胡勇勇,崔茹悦,武红鹏,董 磊*

(1 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室,激光光谱研究所,山西 太原 030006;2 山西大学极端光学协同创新中心,山西 太原 030006)

0 引言

多通池通常由两个或多个具有高反射率的反射镜构成[1-9],使入射激光束在一定体积腔内实现多次往返,以增长激光与物质相互作用距离,因此被广泛应用于吸收光谱[10]、拉曼光谱[11,12]、光声光谱[13,14]等技术中。在以上技术中应用多通池最为广泛的是可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术[15]。2001年,莱斯大学的Claps 等[16]使用36 m 长的多通池对氨气进行检测,实现了0.7×10-6的灵敏度;2015 年,香港中文大学的Ren 等[17]使用一个光学路径长度为3.75 m 的多通池对甲醛进行检测,实现了1.5×10-9的最小探测极限;2017 年,瑞典于默奥大学的Ghorbani 等[18]使用一个3.99 m 的多通池对人体呼出的一氧化碳、二氧化碳进行了检测,分别实现了9×10-9、650×10-6的探测极限。这些出色的工作都是通过将TDLAS 技术和多通池有效结合,促进高灵敏实时在线痕量气体传感器在多个应用领域的发展[19-26]。然而,基于TDLAS 技术的传统气体传感装置体积较大,光学部件分离,不利于光学准直,与当今传感器小型化、集成化发展趋势不符[27]。为减小整个传感系统尺寸,需要首先减小核心部件多通池体积,而减小多通池体积的关键在于解决多通池镜面利用率较低的问题,近年来,研究人员不断研究多通池设计原理,提出了多种设计方法并开展了实验验证,发展了许多具有密集光斑图案的多通池,其中柱面镜设计的多通池能够有效减小多通池的尺寸[28],从而提高镜面利用效率,最终促进了以多通池为核心器件的激光吸收光谱技术在痕量气体检测领域的发展。……