CN110918020A

CN110918020A - 一种基于可调谐激光器的光化学微反应设备

Info

Publication number: CN110918020A
Application number: CN201911069612.5A
Authority: CN
Inventors: 高培良
Original assignee: Shandong Qipu Chuanneng Biotechnology Co Ltd
Current assignee: Shandong Qipu Chuanneng Biotechnology Co Ltd
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明涉及一种基于可调谐激光器的光化学微反应设备，包括依次安装在本设备中的可调谐激光器、第一光分束器、第二光分束器、第三光分束器、第四光分束器、光反射镜，还包括第一光扩束器、第二光扩束器、第三光扩束器、第四光扩束器、第五光扩束器和一个微反应器。由第一至第五扩束器输出的光照射到一个微反应器上，微反应器受光表面的中轴与以上五个光扩束器的输出光斑连成的中轴线重合，其光斑的大小根据微反应器的尺寸和所需要的光强等要求设置。本发明具有设计机构紧凑，稳定性高，易于制作和扩展，适用范围广，性能灵活等优点。

Description

一种基于可调谐激光器的光化学微反应设备

技术领域

本发明属于光化学领域，尤其是一种基于可调谐激光器的光化学微反应设备。

背景技术

光化学反应又称光化作用，是指物质由于光的作用而引起的化学反应。即物质在可见光或紫外线的照射下吸收光能而发生的化学反应。在光化学反应中，其反应的稳定性，精确性和有效转换率等受光源的波长、线宽、功率和反应器结构等因素的影响。由于传统光源的光谱线宽比较宽，有些光源甚至有多个波长峰值，严重影响了光化学反应的效率，降低了产率。虽然可以采用光学滤波器等来压缩线宽，但窄带的滤波器往往透光率低和容易受温度等因素的影响，不利于在大规模的工业生产中的应用。采用单一波长光源的反应装置其应用范围也受到严格限制，而且，往往光源的峰值波长和实际需要的波长不能完全重合，也在一定程度上影响光化学的反应效率以及其他副产物的产生。随着激光技术的发展，为光化学反应提供了各种精确波长和大能量的光源，极大地拓展了光化学的应用领域和反应效率。特别是可调谐激光器的应用，能够实现对在光化学反应中的波长要求和精度得到精确测定和控制。同时，一台具有几十纳米或以上的宽带可调谐激光器也能有效地扩展光化学反应设备的多功能特性和应用范围。其缺点是光束的照射面积比较小，反应的产量比较小。而采用多个可调谐激光器作为光源，成本往往比较昂贵。本发明通过采用单一可调谐激光器和多个光分束器以及光束扩束器，从而有效地扩大了单激光光束的照射面积。另外，通过改变每个光分束器的反射率或透射率可以精确地实现光在反应器上的光强分布和光功率大小。在光化学反应中，微反应器以其能够提供极高的反应精确性而得到了广泛的应用。本发明结合可调谐激光器和微反应器提供了一种基于可调谐激光器的高效，精确和多功能的光化学微反应设备，改进了现有技术在该领域里的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效，精确和多功能的光化学微反应设备。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于可调谐激光器的光化学微反应设备，包括一个可调谐激光器、第一光分束器、第二光分束器、第三光分束器、第四光分束器、一个光反射镜、第一光扩束器、第二光扩束器、第三光扩束器、第四光扩束器、第五光扩束器和一个微反应器；由可调谐激光器发出的准直光经过第一光分束器后，一部分被第一光分束器反射，另一部分透过第一光分束器；被第一光分束器反射的光进入第一光扩束器，而透过第一光分束器的光进入第二光分束器，其部分光被第二光分束器反射并进入第二光扩束器，其透射部分光进入第三光分束器；依次类推，直至透过第四光分束器的光被光反射镜全部反射进入第五光扩束器；由第一至第五扩束器输出的光照射到所述微反应器上；所述微反应器的表面中轴与以上五个光扩束器的输出光斑连成的中轴线重合。

而且，所述可调谐激光器能够在宽光谱范围内进行波长连续可调谐。

而且，所述第一光分束器、所述第二光分束器、所述第三光分束器和所述第四光分束器是一种平面型的反射镜，具有反射光和透射光的性能；其光反射率可分别设置；所述光反射镜是一个具有接近100%反射率的全反射镜；上述四个光分束器和所述光反射镜的光轴基本一致。

而且，所述第一光扩束器、第二光扩束器、第三光扩束器、第四光扩束器、第五光扩束器对输入光的光斑的放大倍数可单独设置，并使得输出光的光斑直径基本一致。

而且，所述第一光扩束器、第二光扩束器、第三光扩束器、第四光扩束器、第五光扩束器的输出光斑的尺寸可根据微反应器的尺寸和所需要的光强要求设置。

附图说明

图1是由一个可调谐激光器和五个光分束器组成的分光系统示意图；

图2是可调谐激光器的输出光的光谱示意图；

图3是光分束器具有恒定反射率的示意图；

图4是光分束器的反射率随波长变长而变大的示意图；

图5是光分束器的反射率随波长变长而变小的示意图；

图6是微反应器的尺寸示意图；

图7是在Z方向均匀光强分布示意图；

图8是在X方向均匀光强分布示意图；

图9是在X方向非均匀光强分布示意图；

图10是在X方向非均匀光强分布示意图；

图11是光扩束器的输入和输出示意图；

图12是本发明的系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本方明实施例作进一步详述。

图1是由一个可调谐激光器和五个光分束器组成的分光系统示意图。

由可调谐激光器12在X轴方向发出的准直光束24经光分束器14后，形成反射光束26和透射光束27，透射光束27经分束器16后形成反射光束28和透射光束29，透射光束29经光分束器18后形成反射光束30和透射光束31，透射光束31经光分束器20后形成反射光束32和透射光束33，透射光束33经光反射镜22形成反射光束30。当光发束器14、16、18、20和光反射镜22的反射面与X轴的夹角

成45度时，反射光束26、28、30、32和34指向Y轴方向，即与可调谐激光器12发出的准直光束24成直角。在实际应用中，可以通过改变光分束器14、16、18、20和光反射镜22的反射面与X轴的夹角来改变反射光26、28、30、32和34与Y轴的角度，从而改变在X轴方向的光斑形状和尺寸。一般该夹角在45度正负10度左右的范围内较合适。该夹角过大，容易造成反射光的光斑在X轴方向的投影产生不均匀性。反射光束26、28、30、32和34之间的距离可以根据实际的应用作调整。一般应使得反射光束 26、28、30、32和34的光强保持一致。这需要对光分束器14、16、18和20的反射率或透射率进行设置。以图1的结构为例，共有5个反射光束26、28、30、32和34，在忽略其他光损耗的情况下且假设光反射器的反射率和透射率之和为100%，每一个反射光的光强应该是可调谐激光器12输出光的20%。通过简单计算可以得到：光分束器14的反射率为20%和透射率为80%，光分束器16的反射率约为25%和透射率为75%，光分束器18的反射率约为26.67%和透射率约为73.33%，光分束器20的反射率为27.73%和透射率为72.27%。在一些特定的应用中，如果需要各反射光束的光强为不均匀分布，根据需要计算并设置每个光分束器的反射率和透射率以达到某种特定光强的分布。另外，可以用上述图1系统相同的方法来增加光分束器的数量来增加反射光束的数量和增加光扩束器数量来增加照射到微反应器上的光照面积。因此，图1所示系统不仅可以调节光源的波长而且具有调节光强分布和扩大照射到微反应器上光照面积的灵活性。

图2是一个可调谐激光器输出光谱示意图。激光器的输出光谱的线宽一般可以达到1MHz以下，有的甚至可以达到100KHz以下。这样的线宽可以满足大部分的光化学反应的需要，其峰值波长的精度和分辨率均可以达到0.01纳米。另外可调谐激光器的波长可调谐范围从λ1到λ2可以达到几十纳米，甚至更宽的范围。所以，采用激光器作为光化学的光源有其他光源无法比拟的优点。

图3是一个具有恒定反射率的光分束器反射率示意图。即反射率不随光波长的变化而变化。当光发束器14,16,18,20采用这种类型的反射率时，在每个光分束器的反射率确定后，所有经光分束器的反射光的光强不随可调谐激光器12的波长调谐而改变。

图4和图5分别是一个反射率随光波长变长而变大和反射率随光波长变长而变小的光分束器反射率示意图。也可采用一些反射率和波长成非线性关系的反射率曲线。采用这类具有反射率随波长变化的分束器可以进一步增加图1系统中对各个反射光束的光强大小进行设置的灵活性和一些特定的应用，例如，在不同时间段，要求采用不同的光波长和不同的光强进行照射。

图6是一个微反应器的示意图。一般微反应器单通道的横截面是很小的。D的大小一般从几微米到几百微米。而长度L一般没有特定的限制。因此，对于单通道的微反应器，对X方向的光强分布比Z方向的要难控制。而对于多通道的微反应器，则Z方向的光强分布同样重要。

图7和图8分别是在X和Z方向均具有均匀光强分布的示意图。一般情况下，要实现最有效的光反应效率，在微反应器的每个通道上的每个点应该都具有相同的光强。

图9和图10分别是在X方向均具有不均匀光强分布的示意图。这种在X方向具有不均匀光强的分布可能会在一些特殊的应用中能起到提高光化学反应效率的作用。

图11是光扩束器的输入和输出示意图. 输入光束26、28、30、32和34的光斑直径经过光扩束器后得到放大。输出光束46、48、50、52和54的光斑直径被放大且需要基本一致。需要注意的是，由于激光器12输出的光束通常具有一定的发散角，并非严格意义上的准直光束。因此，随着光束传播距离的增加，光束会产生一定的发散。要实现输出光束46、48、50、52和54的光斑直径的一致性，需要对各个光扩束器的性能作单独的调整。

图12 是本发明的一个系统示意图。在图1的基础上对各个反射光束进行扩束。一般激光器的输出的光斑是比较小的，常见的直径大约从几百微米到几个毫米的圆形光斑。扩大激光器输出光斑可以有效地增加光照面积，从而增加微反应器的通道数量和反应装置的产量。如图所示，反射光束26、28、30,、32和34分别经光扩束器36、38、40、42和44扩束后形成的输出光束分别为46、48、50、52和54。上述输出光束以一定的角度照射在微反应器60的表面。有以下几个主要因素决定光斑在微反应器上的光强分布的均匀性：1.上述经扩束器的输出光斑的直径是否一致，2.上述经扩束器的输出光的间隔能否使得光强在微反应器60表面重叠后形成均匀光斑，3. 上述经扩束器的输出光的相互间隔是否一致，4.经扩束器的所有输出光的照射角度是否一致。因此，为了最大程度地保证光在微反应器表面的均匀照射，应做到如下几点：1.经扩束器的输出光斑的直径保持一致，2.经扩束器的输出光的间隔保持一致，3.经扩束器的输出光的相互间隔保持一致，4.经扩束器的所有输出光的照射角度保持一致。一般情况下，均匀光强分布对在微反应器中的光化学反应是至关重要的。

上述说明仅起演示和描述的作用，并不是一个详细无遗漏的说明，也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述，对本发明的许多改动和变化都可能出现。所选择的具体实施仅仅是为了更好地解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利用本发明，根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。

Claims

1.一种基于可调谐激光器的光化学微反应设备，包括一个可调谐激光器、第一光分束器、第二光分束器、第三光分束器、第四光分束器、一个光反射镜、第一光扩束器、第二光扩束器、第三光扩束器、第四光扩束器、第五光扩束器和一个微反应器；由可调谐激光器发出的准直光经过第一光分束器后，一部分被第一光分束器反射，另一部分透过第一光分束器；被第一光分束器反射的光进入第一光扩束器，而透过第一光分束器的光进入第二光分束器，其部分光被第二光分束器反射并进入第二光扩束器，其透射部分光进入第三光分束器；依次类推，直至透过第四光分束器的光被光反射镜全部反射进入第五光扩束器；由第一至第五扩束器输出的光照射到所述微反应器上；所述微反应器的表面中轴与以上五个光扩束器的输出光斑连成的中轴线重合。

2.根据权利要求1所述的基于可调谐激光器的光化学微反应设备，其特征在于：所述可调谐激光器能够在宽光谱范围内进行波长连续可调谐。

3.根据权利要求1所述的基于可调谐激光器的光化学微反应设备，其特征在于：所述第一光分束器、所述第二光分束器、所述第三光分束器和所述第四光分束器是一种平面型的反射镜，具有反射光和透射光的性能；其光反射率可分别设置；所述光反射镜是一个具有接近100%反射率的全反射镜；上述四个光分束器和所述光反射镜的光轴基本一致。

4.根据权利要求1所述的基于可调谐激光器的光化学微反应设备，其特征在于：所述第一光扩束器、第二光扩束器、第三光扩束器、第四光扩束器、第五光扩束器对输入光的光斑的放大倍数可单独设置，并使得输出光的光斑直径基本一致。

5.根据权利要求1所述的基于可调谐激光器的光化学微反应设备，其特征在于：所述第一光扩束器、第二光扩束器、第三光扩束器、第四光扩束器、第五光扩束器的输出光斑的尺寸可根据微反应器的尺寸和所需要的光强要求设置。