ОПТИЧЕСКАЯ МНОГОХОДОВАЯ КЮВЕТА Российский патент 2021 года по МПК G01N21/03 B01J19/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оптической многоходовой кювете, которая многократно отражает лазерный свет между несколькими вогнутыми зеркалами, расположенными напротив друг друга, и, в частности, к оптической многоходовой кювете, используемой для фотореакции или спектроскопического анализа.

Уровень техники

Фотореакция с использованием лазерного излучения вызывает оптические переходы между энергетическими уровнями определенных молекулярных частиц. Фотореакция происходит, когда молекула, поглотившая свет в соответствии с законом Ламберта-Бера преодолевает потенциальный барьер реакции, разрывает и рекомбинирует молекулярную связь. Следовательно, скорость фотореакции увеличивается при увеличении коэффициента использования света, который показывает, сколько лазерного света использовано для фотореакции. Кроме того, также улучшается энергетический выход, показывающий результат по отношению к сообщаемой энергии, при увеличении коэффициента использования света. В качестве способа увеличения коэффициента использования света применяют длинный оптический путь с использованием отражения света или подобное. В качестве способа эффективной реализации длинного оптического пути была известна оптическая многоходовая кювета, в которой лазерный луч многократно отражается отражающей поверхностью, такой как зеркало.

В такой оптической многоходовой кювете наличие препятствия на оптическом пути падающего лазерного излучения может препятствовать прохождению лазерного излучения. По этой причине нежелательно устраивать на оптическом пути препятствие, которое мешает продвижению лазерного луча. Поэтому обычно используют оптическую многоходовую кювету, которая реализует длинный оптический путь, не представляя ничего на оптическом пути.

В качестве типичного примера оптической многоходовой кюветы широко известен способ, в котором сферические зеркала с вогнутыми отражающими поверхностями располагают напротив друг друга так, что их оптические оси совпадают друг с другом, лазерный луч вводят между сферическими зеркалами, и падающий луч многократно отражается между противоположными сферическими зеркалами. Такую оптическую многоходовую кювету называют кюветой Эрриотта (непатентный документ 1).

С другой стороны, в качестве способа дальнейшего увеличения количества отражений лазерного луча, например, в патентном документе 1, раскрыта технология, в которой удерживающие и фиксирующие элементы для вогнутых сферических зеркал, отражающих лазерный луч, охлаждают с помощью механизма охлаждения, к вогнутым сферическим зеркалам прикладывают механическое напряжение, под действием напряжения деформируется отражающая поверхность сферических зеркал, изменяется фокусное расстояние, увеличивается количество отражений лазерного луча, и обеспечивается длинный оптический путь без увеличения размера контейнера.

Документы известного уровня техники

Патентные документы

Патентный документ 1. Японская нерассмотренная заявка на патент, первая публикация № 2016-121905.

Непатентные документы

Непатентный документ 1. D. Herriott, H. Kogelnik and R.Kompfner, Applied Optics,Vol. 3, No. 4, 1964, pp. 523-526

Сущность изобретения

Проблема, решаемая изобретением

Однако оптическая многоходовая кювета, которая деформирует вогнутое сферическое зеркало (в дальнейшем именуемое "вогнутым зеркалом"), требует охлаждающего механизма для охлаждения вогнутых зеркал, что вызывает проблему, заключающуюся в том, что для обеспечения охлаждения оптическая многоходовая кювета становится большой и стоит дорого. Кроме того, если есть компонент с высокой температурой конденсации, такой как влага вокруг охлаждаемой области, то существует проблема, заключающаяся в конденсации росы и образовании инея (в частности, конденсация росы и образование инея на поверхностях зеркал вызывают значительное ослабление лазерного луча, приводящее к ухудшению характеристик).

Следовательно, существует потребность в компактной и недорогой технологии, которая увеличивает число отражений лазерного света, не требуя установки охлаждающего механизма вокруг зеркала.

Настоящее изобретение было сделано для решения вышеупомянутых задач, и цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить оптическую многоходовую кювету, которая является компактной и недорогой, не требует установки охлаждающего механизма вокруг зеркала и может увеличить количество отражений лазерного света.

Средства для решения проблемы

Оптическая многоходовая кювета в соответствии с настоящим изобретением представляет собой оптическую многоходовую кювету, включающую в себя контейнер, в который подают образец газа, и пару вогнутых зеркал, расположенных так, чтобы они были обращены друг к другу внутри контейнера, лазерный луч падает в контейнер, и лазерный луч многократно отражается между вогнутыми зеркалами, при этом на оптическом пути лазерного луча, который многократно отражается между парой вогнутых зеркал, расположена по меньшей мере одна выпуклая линза, так что ее центральная ось наклонена относительно центральной оси вогнутых зеркал, и острый угол, образованный центральной осью выпуклой линзы и центральной осью вогнутых зеркал, меньше или равен критическому углу, когда лазерный луч выходит из выпуклой линзы.

Технические результаты изобретения

В соответствии с настоящим изобретением можно создать оптическую многоходовую кювету, которая имеет небольшой размер и низкую стоимость, не требует установки охлаждающего механизма вокруг зеркала и может увеличить количество отражений лазерного луча.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема, показывающая конфигурацию оптической многоходовой кюветы в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 приведена схема, показывающая конфигурацию обычной оптической многоходовой кюветы, которая представляет собой обычную кювету Эрриотта.

На фиг. 3 приведена схема, показывающая конфигурацию оптической многоходовой кюветы в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 4 приведена схема, показывающая точечный рисунок на вогнутом зеркале, когда лазерный луч падает в оптическую многоходовую кювету и многократно отражается, в варианте осуществления настоящего изобретения (Пример 1).

На фиг. 5 приведена схема, показывающая точечный рисунок на вогнутом зеркале, когда лазерный луч падает в оптическую многоходовую кювету и многократно отражается, в варианте осуществления настоящего изобретения (Пример 2).

На фиг. 6 приведена схема, показывающая точечный рисунок на вогнутом зеркале, когда лазерный луч падает в оптическую многоходовую кювету и многократно отражается, в варианте осуществления настоящего изобретения (Пример 3).

На фиг. 7 для сравнения приведена схема, показывающая точечный рисунок на вогнутом зеркале, когда лазерный луч падает в оптическую многоходовую кювету и многократно отражается, в варианте осуществления настоящего изобретения (сравнительный пример 1).

На фиг. 8 для сравнения приведена схема, показывающая точечный рисунок на вогнутом зеркале, когда лазерный луч падает в оптическую многоходовую кювету и многократно отражается, в варианте осуществления настоящего изобретения (сравнительный пример 2).

На фиг. 9 для сравнения приведена схема, показывающая точечный рисунок на вогнутом зеркале, когда лазерный луч падает в оптическую многоходовую кювету и многократно отражается, в варианте осуществления настоящего изобретения (сравнительный пример 3).

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Ниже со ссылкой на фиг. 1 и 2 будет описана оптическая многоходовая кювета в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Как показано на фиг. 1, оптическая многоходовая кювета 1 в соответствии с настоящим вариантом включает в себя контейнер 3, вогнутые зеркала 5 и 7 и выпуклую линзу 9. Оптическая многоходовая кювета 1 может быть использована для фотореакции, такой как получение концентрированного газообразного изотопа кислорода посредством облучения озона лазерным лучом, описанной в известном источнике (нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № 2008-73673).

В дальнейшем будет описана каждая конфигурация оптической многоходовой кюветы 1 в соответствии с настоящим вариантом.

В настоящем описании и на чертежах элементы, имеющие по существу одинаковую функцию и конфигурацию, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и повторное описание опущено.

Кроме того, чертежи, используемые в последующем описании, могут быть показаны путем увеличения характерных частей для удобства, чтобы облегчить понимание функционирования, а размеры и соотношения каждого компонента такие же, как и фактические.

Образец газа подают в контейнер 3. Пару вогнутых зеркал 5 и 7 и выпуклую линзу 9 размещают внутри контейнера 3. Если оптическую многоходовую кювету 1 используют для фотореакции или спектроскопического анализа, то контейнер 3 имеет конструкцию, в которой нет утечки пробы газа, который является веществом, подлежащим облучению лазерным светом.

Вогнутые зеркала 5 и 7 имеют вогнутые отражающие поверхности 5а и 7а соответственно. Отражающая поверхность 5a и отражающая поверхность 7a расположены так, чтобы быть обращенными друг к другу. В настоящем варианте, как показано на фиг. 1, пара вогнутых зеркал 5 и 7 расположена так, чтобы быть обращенными друг к другу, так что центральные оси (оптические оси) C₁ отражающих поверхностей 5a и 7a совмещены друг с другом. Здесь ось z, показанная на фиг. 1, представляет собой ось в направлении центральной оси C₁ вогнутых зеркал 5 и 7, а ось x представляет собой ось в направлении, перпендикулярном центральной оси C₁ (то же самое относится к фиг. 2 и 3, описанным ниже).

Вогнутое зеркало 7 оснащено входным отверстием 11 для ввода лазерного луча L, многократно отражаемого между вогнутыми зеркалами 5 и 7.

Вогнутые зеркала 5 и 7 могут быть изготовлены из стекла или металла, такого как медь или алюминий, хотя материал не имеет значения.

Выпуклая линза 9 расположена на оптическом пути лазерного луча L, многократно отражаемого между вогнутым зеркалом 5 и вогнутым зеркалом 7, и изгибает оптический путь лазерного луча L, падающего на выпуклую линзу 9.

Выпуклая линза 9 расположена так, что ее центральная ось (оптическая ось) C₂ наклонена относительно центральной оси C₁ вогнутых зеркал 5 и 7. В данном случае наклонное расположение означает, что острый угол, образованный между центральной осью C₂ выпуклой линзы 9 и центральной осью C₁ вогнутых зеркал 5 и 7 (в дальнейшем может упоминаться как "угол наклона") представляют собой угол, отличный от 0° или 90°. Следовательно, предпочтительно, чтобы выпуклую линзу 9 удерживал держатель линзы или подобное, угол наклона которого можно регулировать.

Угол наклона представляет собой критический угол выпуклой линзы 9 или меньший угол, и предпочтительно составляет от 0° до критического угла, и более предпочтительно от 15° до критического угла.

Критический угол рассчитывают по следующей формуле. n₁ – показатель преломления выпуклой линзы 9, n₂ – показатель преломления пробы газа, а θ_c – критический угол.

Посредством расположения по меньшей мере одной выпуклой линзы 9 таким образом, чтобы она была наклонена, точечный рисунок пятна S лазерного луча L на вогнутых зеркалах 5 и 7 приобретает вид фигуры Лиссажу. Это упрощает получение рисунка, имеющего форму, с использованием всех отражающих поверхностей 5a и 7a вогнутых зеркал 5 и 7. В результате, в соответствии с оптической многоходовой кюветой 1 по настоящему варианту можно увеличить количество отражений лазерного луча L между вогнутыми зеркалами 5 и 7 и увеличить длину оптического пути. Может быть реализовано снижение затрат без необходимости использования охлаждающего механизма для охлаждения вогнутых зеркал 5 и 7.

Хотя в оптической многоходовой кювете 1, показанной на фиг. 1, расположена одна выпуклая линза 9, настоящее изобретение не ограничивает количество размещаемых выпуклых линз.

Размер выпуклой линзы 9 больше диаметра пучка B лазерного луча L, многократно отраженного вогнутыми зеркалами 5 и 7 в обычной оптической многоходовой кювете 13 Эрриотта, в которой выпуклая линза 9 отсутствует, как показано на фиг. 2.

Кроме того, положение, в котором расположена выпуклая линза 9, не ограничено. Однако, например, если выпуклая линза 9 расположена слишком близко к одному из вогнутых зеркал 5 и 7, то лазерный луч L, составляющий пучок B лучей, может отклониться за периферию других вогнутых зеркал 7 и 5, и множественные отражения могут не получиться. Поэтому желательно расположить выпуклую линзу 9 около центра между вогнутым зеркалом 5 и вогнутым зеркалом 7. Кроме того, на фиг. 1, центр выпуклой линзы 9 расположен на центральной оси C₁ вогнутых зеркал 5 и 7, но выпуклая линза 9 может быть расположена так, что центр выпуклой линзы 9 смещен в направлении оси x на фиг. 1.

Выпуклая линза 9 может быть двояковыпуклой линзой или плосковыпуклой линзой, которая может иметь положительное фокусное расстояние. Однако, если используют выпуклую линзу 9, имеющую слишком большое фокусное расстояние, то лазерный луч L, прошедший через выпуклую линзу 9, может пройти за пределами периферии вогнутого зеркала 5 или 7, и многократные отражения могут не продолжиться. Фокусное расстояние выпуклой линзы 9 должно быть соответственно выбрано так, чтобы могло продолжаться многократное отражение света L.

Отметим, что на фиг. 1 показана оптическая многоходовая кювета 1, включающая в себя контейнер 3, вогнутые зеркала 5 и 7 и выпуклую линзу 9. Кроме того, в качестве примера другого варианта осуществления настоящего изобретения можно привести оптическую многоходовую кювету 21, показанную на фиг. 3.

В дополнение к контейнеру 3, вогнутым зеркалам 5 и 7 и выпуклой линзе 9 оптическая многоходовая кювета 21 включает в себя держатель 23 зеркала, который выполнен с возможностью удерживать вогнутые зеркала 5 и 7, механизм 25 регулировки зеркала, который регулирует направление поворота и наклона вогнутых зеркал 5 и 7, держатель 27 линзы, который удерживает угол наклона выпуклой линзы 9 с возможностью регулировки, входное окно 29, позволяющее лазерному лучу L попадать в контейнер 3, впускное отверстие 31 для пробы газа и выпускное отверстие 33 для пробы газа.

Кроме того, в оптической многоходовой кювете 21 источник 35 лазерного излучения расположен за пределами контейнера 3. Лазерный луч L, излучаемый источником 35 лазерного излучения, проходит через входное окно 29 и входное отверстие 11 и попадает между вогнутыми зеркалами 5 и 7. Затем лазерный луч L, многократно отраженный вогнутыми зеркалами 5 и 7, проходит через отверстие 11 и окно 29 и выходит за пределы контейнера 3.

В оптической многоходовой кювете 1, показанной на фиг. 1, и оптической многоходовой кювете 21, показанной на фиг. 3, выполнено одно входное отверстие 11 в вогнутом зеркале 7. Однако может быть несколько входных отверстий 11, или входное отверстие 11 может быть также в вогнутом зеркале 5.

Кроме того, способ введения лазерного луча в оптическую многоходовую кювету в соответствии с настоящим изобретением не ограничен способом прохождения лазерного луча через входное отверстие 11, выполненное в вогнутом зеркале 5 или 7. Например, между вогнутыми зеркалами, расположенными напротив друг друга, может быть отдельно установлено направляющее зеркало, и чтобы ввести лазерный луч, лазерный луч может падать на направляющее зеркало и отражаться на вогнутом зеркале (например, фиг. 1 в патентном документе 1).

Кроме того, в оптических многоходовых кюветах 1 и 21 выходное отверстие (не показано) для вывода лазерного луча L за пределы контейнера 3 и входное отверстие 11 совмещены, и лазерный луч L, который многократно отражается вогнутыми зеркалами 5 и 7, проходит через входное отверстие 11 и выходит за пределы контейнера 3. Однако в контейнере 3 может быть выполнено выходное отверстие отдельно от входного отверстия 11. Независимо от того, выполнено ли выходное отверстие в вогнутом зеркале или в контейнере, положение и количество выходных отверстий можно соответствующим образом изменить в соответствии с требуемой длиной оптического пути, положением и количеством точек.

Как описано выше, когда оптическую многоходовую кювету в соответствии с настоящим изобретением используют при спектроскопическом анализе, может быть предусмотрено выходное отверстие для испускания многократно отраженного лазерного луча, и лазерный луч, проходящий через выходное отверстие, может выходить из контейнера. Однако, если оптическую многоходовую кювету в соответствии с настоящим изобретением используют для фотореакции, тогда нет необходимости выводить лазерный луч после многократных отражений за пределы контейнера, так что не требуется наличие выходного отверстия в контейнере.

Примеры

Были проведены эксперименты, чтобы подтвердить действие и эффекты оптической многоходовой кюветы в соответствии с настоящим изобретением, и ниже будут описаны результаты.

Пример 1

Эксперимент проводился с использованием оптической многоходовой кюветы 21, показанной на фиг. 3.

В оптической многоходовой кювете 21 вогнутые зеркала 5 и 7 и выпуклая линза 9 расположены внутри контейнера 3.

В качестве вогнутых зеркал 5 и 7 использовалось вогнутое зеркало (производство Thorlabs, CM750-500-E02, фокусное расстояние f: 500 мм, внешний диаметр φ: 75,0 мм). Входное отверстие 11, имеющее диаметр 4,0 мм, было выполнено в положении примерно на 30 мм выше центральной оси C₁ вогнутого зеркала 7. Вогнутые зеркала 5 и 7 удерживались держателем 23 зеркала, так что центральная ось C₁ вогнутого зеркала 5 и центральная ось C₁ вогнутого зеркала 7 были совмещены, а расстояние между вогнутым зеркалом 5 и вогнутым зеркалом 7 (расстояние между вогнутыми зеркалами) составляло 900 мм.

В качестве выпуклой линзы 9 использована двояковыпуклая линза (производство Thorlabs, LA1779-B, фокусное расстояние f: 1000 мм, внешний диаметр φ: 50,8 мм). Выпуклую линзу 9 удерживали с помощью держателя 27 линзы, так что можно было регулировать угол наклона относительно центральной оси C₁ вогнутых зеркал 5 и 7, и она была расположена на расстоянии 450 мм от вогнутых зеркал 5 и 7, то есть примерно посередине между вогнутыми зеркалами 5 и 7. Острый угол между центральной осью C₁ и центральной осью C₂ был установлен равным 15,0°.

Показатель преломления выпуклой линзы 9, используемой в этом варианте, составлял 1,515. Поскольку показатель преломления пробы газа (воздуха) составляет примерно 1,00027 (при атмосферном давлении, 25°C), критический угол θ_C, при котором происходит полное отражение, когда лазерный луч выходит из выпуклой линзы 9, составляет примерно 41,3°.

Пример 2

Оптическая многоходовая кювета была выполнена таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что острый угол между центральной осью С₁ и центральной осью С₂ был установлен равным 18,0°.

Пример 3

Оптическая многоходовая кювета была выполнена таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что острый угол между центральной осью С₁ и центральной осью С₂ был установлен равным 41,0°.

Сравнительный пример 1

Оптическая многоходовая кювета была выполнена таким же образом, что и в примере 1, за исключением того, что отсутствовала выпуклая линза 9.

Сравнительный пример 2

Оптическая многоходовая кювета была выполнена таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что острый угол между центральной осью С₁ и центральной осью С₂ был установлен равным 0°. В этот раз на поверхности вогнутого зеркала отражался лазерный свет, отраженный на поверхности линзы (рассеянный свет).

Сравнительный пример 3

Оптическая многоходовая кювета была выполнена таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что острый угол между центральной осью С₁ и центральной осью С₂ был установлен равным 50,0°.

Была проведена оценка полученной оптической многоходовой кюветы путем наблюдения через смотровое окно (не показано) в контейнере 3 узоров из пятен на вогнутых зеркалах 5 и 7. Количество пятен измеряли путем фотографирования пятнистого узора на вогнутом зеркале 5 с помощью камеры с подходящими характеристиками экспозиции.

На фиг. 4-6 показаны пятнистые узоры, сфотографированные в примерах 1-3, а на фиг. 7-9 показаны пятнистые узоры, сфотографированные в сравнительных примерах 1-3. В таблице 1 показана сводка этих результатов.

Таблица 1

Наличие или отсутствие выпуклой линзы. Острый угол между центральной осью C₁ и центральной осью C₂
(°) Результаты оценки Число пятен
(шт) Фигура № Пример 1 Присутствует 15,0 27 Фиг. 4 Пример 2 Присутствует 18,0 46 Фиг. 5 Пример 3 Присутствует 41,0 39 Фиг. 6 Сравнительный
пример 1 Отсутствует – 15 Фиг. 7 Сравнительный
пример 2 Присутствует 0 11 Фиг. 8 Сравнительный
пример 3 Присутствует 50,0 2 Фиг. 9

Сначала будут описаны результаты примеров 1-3.

Количество пятен увеличивалось, когда выпуклая линза 9 была наклонена так, чтобы угол, образованный центральной осью C₂ выпуклой линзы 9 и центральной осью C₁ вогнутых зеркал 5 и 7, был меньше или равен критическому углу. Затем, в примерах 1–3, как показано на фиг. 4-6, пятнистый узор изменился на форму в виде фигуры Лиссажу при сохранении множественных отражений в вогнутых зеркалах 5 и 7.

В частности, в примере 2, в котором выпуклая линза 9 была наклонена под углом 18,0°, было подтверждено по меньшей мере 46 или более пятен. Это более чем в два раза превышает количество пятен в пятнистом узоре (фиг. 7) в сравнительном примере 1, в котором выпуклая линза отсутствовала.

Пятнистые узоры, показанные на фиг. 4-6, были аналогичны пятнистому узору фигуры Лиссажу, полученному с помощью кюветы Эрриотта с астигматизмом или подобным средством. Считается, что пятнистый узор в форме фигуры Лиссажу был получен в оптических многоходовых кюветах 21 из примеров 1-3, потому что лазерный луч L, который изначально проходил по прямому оптическому пути между вогнутыми зеркалами 5 и 7, был изогнут выпуклой линзой 9.

Далее будут описаны результаты сравнительных примеров 1-3.

В оптической многоходовой кювете сравнительного примера 1, в которой выпуклая линза 9 отсутствовала, как показано на фиг. 7, пятнистый узор был концентрическим, а количество пятен составляло 15.

Как показано на фиг. 8, в сравнительном примере 2, в котором выпуклая линза 9 была расположена так, чтобы острый угол, образованный центральной осью C₁ и центральной осью C₂, составлял 0°, лазерный луч L, прошедший через выпуклую линзу 9, образовывал круговой пятнистый узор на поверхности вогнутого зеркала 5 так же, как в сравнительном примере 1, а количество пятен составляло 11. Кроме того, лазерный свет, отраженный поверхностью выпуклой линзы 9, отражался вокруг круглого пятна. Этот отраженный свет имеет низкую мощность, и сложно определить его оптический путь, поэтому его нельзя эффективно использовать.

Кроме того, в сравнительном примере 3, в котором выпуклая линза 9 была дополнительно наклонена из состояния, показанного на фиг. 6, и полученный угол (угол наклона) был больше критического угла, часть пучка B испытывала полное отражение на поверхности выпуклой линзы 9. Поэтому, как показано на фиг. 9, количество пятен уменьшилось.

Приведенные выше результаты показывают, что за счет изгиба оптического пути лазерного луча L с помощью выпуклой линзы 9 может быть сформирован пятнистый узор фигуры Лиссажу, и количество пятен в пятнистом узоре может быть увеличено.

Далее, используя оптические многоходовые кюветы из примера 2 и сравнительного примера 1, было исследовано увеличение длины оптического пути из-за увеличения количества пятен и эффект увеличения скорости фотореакции из-за увеличения длины оптического пути.

Увеличение количества пятен равнозначно увеличению длины оптического пути без изменения расстояния между вогнутыми зеркалами 5 и 7 (расстояния между вогнутыми зеркалами). Длину оптического пути между вогнутыми зеркалами 5 и 7 можно оценить как произведение количества пятен на расстояние между вогнутыми зеркалами.

Следовательно, улучшение характеристик фотореакции при использовании оптической многоходовой кюветы 21 оценивается следующим образом. При рассмотрении здесь предполагается, что лазерный луч L является непрерывным светом, количество I₀ падающего света, падающего в контейнер 3, является постоянным, а внутри контейнера 3, где находятся вогнутые зеркала 5 и 7 и выпуклая линза 9, создан вакуум.

Влияние на скорость фотореакции при многократном отражении лазерного излучения, можно оценить с помощью суммарного количества I_total света, полученного с помощью следующего уравнения (1).

(1)

I₀ – количество падающего света, изначально попадающего в контейнер, R – коэффициент зеркального отражения, 2, 3, ..., n – число отражений от вогнутых зеркал 5 и 7. Суммарное количество I_total света в контейнере 3 представляет собой суммарное значение количества света для каждого отражения. Чем больше суммарное количество света, тем больше величина поглощения пробы газа, облучаемого лазерным лучом, в соответствии с законом Ламберта-Бера, и можно ожидать увеличения скорости фотореакции.

В случае оптической многоходовой кюветы из сравнительного примера 1, которая представляет собой нормальную кювету Эрриотта, коэффициент R зеркального отражения в уравнении (1) является коэффициентом отражения вогнутых зеркал 5 и 7.

Однако в случае оптической многоходовой кюветы 21 из примера 2 в соответствии с настоящим изобретением необходимо учитывать потери света (= 1 – коэффициент пропускания) из-за наличия выпуклой линзы 9. Поэтому, коэффициент R зеркального отражения в уравнении (1) вычислен как R = (коэффициент отражения вогнутого зеркала) × (коэффициент пропускания выпуклой линзы).

Коэффициент отражения вогнутых зеркал 5 и 7, используемых в примерах, составлял 99,5% при фактических измерениях, а коэффициент пропускания выпуклой линзы 9 при фактических измерениях составлял 99,2%. Свет, отраженный от поверхности выпуклой линзы 9, не принимали во внимание, а толщина выпуклой линзы 9 была достаточно тонкой, чтобы ею можно было пренебречь по сравнению с расстоянием между вогнутыми зеркалами.

В таблице 2 показаны результаты расчета суммарного количества I_total света в контейнере при использовании оптической многоходовой кюветы 21 из примера 2 и оптической многоходовой кюветы 13 из сравнительного примера 1. Число n отражений является суммой количества пятен на вогнутых зеркалах 5 и 7. Однако в вогнутом зеркале 7, имеющем входное отверстие 11, лазерный луч L в конечном итоге выходит через входное отверстие 11 за пределы контейнера 3, так что количество пятен на единицу меньше количества пятен на вогнутом зеркале 5.

Таблица 2

Количество падающего света I₀ Коэффициент отражения Число отражений n Суммарное количество I_total света в контейнере мВт – мВт Сравнительный пример 1 100 0,995 29 2792 Пример 2 100 0,987 91 5392

В таблице 2 "Сравнительный пример 1" представляет собой сравнительный пример, в котором использовали оптическую многоходовую кювету 13 без выпуклой линзы, а "Пример 2" представляет собой пример, в котором использовали оптическую многоходовую кювету 21 с выпуклой линзой 9.

Как показано в таблице 2, в сравнительном примере 2 суммарное количество I_total света в контейнере составляло 2792 мВт, тогда как в примере 2 суммарное количество I_total света в контейнере составляло 5392 мВт. Можно понять, что суммарное количество I_total света в контейнере было увеличено за счет размещения выпуклой линзы 9. В предположении, что скорость фотореакции пропорциональна суммарному количеству I_total света в контейнере, ожидается, что скорость фотореакции для оптической многоходовой кюветы 21, соответствующей примеру 2, увеличится в 5392 мВт/2792 мВт ≈ 1,9 раза по сравнению с оптической многоходовой кюветой, соответствующей сравнительному примеру 1.

В результате, например, можно ожидать, что, когда оптическую многоходовую кювету 21, соответствующую настоящему изобретению, используют для генерации концентрированного газообразного изотопа кислорода путем облучения озона лазерным излучением, описанным в приведенной выше ссылке, скорость генерации концентрированного газообразного изотопа кислорода будет в 1,9 раза больше, чем при использовании обычной оптической многоходовой кюветы.

Как объяснено выше, ясно, что в соответствии с оптической многоходовой кюветой по настоящему изобретению, путем размещения выпуклой линзы на оптическом пути между парой вогнутых зеркал, многократно отражающих лазерный луч, можно получить характерный пятнистый узор фигуры Лиссажу на вогнутом зеркале, а количество отражений можно увеличить. В результате показано, что количество отражений лазерного луча вогнутым зеркалом увеличивается так, что длина оптического пути может быть более чем в два раза больше, чем у обычной кюветы Эрриотта того же размера, и скорость фотореакции под действием лазерного излучения может быть увеличена.

Список ссылочных позиций

1 оптическая многоходовая кювета

3 контейнер

5, 7 вогнутое зеркало

5a, 7a отражающая поверхность

9 выпуклая линза

11 входное отверстие

13 оптическая многоходовая кювета

21 оптическая многоходовая кювета

23 держатель зеркала

25 механизм регулировки зеркала

27 держатель линзы

29 входное окно

31 впускное отверстие для газа

33 выпускное отверстие для газа

35 источник лазерного излучения

B пучок лучей

C₁ центральная ось (вогнутое зеркало)

C₂ центральная ось (выпуклая линза)

L лазерный луч

S пятно

Оптическая многоходовая кювета содержит контейнер, в который подается проба газа, и пару вогнутых зеркал, обращенных друг к другу внутри контейнера. Лазерный луч, направляемый в контейнер, многократно отражается вогнутыми зеркалами. По меньшей мере одна выпуклая линза расположена на оптическом пути лазерного луча, который многократно отражается между парой вогнутых зеркал, так что центральная ось линзы наклонена относительно центральной оси вогнутых зеркал. Между центральной осью выпуклой линзы и центральной осью вогнутых зеркал образован острый угол, который меньше или равен критическому углу. Технический результат: обеспечивается компактная кювета, не требующая охлаждения, и увеличение числа отражений лазерного луча. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Оптическая многоходовая кювета, содержащая контейнер, в который подается проба газа, и пару вогнутых зеркал, обращенных друг к другу внутри контейнера, причем лазерный луч, направляемый в контейнер, многократно отражается вогнутыми зеркалами,

при этом по меньшей мере одна выпуклая линза расположена на оптическом пути лазерного луча, который многократно отражается между парой вогнутых зеркал, так что центральная ось линзы наклонена относительно центральной оси вогнутых зеркал, и

между центральной осью выпуклой линзы и центральной осью вогнутых зеркал образован острый угол, который меньше или равен критическому углу.

2. Оптическая многоходовая кювета по п. 1, в которой острый угол больше или равен 15,0°.