CN109581640B - 将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器；该光采集器含有第一凸透镜、第二凸透镜、第一环形反射镜、第二环形反射镜、光纤接口和外镜筒，第一和第二环形反射镜的反射面均为环形凹面；第一、二凸透镜和光纤接口从前到后依次安装在外镜筒内，第一和第二凸透镜的主光轴重合在一条中心线上，该中心线垂直穿过光纤接口的光线接收面中心；第一环形反射镜设在第二凸透镜的后方，第二环形反射镜设在第一凸透镜的后表面中部，第一环形反射镜的反射面朝前，第二环形反射镜的反射面朝后，第一环形反射镜和第二环形反射镜的中心轴和中心线重合；本发明在具有大的采集立体角并具有较好采集效能的情况下，同时具有紧凑的结构。

Description

将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器

（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大口径紧凑透反射结合式光采集器。

（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；为了尽可能多地采集光线，需要增加采集立体角，对光路进行变换时需使用大口径物镜把较大立体角内的光转化为平行光，再经后方的透镜耦合进光纤，但由于光纤数值孔径的限制，在转化来的平行光束面积较大的情况下无法使用小焦距透镜，需采用大焦距的耦合聚焦透镜把光耦合进光纤，这会使后面透镜的光路较长，造成光采集器体积过大，不利于或无法使用；如果采用较小的采集物镜，虽然结构可以做的紧凑，但采集立体角很小，仅能采集很少光线。

（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大口径紧凑透反射结合式光采集器，该光采集器在具有大的采集立体角并具有较好采集效能的情况下，同时具有紧凑的结构。

本发明的技术方案：

一种将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器，含有第一凸透镜、第二凸透镜、第一环形反射镜、第二环形反射镜、光纤接口和外镜筒，第一环形反射镜和第二环形反射镜的反射面均为环形凹面；第一凸透镜、第二凸透镜和光纤接口从前到后依次安装在外镜筒内，第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴重合在一条中心线上，该中心线垂直穿过光纤接口的光线接收面中心，外镜筒的前端敞口，外镜筒的后端封闭，光纤接口上连接有光纤，光纤从外镜筒的后端伸出到外面；第一环形反射镜和第二环形反射镜也安装在外镜筒内，第一环形反射镜设在第二凸透镜的后方，第二环形反射镜设在第一凸透镜的后表面中部，第一环形反射镜的反射面朝前，第二环形反射镜的反射面朝后，第一环形反射镜和第二环形反射镜的中心轴和中心线重合；第一凸透镜和第二凸透镜的外径分别为D1和D2，D1/5﹤D2﹤D1/2，第一环形反射镜的外径与第一凸透镜的外径相等，第二环形反射镜的外径与第二凸透镜的外径相等，第一环形反射镜和第二环形反射镜的内径分别为D3和D4，D3﹥D2，D4≥D2/3；在光采集器的任一个经过中心线的纵向剖面中，以中心线为分界线，且在中心线的任一边，第一环形反射镜的断面的前侧边为内凹的弧形线，该内凹的弧形线称为第一弧形线，第一弧形线的对称轴为第一光轴，第一弧形线与第一光轴的交点为第一顶点，第一光轴倾斜设置，第一光轴的前部靠近中心线，后部远离中心线，第一光轴与中心线的夹角为θ，θ≤5°，第二环形反射镜的断面的后侧边也为内凹的弧形线，该内凹的弧形线称为第二弧形线，第二弧形线的对称轴为第二光轴，第二弧形线与第二光轴的交点为第二顶点，第二光轴与第一光轴平行，第一顶点和第二顶点之间的连线与第一光轴的夹角为θ，第一弧形线的焦距为F3，第二弧形线的焦距为F4，第一顶点和第二顶点之间的直线距离为L，L=（F3+F4）/cosθ；第二凸透镜的光心与光纤接口的光线接收面中心之间的距离等于第二凸透镜的焦距F2。

光纤的数值孔径Na=sinα，D2/2= F2×tgα，α为能够进入光纤并传导的光线与光纤端面法线的最大夹角。

D1/5﹤D2﹤D1/3，D2/2≥D4≥D2/3。

第二环形反射镜粘贴在第一凸透镜的后表面中部；第二凸透镜的外部设有内镜筒，内镜筒的外径与第一环形反射镜的内径相等，内镜筒的外壁与第一环形反射镜的内孔内壁固定连接；第一环形反射镜的外边缘与外镜筒的内壁固定连接，第一凸透镜的外边缘也与外镜筒的内壁固定连接。

外镜筒和内镜筒的材质为不透光塑料或铝合金。

光纤接口安装在外镜筒后端面的通孔中，光纤与光纤接口的后端连接。

第一弧形线和第二弧形线均为抛物线。

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凸透镜的焦点处，这样，被采集光源发出的光线经第一凸透镜后就变成了平行光，该平行光的中部透过第二环形反射镜的内孔射到第二凸透镜上，被第二凸透镜汇聚在光纤接口的光线接收面中心处，该平行光的四周被第一环形反射镜反射后汇聚在第一环形反射镜和第二环形反射镜共同的焦平面上，然后再发散到第二环形反射镜上，被第二环形反射镜反射后形成平行光进入第二凸透镜，第二凸透镜将其汇聚在光纤接口的光线接收面中心处；这样，所有的光线最后都通过光纤传送出去，实现了光线的采集。

本发明的有益效果：

本发明用第一大口径凸透镜将较大立体角内的光线变为平行光线输送至采集器内，然后分两部分处理，中间部分通过外径较小的第二凸透镜直接汇聚到光纤端面上进入光纤，四周部分经第一环形反射镜和第二环形反射镜反射后再通过第二凸透镜汇聚到光纤端面上进入光纤；由于第二凸透镜的外径较小，在具有较小的焦距时也能满足光纤数值孔径的限制，使光线进入光纤并满足传播条件，这可使第二凸透镜到光纤端面的距离较短，可使采集器具有较小尺寸，同时还可具有较小的厚度，减少了第二凸透镜对光的吸收程度，使采集器具有较好的采集效能。通过第一凸透镜变换来的平行光线，除直接进入第二凸透镜外的其余部分光线经第一环形反射镜和第二环形反射镜的两次反射，进行了光路折叠，也缩短了光路，这些光路的缩短都减小了光采集器的尺寸，使光采集器具有紧凑的结构。

（四）、附图说明：

图1为将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖视结构示意图；

图3为图1中的B-B剖视结构示意图；

图4为图1中的第一环形反射镜的结构示意图；

图5为图4的左视结构示意图；

图6为图4的右视结构示意图；

图7为图1中的第二环形反射镜的放大结构示意图；

图8为图7的左视结构示意图；

图9为图7的右视结构示意图；

图10为将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器的部分光路示意图（第二环形反射镜的反射光线未画出）；

图11为将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器的全部光路示意图。

（五）、具体实施方式：

参见图1～图11，图中，将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器含有第一凸透镜1、第二凸透镜2、第一环形反射镜3、第二环形反射镜4、光纤接口5和外镜筒7，第一环形反射镜3和第二环形反射镜4的反射面均为环形凹面；第一凸透镜1、第二凸透镜2和光纤接口5从前到后依次安装在外镜筒7内，第一凸透镜1和第二凸透镜2的主光轴重合在一条中心线OO’上，该中心线OO’垂直穿过光纤接口5的光线接收面中心，外镜筒7的前端敞口，外镜筒7的后端封闭，光纤接口5上连接有光纤6，光纤6从外镜筒7的后端伸出到外面；第一环形反射镜3和第二环形反射镜4也安装在外镜筒7内，第一环形反射镜3设在第二凸透镜2的后方，第二环形反射镜4设在第一凸透镜1的后表面中部，第一环形反射镜3的反射面朝前，第二环形反射镜4的反射面朝后，第一环形反射镜3和第二环形反射镜4的中心轴和中心线OO’重合；第一凸透镜1和第二凸透镜2的外径分别为D1和D2，D1/5﹤D2﹤D1/3，第一环形反射镜3的外径与第一凸透镜1的外径相等，第二环形反射镜4的外径与第二凸透镜2的外径相等，第一环形反射镜3和第二环形反射镜4的内径分别为D3和D4，D3﹥D2，D2/2≥D4≥D2/3；在光采集器的任一个经过中心线OO’的纵向剖面中，以中心线OO’为分界线，且在中心线OO’的任一边，第一环形反射镜3的断面的前侧边为内凹的弧形线，该内凹的弧形线称为第一弧形线15，第一弧形线15的对称轴为第一光轴9，第一弧形线15与第一光轴9的交点为第一顶点C，第一光轴9倾斜设置，第一光轴9的前部靠近中心线OO’，后部远离中心线OO’，第一光轴9与中心线OO’的夹角为θ，θ=4°，第二环形反射镜4的断面的后侧边也为内凹的弧形线，该内凹的弧形线称为第二弧形线16，第二弧形线16的对称轴为第二光轴10，第二弧形线16与第二光轴10的交点为第二顶点D，第二光轴10与第一光轴9平行，第一顶点C和第二顶点D之间的连线与第一光轴9的夹角为θ，第一弧形线15的焦距为F3，第二弧形线16的焦距为F4，第一顶点C和第二顶点D之间的直线距离为L，L=（F3+ F4）/cosθ；第二凸透镜2的光心与光纤接口5的光线接收面中心之间的距离等于第二凸透镜2的焦距F2。

光纤6的数值孔径Na=sinα，D2/2= F2×tgα，α为能够进入光纤并传导的光线与光纤端面法线的最大夹角。

第二环形反射镜4粘贴在第一凸透镜1的后表面中部；第二凸透镜2的外部设有内镜筒8，内镜筒8的外径与第一环形反射镜3的内径相等，内镜筒8的外壁与第一环形反射镜3的内孔13内壁固定连接；第一环形反射镜3的外边缘与外镜筒7的内壁固定连接，第一凸透镜1的外边缘也与外镜筒7的内壁固定连接。

外镜筒7和内镜筒8的材质为不透光塑料。

光纤接口5安装在外镜筒7后端面的通孔中，光纤6与光纤接口5的后端连接。

第一弧形线15和第二弧形线16均为抛物线。

使用该光采集器采集等离子体辐射光时，先使被采集光源12位于第一凸透镜1的焦点处，这样，被采集光源12发出的光线经第一凸透镜1后就变成了平行光，该平行光的中部透过第二环形反射镜4的内孔14射到第二凸透镜2上，被第二凸透镜2汇聚在光纤接口5的光线接收面中心处，该平行光的四周被第一环形反射镜3反射后汇聚在第一环形反射镜3和第二环形反射镜4共同的焦平面11上，然后再发散到第二环形反射镜4上，被第二环形反射镜4反射后形成平行光进入第二凸透镜2，第二凸透镜2将其汇聚在光纤接口5的光线接收面中心处；这样，所有的光线最后都通过光纤6传送出去，实现了光线的采集。

Claims (7)

1.一种将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器，其特征是：含有第一凸透镜、第二凸透镜、第一环形反射镜、第二环形反射镜、光纤接口和外镜筒，第一环形反射镜和第二环形反射镜的反射面均为环形凹面；第一凸透镜、第二凸透镜和光纤接口从前到后依次安装在外镜筒内，第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴重合在一条中心线上，该中心线垂直穿过光纤接口的光线接收面中心，外镜筒的前端敞口，外镜筒的后端封闭，光纤接口上连接有光纤，光纤从外镜筒的后端伸出到外面；第一环形反射镜和第二环形反射镜也安装在外镜筒内，第一环形反射镜设在第二凸透镜的后方，第二环形反射镜设在第一凸透镜的后表面中部，第一环形反射镜的反射面朝前，第二环形反射镜的反射面朝后，第一环形反射镜和第二环形反射镜的中心轴和中心线重合；第一凸透镜和第二凸透镜的外径分别为D1和D2，D1/5﹤D2﹤D1/2，第一环形反射镜的外径与第一凸透镜的外径相等，第二环形反射镜的外径与第二凸透镜的外径相等，第一环形反射镜和第二环形反射镜的内径分别为D3和D4，D3﹥D2，D4≥D2/3；在光采集器的任一个经过中心线的纵向剖面中，以中心线为分界线，且在中心线的任一边，第一环形反射镜的断面的前侧边为内凹的弧形线，该内凹的弧形线称为第一弧形线，第一弧形线的对称轴为第一光轴，第一弧形线与第一光轴的交点为第一顶点，第一光轴倾斜设置，第一光轴的前部靠近中心线，后部远离中心线，第一光轴与中心线的夹角为θ，θ≤5°，第二环形反射镜的断面的后侧边也为内凹的弧形线，该内凹的弧形线称为第二弧形线，第二弧形线的对称轴为第二光轴，第二弧形线与第二光轴的交点为第二顶点，第二光轴与第一光轴平行，第一顶点和第二顶点之间的连线与第一光轴的夹角为θ，第一弧形线的焦距为F3，第二弧形线的焦距为F4，第一顶点和第二顶点之间的直线距离为L，L=（F3+F4）/cosθ；第二凸透镜的光心与光纤接口的光线接收面中心之间的距离等于第二凸透镜的焦距F2。

2.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器，其特征是：所述光纤的数值孔径Na=sinα，D2/2= F2×tgα。

3.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器，其特征是：所述D1/5﹤D2﹤D1/3，D2/2≥D4≥D2/3。

4.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器，其特征是：所述第二环形反射镜粘贴在第一凸透镜的后表面中部；第二凸透镜的外部设有内镜筒，内镜筒的外径与第一环形反射镜的内径相等，内镜筒的外壁与第一环形反射镜的内孔内壁固定连接；第一环形反射镜的外边缘与外镜筒的内壁固定连接，第一凸透镜的外边缘也与外镜筒的内壁固定连接。

5.根据权利要求4所述的将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器，其特征是：所述外镜筒和内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大口径紧凑透反射结合式光采集器，其特征是：所述光纤接口安装在外镜筒后端面的通孔中，光纤与光纤接口的后端连接。

7.根据权利要求1所述的将光线耦合进光纤的大口径紧凑透反射结合式光采集器，其特征是：所述第一弧形线和第二弧形线均为抛物线。