CN100595570C

CN100595570C - 一种半导体激光透过率分析系统

Info

Publication number: CN100595570C
Application number: CN200710070484A
Authority: CN
Inventors: 熊志才; 顾海涛; 王健
Original assignee: Juguang Sci & Tech (hangzhou) Co Ltd
Current assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2027-08-03
Also published as: CN101105450A

Abstract

本发明公开了一种半导体激光透过率分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元，所述光发射单元和光接收单元安装在被测介质的一侧或两侧；所述光发射单元包括半导体激光器、第一会聚透镜；所述第一会聚透镜相对半导体激光器的一端为斜面；所述半导体激光器与所述第一会聚透镜之间激光束主光线光程小于或等于7mm；所述第一会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状，所述截面的最小覆盖圆的直径大于或等于25mm；所述半导体激光器发出的光通过所述第一会聚透镜后进入被测介质。本发明还公开了另外一种半导体激光透过率分析系统。

Description

一种半导体激光透过率分析系统

技术领域

本发明涉及光电分析系统，特别涉及一种通过测量激光束透过率来分析获得被测参数的半导体激光透过率分析系统。

背景技术

通过测量激光束透过率来分析获得被测参数的半导体激光分析技术应用领域广泛，例如半导体激光吸收光谱分析技术可以用于分析气体、液体中化学成分浓度，还可以分析气体温度和速度等，又例如还可以通过分析测量激光束透过率来分析粉尘浓度。下面以气体浓度分析为例介绍其应用。半导体激光吸收光谱气体分析技术是一种高灵敏度气体分析技术。半导体激光器发射出的特定频率的光束穿过被测气体时，被测气体的吸收谱线对光束能量的吸收导致光强度衰减，光强吸收可由Beer-Lambert关系描述：

I_v＝I_v，0T(v)＝I_v，0exp[-S(T)g(v-v₀)PXL]

I_v，0和I_v分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P、浓度X和光程L的气体后的光强，S(T)表示气体吸收谱线的谱线强度，线形函数g(v-v₀)表征该吸收谱线的形状。由Beer-Lambert关系可知，光强度的衰减与被测气体含量、温度、压力等相关，因此，通过测量光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的相关参数。

半导体激光器的输出光波长具有可调谐性。半导体激光吸收光谱气体分析技术通常采用DFB、VCSEL等单模半导体激光器，通常通过给这些激光器注入一定频率的锯齿波电流使光波长扫描过整条吸收谱线来获得完整的高分辨率单线吸收光谱数据。对于常压环境中的应用，如图1所示，单模半导体激光的谱宽(通常小于几十MHz)远小于被测气体单吸收谱线的宽度，激光器的波长调制扫描范围也仅包含被测气体的单吸收谱线，将其它气体的谱线排除在外，成功避免了测量环境中背景气体的交叉干扰。

在很多应用场合，分析系统需要安装在易燃易爆环境中，如含有一氧化碳或氢气等危险气体的工作区内。在这些场合就需要对分析系统做好防爆设计，并取得防爆认证。防爆设计有多种方式，如正压防爆、隔爆、本安防爆等。由于隔爆具有可靠性高、应用方便等优越性，获得非常广泛的应用。

如图2所示，一种半导体激光吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元1、光接收单元2和信号分析单元3，所述光发射单元1和光接收单元2安装在被测气体4的两侧。所述光发射单元包括半导体激光器11、会聚透镜12和玻璃窗片13；所述光接收单元2包括会聚透镜20、光接收器件21和玻璃窗片22。当所述分析系统需要防爆时，所述玻璃窗片13、22使用钢化玻璃，而且为了满足隔爆面大小的需要，钢化玻璃13、22的直径较大；同时很多在位测量应用也需要大孔径的光束来降低被测气体中颗粒物散射对测量光产生的不均匀衰减，所以会聚透镜12和会聚透镜20的直径较大。

所述分析系统的工作过程如下：所述半导体激光器11发光，经过光发射单元1中的会聚透镜12会聚成平行光，之后经过玻璃窗片13穿过被测气体4，穿过被测气体4的光在穿过光接收单元2中的玻璃窗片22后再经过会聚透镜20会聚，之后被所述光接收器件21接收，而接收信号送信号分析单元3分析，从而得到被测气体4的浓度等。

激光由半导体激光器11发射出后，在经过会聚透镜12、玻璃窗片13、玻璃窗片22、会聚透镜20等各个光学元器件的表面时，尽管绝大多数激光能量折射通过光学器件，但是一小部分激光能量会被上述光学器件的表面往复反射或散射后再被光接收器件接收，因此，到达光接收器件的各次反射、散射激光束之间会存在相位差，产生多光束干涉(etalon)现象。这种多光束干涉现象会对测量光束的透过率产生影响，从而改变光接收器件接收到的光信号。由于吸收光谱分析技术是通过分析光接收器件接收到的光信号来分析气体浓度，上述多光束干涉现象会对气体浓度分析产生干扰，这种干扰通常被称为etalon噪音。在激光波长扫描过吸收谱线的过程中，多光束之间相位差随激光波长不断变化；也就是说，在激光波长扫描过吸收谱线的过程中光束的透过率是变化的，因此，etalon噪音随光频率的变化而变化，图3给出了一种etalon噪音与光频率的关系。另外，受各种环境因素(温度变化、机械振动等)的影响，各光学元器件表面之间的距离经常发生微小的变化；由于激光波长较短，微小的变化就会引起多光束之间相位差的明显改变，从而显著改变上述多光束干涉产生的透过率变化，也就是说etalon噪音随光频率的分布会受各种环境因素的影响而发生变化，进而给准确气体参数分析带来困难。图4给出了在没有etalon噪音情况下分析系统测得的气体单线吸收光谱，在有etalon噪音情况下测得的气体单线吸收光谱的信噪比会显著下降，如图5所示。对于固定波长测量方法，波长的微小漂移或环境因素的变化也均会导致光学系统表观透过率的变化，从而影响测量精度。

上述分析系统存在一些不足：1)结构相对复杂，采用会聚透镜来会聚发散光，而同时还需要钢化玻璃来实现隔爆；由于采用多个光学元器件，增加了反射表面数目，增大了etalon光学噪音，降低了测量精度和测量灵敏度；2)在测量一些介质浓度时，如测量微量水份和氧气的浓度时，由于半导体激光器、会聚透镜、隔爆玻片之间，光接收器件，会聚透镜和隔爆玻片之间都存在不少空间，如果这些空间中气体存在被测气体组分，就会对测量产生影响，当前的方法是或者采用氮气吹扫，或者采用氮气灌封的方法来避免这些空间中存在这些被测气体；但吹扫增加了系统的复杂度，另外灌封方法在发生泄漏时会产生较大的测量不准确性，尤其当被测介质浓度较低时，例如ppm量级，因此，光发射单元1、光接收单元2均需要严格密封，防泄漏要求高，这进一步增加了系统设计和制造的复杂性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种测量精度和测量灵敏度较高、结构简单可靠、易于实现隔爆功能、无需吹扫、密封要求低以及制造方便的半导体激光透过率分析系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种半导体激光透过率分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元，所述光发射单元和光接收单元安装在被测介质的两侧；所述光发射单元包括半导体激光器、会聚透镜，所述会聚透镜相对半导体激光器的一端为斜面；所述半导体激光器与所述会聚透镜之间激光束主光线光程小于或等于7mm；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状，所述截面的最小覆盖圆的直径大于或等于25mm；所述半导体激光器发出的光通过所述会聚透镜后进入被测介质。

所述会聚透镜的厚度大于或等于20mm。

所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为圆形，直径大于或等于25mm。

所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为矩形或正多边形，其最小覆盖圆的直径大于或等于25mm。

所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为不规则图形，其最小覆盖圆的直径大于或等于25mm。

所述会聚透镜的前端安装紧固件。

所述会聚透镜与所述光发射单元的壳体间安装密封件。

本发明还提出了这样一种半导体激光透过率分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元，所述光发射单元和光接收单元安装在被测介质的两侧；所述光接收单元包括光接收器件、会聚透镜，所述会聚透镜相对光接收器件的一端为斜面；所述光接收器件与所述会聚透镜之间激光束主光线光程小于或等于7mm；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状，所述截面的最小覆盖圆的直径大于或等于25mm；从被测介质中穿过的光通过所述会聚透镜后被光接收器件接收。

所述会聚透镜的厚度大于或等于20mm。

上述的截面的最小覆盖圆的定义为：能够包围该截面的直径最小的圆。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：1)提高了测量精度。第一透镜不仅具有会聚准直激光器发射光束的作用，还可以实现系统隔爆的作用，减少了系统光学元器件的数目，减少了光学反射面数量，进而降低了系统的光学etalon噪音。同时，由于减小了激光器与会聚透镜14以及传感器与会聚透镜23之间距离(在系统中上述光学元件面之间产生的etalon噪音最明显)，etalon噪音的FSR(自由光谱范围)明显增加，也就是etalon噪音随光频率的变化较缓慢；因较易采用背景拟合等背景纠正算法来去除缓慢变化的etalon噪音背景的影响，可以较好地提高测量精度。另外，会聚透镜靠近激光器或者传感器的一端为斜面，避免了与激光器以及传感器中半导体晶片表面相互平行，也有效地降低了系统的光学etalon噪音。2)无需吹扫以及密封要求低。介质吸收跟光在介质中的光程成正比，由于减少了光学部件，同时各部件间的距离都较近，部件间空气对于测量结果的影响显著减少，可无需吹扫或密封。3)结构简单，可靠性较好。使用的厚会聚透镜不仅实现会聚作用，还可以同时实现隔爆的功能，减少了光学部件，结构简单。4)大通光孔径可以较容易地实现隔爆和提高原位测量的性能。5)隔温效果较好，由于使用了较厚的会聚透镜，外界的热量不易传递到光发射单元内的激光器，从而使分析系统能在被测气体温度较高场合下正常工作。

附图说明

图1是半导体激光谱宽和气体吸收谱宽示意图；

图2是现有技术中一种半导体激光吸收光谱气体分析系统的结构示意图；

图3是一种etalon噪音与光频率的关系示意图；

图4是在没有etalon噪音情况下测得的一条气体吸收谱线的单线吸收光谱示意图；

图5是在有etalon噪音情况下测得的一条气体吸收谱线的单线吸收光谱示意图；

图6是本发明实施例1中的一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统结构示意图；

图7是实施例1中使用的会聚透镜的结构示意图；

图8是实施例2中会聚透镜的中间部分的A-A截面图；

图9是实施例3中会聚透镜的中间部分的A-A截面图；

图10是实施例4中会聚透镜的中间部分的A-A截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详尽描述。

实施例1：

如图6所示，一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统，用于检测被测气体4中微量气态水的浓度，同时还满足隔爆要求。所述分析系统包括光发射单元1、光接收单元2和信号分析单元3，所述光发射单元1和光接收单元2安装在被测气体4的两侧。

所述光发射单元1包括壳体、半导体激光器11及其驱动电路10、第一会聚透镜14及套筒5，所述半导体激光器11和第一会聚透镜14安装在所述套筒5内，其中半导体激光器11安装在激光器座15上。所述半导体激光器11驱动电路10安装在所述壳体内。所述套筒与所述第一会聚透镜14间通过密封件如O形圈16密封，同时第一会聚透镜14的前端还安装透镜紧固件17。

如图7所示，所述第一会聚透镜14是厚的斜-凸透镜，一端是斜面，另一端是球面，其球面的曲率半径为13.66mm。所述第一会聚透镜14的中间部分的A-A截面是圆形，直径为35mm，第一会聚透镜厚度(激光束在第一会聚透镜中的主光线光程，即斜面中心与球面中心的间距)为31mm，斜面与圆柱面最长母线的夹角为76°，可以使半导体激光器11发射的激光经斜面反射后不进入激光器11内，降低系统的光学噪声。所述斜面的意义为：既可以是倾斜的平面，也可以是倾斜的弧面。所述半导体激光器11的发光点与斜面中心间距为5.6mm。激光束主光线与圆柱面中心轴线夹角为7.49°，保证激光束主光线从球面中心出射。第一会聚透镜14与套筒5共同实现隔爆功能，两者之间的隔爆接合面为透镜14的斜面与套筒5的斜面接合面。根据国标GB3836.2-2000，在光发射单元1的体积条件下平面接合面的宽度要求在9.5mm～15.8mm范围内，取平面接合面为10mm；如果要求第一会聚透镜14的有效通光孔径大于13mm，则所述第一会聚透镜14的圆柱面直径为2倍平面接合面宽度加通光孔径为33mm，本实施例取35mm。

所述光接收单元2包括第二会聚透镜23、光电传感器21。所述第二会聚透镜23的尺寸同第一会聚透镜14。所述光接收单元2上的透镜座与所述第二会聚透镜23间通过密封件如O形圈24密封，同时第二会聚透镜23的前端还安装透镜紧固件25。

实施例2：

一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统，用于检测微量气态水的浓度，同时还满足隔爆要求。与实施例1不同的是，所述第一和第二会聚透镜的中间部分的A-A截面是正方形，如图8所示，所述正方形最小覆盖圆的直径为40mm。

实施例3：

一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统，用于检测微量气态水的浓度，同时还满足隔爆要求。与实施例1不同的是，所述第一和第二会聚透镜的中间部分的A-A截面是椭圆形，如图9所示，所述椭圆形的最小覆盖圆的直径为45mm。

实施例4：

一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统，用于检测微量气态水的浓度，同时还满足隔爆要求。与实施例1不同的是，所述第一和第二会聚透镜的中间部分的A-A截面是不规则图形，如图10所示，所述不规则图形的最小覆盖圆的直径为50.8mm。

需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。实施例1中是用在气体分析中，当然还可以应用于液体分析或粉尘分析中。实施例中涉及到一种不规则图形，当然还可以是其它不规则图形。本发明的关键是，所述光发射单元内的第一会聚透镜相对半导体激光器的一端为斜面，同时半导体激光器与所述第一会聚透镜间主光线光程小于或等于7mm，所述第一会聚透镜的中间部分的A-A截面的最小覆盖圆直径大于或等于25mm，从而显著减少了Etalon噪音，减少了光学部件间气体对测量的影响，并可较容易地实现隔爆或原位测量需要的大通光孔径。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种半导体激光透过率分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元，所述光发射单元和光接收单元安装在被测介质的两侧；所述光发射单元包括半导体激光器、会聚透镜；其特征在于：所述会聚透镜相对半导体激光器的一端为斜面；所述半导体激光器与所述会聚透镜之间激光束主光线光程小于或等于7mm；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状，所述截面的最小覆盖圆的直径大于或等于25mm；所述半导体激光器发出的光通过所述会聚透镜后进入被测介质。

2、根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的厚度大于或等于20mm。

3、根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为圆形，直径大于或等于25mm。

4、根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为矩形或正多边形，其最小覆盖圆的直径大于或等于25mm。

5、根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为不规则图形，其最小覆盖圆的直径大于或等于25mm。

6、根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的前端安装紧固件。

7、根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜与所述光发射单元的壳体间安装密封件。

8、一种半导体激光透过率分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元，所述光发射单元和光接收单元安装在被测介质的两侧，所述光接收单元包括光接收器件、会聚透镜；其特征在于：所述会聚透镜相对光接收器件的一端为斜面；所述光接收器件与所述会聚透镜之间激光束主光线光程小于或等于7mm；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状，所述截面的最小覆盖圆的直径大于或等于25mm；从被测介质中穿过的光通过所述会聚透镜后被光接收器件接收。

9、根据权利要求8所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的厚度大于或等于20mm。