真空懷特池光程調節機構的設計*

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真空懷特池光程調節機構的設計*

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的機構，其具有結構簡單、調節方便、調節范圍及精度靈活等特點。在實際應用中，起到了較好的調節作用。

關鍵詞：懷特池；光程；曲柄滑塊機構

0引言

近年來，隨著環境的惡化，人類對生活環境健康狀況的關注意識加強，環境監測技術，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[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點，通過增加基本長度或反射次數的方法，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和系統中光線傳播次數N進行調節，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。實驗發現，改變反射次數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，通過調節光源可方便的改變入射光束的位置，對于偏轉角的調節，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中，由于系統自身的密封性，這一過程難以實現。針對這一問題，本文提出了一種用于真空懷特池光程調節的機構。

2真空懷特池調節機構設計

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O1，繞O1旋轉的部件上設置轉動副O2，兩轉動副O1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　5.滑塊　6.連桿　7.曲柄

當需調節光程時，在真空罐外配合轉動兩個旋鈕，扭矩通過萬向節傳遞給絲桿，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，實現了凹球面鏡的偏轉角的調整，光程也隨之發生改變。

3結論

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