光聲光譜儀用三維擴(kuò)展光源光場(chǎng)整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

邱乙耕 范元媛3)? 顏博霞 王延偉 吳一航韓哲 亓巖 魯平

1) (中國(guó)科學(xué)院微電子研究所, 光電技術(shù)研發(fā)中心, 北京 100094)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

3) (應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130033)

4) (華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院, 下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074)

(2021 年4 月12 日收到; 2021 年6 月8 日收到修改稿)

1 引 言

光聲光譜儀是利用光聲光譜獲取待測(cè)物質(zhì)組成與濃度等信息的儀器[1], 光源作為儀器的輸入端直接影響輻射待測(cè)樣品的激勵(lì)光的光學(xué)質(zhì)量, 制約光聲池光聲轉(zhuǎn)化過程的進(jìn)行[2]. 光聲光譜儀用光源與光聲池配合工作, 目標(biāo)最大化實(shí)現(xiàn)攜帶待測(cè)樣品信息的光信號(hào)向聲信號(hào)的轉(zhuǎn)化[3]. 在光源系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)上, 一方面要求對(duì)輻射源發(fā)出的光線進(jìn)行特定的調(diào)制, 滿足不同待測(cè)樣品產(chǎn)生光聲效應(yīng)的條件; 另一方面要按照光聲池的實(shí)際情況對(duì)輻射源進(jìn)行二次配光, 實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)整形, 從而避免光源發(fā)出的光線輻射到待測(cè)樣品以外的其它物質(zhì)上產(chǎn)生噪音干擾[4].

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展, 光聲光譜儀的需求與日俱增. 目前市面上光聲光譜儀用光源大部分直接使用激光器, 少部分使用非相干擴(kuò)展光源配合其他光學(xué)元件進(jìn)行簡(jiǎn)單的聚光. 由于不同物質(zhì)紅外吸收峰的差異, 前者不能滿足同時(shí)檢測(cè)多種待測(cè)物質(zhì)的要求[5], 而后者多未對(duì)光源系統(tǒng)進(jìn)行過多的雜散光限制, 只在后期處理中進(jìn)行濾波. 相比而言, 覆蓋相同的光譜范圍, 非相干擴(kuò)展光源結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、體積更小、價(jià)格更低, 而其產(chǎn)生的雜散光也可以在光學(xué)設(shè)計(jì)階段通過光場(chǎng)整形來進(jìn)行消除. 三維非相干擴(kuò)展光源中, 紅外熱輻射光源因其輸出功率大、光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn), 是商用多組分、高精度光聲光譜儀的首選光源[6].

給定光源和目標(biāo)光場(chǎng)分布, 逆向求解光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及光學(xué)元件表面參數(shù)是非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程. 在光聲光譜儀用三維擴(kuò)展光源光場(chǎng)整形系統(tǒng)中, 光源和目標(biāo)光場(chǎng)兩端的要求都極為苛刻. 對(duì)于輸入端光源來說, 三維非相干擴(kuò)展光源方向性極差, 向全空間輻射, 能量密度很低, 光學(xué)系統(tǒng)需要收集足夠多的光能, 供系統(tǒng)進(jìn)行光場(chǎng)整形;對(duì)于輸出端目標(biāo)光場(chǎng)來說, 要求光線在光聲池腔體內(nèi)形成一個(gè)毫米級(jí)半徑、厘米級(jí)長(zhǎng)度的柱狀分布;而對(duì)于光場(chǎng)整形系統(tǒng)本身, 由于光聲光譜儀儀器內(nèi)安裝尺寸的限制, 體積不宜過大, 不能使用過復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)和過多的光學(xué)元件.

雖然這種極端的設(shè)計(jì)要求相對(duì)較少, 但國(guó)內(nèi)外也有一些設(shè)計(jì)案例分別針對(duì)輸入和輸出兩端的情況進(jìn)行討論. 1996 年, 美國(guó)科學(xué)應(yīng)用國(guó)際公司的Ong 等[7]完成了一個(gè)用于管狀光源照明的邊緣光線系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 此系統(tǒng)專為管狀光源的邊緣光線設(shè)計(jì), 在保證最大輻射效率的同時(shí), 改善光通量的分布情況. 1997 年, Shatz 等[8]通過非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形式完成了針對(duì)球形和圓柱形非相干光源的光場(chǎng)整形和傳輸效率的優(yōu)化. 2007 年, Henning[9]發(fā)現(xiàn)非相干耦合系統(tǒng)中若光源位于橢圓反射鏡焦點(diǎn)位置不能實(shí)現(xiàn)最大耦合效率, 文章通過計(jì)算橢圓反射鏡的高倍放大特性解釋了最大耦合效率位置為何偏離焦點(diǎn). 2009 年, Florian 等[10]提出了面向任意光強(qiáng)分布的擴(kuò)展光源使用單反射鏡產(chǎn)生任意形狀非均勻光強(qiáng)分布的方法, 并給出了相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例. 2014年, Wester 等[11]針對(duì)LED (light-emitting diode)光源在光學(xué)設(shè)計(jì)中視為點(diǎn)光源而需要加大光學(xué)元件尺寸的問題, 提出了兩種基于自由曲面的擴(kuò)展光源設(shè)計(jì)方法. 2015 年, Wu 等[12]提出了一種有效的為擴(kuò)展光源創(chuàng)建指定強(qiáng)度分布的設(shè)計(jì)方法, 使邊緣雜散光線得到控制. 2020 年, Hoffman 和llan[13]提出了針對(duì)面光源或管狀光源的分段反射聚光器優(yōu)化方法.

本文通過前期實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量光源發(fā)光特性, 并根據(jù)測(cè)量結(jié)果在物理尺寸和輻射方式上均進(jìn)行了擴(kuò)展光源精準(zhǔn)建模. 在光聲光譜儀用三維擴(kuò)展光源光場(chǎng)整形系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的過程中引入擴(kuò)展光源概念, 對(duì)三維非相干擴(kuò)展光源輻射的光場(chǎng)進(jìn)行整形,致力于從光學(xué)角度、整個(gè)儀器系統(tǒng)的輸入端提升光聲光譜儀的性能參數(shù).

2 初始結(jié)構(gòu)計(jì)算與建模

2.1 紅外熱輻射光源

紅外熱輻射光源工作溫度較高, 自身發(fā)熱量較大. 商用紅外熱輻射光源發(fā)光體形狀不規(guī)則, 多為柱狀或螺旋管狀, 嚴(yán)重偏離點(diǎn)光源—非成像光學(xué)設(shè)計(jì)的理想情況, 并且有著非典型的輻射通量空間分布, 在光學(xué)仿真軟件ZEMAX 中使用幾何形狀類似的管光源、圓柱體光源等非導(dǎo)入光源, 模擬輻射分布與實(shí)際光源偏差嚴(yán)重. 因其復(fù)雜性, 難以單純的使用以點(diǎn)光源為默認(rèn)測(cè)量條件的近場(chǎng)光源文件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)獲取和模型化描述, 而紅外熱輻射光源制造商一般不提供說明發(fā)光特性的配光曲線等光源文件.

以氧化硅、氮化硅、碳化硅等硅的化合物為發(fā)光材料的紅外熱輻射光源功率較大, 是光聲光譜儀光源系統(tǒng)理想的輻射源. 以美國(guó)Hawkeye 公司IRSi272 型紅外熱輻射光源為例, 其輻射體為柱狀氮化硅, 尺寸為2.8(D) mm × 5(L) mm, 長(zhǎng)度與直徑比較小[14], 較為接近點(diǎn)光源, 由6 V, 5 A 直流電源驅(qū)動(dòng), 典型工作溫度1160 ℃, 電光效率為80%, 輻射波長(zhǎng)覆蓋2—25 μm 范圍. 為了在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中較為全面而準(zhǔn)確的建立紅外熱輻射光源模型,以IR-SI272 紅外熱輻射光源為例自行開展輻射通量空間分布情況測(cè)量. 考慮商用紅外熱輻射光源柱/管狀輻射體的實(shí)際情況, 分別以柱/管狀輻射體的中心對(duì)稱軸夾角和柱/管狀輻射體縱深長(zhǎng)度劃分角度和長(zhǎng)度微元, 并分別以角度和長(zhǎng)度微元為單位進(jìn)行離散采樣, 實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖1[15]和圖2 所示. 紅外探測(cè)器選用GENTEC-EO 公司型號(hào)為XLP12-3S-H2-D2 的熱電堆探測(cè)功率計(jì),響應(yīng)波段為0.19—20 μm, 探測(cè)孔徑為12 mm,探測(cè)孔徑外罩內(nèi)徑25.5 mm 的管狀光闌, 用于消除由空氣湍流造成的功率波動(dòng)并遮擋大角度雜散光. 為保證測(cè)量結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確, 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)避免內(nèi)、外部環(huán)境條件的變化對(duì)紅外熱輻射光源及紅外探測(cè)器產(chǎn)生干擾. 實(shí)驗(yàn)全程在暗室中進(jìn)行, 無其他光源、熱源, 且控制暗室內(nèi)溫度為26 ℃, 相對(duì)濕度為55%.

圖1 紅外熱輻射光源發(fā)光特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖[15] (a)示意圖; (b)實(shí)物照Fig. 1. Experiment configuration for measuring the light distribution characteristic of IR thermal radiation light source[15]:(a) Schematic diagram; (b) photograph.

圖2 紅外熱輻射光源輻射通量長(zhǎng)度分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖(a)示意圖; (b)實(shí)物照Fig. 2. Experiment configuration for measuring the radiant flux distribution on the length of the IR thermal radiation light source:(a) Schematic diagram; (b) photograph.

圖1 中紅外熱輻射光源輻射區(qū)域中心位于轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸上, 使二者可以進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn). 如文獻(xiàn)[15]所述, 紅外探測(cè)器與紅外熱輻射光源同軸等高, 通過調(diào)整二者間距保證所探測(cè)的輻射通量數(shù)值始終位于有效量程范圍內(nèi). 測(cè)量過程中, 紅外熱輻射光源發(fā)出的光線在傳播特定距離后被紅外探測(cè)器接收, 通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)改變紅外熱輻射光源柱/管狀輻射體的中心對(duì)稱軸與探測(cè)器之間的夾角, 進(jìn)行均值和歸一化處理后可得到各角度下的相對(duì)輻射通量,即光源模型的角度微元[15].

圖2 實(shí)驗(yàn)中選用鋁制反光碗作為錐形光管, 入口直徑為4 mm, 出口直徑為55 mm, 具有85%—90%的反射率[16]. 紅外熱輻射光源垂直向下固定于集成水冷的燈座中, 燈座固定于精密位移臺(tái)上,可帶動(dòng)紅外熱輻射光源進(jìn)行上下移動(dòng). 紅外熱輻射光源正下方放置紅外探測(cè)器, 探測(cè)器靶面上安裝錐形光管(反光碗), 紅外熱輻射光源、錐形光管與探測(cè)器靶面三者同心放置. 錐形光管入口比柱狀光源橫截尺寸略大, 出口尺寸與紅外探測(cè)器靶面尺寸相當(dāng), 可有效地收集紅外熱輻射光源所輻射的能量,同時(shí)遮擋了其他雜散光. 測(cè)量過程中通過位移臺(tái)改變紅外熱輻射光源伸入錐形光源中的長(zhǎng)度, 獲取紅外熱輻射光源柱狀輻射體發(fā)出的輻射通量在柱狀縱深長(zhǎng)度上的分布, 進(jìn)行等距差值和歸一化后可得到縱深各單位長(zhǎng)度下的相對(duì)輻射通量, 即光源模型的長(zhǎng)度微元.

在ZEMAX 軟件中, 徑向光源為軸對(duì)稱光源,可基于任意強(qiáng)度-角度數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條擬合, 可滿足自定義光源發(fā)光特性的需求. 光源模型以徑向光源為微元, 按照HAWKEYE IR-SI272 紅外熱輻射光源的幾何尺寸進(jìn)行建模, 并以實(shí)驗(yàn)測(cè)得IR-SI272紅外熱輻射光源的相對(duì)輻射通量-長(zhǎng)度微元分布和相對(duì)輻射通量-角度微元分布對(duì)每一徑向光源的光線總能量和能量方向分布進(jìn)行設(shè)置. 綜上, 建立了HAWKEYE IR-SI272 紅外熱輻射光源的三維模型, 如圖3 所示.

圖3 HAWKEYE IR-SI272 光源 (a)三維布局圖; (b)實(shí)物照Fig. 3. HAWKEYE IR-SI272: (a) 3D layout; (b) photograph.

2.2 錐形光管

相比普通反射鏡, 錐形光管能收集更多角度范圍的光線, 在非相干光源光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺. 錐形光管的應(yīng)用使系統(tǒng)對(duì)輻射源有更高的能量收集效率, 通過改變錐形光管內(nèi)壁反射面的面型, 可以控制光場(chǎng)分布, 進(jìn)行光場(chǎng)整形. 由2.1 節(jié)可知, 紅外熱輻射光源向全空間4π 立體角輻射能量, 幾乎沒有方向性. 具有一定方向的輻射源出光方向?qū)?zhǔn)普通光管入口, 便可實(shí)現(xiàn)耦合; 方向性較差的輻射源可以利用拋物面、橢球面等二次曲面的特殊光學(xué)特性, 將輻射源置于錐形光管內(nèi)部, 二次曲面焦點(diǎn)上,提高能量收集效率. 二次曲面可以使光源輻射出的部分光線收斂角度, 作為錐形光管的初始結(jié)構(gòu). 二次曲面面型由標(biāo)準(zhǔn)矢高方程[17]描述:

式中,c為曲率, 與曲率半徑互為倒數(shù);r為表面沿徑向方向半徑;k為二次曲面系數(shù), 即conic 系數(shù).根據(jù)conic 系數(shù)的不同, 面型則不同, 如表1 所列.

表1 二次曲面conic 系數(shù)-面型對(duì)應(yīng)表Table 1. Correspondence between conic coefficient of quadric surface and surface type.

理想情況下, 光學(xué)元件傳輸能量沒有損耗, 即光學(xué)擴(kuò)展量不變. 對(duì)于光聲光譜儀用紅外熱輻射光源, 輻射體為圓柱體, 設(shè)直徑為d, 長(zhǎng)為h, 則光源的光學(xué)擴(kuò)展量簡(jiǎn)化近似為

錐形光管是擴(kuò)展光源不可缺少的能量收集元件, 紅外熱輻射光源加入錐形光管后如圖4 所示,錐形光管入口邊緣與近焦點(diǎn)之間的夾角為φ1, 錐形光管出口與近焦點(diǎn)之間的夾角為φ2, 在錐形光管近焦點(diǎn)F1處建立極坐標(biāo)系, 錐形光管可表示為

圖4 帶錐形光管光源的光學(xué)擴(kuò)展量分析Fig. 4. Analytical diagram of the Etendue of light source with tapered light pipe.

式中,f為近焦點(diǎn)與二次曲面conic 系數(shù)橢球頂點(diǎn)之間的距離;k為錐形光管反射面的二次曲面conic系數(shù).

由方程的幾何關(guān)系可得遠(yuǎn)焦點(diǎn)處光斑半徑和光線發(fā)散角:

出射光斑的光學(xué)擴(kuò)展量為

光源輻射的光線服從光強(qiáng)-角度分布, 其中, 光強(qiáng)分布情況與光源位置相關(guān), 角度分布與光源輻射的立體角相關(guān), 考慮光強(qiáng)-角度關(guān)系后, 光強(qiáng)分布為

式中ηr為反光碗反射率;P(hi,di)為點(diǎn)光強(qiáng)分布;G(φi)為點(diǎn)角度分布. (7)式建立了光強(qiáng)分布與光學(xué)擴(kuò)展量之間的關(guān)系[18].

在進(jìn)行錐形光管設(shè)計(jì)時(shí), 還需要綜合考慮光學(xué)元件的材料折射率和光程差, 借助反射光焦公式[19]:

對(duì)于反光碗這種反射光學(xué)元件來說,n2與n1互為相反數(shù),c為曲率半徑倒數(shù),φ為光焦度即焦距的倒數(shù), 反射光焦公式變?yōu)?/p>

根據(jù)前文的討論, 光聲光譜儀用紅外熱輻射光源期望的光線是不能輻射到圓柱形光聲池腔體側(cè)壁上的, 理想的邊界情況是平行光線貫穿光聲池.借助光學(xué)擴(kuò)展量概念和邊緣光線原理, 在實(shí)際設(shè)計(jì)中, 讓光線稍稍進(jìn)行聚焦, 以形成束腰, 光柱半徑最小處位于光聲池內(nèi). 光場(chǎng)整形的前提是有足夠的能量耦合進(jìn)系統(tǒng), 進(jìn)而談及光線調(diào)制與取舍問題.因此, 錐形光管最基本的功能是能量收集, 阻止輸出光束的截面積隨著傳播變大, 能量密度隨著傳輸變低. 以理想情況光線平行貫穿光聲池為初始結(jié)構(gòu), 選取可產(chǎn)生平行光的拋物面作為錐形光管的初始面型. 對(duì)于本設(shè)計(jì)中所討論的拋物面來說, conic =–1, 代入到標(biāo)準(zhǔn)方程中后得到:

根據(jù)此公式和實(shí)際需求, 計(jì)算反光碗的初始參數(shù).考慮光聲光譜儀光源中斬波器與濾光輪的安裝位置, 反光碗的半徑r被限制在12 mm 內(nèi), 反光碗焦距f應(yīng)大于紅外熱輻射光源長(zhǎng)度9 mm, 得到拋物面反光碗曲率半徑為18 mm、矢高z為16 mm. 此反光碗深度較淺, 具備加工可行性, 故作為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的初始結(jié)構(gòu)參數(shù).

2.3 光聲池

光聲光譜儀用紅外光源系統(tǒng)與光聲池銜接使用, 共同工作. 光聲池的幾何尺寸作為紅外光源系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)上的目標(biāo)光場(chǎng)分布, 依據(jù)相關(guān)尺寸進(jìn)行光學(xué)建模, 光聲池光學(xué)模型如圖5 所示. 根據(jù)光聲光譜儀用紅外光源系統(tǒng)光學(xué)指標(biāo), 對(duì)應(yīng)于入池光功率、出池光功率和側(cè)壁光功率分別在光聲池入口、出口和圓柱側(cè)壁設(shè)置探測(cè)器. 其中光聲池入口和出口位置的探測(cè)器為圓形, 半徑為5.75 mm, 與光聲池圓柱腔體截面尺寸相同, 所探測(cè)到的功率數(shù)值分別為光聲池入池和出池光功率. 在光學(xué)模型中可直接獲取側(cè)壁光功率. 光聲池圓柱腔體側(cè)壁的柱面為半徑為5.75 mm、長(zhǎng) 21 mm 的圓柱管, 將其設(shè)定為物體探測(cè)器, 其功率值即為光聲池側(cè)壁光功率.

圖5 光聲池三維布局圖Fig. 5. 3D Layout of photo-acoustic cell.

3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 評(píng)價(jià)函數(shù)

利用評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)自動(dòng)優(yōu)化過程進(jìn)行約束, 主要包含系統(tǒng)光學(xué)指標(biāo)優(yōu)化方向和結(jié)構(gòu)控制兩部分. 光場(chǎng)整形系統(tǒng)的光學(xué)指標(biāo)主要有入池光功率和側(cè)壁噪聲比. 其中入池光功率為進(jìn)入光聲池的總光功率, 可直接進(jìn)行調(diào)用, 側(cè)壁噪聲比可由側(cè)壁光功率與入池光功率做商而得. 結(jié)構(gòu)控制部分主要用于限制光學(xué)元件之間的相對(duì)位置, 避免在自動(dòng)優(yōu)化過程中因位置的調(diào)整造成穿模, 違背實(shí)際物理狀態(tài), 無法進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)裝調(diào). 主要包含紅外熱輻射光源、錐形光管、斬波器的相對(duì)位置.

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)前文計(jì)算得到的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)及編寫的評(píng)價(jià)函數(shù)[20], 使用阻尼最小二乘法和正交下降法,以光學(xué)元件相對(duì)位置和錐形光管反射面各面型參數(shù)為變量進(jìn)行局部?jī)?yōu)化. 設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6 所示, 非球面反光碗光學(xué)表面參數(shù)如表2 所列. 優(yōu)化設(shè)計(jì)后, 系統(tǒng)入池光功率為1.38 W, 側(cè)壁噪聲為17.7%,光聲池截面能量分布情況如圖7 所示.

圖6 光源光學(xué)系統(tǒng) (a)三維布局圖; (b)實(shí)體渲染圖Fig. 6. Total reflection optical system: (a) 3D layout; (b) shaded model.

圖7 光聲池截面能量分布Fig. 7. The cross-section energy distribution of the photoacoustic cell.

表2 非球面反光碗光學(xué)表面參數(shù)Table 2. Optical surface parameters of spherical reflective bowl.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 光學(xué)參數(shù)測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)完成相關(guān)光學(xué)與機(jī)械元件加工后, 進(jìn)行光聲光譜儀用光源系統(tǒng)的搭建與調(diào)試, 如圖8所示. 比照光聲池入口和出口的物理尺寸, 加工光闌, 按光聲池位置固定前后兩光闌, 等效為光聲池的入口和出口, 如圖9 所示. 分別測(cè)量前后兩光闌后的功率值, 作為光聲池入池功率與出池功率. 實(shí)驗(yàn)測(cè)得光聲池入池功率為1.32 W, 出池功率為1.06 W, 側(cè)壁噪聲為19.7%, 側(cè)壁噪聲問題得到了明顯控制. 三維擴(kuò)展光源光場(chǎng)整形系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)值相比設(shè)計(jì)值略有下降, 主要考慮錐形光管光學(xué)反射面鍍膜無法達(dá)到理想的全反射, 標(biāo)稱鍍膜后反射率可達(dá)95%以上, 參數(shù)指標(biāo)偏差在其范圍內(nèi).

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 8. Experimental setup.

圖9 光源光學(xué)指標(biāo)測(cè)量Fig. 9. Measurement of optical index of light source.

使用HAWKEYE IR-SI272 光源配套的MC-234 原廠聚光器替換光聲光譜儀用三維擴(kuò)展光源光場(chǎng)整形系統(tǒng)中自行設(shè)計(jì)加工的錐形光管, 進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn). 在保證出池光功率, 即有用功率最高的條件下, 實(shí)驗(yàn)測(cè)得入池光功率為1.73 W, 出池光功率為0.86 W, 側(cè)壁噪聲為50.3%. 圖10 為采用兩種光場(chǎng)整形系統(tǒng)時(shí), 光源在光聲池出口端和探測(cè)器上形成的光斑結(jié)果. 可見, 相較于原廠聚光器, 自行優(yōu)化設(shè)計(jì)的錐形光更好的控制了邊緣雜散光, 有效地提升了貫穿光聲池的有用功率, 側(cè)壁噪聲問題得到了明顯改善.

圖10 探測(cè)器光斑 (a)自設(shè)計(jì)錐形光管; (b)原廠MC-234聚光器Fig. 10. Light spot: (a) Self-designed tapered light pipe;(b) original MC-234 condenser.

4.2 氣體濃度測(cè)試

完成光源系統(tǒng)的搭建后, 將其安裝到光聲光譜儀中. 在25 ℃恒溫下對(duì)二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔六種典型氣體進(jìn)行不同濃度(0, 2, 5, 10, 50 和100 μL/L)的檢測(cè), 記錄微音器在不同氣體不同濃度下所輸出的多組電壓值. 對(duì)光源系統(tǒng)的效果檢驗(yàn), 是通過氣體檢測(cè)下限來判斷的. 氣體檢測(cè)下限的公式[21]為

式中,L為氣體濃度檢測(cè)下限, 單位為μL/L, 即體積分?jǐn)?shù)為百萬分之一;c為系數(shù), 根據(jù)導(dǎo)則規(guī)定, 當(dāng)空白測(cè)量次數(shù)為21 次時(shí), 系數(shù)取2.528;σ為微音器輸出電壓的標(biāo)準(zhǔn)差;k為微音器輸出電壓與氣體濃度擬合直線的斜率. 根據(jù)檢測(cè)下限公式, 依次對(duì)6 種氣體進(jìn)行測(cè)試, 需要分別空白測(cè)量(即通入氮?dú)釴2)21 次, 計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差. 再對(duì)每種氣體的另外5 種不同濃度進(jìn)行測(cè)量, 得到其線性關(guān)系, 計(jì)算出其斜率, 最后計(jì)算出每種氣體的檢測(cè)下限. 在實(shí)際測(cè)試中, 通過流量計(jì)限制壓強(qiáng)范圍, 控制在60—80 mL/min, 避免流量過小使通氣時(shí)間過長(zhǎng)或流量過大導(dǎo)致微音器性能下降. 對(duì)每種氣體不同濃度下記錄的多組電壓值的平均進(jìn)行線性擬合, 根據(jù)檢測(cè)下限公式, 對(duì)每種氣體檢測(cè)濃度的下限進(jìn)行計(jì)算, 相關(guān)參數(shù)和結(jié)果如表3 所示. 可見, 檢測(cè)下限可至百萬分之一量級(jí).

表3 光源激勵(lì)下氣體檢測(cè)參數(shù)表Table 3. Gas detection parameters under excitation of light source.

5 結(jié) 論

本文對(duì)光聲光譜儀用三維擴(kuò)展光源光場(chǎng)整形系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 以Hawkeye IRSi272 光源為例進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 光學(xué)參數(shù)指標(biāo)方面, 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近, 即光聲池入池光功率仿真優(yōu)化值為1.38 W, 實(shí)驗(yàn)值為1.32 W, 側(cè)壁噪聲仿真優(yōu)化值為17.7%, 實(shí)驗(yàn)值為19.7%. 相較于原廠聚光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 入池光功率從0.86 W 提升至1.32 W, 側(cè)壁噪聲從50.3%降至19.7%. 可見, 在保證有效入池功率的前提下, 側(cè)壁噪聲得到明顯控制. 本文提出的針對(duì)三維非相干擴(kuò)展光源的發(fā)光特性測(cè)量、光學(xué)建模、優(yōu)化方法具有可行性, 利用非球面反射結(jié)構(gòu)面向三維擴(kuò)展光源進(jìn)行光場(chǎng)整形的探索初見成效. 實(shí)際應(yīng)用方面, 光聲光譜儀實(shí)際的氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)沒有出現(xiàn)太大的濃度偏差, 方差均在可接受范圍內(nèi). 計(jì)算得到的氣體濃度檢測(cè)下限均小于5 μL/L, 達(dá)到百萬分之一微量氣體檢測(cè)量級(jí). 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光學(xué)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中貫穿擴(kuò)展光源概念, 在物理尺寸和輻射方式上均采用三維擴(kuò)展光源進(jìn)行準(zhǔn)確建模并配合非球面面型, 可有效地控制擴(kuò)展光源偏離點(diǎn)光源產(chǎn)生的雜散光線, 實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)整形, 為三維擴(kuò)展光源的應(yīng)用提供新的設(shè)計(jì)與優(yōu)化思路.