的夹角为2θ,Herriott 池各结构参数满足[15]

式中2M＜N,M为整数,反映反射点在镜面表面走过的圆周数。

像散镜池入射通光孔位于前反射镜中央,且反射镜在x和y方向的曲率半径不同,分别为rx和ry,属于非旋转对称结构,其前后反射镜相对于y轴沿光轴z轴的旋转角度分别为τf和τb。像散镜池也属于傍轴系统,其光线传输的ABCD矩阵需要加上反射镜旋转的影响,可表示为[31]

像散镜池光斑呈利萨如图形状分布,镜面反射点位置(xn,yn)可表示为

式中:xn和yn分别表示第n个反射点在镜面x方向和y方向的位置,θx和θy分别为镜面上相邻两个反射点夹角在x和y方向的分量。与Herriott 池类似,像散镜池光学结构参数要满足

式中Mx和My为整数,每一个像散镜池光斑形状都可以用一个数组(N,Mx,My)表示。

密集光斑型球面镜池与Herriott 池光学结构相同,但光线入射角度更大,反射镜弯曲程度更高,形成的反射次数也更多,光斑非常密集。对于密集光斑型球面镜池,旁轴理论中的sin θ ≈θ、tan θ ≈θ 及cos θ ≈1 近似会引起很大的误差,并且误差随着光线反射次数的增多会进一步放大,导致计算得到的光线轨迹与实际光线轨迹相差非常大,傍轴近似已不再适用。为准确描述池内光线轨迹,必须要使用没有近似的真实球面进行光线反射和传输计算,移除傍轴近似后的ABCD矩阵为[32,33]

式中dN为第N次传输光线的单次光程。如果已知起始光线的位置(x0,y0)和入射角(x′0,y′0),就可以通过迭代方式计算出第N次传输光线的反射点位置和光线角度,可表示为

与前述仅有两块反射镜的光学多通池不同,Chernin 池[34]由五块曲率半径相同的凹球面反射镜组成,其中三块尺寸相同的圆形反射镜O1、O2 和O3 构成物镜组,两块大小不同的矩形反射镜F1 和F2 构成场镜组,物镜组和场镜组间隔为d。物镜O1 和O2 的曲率中心位于大场镜F1 表面,曲率中心连线平行于y轴;物镜O3 的曲率中心位于小场镜F2 上;F1 的曲率中心位于O1 和O2 之间;F2 的曲率中心位于O1和O3 之间,由此构成共焦系统。O1 和O2 对齐共列,O1 和O3 对齐共行,O3 位于光线入射侧。

Chernin 池的光线传输无法用ABCD矩阵描述。入射光线从场镜F2 的一侧入射并对准物镜O3 中心,由于O3 曲率中心在F2 上,光线被反射到F2 上曲率中心点的另一侧位置;由于F2 的曲率中心在物镜O1 和O3 之间,光线又被F2 反射到O1 中心;又由于O1 和O2 的曲率中心在F1 上,光线被O1 反射到F1上靠近光线入射侧的下边缘,之后又被F1 反射到O2 中心,O2 又将光线反射到F1 上边缘且位于F2 上第一个反射点的正下方;由此往返循环,形成多次反射,最终在F2 上形成一行光斑,在F1 上形成任意行光斑,且F1 和F2 上光斑整体呈行列整齐的矩阵式排列,光线出射位于F2 的另一侧。

Chernin 池在场镜上形成的反射点分布与物镜倾斜角度相关:物镜O3 的角度始终保持反射到场镜F2 上的第一个点贴近光线出射侧的边缘位置;物镜O1 和O2 的曲率中心在场镜F1 上的间隔决定光斑的行数,间隔越小,行数越密集;O1 和O2 曲率中心同时在F1 上沿x轴移动决定了光斑的列数。光斑列数必定是偶数,而行数可以任意。

表1 总结了Herritt 池、像散镜池、密集光斑型球面镜池及Chernin 池的基本原理,包括光学结构、典型光斑图及光线追迹矩阵。

表1 光学多通池基本原理(光学结构、光斑图及光线追迹矩阵)总结Table 1 Summary of basic principles including schematic,typical pattern and ray tracing matrix of optical multi-pass cells

2 光学多通池研制及应用

2.1 Herriott 池

Herriott 池反射镜直径50 mm,基长d约1220 mm,入射孔和出射孔分别位于前反射镜和后反射镜。入射和出射孔直径5 mm,开孔位置距离中心20.5 mm,则镜面理论上最多能容纳的反射点数n为入射孔沿其所在的半径紧密排列一周所允许的最大数量[35],为n=π×2×20.5/5=25.8,取整数则n=25。在光学加工时,曲率半径越大,默认曲率半径公差也就越大,为充分发挥Herriott 池易加工、低成本的优势,在满足d＜r的条件下,应使曲率半径r尽量接近基长d。根据(3)式,当M=38 时,r=1301.77 mm,考虑光学检测样板的型号,选取r=1300 mm,此时d=1218 mm。为使光束从后反射镜出射,需要将光斑调节至圆形分布,后反射镜相对于前反射镜旋转约91°,最终Herriott 池的光程为L=(2n-1)d=59.7 m。

Herriott 池研制结果如图1 所示,其中图1(a)为Herriott 池的反射镜设计图,反射面镀有保护金膜;图1(b)为光线追迹模拟得到的光斑分布,共25 个反射点(加上位于通光孔位置的入射点);图1(c)为使用He-Ne 激光器对Herriott 池的测试结果,测试结果与模拟吻合。

利用Herriott 池,将磁旋转吸收光谱技术与激光闪光光解技术相结合,实现了OH 自由基时间分辨光谱测量[36,37]。如图2(a)所示,2.8 μm 分布反馈式(DFB)激光器出射光入射Herriott 池,在池内多次反射后出射并被探测器接收。在激光器与Herriott 池之间放置起偏器用于建立线偏振光,在Herriott 池与探测器之间放置检偏器,用于检测出射光的偏振态,以解调磁旋转光谱信号。266 nm Nd:YAG 激光器发出的紫外光经扩束后从Herriott 池反射镜中央开设的直径32 mm 圆孔通过,并与多次反射的红外光束形成长度约52 cm、有效光程约25 m 的重叠区,通过时间分辨的磁旋转光谱信号可完整记录重叠区OH 自由基的生成和消耗过程,实现了OH 自由基的化学动力学测量,获得了0.09 s-1(1σ,112 s)的时间分辨测量极限。当该仪器用于实际大气OH 自由基反应活性测量时,其探测极限为0.18 s-1(1σ,112 s)。此外,在Herriott池石英腔体上缠绕环形电极[如图2(b)所示],测量了对低压水蒸气辉光放电产生的OH 自由基浓度[38],探索了OH 自由基源产生的新方法。

图2 Herriott 池的应用。(a)OH 自由基反应活性测量[36];(b)辉光放电产生的OH 自由基浓度测量[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 像散镜池

像散镜池基长d=500 mm,要使吸收光程达到L=200 m,则总反射次数必须满足N≥400。如图3 所示,反射镜中心通光孔直径φhole=5 mm,光束直径φbeam=3 mm。光斑能在镜面分布的最小圈直径为Φmin≥2(φhole/2+φbeam/2)=8 mm,取Φmin=10 mm。光斑能在镜面分布的最大圈直径可根据N=(Φmaxπ/Φmin)2计算得到[39],。因此,要使光斑不溢出镜面,反射镜尺寸应大于光斑最大圈,取反射镜直径Φmirror=70 mm。

图3 像散镜池镜面示意图Fig.3 Schematic diagram of mirror surface of astigmatic mirror cell

根据像散镜光斑分布公式(6),计算得到的光程大于200 m 且反射点重叠较少的镜面光斑分布及相应的数组(N,Mx,My),如图4 所示,其中外圈较大的圆形表示镜面,镜面中央密集分布的圆点为反射点,中心小圆形表示激光入射小孔。

图4 总反射次数大于400 的像散镜池光斑。(a)～(d)总反射次数N=402;(e)～(h)总反射次数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

选取图4(h)的光斑为对象,对应数组为(N=406,Mx=176,My=170),此时像散镜池的光程为L=203 m,可以通过计算得出θx和θy,并进一步得到曲率半径为rx=630.8409 mm 和ry=668.9725 mm。由于像散镜镜面曲率是非旋转对称的,在实际加工时存在一定困难,精度无法很好地保证,因此需要给出当前设计的曲率半径公差范围,以约束加工质量。图5 给出了rx在627.7993～635.6046 mm 和ry在664.3670～673.0205 mm 范围内的像散镜池总反射次数N的变化。图中每一个颜色代表一个N值,其中使用白色五角星标注的为N=406 的公差范围,由此得到反射镜曲率半径公差约为Δrx,y=0.12 mm。

图5 曲率变化对像散镜池总反射次数的影响Fig.5 The total passes of astigmatic mirror cell varies with the radius of surface curvature

2.3 密集光斑型球面镜池

密集光斑球面镜池反射次数很多,非常适于研制短基长的长光程多通池。使用光线追迹模拟得到密集光斑球面镜池几种典型的光斑图案如图6 所示,光斑图案可变化性很大,反射点非常密集。其中,图6(a)～(d)为使用50 mm 直径反射镜得到的结果,图6(e)～(g)为使用100 mm 直径反射镜得到的结果,图6(h)为使用90 mm 反射镜得到的结果。表2 为获得图6 光斑图案的密集光斑型球面镜光学池参数。

表2 获得图6 光斑图案的各密集光斑型球面镜光学池参数Table 2 The optical parameters of each spot pattern in Fig.6

图6 光线追迹得到的密集光斑型球面镜池典型光斑图案。总反射次数分别为(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

综合对比图6 中的光斑图案规则程度、反射点重叠程度及光线入射角度,选择图6(h)为多通池研制方案。光学池反射镜直径为100 mm,曲率半径220 mm,在离中心28 mm 的边缘位置开设直径5 mm 的通光孔,通光孔呈锥形,防止大角度入射或出射时造成光束切割。由于镜面反射次数已达到594 次,而银膜对He-Ne 光反射约180 次之后便衰减到人眼无法识别的程度,无法准确指示光路,因此反射镜镀膜选择了高反射率介质膜,膜层的出厂测试结果显示在632.8 nm 处的反射率约为99.4%。

密集光斑型球面镜池光斑测试如图7 所示,图中不同的光斑形貌通过微调光学基长或入射角度获得,其中上层光斑为使用直径2 mm 平行光束模拟得到的结果,下层光斑为使用He-Ne 激光器测试获得的结果,光斑形变主要由光线大角度入射带来的离轴像差引起。即使在高达666 次池内光线传输条件下,模拟结果依然与测试结果高度吻合。表3 为获得图7 模拟光斑的密集光斑型球面镜池参数。由参数可以发现,在不同基长下可以通过改变入射角度得到图案不同但反射次数相同的光斑[如图7(b)和(c)所示];保持基长不变,通过改变入射角度,可以得到图案类似但反射次数不同的光斑[如图7(c)和(d)所示]。这些特征给予了密集光斑型球面镜池很高的变化性,可以应对不同的应用需求。总之,研制的密集光斑型球面镜池在约360 mm 的短基长下,可以获得大于200 m 的光程。

表3 获得图7 模拟结果的密集光斑型球面镜光学池参数Table 3 Optical parameters of each simulated spot pattern in Fig.7

图7 密集光斑型球面镜池模拟光斑(上层绿色)与实验光斑(下层红色)。光程分别为:(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

选择图7(a)所示的96 m 光程方案,搭建了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)装置[如图8(a)所示],使用3.5 μm 连续波带间级联激光器(CW-ICL)作为光源,测量了2831.64 cm-1处HCHO 分子[40],获得了5.1×10-11(1σ,10 s)的体积浓度探测极限。该装置于2018 年秋季参加了粤港澳大湾区大气综合观测实验,观测地点临近高速公路收费站,位于中国科学院广州地球化学研究所内一幢建筑的十楼楼顶,离地面高度约35 m,是一个典型的城市站点。观测获得HCHO 时间序列和日变化统计如图8(b)所示,HCHO 浓度在日间午后15:00 左右出现峰值。

图8 密集光斑型球面镜池用于大气HCHO 测量[40]。(a)多通池和HCHO 光谱仪;(b)HCHO 测量时间序列和日变化统计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 池的五块反射镜曲率半径都为r=630 mm,基长d=630 mm,场镜反射点8×8 分布,光程L=80 m。若入射光束为直径3 mm 的平行光束,为防止反射点重叠,设置反射点之间间隔2 mm。因此,在设计时可将光束看作直径5 mm 进行计算。如图9 所示,将直径5 mm 反射点在场镜镜面饱和排列8行8 列。加上入射侧占据的一列,则镜面尺寸需要容纳8 行9 列的反射点。场镜F2 去除光束入射和出射位置,占有1 行7 列,则尺寸为5 mm×35 mm(高×宽)。场镜F1 加上入射侧实际使用不到的位置,共占有7 行9 列,则尺寸为35 mm×45 mm(高×宽)。理论上物镜表面的反射点都重叠在一起,因此只需要容纳一个反射点的尺寸即可。然而,当Chernin 池五块反射镜曲率半径公差较大时,物镜上的反射点将不再集中在一点,有一定的分布范围,因此适当的物镜尺寸可以弥补曲率半径公差带来的影响。考虑物镜尺寸与场镜尺寸的匹配和后期装配问题,将物镜尺寸定为直径20 mm。

图9 Chernin 池场镜镜面光斑饱和分布Fig.9 Fully distributed spots on field mirror surface of Chernin cell

将上述反射镜尺寸代入光线追迹软件进行建模,建模时场镜之间及物镜之间都相互间隔1 mm,以便在调节时有倾斜的空间。如图10 所示的光线追迹结果,当光源光线入射角度为(0.65°,-0.62°)时,成功模拟Chernin 池,位于图10 左上角的模拟光斑显示了设计指标要求的8×8 反射点分布。

图10 Chernin 池光线追迹模拟Fig.10 Ray tracing of Chernin cell

由于Chernin 池有五块反射镜,每块反射镜都具有一定的倾斜角,且物镜O1 和O2 曲率中心需要共同平移来调节光斑的列,因此便捷、稳定的镜组调节机构对Chernin 池非常重要。所设计的物镜组及场镜组调节机构如图11 所示。对于场镜组,F1 和F2 使用顶丝各自固定在独立的镜框中,镜框通过弹簧弹性安装在场镜总背板上,通过场镜总背板后的微调丝杆可以独立调节F1 和F2 的x和y方向的倾斜角。对于物镜组,O3 固定在独立的镜框中,通过物镜总背板后的微调丝杆可分别独立调节x和y方向倾斜角;O1 和O2 镜框弹性安装于一个共同的背板上(简称为O1O2 背板),通过该背板后的微调丝杆可独立调节O1 和O2 的x和y方向的倾斜角;O1O2 背板弹性安装于物镜总背板上,通过物镜总背板后的微调丝杆可调节O1O2 背板的x和y方向倾斜角,以达到同步调节O1 和O2 倾斜角的目的,用于改变光斑的列数;O1、O2 和O3 的安装高度齐平。总之,每个场镜可以独立调节x和y方向的倾斜角;每个物镜在可以独立调节x和y方向倾斜角的同时,O1 和O2 又可以联调。

图11 Chernin 池调节机构设计图。场镜调节机构的(a)前视图和(b)后视图;物镜调节机构的(c)前视图和(d)后视图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

根据上述设计加工出了Chernin 池的反射镜及其机械调节机构,其中反射镜表面镀有银膜,机械件材料为铝合金。图12 展示了使用He-Ne 激光器对Chernin 池的测试结果,其中图12(a)～(c)中反射点列间距不等是由于O1 和O2 曲率中心点在x方向与O3 曲率中心点间距不合适造成的,可以通过O1O2 联调解决;图12(e)为初始设计目标的8×8 分布,但He-Ne 激光器光束质量较好,因此可以适当增加反射点数量;图12(f)展示了9×8 分布。根据9×8 光斑的亮度和反射点间距推测,最终光斑行列数还能继续增加。

图12 使用Ne-Ne 激光器测试得到的Chernin 池光斑图。光斑阵列分别为:(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 池可通过改变场镜镜面反射点数量来调节光程,而不需要改变光学基长,非常适合与中大型光化学烟雾箱相结合,以研究烟雾箱内的化学过程[41-45]。如图13 所示,研制了一套基长1.5 m、光程3～192 m 可调的Chernin 池,并将其与内径270 mm、容积80 L 的石英光化学烟雾腔结合,搭建了场强0～1100 Gauss 可调的超导磁旋转吸收光谱装置[46,47],实现了烟雾腔内OH 自由基和NO 的原位测量,在108 m 有效光程下分别获得了1.6×106cm-3(1σ,4 s)分子数浓度和1.15×10-9(1σ,1 s)体积浓度的探测极限。此外,还为法国滨海大学CHARME 烟雾箱研制了一套基长达5m、场镜F1 对角尺寸达420 mm的大尺寸太赫兹Chernin 池(如图14 所示),该Chernin 池在用于小光束直径的红外波段测量时有效光程可达640 m,用于大光束直径的太赫兹波段测量时有效光程可达480 m[48]。

图13 (a)超导磁旋转吸收光谱装置照片;(b)场镜组设计图;(c)物镜组设计图Fig.13 (a)Photograph of superconducting-magnet-based Faraday rotation spectrometer;(b)Design models of field mirrors;(c)Design models of objective mirrors

图14 为法国滨海大学CHARME 烟雾箱研制的Chernin 池。(a)场镜;(b)物镜;(c)测试过程;(d)光斑图Fig.14 Chernin cell developed for the CHARME smog chamber.(a)Field mirrors;(b)Objective mirrors;(c)Testing process;(d)Spot pattern

3 总结与展望

光学多通池技术自提出以来一直是吸收光谱领域研究的重点。对光学多通池研制方法进行了论述,介绍了其在OH 自由基时间分辨光谱测量、大气HCHO 测量及光化学烟雾箱测量等方面的应用。基于已发展的光学多通池,还能继续开展其他痕量气体测量及过氧自由基等短寿命中间体的动力学研究[49,50]。以现有研究为基础,可发展更加小型、更加轻量化的无人机载型光学多通池模块,以用于需求日益增长的气体垂直廓线测量[26]。此外,光程自由可调而无需改变基长的Chernin 池在大型乃至超大光谱学装置上有着巨大应用潜力。