CN106769714A - 激光粒度仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光粒度仪，涉及仪器仪表领域，包括激光器、自聚焦透镜、具有保偏单模光纤的滤波器、傅里叶透镜、测量窗口和光电探测器，激光器发射线偏振激光束，自聚焦透镜将激光束汇聚成一个光点，形成入射光入射到具有保偏单模光纤的滤波器，具有保偏单模光纤的滤波器滤去了入射光中的杂散光，并使激光束保持线偏振状态不变，傅里叶透镜对该激光束进行汇聚，经过汇聚的激光束照射到测量窗口中的待测样品，光电探测器对待测样品散射的光检测，解决现有技术中存在的激光粒度仪在粒度检测时需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，易受环境振动影响，或者使用单模光纤滤波器，虽然机械稳定性有所提升，但是易受环境温度影响的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，尤其是涉及一种激光粒度仪。
背景技术
激光粒度仪是通过检测颗粒的衍射或散射光的空间分布来分析颗粒大小的仪器，已经在粉体加工、应用与研究领域得到广泛的应用，它的特点是测试速度快、测试范围宽、具有较好的重复性和真实性等。
激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以一束平行的激光在没有阻碍的无限空间中将会照射到无限远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象。在激光粒度仪中，光源是关键的部件之一，其质量好坏直接影响到仪器的性能和最终测试数据的可靠性。常见的激光粒度仪采用氦氖激光器作为整个仪器的光源，为了提高光束质量，一般从氦氖激光器出射的激光束还经过一个空间滤波器，滤除光束中混杂的杂散光，降低仪器的背景噪声，以便获得更加准确的散射光能数据，提高测试数据的可靠性。
目前，现有技术中的激光粒度仪在粒度检测时，都需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，这使激光粒度仪的粒度检测操作复杂，因此为保证测试结果的可靠性，现有的激光粒度仪结构过于复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光粒度仪，以解决现有技术中存在的激光粒度仪在粒度检测时需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，使粒度检测操作复杂的技术问题，在保证测试结果可靠性的前提下，以简化激光粒度仪的结构。
第一方面，本发明实施例提供了一种激光粒度仪，包括：激光器、自聚焦透镜、具有保偏单模光纤的滤波器、傅里叶透镜、测量窗口以及光电探测器；
所述激光器发射线偏振激光束；
所述自聚焦透镜将所述激光束汇聚成一个光点，形成入射光入射到所述具有保偏单模光纤的滤波器，所述具有保偏单模光纤的滤波器滤去了所述入射光中的杂散光，并使激光束保持线偏振状态不变；
所述傅里叶透镜对从所述具有保偏单模光纤的滤波器射出的激光束进行汇聚；
所述测量窗口用于放置待测样品，经过汇聚的所述激光束照射到所述测量窗口中的待测样品；
所述光电探测器对所述待测样品散射的光进行检测。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述保偏单模光纤为应力致偏型保偏光纤。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述应力致偏型保偏光纤具有慢轴与快轴；
所述入射光的偏振方向和所述慢轴或所述快轴的方向平行；
所述应力致偏型保偏光纤分别在所述慢轴或所述快轴的方向上传输线偏振光，并使所述入射光的偏振状态保持不变。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述应力致偏型保偏光纤的类型为熊猫型、领结型或椭圆包层型。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述激光器为半导体激光器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述保偏单模光纤的长度大于1m。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述保偏单模光纤的长度为3m。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，还包括光纤支架，所述光纤支架盘绕所述保偏单模光纤。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述保偏单模光纤的纤芯半径为a＝λV/(2π*NA)；
其中，λ为所述入射激光的波长；
V为所述保偏单模光纤的结构参数且V≤2.40483；
NA为所述保偏单模光纤的数值孔径。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，还包括0环探测器；所述0环探测器对所述激光粒度仪的光路进行校准。
本发明实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：本发明实施例提供的激光粒度仪包括激光器、自聚焦透镜、具有保偏单模光纤的滤波器、傅里叶透镜、测量窗口与光电探测器，其中，激光器发射线偏振激光束，自聚焦透镜将该激光束汇聚成一个光点，形成入射光入射到具有保偏单模光纤的滤波器，具有保偏单模光纤的滤波器使入射光的激光束保持线偏振状态不变，通过具有保偏单模光纤的滤波器在滤波过程中保持激光束的偏振状态不变，保证了测试结果的可靠性，傅里叶透镜对从具有保偏单模光纤的滤波器射出的激光束进行汇聚，测量窗口用于盛放放置待测样品，经过汇聚的激光束照射到测量窗口中的待测样品，光电探测器对待测样品散射的光进行检测，通过具有保偏单模光纤的滤波器，省略了使用针孔空间滤波器进行滤波的过程，从而解决了现有技术中存在的激光粒度仪在粒度检测时需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，使粒度检测操作复杂的技术问题，因此在保证测试结果可靠性的前提下简化了激光粒度仪的结构。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他的优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的激光粒度仪的结构示意图以及光路的原理图；
图2为本发明实施例所提供的激光粒度仪中，应力致偏型保偏光纤横截面的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的激光粒度仪中，具有保偏单模光纤的滤波器的具体结构示意图；
图4为本发明实施例中的保偏单模光纤的部分结构的放大示意图；
图5为本发明实施例中的保偏单模光纤的另一部分结构的放大示意图；
图6为本发明实施例中的光纤支架的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的激光粒度仪的结构示意图。
图标：1-激光粒度仪；11-激光器；12-自聚焦透镜；13-傅里叶透镜；14-测量窗口；15-光电探测器；16-具有保偏单模光纤的滤波器；161-保偏单模光纤；162-应力致偏型保偏光纤；163-熊猫型应力致偏型保偏光纤；164-领结型应力致偏型保偏光纤；165-椭圆包层型应力致偏型保偏光纤；166-慢轴；167-快轴；168-光纤支架；20-激光束；21-入射激光；22-出射激光；31-保偏单模光纤入射端；32-保偏单模光纤出射端；4-激光粒度检测系统；41-0环探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前现有技术中的激光粒度仪在粒度检测时，都需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，这使激光粒度仪的粒度检测操作复杂，为保证测试结果的可靠性，现有的激光粒度仪结构过于复杂，基于此，本发明实施例提供的一种激光粒度仪以及激光粒度检测系统，可以解决现有技术中存在的激光粒度仪在粒度检测时需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，使粒度检测操作复杂的技术问题，在保证测试结果可靠性的前提下，简化激光粒度仪的结构。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种激光粒度仪以及激光粒度检测系统进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供的一种激光粒度仪1，如图1所示，包括：激光器11、自聚焦透镜12、具有保偏单模光纤的滤波器16、傅里叶透镜13、测量窗口14以及光电探测器15。这些设备依次设置的顺序可以为：激光器11、自聚焦透镜12、具有保偏单模光纤的滤波器16、傅里叶透镜13、测量窗口14及光电探测器15。
本实施例中，激光器发射线偏振激光束，自聚焦透镜将激光束汇聚成一个光点，形成入射光入射到具有保偏单模光纤的滤波器，具有保偏单模光纤的滤波器滤去了入射光中的杂散光，并使激光束保持线偏振状态不变，傅里叶透镜对从具有保偏单模光纤的滤波器射出的激光束进行汇聚，测量窗口用于放置待测样品，经过汇聚的激光束照射到测量窗口中的待测样品颗粒，光电探测器对待测样品散射的光进行检测。
其中，激光器11发射激光束20，自聚焦透镜12将激光束20汇聚成入射激光21，具有保偏单模光纤的滤波器16对入射激光21进行滤波，形成出射激光22，并使出射激光22和入射激光21的偏振状态相同，傅里叶透镜13对出射激光22进行汇聚，测量窗口14用于设置待测样品，经过汇聚的出射激光22穿过测量窗口14中的待测样品，光电探测器15对经过待测样品的出射激光22进行粒度检测。
因此，激光从发出开始的过程可以为：激光器11发射的激光束20经过自聚焦透镜12汇聚成入射激光21，入射激光21经过具有保偏单模光纤的滤波器16滤波成出射激光22，之后，出射激光22经过傅里叶透镜13汇聚并穿过含有待测样品的测量窗口14，并最终穿过光电探测器15。其中，激光器11也可以为半导体激光器。
作为一个优选方案，保偏单模光纤161为应力致偏型保偏光纤162，应力致偏型保偏光纤162可以有三种类型：熊猫型、领结型和椭圆包层型，如图2所示，应力致偏型保偏光纤162可以为熊猫型应力致偏型保偏光纤163、领结型应力致偏型保偏光纤164、椭圆包层型应力致偏型保偏光纤165中任意一种。
如图2所示，应力致偏型保偏光纤具有慢轴与快轴，入射光的偏振方向和慢轴或快轴的方向平行，光纤的单模特性能够过滤入射光中的杂散光，而保偏特性则保证了出射激光束仍然保持线偏振状态，并且输出光功率不会因光纤的机械变形或温度变化而变化。应力致偏型保偏光纤分别在慢轴或快轴的方向上传输线偏振光，并使入射光的偏振状态保持不变。
作为本实施例的另一种实施方式，应力致偏型保偏光纤162具有慢轴166，慢轴166的方向和入射激光21的主偏振方向相同。应力致偏型保偏光纤162还具有快轴167，应力致偏型保偏光纤162分别在慢轴166和快轴167的方向上传输线偏振光，并使入射激光21的偏振状态保持不变。
具体的说，由于应力致偏型保偏光纤162内不同材料的膨胀系数不同，应力致偏型保偏光纤162的纤芯受到沿两个应力区连接线方向上的力，如图2所示，纤芯受到水平方向上向外的拉力，而与该方向正交的竖直方向上存在着压应力，从而在纤芯中产生了应力双折射，形成了相互正交的两个主轴。偏振方向沿水平方向的光传输速度慢，称为慢轴166，偏振方向沿竖直方向的光传输速度快，称为快轴167。
本实施例中，入射激光21的主偏振方向与慢轴166方向一致。此时，应力致偏型保偏光纤162能够在这两个主轴方向上传输线偏振光并且保持偏振状态不变。
作为本实施例的优选实施方式，保偏单模光纤161足够长，保偏单模光纤161的典型值为3m，滤去了入射光中的杂散光。
作为本实施例的另一种实施方式，保偏单模光纤161的长度大于1m，而且，激光粒度仪1还可以包括光纤支架168，光纤支架168盘绕保偏单模光纤161。作为一个优选方案，保偏单模光纤的长度为3m。
如图3与图4所示，在保偏单模光纤入射端31处，在激光束20经过自聚焦透镜12并耦合到保偏单模光纤161的入射端面过程中，由于保偏单模光纤161的纤芯径很小，所以不可避免地会有部分入射激光21的光束耦合到保偏单模光纤161的包层中。
如图3与图5所示，在保偏单模光纤出射端32处，这些包层中的光束如果从保偏单模光纤161的出射端面射出来，将与保偏单模光纤161的纤芯射出的出射激光22混合在一起，造成整个光束质量的下降，并对仪器的测量造成不良影响。
因此，本实施例中，优选长度至少为3m的保偏单模光纤161，并盘绕在光纤支架168上，如图6所示，此时光纤包层剩余的光已经弱到可以忽略不计的程度，从而保证了射出的出射激光22能够具有良好的均匀性，同时也达到提升激光粒度仪1性能的作用。
进一步的是，保偏单模光纤161的纤芯半径为a＝λV/(2π*NA)，其中，λ为入射激光21的波长，V为保偏单模光纤161的结构参数且V≤2.40483，NA为保偏单模光纤161的数值孔径，并且，公式a＝λV/(2π*NA)是由公式a＝V/[(2π/λ)*NA]推出的。
需要说明的是，在选择保偏单模光纤161的纤芯尺寸过程中，保偏单模光纤161的归一化频率为V＝(2π/λ)a*NA，其中λ为光的波长，a为光纤芯的半径，NA为光纤的数值孔径。在满足条件V≤2.40483时，在保偏单模光纤161中只能传输一种模式。假设所用的半导体激光波长λ＝658nm，功率P＝10mW，光纤的数值孔径NA＝0.12，纤芯半径a＝2μm，可以计算出此时的归一化频率V＝2.29174<2.40483，这时在保偏单模光纤161中传输并出射的是单模激光，也就是说半导体激光器发射出的激光束20经过保偏单模光纤161滤波后将获得高质量激光，可以直接用于激光粒度仪1的粒度检测，不再需要经过传统的针孔或其它滤波器来滤波了。
现有的激光粒度仪在检测时，都需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，因为如果不滤波大颗粒无法测量，这使激光粒度仪的粒度检测操作复杂，因此为保证测试结果的可靠性，现有的激光粒度仪结构过于复杂。
本实施例中，在现有的激光粒度仪中增加具有保偏单模光纤的滤波器16，使得半导体激光器发射出的激光束20经过保偏单模光纤161滤波后可以获得高质量激光，该高质量激光可以直接用于激光粒度仪1的粒度检测，不再需要经过传统的针孔空间滤波器来滤波，同时又克服了现有单模光纤滤波器对外界机械振动与温度变化较为敏感的缺点，使测试结果更加可靠，并且结构得以简化。
本发明实施例提供的激光粒度仪解决了现有技术中存在的激光粒度仪所用的传统针孔空间滤波器容易受机械振动的影响，以及单模光纤滤波器虽然解决了针孔滤波器存在的问题但是仍然存在对温度变化、机械振动比较敏感的问题，使激光粒度仪在制造、运输、环境变化以及日常使用中更加稳定可靠。
实施例二：
本发明实施例提供的一种激光粒度检测系统4，如图7所示，包括0环探测器41以及上述实施例一提供的激光粒度仪，其中，0环探测器41对激光粒度仪1的光路进行校准。
进一步的是，这些设备依次设置的顺序可以为：激光器11、自聚焦透镜12、具有保偏单模光纤的滤波器16、傅里叶透镜13、测量窗口14、光电探测器15及0环探测器41。
因此，激光器11发射的激光束20经过自聚焦透镜12汇聚成入射激光21，入射激光21经过具有保偏单模光纤的滤波器16滤波成出射激光22，之后，出射激光22经过傅里叶透镜13汇聚并穿过含有待测样品的测量窗口14，并最终穿过光电探测器15而入射到0环探测器41上，0环探测器41用于对激光粒度仪1的光路进行校准，从而提高检测的准确性，使最终的检测数据更加可靠。
本实施例中，为了克服现有的激光粒度仪光束不稳定、操作复杂、数据不可靠且现有单模光纤滤波器对外界机械振动及温度变化较为敏感的缺陷，本实施例采用工作性能稳定、测试结果更加可靠的激光粒度检测系统4进行粒度检测，通过使用保偏单模光纤，使光的输出功率、偏振比与偏振状态稳定，从而保证了测试结果的可靠性。
对于现有技术而言，粒度测量仪器中的激光粒度仪在进行粒度检测时，都需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波。通过本实施例中激光粒度检测系统4的使用，可以解决现有技术中存在的粒度检测操作复杂的技术问题，省略了使用针孔空间滤波器进行滤波的过程，使粒度检测过程中使用设备的结构得到简化。
需要说明的是，偏振比对光纤的机械振动和温度变化相当敏感，并且光纤越长，敏感性越高。而在本实施例中，使用激光粒度检测系统4来滤波，克服了现有单模光纤滤波器对外界机械振动与温度变化较为敏感的缺点，从输出光强上看具有较好的抗机械振动与温度扰动的作用，其稳定性优于传统的针孔滤波器，并且输出的光束是偏振光，因此使用激光粒度检测系统4也有利于亚微米颗粒的测量。
本发明实施例提供的激光粒度检测系统4解决了现有技术中存在的激光粒度仪在粒度检测时需要经过传统的针孔空间滤波器进行滤波，易受环境振动影响，或者使用单模光纤滤波器，虽然机械稳定性有所提升，但是易受环境温度影响的技术问题。
本发明实施例提供的激光粒度检测系统，与上述实施例提供的激光粒度仪具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种激光粒度仪，其特征在于，包括：激光器、自聚焦透镜、具有保偏单模光纤的滤波器、傅里叶透镜、测量窗口以及光电探测器；
所述激光器发射线偏振激光束；
所述自聚焦透镜将所述激光束汇聚成一个光点，形成入射光入射到所述具有保偏单模光纤的滤波器，所述具有保偏单模光纤的滤波器滤去了所述入射光中的杂散光，并使激光束保持线偏振状态不变；
所述傅里叶透镜对从所述具有保偏单模光纤的滤波器射出的激光束进行汇聚；
所述测量窗口用于放置待测样品，经过汇聚的所述激光束照射到所述测量窗口中的待测样品；
所述光电探测器对所述待测样品散射的光进行检测。
2.根据权利要求1所述的激光粒度仪，其特征在于，所述保偏单模光纤为应力致偏型保偏光纤。
3.根据权利要求2所述的激光粒度仪，其特征在于，所述应力致偏型保偏光纤具有慢轴与快轴；所述入射光的偏振方向和所述慢轴或所述快轴的方向平行；
所述应力致偏型保偏光纤分别在所述慢轴或所述快轴的方向上传输线偏振光，并使所述入射光的偏振状态保持不变。
4.根据权利要求2所述的激光粒度仪，其特征在于，所述应力致偏型保偏光纤的类型为熊猫型、领结型或椭圆包层型。
5.根据权利要求1-5任一项所述的激光粒度仪，其特征在于，所述激光器为半导体激光器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的激光粒度仪，其特征在于，所述保偏单模光纤的长度大于1m。
7.根据权利要求6所述的激光粒度仪，其特征在于，所述保偏单模光纤的长度为3m。
8.根据权利要求1-5任一项所述的激光粒度仪，其特征在于，还包括光纤支架，所述光纤支架盘绕所述保偏单模光纤。
9.根据权利要求1-5任一项所述的激光粒度仪，其特征在于，所述保偏单模光纤的纤芯半径为a＝λV/(2π*NA)；
其中，λ为所述入射激光的波长；
V为所述保偏单模光纤的结构参数且V≤2.40483；
NA为所述保偏单模光纤的数值孔径。
10.根据权利要求1-5任一项所述的激光粒度仪，其特征在于，还包括0环探测器；
所述0环探测器对所述激光粒度仪的光路进行校准。
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