徐金凤，张玉钧，何 莹，尤 坤，高彦伟



基于ZEMAX的气体光学吸收池的设计与优化

徐金凤1,2，张玉钧1,2，何 莹1,2，尤 坤1,2，高彦伟1,2

（1.中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031）

基于光谱吸收法的瓦斯实时监测系统的核心器件是开放式光学吸收池，根据矩阵传输理论和参数的ABCD法则，设计了由2个相对的C-Lens组成的光学吸收池结构，并在ZEMAX的物理光学模式下实现仿真与优化。由理论分析得到结构的初步参数并在ZEMAX中进行优化，并使用合适的优化操作数对像差进行校正，经过逐步优化得到工作距离为100.39mm的吸收池结构参数。高斯光束从一端光纤输出的束腰半经为5.2mm，经C-Lens聚焦和准直后，耦合到另一端光纤的束腰半经为5.48mm，该光学吸收池对甲烷近红外激光的耦合效率达到92%。通过实验验证了该光学吸收池的稳定性和高耦合效率，适用于甲烷气体的开放式光学气体传感和在线监测。

物理光学；C-Lens；ZEMAX；耦合效率

0 引言

在我国，瓦斯爆炸和瓦斯突出是主要的煤矿安全事故，成为煤矿安全生产重大难题和最大障碍。开发瓦斯灾害实时监测技术，研制先进的瓦斯浓度测量仪器，是预防瓦斯事故的重要保障[1]。目前瓦斯检测方法主要是利用光谱吸收法的原理对气体浓度进行在线监测[2]，通过检测气室透射光强的变化来反演出气体的浓度，具有灵敏度高、响应速度快、防电磁干扰、防燃防爆的优点。……