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真空懷特池光程調節(jié)機構的設計*

張露

(中科院南京天文儀器有限公司， 江蘇 南京210042)

摘要：介紹了真空懷特池光程調節(jié)的難度和必要性。利用曲柄滑塊機構的工作原理，設計了一種用于真空懷特池光程調節(jié)的機構，其具有結構簡單、調節(jié)方便、調節(jié)范圍及精度靈活等特點。在實際應用中，起到了較好的調節(jié)作用。

關鍵詞：懷特池；光程；曲柄滑塊機構

0引言

近年來，隨著環(huán)境的惡化，人類對生活環(huán)境健康狀況的關注意識加強，環(huán)境監(jiān)測技術，尤其是有害氣體分析檢測成為了重要的研究課題[1]。由于大氣中的痕量氣體含量比較低，必須降低儀器的檢測下限，使之能夠滿足檢測的要求，這一目的通常通過增加光程來實現(xiàn)[2]。增加光程的方法有開放光路、多次反射池等。多次反射池是利用入射光在其中來回反射而獲得所需光程的裝置，常用的多次反射池有懷特型[3]、矩陣型[4]和Herriott型[5]。其中，懷特池由3片曲率半徑相同的凹球面鏡構成，具有結構簡單、體積小巧和光程可調等優(yōu)點，通過增加基本長度或反射次數(shù)的方法，其光程長度可達幾十米甚至上百米，是目前最常用的吸收式氣體傳感器。

1懷特池的工作原理

懷特池是John U.White利用三塊共焦的凹球面鏡設計了一種吸收池。其結構如圖1所示。凹球面鏡A1、A2與B具有相同的曲率半徑，B的曲率中心落在A1、A2兩鏡之間的a點，A1、A2的曲率中心分別落在B鏡中心附近。當入射光從B的一側入射時，經過A1發(fā)射到B形成點1，再經A2反射到B上形成點2，依次類推。最后光線從B的一側射出。其光程L與鏡面B上的光點數(shù)目N及懷特池基本長度l之間的關系為：

L=2(N+1)l

從上式可以看出，懷特池的光程L可通過改變其基本長度l和系統(tǒng)中光線傳播次數(shù)N進行調節(jié)，而對于某一特定的吸收池，其基本長度l一定，N為唯一能改變的量。實驗發(fā)現(xiàn)，改變反射次數(shù)N最簡單的辦法是改變入射光束第一次落在A1上的位置，同時配合調整A1、A2的偏轉角度。

圖1　為懷特池結構原理圖

一般情況下，通過調節(jié)光源可方便的改變入射光束的位置，對于偏轉角的調節(jié)，普通懷特池結構簡單，可直接微調方便的改變偏轉角度，但在真空懷特池系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)自身的密封性，這一過程難以實現(xiàn)。針對這一問題，本文提出了一種用于真空懷特池光程調節(jié)的機構。

2真空懷特池調節(jié)機構設計

在真空懷特池設計時，如圖2所示，首先在真空罐體上靠近凹球面鏡A1、A2的一側安裝兩組法蘭式實心軸磁流體密封件，并在其軸外端各安裝一個調節(jié)旋鈕。

其次，針對每塊凹球面鏡設置獨立、對稱的曲柄滑塊機構。每組機構中，與懷特池內機架構成移動副的構件為滑塊，在真空罐內，用可伸縮萬向節(jié)將法蘭式實心軸磁流體密封件與帶動滑塊運動的絲桿連接，滑塊沿絲桿移動。凹球面鏡下方安裝扳的旋轉中心為轉動副O(jiān)1，繞O1旋轉的部件上設置轉動副O(jiān)2，兩轉動副O(jiān)1與O2中心部分即為曲柄，連接曲柄和滑塊鉸鏈的部分為連桿。當滑塊由O3運動到O3′時，連桿另一端O2′將處于以O2O3為半徑、O3′為圓心的圓上，同時由于曲柄的運動軌跡是以O1為圓心、O1O2為半徑的圓，所以O2′的位置即為兩圓的交點，偏轉角則為O1O2與O1O2′之間的夾角。

圖2　真空懷特池光程調節(jié)機構原理圖　1.旋鈕　2.法蘭式實心軸磁流體密封件　3.真空罐體　4.可伸縮萬向節(jié)　5.滑塊　6.連桿　7.曲柄

當需調節(jié)光程時，在真空罐外配合轉動兩個旋鈕，扭矩通過萬向節(jié)傳遞給絲桿，再轉化為滑塊的移動副，使與之對應的凹球面鏡繞其旋轉中心運動，實現(xiàn)了凹球面鏡的偏轉角的調整，光程也隨之發(fā)生改變。

3結論

利用上述方法設計的真空懷特池調節(jié)機構采用簡單的機械原理進行設計，結構非常簡單；同時調節(jié)方便，只需在真空罐外轉動旋鈕即可完成調節(jié)。實踐驗證，該調節(jié)機構在實際應用中，效果良好。

參考文獻：

[1]宋志強,倪家升,尚盈,等.光纖藕合結構長光程懷特池氣體傳感器[J].光電子激光，2012，23(6):1082-1085.

[2]劉文彬,謝品華,司福祺,等.便攜式差分吸收光譜氣體監(jiān)測儀的研究[J].光學技術，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

中圖分類號:TH122

文獻標志碼：A

文章編號：1007-4414(2015)03-0165-002

作者簡介：張露(1984-)，女，湖南長沙人，碩士，工程師，主要從事光學儀器結構設計方面的研究。

*收稿日期：2015-05-05