一种半椭圆形长光程抗结露的光学气室及其使用方法

技术领域

本发明属于光学气室领域，特别涉及一种半椭圆形长光程抗结露的光学气室及其使用方法。

背景技术

光学气室是一个可以控制光的传播和反射的设备或空间。它通常用于研究和实验光学现象、光学材料、光波传输、光学器件等。其设计直接影响检测传感器的响应时间、分辨率、精度和稳定性等性能。因此，气室结构设计是检测传感器性能最重要的部分。随着科技发展、生产工艺不断进步，人们对传感器的外观、性能等方面都提出了新的需求。为实现传感器的微型化、便携化与测量结果的稳定性、抗干扰性，需要从光学气室光程及温度控制方向入手，设计出一种半椭圆形的微型恒温抗结露的光学气室。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的半椭圆形长光程抗结露的光学气室及其使用方法，从光学气室光程及温度控制方向入手，通过电热方式为光学气室外壁面进行加热处理，设计出一种半椭圆形的微型恒温抗结露的光学气室，为仪器检测提供更为稳定的工作环境。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种半椭圆形长光程抗结露的光学气室，包括半椭圆形室，半椭圆形室的一个焦点位置设置光源，光源安装在接收器上，半椭圆形室内设有加热器，半椭圆形室内设有温度开关。

优选地，半椭圆形室内壁进行镀金或镀银处理。

优选地，半椭圆形长光程抗结露的光学气室的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、将光源设置为衍射光栅；衍射光栅为平行、等宽而又等间距的多缝装置，所述的衍射光栅为利用光的衍射和干涉现象进行分光的一种色散元件；

步骤2、根据光的衍射和干涉原理，当平行光束以α角入射于光栅时，则在符合下述方程的角β方向上获得最大光强：

d(sinα+sinβ)=mL(m=0 ±1 ±2)（1）；

其中d为光栅常数，即相邻两缝的间距，α为入射角，β为出射角，m为衍射级次或称为光谱级次，L为衍射光的波长；

步骤3、根据光栅方程，当光栅常数d为定值时，对于同一方向入射的复合光在同级光谱中，不同波长L有不同的衍射角β与之对应，因而可在不同的衍射方向之获得不同波长的谱线；

当光为波长L的单色光时，在光栅常数d和入射角α固定时，对于不同级次m可得到不同角β的衍射光，即同一波长可以有不同级次的谱线；

当光为复合光，m=0时，在β=-α的方向上，任何波长都可使公式（1）成立，即在此方向上，光栅的作用就象一面反射镜一样，将得到不被分光的零级光谱，入射光束中的所有波长都叠加在零级光谱中；当d和α为固定值时，对于不同波长、不同级次的光谱，只要其乘积mL等于d或α定值，则都可以在同一衍射角β的方向上出现,即m1L1=m2L2=m3L3。

优选地，将衍射光栅替换为衍射光栅时；闪耀波长与闪耀角的关系为：

2dSine=m·λbm；

根据需要的闪耀波长λbm来设计相应的闪耀角e；一级闪耀波长λb1=560nm，有86%的光强集中在一级，而其余14%被分配在零级和其他各级中。二级光栅光谱的闪耀波长λb2=560/2=280nm。

本发明可达到以下有益效果：

本发明经过椭圆一个焦点发射的光源，经过一次反射后，总能达到椭圆的另一个焦点。光路由其室内左侧1光源发出，照射至半椭圆左侧壁面，随后光路会依据椭圆的几何特性，向该椭圆另一侧焦点进行反射。当光线行至该椭圆短轴壁面处，根据镜面对称原则会继续向下部椭圆焦点反射。依据此法，光线从光源射出后，会在半椭圆其室内进行5次反射后到达气室右侧2探测器（接收器）处。以此有效延长了光程，减小光学气室体积，以满足设备微小化、便携化的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明光学气室结构图。

图中：1-光源；2-接收器；3-高反射率金属壁面；4-椭圆焦点；5-温感开关。

具体实施方式

优选的方案如图1所示，一种半椭圆形长光程抗结露的光学气室，包括半椭圆形室，半椭圆形室的一个焦点位置设置光源，光源安装在接收器上，半椭圆形室内设有加热器，半椭圆形室内设有温度开关。半椭圆形室内壁进行镀金或镀银处理。

本发明的设计原理在于：温度对于光学气室的工作有一定影响。首先，温度的变化会导致光学气室的长度发生微小变化，进而导致光路的改变和相位的变化。这会影响光学元件的定位和定焦，影响到光学仪器的性能和测量的准确性。其次，根据物理学的折射定律，光在介质中传播时，会受到介质折射率的影响。而折射率通常与温度有关，因此温度的变化会导致光学气室的折射率发生变化。这会改变光的传播速度和传播路径，影响到光学仪器的测量精度。再者，温度的不稳定性会导致光学气室内的热量变化，进而引发热噪声。这些噪声会干扰光学信号的传输和检测，降低信号的信噪比，从而影响到光学仪器的性能和精确度。此外，一些气体传感器所检测的气体在常温中易发生结露，液滴存在于气室之内，会对光路产生影响。因此，一个可加热且能保持温度稳定的光学气室对于提升仪器准确性有着极大的帮助。

光学气室多采用金属材料制成，常见黄铜、铝合金，其便面镀金或镀银等材质。金属材料出色的导热能力为实现气室内气体的加热与保温提供便利。本设计使用电热方式为光学气室外壁面进行加热处理。为防止金属温度过高或波动，光学气室右下侧金属壁面内将设置温感开关。当金属壁面温度超过预定范围时，该温感开关断开。至温度降低后，温感开关将重新接通继续加热。以此满足光学气室内气体温度接近恒定，为仪器检测提供更为稳定的工作环境。

优选地，半椭圆形长光程抗结露的光学气室的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、将光源设置为衍射光栅；衍射光栅为平行、等宽而又等间距的多缝装置，所述的衍射光栅为利用光的衍射和干涉现象进行分光的一种色散元件；

步骤2、根据光的衍射和干涉原理，当平行光束以α角入射于光栅时，则在符合下述方程的角β方向上获得最大光强：

d(sinα+sinβ)=mL(m=0 ±1 ±2)（1）；

其中d为光栅常数，即相邻两缝的间距，α为入射角，β为出射角，m为衍射级次或称为光谱级次，L为衍射光的波长；

步骤3、根据光栅方程，当光栅常数d为定值时，对于同一方向入射的复合光在同级光谱中，不同波长L有不同的衍射角β与之对应，因而可在不同的衍射方向之获得不同波长的谱线；

当光为波长L的单色光时，在光栅常数d和入射角α固定时，对于不同级次m可得到不同角β的衍射光，即同一波长可以有不同级次的谱线；

当光为复合光，m=0时，在β=-α的方向上，任何波长都可使公式（1）成立，即在此方向上，光栅的作用就象一面反射镜一样，将得到不被分光的零级光谱，入射光束中的所有波长都叠加在零级光谱中；当d和α为固定值时，对于不同波长、不同级次的光谱，只要其乘积mL等于d或α定值，则都可以在同一衍射角β的方向上出现,即m1L1=m2L2=m3L3。

优选地，将衍射光栅替换为衍射光栅时；闪耀波长与闪耀角的关系为：

2dSine=m·λbm；

根据需要的闪耀波长λbm来设计相应的闪耀角e；一级闪耀波长λb1=560nm，有86%的光强集中在一级，而其余14%被分配在零级和其他各级中。二级光栅光谱的闪耀波长λb2=560/2=280nm。

实施例1：

复合光经色散元素分光后，得到一条按波长顺序排列的光谱，能将复合光束分解为单色光，并进行观测记录的设备称为光谱仪。无论是在单道扫描型还是多通道型或全谱直读型的任何光谱仪中，就是为了达到以下两个目标：(a)有适当的波长范围和波长选择，(b)能从被检测的辐射源的特定区域里采集尽可能多的光。为达到这两个目标，系统将包括：(a)一个入射狭缝；它提供与狭缝尺寸相同的的辐射光带，(b)一个能产生一束平行光的准直器，(c)一个或两个组合的色散元件，(d)一个能使被色散的特定狭窄光带重显的聚焦元件，(e)一个或多个能使所需光带分离的出射狭缝（全谱直读型仪器无需出射狭缝）。在ICP光谱仪的分光系统中，采用的色散元件几乎全都是光栅，在一些高分辨率的系统中，棱镜也是分光系统中的一个组成部件。

1、衍射光栅

平行、等宽而又等间距的多缝装置称为衍射光栅。它是利用光的衍射和干涉现象进行分光的一种色散元件，衍射光栅有透射式和反射式两种，光谱仪常用的是反射光栅，它的缝是不透明的反射铝膜。在一块极其平整的毛坏上镀上铝层，刻上许多平行、等宽而又等距的线槽，每条线槽起着一个“狭缝”的作用，每毫米刻线有1200条、2400条或3600条，整块光栅的刻线总数几万条到几十万条。反射光栅从形状上可分为平面光栅，凹面光栅和阶梯光栅，从制作方法上又可分为机刻光栅和全息光栅。在一般的反射光栅中，由于光栅衍射中没有色散能力的零级衍射的主极大占去衍射光强的大部分（80%以上），随着主极大的级次增高，光强迅速减弱。因此，使用这种反射光栅时，其一较弱，二级衍射更弱。为解决这个问题，将光栅的线槽刻成锯齿形，使其具有定向“闪耀”能力，把能量集中分布在所需的波长范围。光栅复制技术的发展，大大降低了生产成本并缩短生产周期，使光栅得到广泛应用。

1)光栅方程

根据光的衍射和干涉原理，当平行光束以α角入射于光栅时，则在符合下述方程的角β方向上获得最大光强。d(sinα+sinβ)=ml(m=0 ±1 ±2)

其中d-光栅常数，即相邻两缝的间距，α-入射角，β-出射角，m-衍射级次，或称为光谱级次，l-衍射光的波长。

2)平面反射光栅的特点

a)根据光栅方程，当光栅常数d为定值时，对于同一方向（α一定）入射的复合光在同级光谱（m一定）中，不同波长l有不同的衍射角β与之对应，因而可在不同的衍射方向之获得不同波长的谱线（主极大）。这就是光栅的色散原理。

b)对一定波长l的单色光而言，在光栅常数d和入射角α固定时，对于不同级次m(m=0 ±1 ±2……)可得到不同角β的衍射光，即同一波长可以有不同级次的谱线（主极大）。

c)对于复合光，当m=0时，在β=-α的方向上，任何波长都可使光栅方程成立，即在此方向上，光栅的作用就象一面反射镜一样，将得到不被分光的零级光谱，入射光束中的所有波长都叠加在零级光谱中。当d和α为固定值时，对于不同波长、不同级次的光谱，只要其乘积ml等于上述定值，则都可以在同一衍射角β的方向上出现,即m1l1=m2l2= m3l3=……

例如，一级光谱中波长为l的谱线和波长为l/2的二级谱线，波长为l/3的三级谱线……重叠在一起（如图）。这种现象称为光谱级次的重叠。它是光栅光谱的一个缺点，对光谱分析不利，应设法予以清除。在平面光栅光谱仪中，常用不同颜色的滤光片来消除这种级次重叠。同时为了获得足够的光能量，在ICP光谱分析中，通常选择第一级（m=1）或第二级次（m=2）的光谱谱线。

2、闪耀光栅

一般光栅具有色能力,但衍射能量的80%左右集中在不分光的零级光谱中，而有用的一、二级光谱依次减弱，因而实用价值很低。为了克服这一缺点，适当地改变反射光栅的刻槽形状，使起“狭缝”作用的反射槽面和光栅平面形成一定的倾角e，如图，即可将入射光的大部分能量集中到所需衍射级次的某个衍射波长附近，该波长称为“闪耀波长”，这种现象称为光栅的闪耀作用，这种光栅称为闪耀光栅，也称小阶梯光栅，倾角e为闪耀角。

闪耀光栅的主要好处在于可使光能量集中在第一光谱级次（m=1）的λb与第二光谱级次（m=2）的λb/2附近。a)在“自准”条件下（a=b=e），闪耀波长与闪耀角的关系为2dSine=m·λbm，可根据需要的闪耀波长λbm来设计相应的闪耀角e。b)光栅的闪耀并非只限于闪耀波长，而是在该闪耀波长附近的一定范围内也有相当程度的闪耀。c)如图表示为闪耀光栅的特性。这种光栅的一级闪耀波长λb1=560nm，有86%的光强集中在一级，而其余14%被分配在零级和其他各级中。从该图可以看出，该光栅的二级光栅光谱的闪耀波长λb2=560/2=280nm。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。