基于ZEMAX的怀特池光学设计

第46卷 第8期 2019年8月

天 津 科 技

TIANJIN SCIENCE & TECHNOLOGY

V ol.46 No.8Aug. 2019

收稿日期：2019-07-18

应用技术

基于ZEMAX 的怀特池光学设计

李洪刚1，吴岩磊2

(1. 天津同阳科技发展有限公司 天津300384；2. 天津市环境监测技术企业重点实验室 天津300384)

摘 要：怀特池是一种常见的长光程气体吸收池，在气体检测技术中广泛使用。根据其工作原理，在ZEMAX 中对其结构进行了仿真计算，A 、A′镜的曲率中心到B 镜中心的距离a 、b 之和的误差为0.7%，出射能量I /I 0的误差为1.5%，与理论计算值基本相符，因而不需复杂的计算即可为结构设计提供完整准确的数据。 关键词：怀特池 ZEMAX 光学设计

中图分类号：R318.51 文献标志码：A 文章编号：1006-8945(2019)08-0041-02

Optical Design of White Cell Based on ZEMAX

LI Honggang 1，WU Yanlei 2

(1. Tianjin Shareshine Technology Development Co. Ltd.，Tianjin 300384，China ；

2. Tianjin Environmental Monitoring Technology Enterprise Key Laboratory ，Tianjin 300384，China )

Abstract ：White cell is a kind of common long optical path gas absorption cell, which is widely used in gas detection tech-

nology. According to its working principle, the simulation of its structure is carried out in ZEMAX. The error of the sum of the distances a and b of the curvature center of A and A ′mirror to the center of B mirror is 0.7%, and the error of the output

energy I /I 0 is 1.5%, which is basically consistent with the theoretical value. Therefore, complete and accurate data can be provided for the structure design without complicated calculations. Key words ：white cell ；ZEMAX ；optical design

0 引 言

长光程气体吸收池是气体检测技术中不可或缺的装置，在NDIR 、TDLAS 、DOAS 等方案中均有使用。根据朗伯比尔定律，可探测到的气体浓度值与吸收光程长度成反比，这意味着增大吸收光程长度可以增加气体吸收信号的幅度，从而有效提高检测灵敏度，因此在探测痕量气体浓度时，需要几十甚至上百米的吸收光程。长光程气体吸收池利用多次光学反射的原理，在有限的空间实现较长的吸收光程[1]，因此完全能满足这个条件。怀特池是常见的长光程气体吸收池的一种，由3块球凹面镜组成，利用光在镜面之间的来回反射来增加光程，其优点是具有较大的孔径角和较长的吸收光程，光路调节相对简单[2]。

1 怀特池结构及工作原理

怀特池的核心部分是3个相同曲率半径的球形凹面镜，其原理如图1所示[3]。其中2个小镜A 和A′完全相同，并排安装在池的一端，大镜B 装在另一端。A 镜和A′镜的曲率中心C A 、C A′在B 镜的前表面上，B 镜的曲率中心C B 在A 镜和A′镜的前表面中心。A 、A′镜和B 镜之间的距离是反射镜的曲率半径。由于球面镜的焦距为曲率半径的一半，这样的设计在镜的反射表面之间构成了一个共轭焦点系统，使得从A 上任意点发出的光都会被B 反射到A′上相应的共轭点，从A′上该点发出的光也会被B 反射到A 上初始的点。 光在A 、A′和B 之间的成像规律为：球面镜曲率中心附近的物点和像点在一条直线上，并且这两点组成的线段的中点即该镜的曲率中心。靠近B 的光入射到A ，通过A 反射所成的像1落在B 上，像1通过A′反射所成的像2落在B 上，像2通过A 反射所成的像3落在B 上，像3通过A′反射所成的像4即为出射光，所有的光都被镜面反射，没有漏到镜外而损