光声光谱仪用三维扩展光源光场整形系统设计与实验

三维非相干扩展光源相比红外激光光源具有功率高、光谱范围宽、价格低等优势,在高精度、多组分光声光谱仪中具有极高的应用价值.然而,其存在方向性差、能量密度低、形状不规则等现实问题,需要在光学系统设计过程中进行光场整形.光声光谱仪要求在小体积范围内收集并优化厘米级三维扩展光源向全空间的辐射,经一系列波长及频率调制元件后,最终实现毫米级半径、厘米级长度的圆柱体光场分布.本文根据光学扩展量概念和边缘光线原理,在光学系统设计与优化的过程中突破传统完全基于点光源的设计模式,贯穿了扩展光源概念,基于自行设计的测量方法和装置直接获取了三维扩展光源的发光特性,并以微元的形式进行精准三维扩展光源建模.借助非球面实现了光声光谱仪用三维扩展光源光场整形系统的设计并进行了相关实验验证.以Hawkeye IR-Si272光源为例,分别实现了光声光谱仪光声池入池光功率和侧壁噪声仿真值与实验值的较小偏差,二者具有一致性.相比原厂聚光系统,自行设计的光声光谱仪用光源系统入池光功率从0.86 W提升至1.32 W,侧壁噪声从50.3%下降至19.7%,实现了百万分之一量级微量气体浓度检测.

红外热辐射光源配光特性的快速测量及仿真

红外热辐射光源在光声光谱检测等领域具有重要的应用价值,明确其配光特性是后续光学系统设计的基础。根据水冷散热下红外热辐射光源辐射通量的变化规律,提出快速获取高功率红外热辐射光源配光特性的方法并对其进行相关验证。实验结果表明,光源辐射通量的最大值在80°的角度处,两侧的辐射通量缓慢减小,能量分散在0°~130°的角度范围内,其中54.5%的能量集中在50°~110°的角度范围内。在长时间稳定的辐射状态下对配光特性进行对比实验,验证快速测量方法的准确性和有效性。在ZEMAX软件中突破光源角度的限制,使用测得的数据建立模型并模拟实验流程进行验证。在缺少高功率红外热辐射光源配光曲线的情况下,所提方法可以简单快速地获取配光特性,为光学设计提供初始条件。