CN106959271B - 具有稳定封装结构的长光程气室 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有稳定封装结构的长光程气室。采用封装柱、套环和带有中心孔的凹面反射镜，使光学及机械元件紧密贴合或套合，在实现气室光路灵活调节能力的同时，保证了气室光路具有对温度和机械应力变化的稳定性。本发明还提供了具有一定弹性的缓冲圈，将反射腔体光学元件与外封装体缓冲隔离，进一步提高了气室的光学稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于气体传感的长光程气室，尤其涉及稳定封装结构的长光程气室，该气室易于光路调节，具有很高的温度和机械稳定性。
背景技术
危险气体如瓦斯、一氧化碳等的探测，对于煤矿、油气田等危险作业场所的安全防护，发现早期的危险气体释放，防患于未然具有重要意义。现阶段，可调激光吸收光谱技术在气体传感领域得到了广泛应用。该技术利用瓦斯、一氧化碳等危险气体分子在近红外波段的泛频和组合频带的特征吸收峰，采用该波段范围内的可调激光器扫描，获取特征吸收峰的强度，从而根据郎伯-比尔定律推算出危险气体的浓度。
由于许多危险气体在近红外波段的吸收峰较弱，通常需要激光通过很长光程的气室才能产生可以探测的吸收谱线，这使得在实际应用中气室的长度达到不可接受的程度。通常的做法是用一对反射镜将激光多次反射，以在有限的体积内产生足够长光程(如3米以上)，如图1所示的赫里奥特气室(100)是其中最具代表性的气室结构，采用两个凹面反射镜(103、104)形成反射腔，当输入端(101)输入的光束的入射方向和位置满足一定条件时，光束将在两个凹面反射镜来回反射，并保持光束的准直性，最后从输出端(102)输出。
由于长光程气室在两个反射镜多次反射，由温度或应力等因素导致的轻微机械形变将影响光路使之产生明显的变化，从而使出射激光束的位置和角度偏离输出端(102)，使得输出光束的能量大大衰减，气体传感器的性能下降。
另外，要得到最佳的功率输出，气室装配过程中，在光学元件固定前，除了入射光束的角度和位置需要调节外，两个反射镜之间的距离和相对位置也需要调节，现有技术通常使用一些辅助的机械部件参与调节，它们的热和机械不稳定性也将影响光路的稳定性。
图2表示现有技术中典型的气室光学与机械封装结构。一对光学反射镜(201、202)贴合于两个独立的基座(203、204)上，基座又通过封装杆(205)相连。处于加工灵活性的需要，基座和封装杆通常采用金属，其热膨胀系数往往与光学反射镜(201、202)的光学材料热膨胀系数不匹配，导致光学系统的热不稳定性；此外，基座和封装杆金属材料在外力的作用下、或者由于加工过程中的残余应力，随时间容易形变，也引起光路的变化。可以看到，图2所示的封装结构虽然相对简单，但输出光功率易受温度、应力、机械振动的影响，光学结构不稳定。
因此，具有稳定封装结构的长光程气室是迫切需要的。
发明内容
针对长光程气室现有封装技术的不稳定性问题，本发明提供了一种具有稳定封装结构的长光程气室，以满足气体传感领域对稳定可靠的商业化产品需求。
如图3所示，本发明提供的具有稳定封装结构的长光程气室(300)，包含：
1.一个输入端(301)，用于输入光束；
2.一个输出端(302)，用于输出光束；
3.第一凹面反射镜(303)，具有第一中心孔(308)和第一粘接面(309)以及第一反射面(310)，所述第一反射面具有第一焦距f1；
4.第二凹面反射镜(304)，具有第二中心孔(311)和第二粘接面(312)以及第二反射面(313)，所述第二反射面具有第二焦距f2；
5.一个封装柱(305)，具有外径R和长度L；
6.第一套环(306)，具有第一内径R1和第三粘接面(314)；
7.第二套环(307)，具有第二内径R2和第四粘接面(315)。
所述第一和第二凹面反射镜的第一和第二反射面相对，相距的距离为D，组成一个反射腔体(320)，所述的输入端(301)将入射光束馈入所述的反射腔体，在第一和第二反射面之间多次反射，到达所述的输出端(302)，输出光束。
所述第一和第二中心孔(308、311)的口径大于封装柱的外径R，使第一和第二凹面反射镜之间的距离D和它们的相对位置在使用粘胶剂固定前可调。
所述封装柱(305)的长度L大于第一和第二凹面反射镜之间的距离D，封装柱从第一和第二凹面反射镜的第一和第二中心孔(308、311)穿出；所述第一和第二套环(306、307)套于封装柱，所述第一套环的第三粘接面(314)与第一凹面反射镜的第一粘接面(309)紧密贴合，并用粘胶剂粘接；所述第二套环的第四粘接面(315)与第二凹面反射镜的第二粘接面(312)紧密贴合，并用粘胶剂粘接；
所述第一和第二中心孔口径、封装柱的外径、第一和第二套环内径可以是圆形或多边形，优选圆形。
所述封装柱采用与第一和第二凹面反射镜热膨胀系数相近或相同的材料，如可伐或玻璃，优选情况下，采用相同的光学材料，如K9或高硼硅玻璃等，三者具有相同的热膨胀系数，气室光路对温度不敏感。所述第一和第二套环(306、307)的第一内径R1和第二内径R2略大于所述封装柱的外径R，如略大5-20微米，使第一和第二套环与封装柱紧密套合，并用粘胶剂粘接。优选情况下，第一和第二套环采用材料的热膨胀系数与封装柱或第一和第二凹面反射镜光学材料的热膨胀系数相近或相同。
本发明提供的长光程气室，反射镜与套环之间具有紧密贴合关系、封装柱和套环之间具有紧密套合关系，在保证光路可调节的同时，又保证了粘胶剂只使用在紧密贴合元件之间，粘胶剂具有尽可能小的厚度。这一点对光学系统的温度、机械和长期可靠性是至关重要的，因粘胶剂通常具有较大的热膨胀系数，以及在湿热环境下的化学和物理不稳定性，它的厚度不能太厚，通常应小于20微米。
在优选的情况下，采取赫里奥特气室配置(APPLIED OPTICS/Vol.3，No.4/April1964)：设光轴为Z，使第一和第二凹面反射镜的平面(x-y平面)垂直于Z并居中，并使两个反射镜的焦距f1、f2相等为f，即f1＝f2＝f，并与所述距离D满足如下关系：
0＜D＜4f (1)
设通过输入端(301)的光束位置和角度在x-y平面上的投影分别为(x0，x0′)和(y0，y0′)，光束在反射腔(320)内传播时，第n次与第一或第二凹面反射镜平面相交的位置用(xn，yn)表示，则有：
xn＝Asin(n·θ+α) (2)
yn＝Bsin(n·θ+β) (3)
其中，A和α是与f、D、x0、x0′有关的量，B和β是与f、D、y0、y0′有关的量，θ与D和f满足如下关系式：
cos(θ)＝1-(D/2f) (4)
在一般的情况下，(2)和(3)的表达式为一个椭圆，即光束在第一或第二凹面反射镜平面上的轨迹(反射点)为椭圆分布，光束不经过中间封装柱所在区域。在优选的情况下，初始入射光束位置和角度(x0，x0′)和(y0，y0′)可选择一定值，使得：
A＝B (5)
α＝β±π/2 (6)
这样，如图4所示，光束在第一或第二凹面反射镜(403、404)平面上的轨迹(405)为圆形分布，具有均匀的间距。
所述输出端(402)的位置可以选择在第一或第二凹面反射镜平面(x-y平面)上任一个反射点位置，若使光束在两个反射镜之间反射N次，优选情况下，选择第二凹面反射镜上光束走完一圈时最后一个反射点位置(xN，yN)，这样避免了输入和输出端在空间位置上的冲突或拥挤，同时光束从输入端(401)到输出端(402)所走过的光程最大化。
在优选的情况下，输入端为带尾纤的光纤准直器，所述光束为激光束，它通过尾纤输入并准直后馈入到气室反射腔内；输出端可以为带尾纤的光纤准直器，将接受的激光束耦合到光纤输出，也可直接用光探测器接收。
输入端和输出端的位置在第一或第二凹面反射镜内部，与之冲突。可以采用以下三种方式避免冲突。第一种，如图5a所示，在第一或第二凹面反射镜(501)上包含有一个小孔(502)，输入端或输出端(503)放置在所述小孔内；第二种，如图5b所示，第一或第二凹面反射镜(504)包含有一个V形槽(505)，输入端或输出端(506)放置在所述V形槽内；第三种，如图5c所示，在第一或第二凹面反射镜(507)上增加一个反射光学组件(508)，输入端或输出端(509)通过所述反射光学组件将光束馈入或馈出反射腔，在优选的情况下，反射光学组件采用平行四边形棱镜，通过两次全内反射将光束馈入或馈出。对接收端，除了上述三种方法外，如图5d所示，还可选择光探测器(511)作为输出端，将所述光探测器直接贴合到第一或第二凹面反射镜(510)上接收光束，通过光探测器的光电转换后，输出电信号。
进一步地，本发明还提供了将光学件与外封装件隔离的封装结构，如图6所示，在图3所示的光学及机械结构上，增加一对缓冲圈(608)将封装柱(605)固定到外封装体(609)上，缓冲圈采用橡胶等具有一定弹性的材料，使封装柱上的光学元件经过缓冲与外封装体固定，提高了长光程气室的温度、机械稳定性和可靠性。
所述外封装体可以是如图6所示的带有进气口(610)和出气口(611)的密封结构，待测气体从所述进气口输入，从所述出气口排出。输入端和输出端的光纤通过密封小孔(612)与外部相连。一般情况下，从进气口输入的待探测气体经过了外带过滤装置，滤除了水气、灰尘等对光学表面有影响的物质和有害气体，保证了气室长时间工作的可靠性。
所述外封装体也可以是对环境大气开放的开敞式结构，这一点在实施例2中有进一步的说明。
附图说明
图1现有长光程气室的原理图
图2现有长光程气室的封装结构图
图3本发明提供的长光程气室光学及封装结构
图4圆形光点轨迹的赫里奥特气室配置
图5a 本发明提供的长光程气室中，输入和输出端通过小孔固定示意图
图5b 本发明提供的长光程气室中，输入和输出端通过V形槽固定示意图
图5c 本发明提供的长光程气室中，输入和输出端通过平行四边形棱镜馈入或馈出光束
图5d 本发明提供的长光程气室中，输出端采用光探测器接收光束
图6本发明提供的长光程气室实施例1
图7本发明提供的长光程气室实施例2
具体实施方式
[实施例1]
如图6所示，本发明提供的长光程气室(600)，包含：
1.一个输入端(601)，用于输入光束；
2.一个输出端(602)，用于输出光束；
3.第一凹面反射镜(603)，具有第一中心孔和第一粘接面以及第一反射面，所述第一反射面具有第一焦距f1；
4.第二凹面反射镜(604)，具有第二中心孔和第二粘接面以及第二反射面，所述第二反射面具有第二焦距f2；
5.一个封装柱(605)，具有外径R和长度L；
6.第一套环(606)，具有第一内径R1和第三粘接面；
7.第二套环(607)，具有第二内径R2和第四粘接面。
所述第一和第二凹面反射镜的第一和第二反射面相对，相距的距离为D，组成一个反射腔体，所述输入端(601)将入射光束馈入所述的反射腔体，在第一和第二凹面反射镜之间多次反射，到达所述的输出端(602)，输出光束。
所述第一和第二中心孔口径、封装柱的外径、第一和第二套环内径是圆形，第一和第二中心孔的口径大于封装柱的外径R，所述封装柱(605)的长度L大于第一和第二凹面反射镜的距离D，封装柱从第一和第二凹面反射镜的第一和第二中心孔穿出；所述第一和第二套环(606、607)外径略大于封装柱的外径R约5-20微米，套于所述封装柱，使第一和第二套环与封装柱紧密套合，并用粘胶剂粘接。
所述第一套环的第三粘接面与第一凹面反射镜的第一粘接面紧密贴合，并用粘胶剂粘接；所述第二套环的第四粘接面与第二凹面反射镜的第二粘接面紧密贴合，并用粘胶剂粘接。
所述封装柱、第一和第二凹面反射镜、第一和第二套环都采用高硼酸玻璃，三者具有相同的热膨胀系数，气室光路对温度不敏感。
在本实施例中，采取赫里奥特气室配置，设光轴为Z，使第一和第二凹面反射镜的平面(x-y平面)垂直于Z并居中，并使两个反射镜的焦距f1、f2相等为f，即f1＝f2＝f，并与所述距离D满足前述(1)式关系。
设置输入端(601)的光束位置和角度使得前述(2)式到(4)式中的A和B满足前述关系式(5)，α和β满足前述关系式(6)，使得光束在第一和第二凹面反射镜平面上的光点轨迹为如图4所示的圆形分布，具有均匀的间距。
所述输出端(602)的位置选择在第二凹面反射镜平面(x-y平面)光束走完一圈时最后一个反射点位置，使光束从输入端(601)到输出端(602)所走过的光程最大化。
在本实施例中，输入端为带尾纤的光纤准直器，光束为激光束，激光束通过尾纤输入并准直后馈入到气室反射腔内；输出端也为带尾纤的光纤准直器，将接受的激光束耦合到尾纤输出。在第一或第二凹面反射镜上各包含一个小孔，输入端和输出端准直器固定在小孔内输入和接收激光束。
本实施例还包含一对缓冲圈(608)和一个外封装体(609)，所述缓冲圈将封装柱(605)固定到所述外封装体上，缓冲圈采用具有一定弹性的橡胶材料，使封装柱上的光学元件经过缓冲与外封装体固定，提高了长光程气室的温度、机械稳定性和可靠性。
所述外封装体是带有进气口(610)和出气口(611)的密封结构，材料为不锈钢，待测气体从所述进气口输入，从所述出气口排出。输入端和输出端的尾纤通过密封小孔(612)与外部相连。
[实施例2]
如图7所示，本发明提供的长光程气室(700)，第2个实施例具有与实施例1类似的光学和机械结构，光学上同样采用赫里奥特气室配置。不同之处在于，外封装体(709)是一个对环境大气开放的开敞式结构，不再需要进气口和出气口，外封装体中的3个柱状连接杆(708)将外封装体左右两部分相连，图7中只画出两个柱状连接杆。
输入端(701)仍旧为带尾纤的光纤准直器，通过平行四边形棱镜(707)的两次全内反射将输入端准直后的激光束馈入到反射腔，第一凹面反射镜(703)上不再需要固定光纤准直器的小孔，光纤准直器和所述平行四边形棱镜固定在第一凹面反射镜上。
输出端(702)采用光探测器，直接贴合到第二凹面反射镜(704)上光束走完一圈时最后一个反射点位置，将光信号转化为电信号通过电导线(712)输出。
Claims (16)
1.一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，包含有：
一个输入端，用于输入光束；
一个输出端，用于输出光束；
第一凹面反射镜，具有第一中心孔和第一粘接面以及第一反射面，所述第一反射面具有第一焦距f1；
第二凹面反射镜，具有第二中心孔和第二粘接面以及第二反射面，所述第二反射面具有第二焦距f2，所述第一焦距f1和所述第二焦距f2相等为f，并与所述第一和第二凹面反射镜之间的距离D满足0＜D＜4f；
所述第一或第二凹面反射镜还包含一个小孔，所述输入端或输出端固定在所述小孔内；
一个封装柱，具有外径R和长度L，所述封装柱采用热膨胀系数与所述第一和第二凹面反射镜热膨胀系数相近或相同的材料；
第一套环，具有第一内径R1和第三粘接面；
第二套环，具有第二内径R2和第四粘接面；
所述第一和第二凹面反射镜的第一和第二反射面相对，相距的距离为D，组成一个反射腔体，所述输入端将入射光束馈入所述的反射腔体，在第一和第二反射面之间多次反射，到达所述的输出端，输出光束；
所述第一和第二中心孔的口径大于所述封装柱的外径R，所述封装柱的长度L大于第一和第二凹面反射镜之间的距离D，封装柱从所述第一和第二中心孔穿出，所述第一和第二套环的内径R1和R2大于所述封装柱的外径R，并套于封装柱，之间用粘胶剂粘接；
所述第一套环的第三粘接面与第一凹面反射镜的第一粘接面紧密贴合，并用粘胶剂粘接；所述第二套环的第四粘接面与第二凹面反射镜的第二粘接面紧密贴合，并用粘胶剂粘接。
2.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述第一和第二套环的内径R1和R2大于所述封装柱的外径R：5到20微米。
3.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述第一和第二中心孔口径、封装柱外径、第一和第二套环内径为圆形或多边形。
4.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述输入端为带有尾纤的光准直器。
5.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述输出端为带有尾纤的光准直器或者光探测器。
6.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述封装柱采用可伐合金或与所述第一和第二凹面反射镜相同的玻璃材料。
7.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述第一或第二凹面反射镜还包含一个V形槽，所述输入端或输出端固定在所述V形槽内。
8.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，还至少包含一个反射光学组件，将所述输入端光束馈入反射腔，或者将光束馈出到所述输出端。
9.根据权利要求8所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述反射光学组件是一个平行四边形棱镜。
10.根据权利要求1所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述反射腔体采用赫里奥特气室配置。
11.根据权利要求10所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述输入端馈入光束的位置和方向的选取使得光束在第一和第二凹面反射镜平面上的轨迹为圆形，具有均匀的间距。
12.根据权利要求1到11所述的任一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，还包含一对缓冲圈和一个外封装体，所述封装柱通过所述缓冲圈与所述外封装体固定。
13.根据权利要求12所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述缓冲圈是具有一定弹性的橡胶圈。
14.根据权利要求12所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述外封装体材料是不锈钢。
15.根据权利要求12所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述输入端和所述输出端均为带有尾纤的光准直器，所述外封装体是带有进气口和出气口的密封结构，所述光准直器的尾纤通过密封小孔与外部相连。
16.根据权利要求12所述的一种具有稳定封装结构的长光程气室，其特征在于，所述外封装体是开敞式结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 221000 No. 99 Xu Hai Road, Xuzhou economic and Technological Development Zone, Xuzhou, Jiangsu Applicant after: Jiangsu Xuhai Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: Room 208, Service Center, Clean Technology Industrial Park, Xuzhou Economic and Technological Development Zone, Jiangsu Province, 221004 Applicant before: XUZHOU XUHAI OPTO-ELECTRONIC TECHNOLOGIES Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Long path gas chamber with stable packaging structure Effective date of registration: 20230718 Granted publication date: 20230609 Pledgee: Bank of Jiangsu Co.,Ltd. Xuzhou Branch Pledgor: Jiangsu Xuhai Photoelectric Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980048644 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |