CN109444113A - 将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器；该光采集器含有从前到后依次安装在镜筒内的两个菲涅尔聚焦透镜、两个凸透镜、凹透镜、和光纤接口，光纤接口后部的光纤从镜筒后端穿出；菲涅尔聚焦透的外径D1大于凸透镜和凹透镜的外径D2，两个菲涅尔聚焦透镜的光面相对设置，第二菲涅尔聚焦透镜和第三凸透镜的光心之间的距离等于第二菲涅尔聚焦透镜的非光面焦距和第三凸透镜的前焦距之和，第四凸透镜的光心和光纤接口的光线接收面中心之间的距离大于第四凸透镜的后焦距，第四凸透镜的光心和凹透镜的光心之间的距离小于第四凸透镜的后焦距；本发明在保证光收集效能的情况下，具有大采集立体角、结构紧凑和消除色差的功能。
Description
（一）、技术领域：
本发明涉及一种光采集器，特别涉及一种将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器。
（二）、背景技术：
LIBS（laser-induced breakdown spectroscopy，激光诱导击穿光谱）是一种原子发射光谱技术，它利用高强度脉冲激光烧蚀样品产生等离子体，通过采集分析等离子体发射光谱，得到样品中元素的种类及含量。LIBS技术具有可快速检测、较少或不需样品制备、较低的样品损耗、可在线或原位检测、可分析多种物态等优点，其越来越广泛地应用于生物医学、冶金、环境监测、文物分析鉴定、太空探索和能源开发等诸多领域。
进行LIBS分析时，需要采集等离子体辐射光，并将该辐射光传输至光谱仪进行解析分析。为了方便使用，现有光谱仪基本都采取光纤输入的形式，把被分析光通过光纤传输入光谱仪。这就需要把等离子体辐射光耦合进光纤，光耦合进光纤的过程中需要使用透镜对光路进行变换；一般的透镜焦距小时，厚度太大，对光吸收强烈，减低采集效能；透镜焦距大时，耦合进光纤的光路尺寸较大，不利于使用；并且，由于凸透镜在对光线聚焦过程中会产生色差，导致不同波长光线的焦点不重合，在光线耦合进光纤的时候，不同波长光的耦合效率会产生差异，影响耦合效果。
（三）、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供一种将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，该光采集器在保证光收集效能的情况下，同时具有大采集立体角、结构紧凑和消除色差的功能。
本发明的技术方案：
一种将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，含有第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜、凹透镜、光纤接口和镜筒，第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜、凹透镜和光纤接口从前到后依次安装在镜筒内，第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜和凹透镜的主光轴均重合在一条中心线上，且该中心线垂直穿过光纤接口的光线接收面中心，镜筒的前端敞口，镜筒的后端封闭，光纤接口后部连接的光纤从镜筒的后端穿出；第一菲涅尔聚焦透镜和第二菲涅尔聚焦透镜的外径均为D1，第三凸透镜、第四凸透镜和凹透镜的外径均为D2，D1大于D2，第一菲涅尔聚焦透镜的光面和第二菲涅尔聚焦透镜的光面相对设置，第二菲涅尔聚焦透镜的光心和第三凸透镜的光心之间的距离等于第二菲涅尔聚焦透镜的非光面的焦距和第三凸透镜的前面的焦距之和，第四凸透镜的光心和光纤接口的光线接收面中心之间的距离大于第四凸透镜的后面的焦距，第四凸透镜的光心和凹透镜的光心之间的距离小于第四凸透镜的后面的焦距，从第四凸透镜的前面射入的与中心线平行的光线依次经过第四凸透镜和凹透镜后汇聚在光纤接口的光线接收面中心。
第三凸透镜和第四凸透镜均为平凸透镜，凹透镜为平凹透镜，第三凸透镜的平面和第四凸透镜的凸面相对设置，第四凸透镜的平面和凹透镜的平面相对设置，第二菲涅尔聚焦透镜的光心和第三凸透镜的光心之间的距离等于第二菲涅尔聚焦透镜的非光面的焦距和第三凸透镜的凸面的焦距之和，第四凸透镜的光心和光纤接口的光线接收面中心之间的距离大于第四凸透镜的平面的焦距，第四凸透镜的光心和凹透镜的光心之间的距离小于第四凸透镜的平面的焦距。
D1大于两倍的D2。
镜筒的内径与第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜和凹透镜的外径匹配。
镜筒的材质为不透光塑料或铝合金。
光纤接口的后座安装在镜筒后端面的通孔中，光纤通过后座从镜筒的后端穿出。
由于菲涅尔聚焦透镜（第一菲涅尔聚焦透镜和第二菲涅尔聚焦透镜）显著薄于同焦距的普通透镜，保证了光采集器在大口径及小焦距的情况下减少了透镜本体对光的吸收，同时小焦距又保证了光采集器结构的紧凑；使用大口径菲涅尔聚焦透镜作为物镜，可使更多光线进入光采集器，使用小口径凸透镜（第三凸透镜和第四凸透镜）对光线进行汇聚，再进行缩束处理，提高了耦合进光纤的效率。
使用该光采集器采集等离子体辐射光时，先使被采集光源位于第一菲涅尔聚焦透镜的非光面的焦点处，这样，被采集光源发出的光线经第一菲涅尔聚焦透镜后就变成了平行光，该平行光接着被第二菲涅尔聚焦透镜汇聚在第三凸透镜的焦点处，再经第三凸透镜变成平行光进入第四凸透镜中，依次经过第四凸透镜和凹透镜后汇聚在光纤接口的光线接收面中心处，最后通过光纤传送出去，从而实现了光线的采集。
本发明的有益效果：
1、本发明采用两个菲涅尔聚焦透镜、两个凸透镜和一个凹透镜作为光路变换的元件，菲涅尔聚焦透镜可以在透镜焦距较小的同时，大大减小透镜的厚度，降低了透镜介质对光的吸收，保证了光收集的效能；而且，由于菲涅尔聚焦透镜的焦距较小，可以在大采集立体角（大通光口径）的情况下降低本发明的纵向尺寸，两个凸透镜的外径较小，缩小了光束的横向尺寸，利于适配光纤接口的孔径；本发明将收集光的透镜和耦合光的光纤接口集成在一个镜筒内，在保证光收集效能的情况下，同时具有大采集立体角、结构紧凑的功能，提高了采集效率。
2、本发明的凹透镜能够对凸透镜引起的色差进行矫正，从而消除色差，使不同波长的光都能很好地耦合进光纤中，耦合效果好。
（四）、附图说明：
图1为将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器的结构示意图；
图2为将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器的光路示意图。
（五）、具体实施方式：
参见图1～图2，图中，将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器含有第一菲涅尔聚焦透镜1、第二菲涅尔聚焦透镜2、第三凸透镜3、第四凸透镜4、凹透镜9、光纤接口5和镜筒6，第一菲涅尔聚焦透镜1、第二菲涅尔聚焦透镜2、第三凸透镜3、第四凸透镜4、凹透镜9和光纤接口5从前到后依次安装在镜筒6内，第一菲涅尔聚焦透镜1、第二菲涅尔聚焦透镜2、第三凸透镜3、第四凸透镜4和凹透镜9的主光轴均重合在一条中心线OO’上，且该中心线OO’垂直穿过光纤接口5的光线接收面中心，镜筒6的前端敞口，镜筒6的后端封闭，光纤接口5后部连接的光纤7从镜筒6的后端穿出；第一菲涅尔聚焦透镜1和第二菲涅尔聚焦透镜2的外径均为D1，第三凸透镜3、第四凸透镜4和凹透镜9的外径均为D2，D1大于两倍的D2，第一菲涅尔聚焦透镜1的光面和第二菲涅尔聚焦透镜2的光面相对设置，第三凸透镜3和第四凸透镜4均为平凸透镜，凹透镜9为平凹透镜，第三凸透镜3的平面和第四凸透镜4的凸面相对设置，第四凸透镜4的平面和凹透镜9的平面相对设置，第二菲涅尔聚焦透镜2的光心和第三凸透镜3的光心之间的距离等于第二菲涅尔聚焦透镜2的非光面的焦距和第三凸透镜3的凸面的焦距之和，第四凸透镜4的光心和光纤接口5的光线接收面中心之间的距离大于第四凸透镜4的平面的焦距，第四凸透镜4的光心和凹透镜9的光心之间的距离小于第四凸透镜4的平面的焦距,从第四凸透镜4的前面射入的与中心线OO’平行的光线依次经过第四凸透镜4和凹透镜9后汇聚在光纤接口5的光线接收面中心。
镜筒6的内径与第一菲涅尔聚焦透镜1、第二菲涅尔聚焦透镜2、第三凸透镜3、第四凸透镜4和凹透镜9的外径匹配。
镜筒的材质为不透光塑料。
光纤接口5的后座安装在镜筒6后端面的通孔中，光纤7通过后座从镜筒6的后端穿出。
由于菲涅尔聚焦透镜（第一菲涅尔聚焦透镜1和第二菲涅尔聚焦透镜2）显著薄于同焦距的普通透镜，保证了光采集器在大口径及小焦距的情况下减少了透镜本体对光的吸收，同时小焦距又保证了光采集器结构的紧凑；使用大口径菲涅尔聚焦透镜作为物镜，可使更多光线进入光采集器，使用小口径凸透镜（第三凸透镜3和第四凸透镜4）对光线进行汇聚，再进行缩束处理，提高了耦合进光纤的效率。
使用该光采集器采集等离子体辐射光时，先使被采集光源8位于第一菲涅尔聚焦透镜1的非光面的焦点处，这样，被采集光源8发出的光线经第一菲涅尔聚焦透镜1后就变成了平行光，该平行光接着被第二菲涅尔聚焦透镜2汇聚在第三凸透镜3的焦点处，再经第三凸透镜3变成平行光进入第四凸透镜4中，依次经过第四凸透镜4和凹透镜9后汇聚在光纤接口5的光线接收面中心处，最后通过光纤7传送出去，从而实现了光线的采集。
Claims (6)
1.一种将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，其特征是：含有第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜、凹透镜、光纤接口和镜筒，第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜、凹透镜和光纤接口从前到后依次安装在镜筒内，第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜和凹透镜的主光轴均重合在一条中心线上，且该中心线垂直穿过光纤接口的光线接收面中心，镜筒的前端敞口，镜筒的后端封闭，光纤接口后部连接的光纤从镜筒的后端穿出；第一菲涅尔聚焦透镜和第二菲涅尔聚焦透镜的外径均为D1，第三凸透镜、第四凸透镜和凹透镜的外径均为D2，D1大于D2，第一菲涅尔聚焦透镜的光面和第二菲涅尔聚焦透镜的光面相对设置，第二菲涅尔聚焦透镜的光心和第三凸透镜的光心之间的距离等于第二菲涅尔聚焦透镜的非光面的焦距和第三凸透镜的前面的焦距之和，第四凸透镜的光心和光纤接口的光线接收面中心之间的距离大于第四凸透镜的后面的焦距，第四凸透镜的光心和凹透镜的光心之间的距离小于第四凸透镜的后面的焦距，从第四凸透镜的前面射入的与中心线平行的光线依次经过第四凸透镜和凹透镜后汇聚在光纤接口的光线接收面中心。
2.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，其特征是：所述第三凸透镜和第四凸透镜均为平凸透镜，凹透镜为平凹透镜，第三凸透镜的平面和第四凸透镜的凸面相对设置，第四凸透镜的平面和凹透镜的平面相对设置，第二菲涅尔聚焦透镜的光心和第三凸透镜的光心之间的距离等于第二菲涅尔聚焦透镜的非光面的焦距和第三凸透镜的凸面的焦距之和，第四凸透镜的光心和光纤接口的光线接收面中心之间的距离大于第四凸透镜的平面的焦距，第四凸透镜的光心和凹透镜的光心之间的距离小于第四凸透镜的平面的焦距。
3.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，其特征是：所述D1大于两倍的D2。
4.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，其特征是：所述镜筒的内径与第一菲涅尔聚焦透镜、第二菲涅尔聚焦透镜、第三凸透镜、第四凸透镜和凹透镜的外径匹配。
5.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，其特征是：所述镜筒的材质为不透光塑料或铝合金。
6.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的紧凑消色差型光采集器，其特征是：所述光纤接口的后座安装在镜筒后端面的通孔中，光纤通过后座从镜筒的后端穿出。
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