CN115468881A - 一种用于激光粒子计数的光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光粒子计数的光学设备，涉及大气光学参数测量技术领域，解决了现有激光粒子计数光学设备的测量下限需要继续突破和测量误差大的问题，包括气体容腔，气体容腔上设有进气口和出气口，气体容腔中设有激光光源、用于探测散射光的盖革模式雪崩光电二极管和焦点位于盖革模式雪崩光电二极管的靶面上的凹面反射镜，激光光源能够向气体容腔内发出激光光束，盖革模式雪崩光电二极管、光电信号处理电路板、数据处理模块顺次连接；光电信号处理电路板和数据处理模块根据散射光信号能够得出待测气体中微纳粒子的粒径和数量。本发明实现0.1μm微纳粒子粒径和数量的精确测量；提高了测量精度，大大降低了误差。

Description

一种用于激光粒子计数的光学设备

技术领域

本发明涉及大气光学参数测量技术领域，具体涉及一种用于激光粒子计数的光学设备。

背景技术

激光粒子计数装置是一种利用激光与微纳粒子互作用基本理论对某一区域内所含微纳粒子尺度、数量、浓度或其它物理参量进行原位实时精确测量的大气光学测量设备，其中散射光强与激光波长、微纳粒子尺度、微纳粒子折射率、散射角等特征参量密切关联，尤其是微纳粒子的粒径或散射截面与散射光强成正比，根据这一基本理论，利用光电探测器对微纳粒子的散射光强进行测量，通过散射光强就反演微纳粒子的粒径大小，再通过散射光信号的脉冲数和幅值就可以统计确定微纳粒子的数量和通道数。

由此可知，微纳粒子测量下限受到光电探测器的探测灵敏度影响，简单来讲，光电探测器的灵敏度越低，激光粒子计数装置的测量下限也越低，但是也不能无限降低，还要综合考虑信噪比等参数带来的测量误差，选择合适的光电探测器。现有激光粒子计数装置的测量下限普遍在0.3μm，无法满足实际测量需要，而且测量误差大，基本在50%左右，在测量精度和准确度方面均需要提高。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种用于激光粒子计数的光学设备。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于激光粒子计数的光学设备，包括气体容腔，所述气体容腔上设有用于通过待检测气体的进气口和出气口，气体容腔中设有激光光源、盖革模式雪崩光电二极管和凹面反射镜，凹面反射镜的焦点位于盖革模式雪崩光电二极管的靶面上，激光光源能够向气体容腔内发出激光光束，盖革模式雪崩光电二极管用于探测激光光束照射到气体容腔中的待检测气体发生散射得到的散射光；

所述盖革模式雪崩光电二极管连接光电信号处理电路板，所述光电信号处理电路板连接数据处理模块；所述盖革模式雪崩光电二极管探测散射光得到散射光信号，光电信号处理电路板能够将散射光信号转为电信号，数据处理模块能够分析处理所述电信号得到待测气体中微纳粒子的粒径和数量。

本发明的有益效果是：

本发明提出了利用盖革模式雪崩光电二极管作为探测单元，由于盖革模式雪崩光电二极管具有超高灵敏度光子计数的优点，最小可探测功率可以达到皮瓦量级，最小可探测功率提升了2~3个数量级，从而本发明能够实现0.1μm微纳粒子粒径和数量的精确测量；散射光不仅一部分直接入射到盖革模式雪崩光电二极管，通过设置凹面反射镜配合盖革模式雪崩光电二极管，使得更多的散射光被盖革模式雪崩光电二极管探测到，提高了测量精度，大大降低了误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明一种用于激光粒子计数的光学设备的激光光源安装面结构剖视图；

图2为本发明一种用于激光粒子计数的光学设备的凹面反射镜和盖革模式雪崩光电二极管安装面结构剖视图。

其中，1、激光光源，2、气体容腔，3、凹面反射镜，4、盖革模式雪崩光电二极管。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种用于激光粒子计数的光学设备，该装置包括气体容腔2、激光光源1、盖革模式雪崩光电二极管4和凹面反射镜3，激光光源1、盖革模式雪崩光电二极管4和凹面反射镜3均位于气体容腔2的腔体中。激光光源1能够向腔体中发射激光光束。盖革模式雪崩光电二极管4和凹面反射镜3对应设置，凹面反射镜3的焦点位于盖革模式雪崩光电二极管4的靶面上。气体容腔2上设有进气口和出气口，进气口作为待检测气体的进气口，出气口作为进入气体容器中的待检测气体的出气口。

上述位于气体容腔2的腔体中包括部分位于气体容腔2的腔体中和全部位于气体容腔2的腔体中。

如图1和图2所示，待测气体经过进气口进入到气体容腔2，激光光源1发出的光束在传输过程中遇到待测气体会发生散射，散射的光束中有一部分直接进入盖革模式雪崩光电二极管4，散射的光束中还有一部分入射到凹面反射镜3，经过凹面反射镜3反射后进入到盖革模式雪崩光电二极管4。

具体的激光光源1出射的光束位于盖革模式雪崩光电二极管4和凹面反射镜3位于之间，也位于进气口和出气口之间。 盖革模式雪崩光电二极管4和光电信号处理电路板构成光探测器。

激光光源1出射的光束遇到待测气体中的微纳粒子发生散射得到散射光，盖革模式雪崩光电二极管4能够接收到散射光信号，通过与盖革模式雪崩光电二极管4连接的光电信号处理电路板能够将散射光信号转为电信号，光电信号处理电路板连接数据处理模块，光探测器能够将电信号发送至数据处理模块，数据处理模块能够根据电信号进行分析处理得到微纳粒子的粒径大小和数量。

待测气体从进气口进入从出气口流出，形成待测气体流，其中所包含的微纳粒子与激光光源1发出光束的光子发生散射效应。散射光直接或经过凹面反射镜3间接被盖革模式雪崩光电二极管4采集，这也就使得完成盖革模式雪崩光电二极管4对微纳粒子散射光信号的采集，盖革模式雪崩光电二极管4探测散射光得到散射光信号并将散射光信号发送至光电信号处理电路板，光电信号处理电路板将散射光信号转换为电信号，电信号经过信号处理模块进行信号去噪、放大，去噪放大后的电信号进入数据处理模块，数据处理模块对接收到的信号进行信号处理得到在一定时间范围内所采集待测气体中微纳粒子粒径大小与数量对应分布的谱线，也就是得到了待测气体中的微纳粒子的粒径和数量。

上述气体容腔2内壁为黑体，具体可以在气体容腔2内壁涂抹高发射率吸收黑体漆，使其内壁成为黑体。气体容腔2气密性良好，气体容腔2内壁用于吸收多余的背景杂散光，并且能够保证气体容腔2内部气体不会外泄，外部气体不会进入，避免外部气体进入影响待测气体样品的洁净度，引入误差。

上述气体容腔2除进气口和出气口外，气体容腔2的其余部分均为密封结构，也就是气体容腔2仅具有进气口和出气口两个能够通过气体的部分。作为一种实施例，进气口处设有进气开关装置例如进气阀，出气口处设有出气开关装置例如出气阀，当进气开关装置关闭且出气开关装置关闭时，气体容腔2为一个密封结构，为一个密闭腔室。实际应用中，可以仅设有进气阀或进气开关装置不设有出气口的开关，也可以仅设有出气阀或出气开关装置不设有进气口的开关，当然进气口和出气口还可有其他实现方式，在此不进行穷举。作为一种优选实施例，在进气口处外连接气体注入装置，且连通气体注入装置，进气口是否进气由气体注入装置决定，例如气体注入装置包括连接进气口的输入管和用于将气体泵如气体容腔2的气泵，通过气体通过气泵的作用从进气口进入到气体容腔2中，进气口处能够进气时出气口为打开状态。

上述凹面反射镜3对发射光源的波长具有极高反射率，可以将相同波长的散射光反射聚焦。对应凹面反射镜3在气体容腔2中安装有盖革模式的雪崩光电二极管，并且安装时确保凹面反射镜3的焦点位置处为盖革模式的雪崩光电二极管的探测光敏靶面上。

上述激光光源1的出光口处设有光学整形透镜，用于激光光源1发出光束的光束，例如采用准直镜，激光光源1发出的光束经过准直镜准直后平行出射，例如采用快轴慢轴镜组，调整激光光源1发的光束的发散角。

本实施方式中，所述凹面反射镜3主光轴和激光光源1发出激光光束的光轴能够交汇于一点称为O点，以交汇点作为坐标原点，建立直角坐标系，直角坐标系的x轴为激光光束所在的直线，y轴为凹面反射镜3主光轴，通常x轴和y轴平行于水平面，z轴为竖直方向，进气口和出气口位于z轴上。气体容腔2为长方体结构，激光光源1位于长方体的内部前侧面上，即位于长方体前侧板的内表面上，盖革模式雪崩光电二极管4位于长方体的左侧面上，即位于长方体左侧板的内表面上，凹面反射镜3位于长方体的右侧面上，即位于长方体右侧板的内表面上，进气口位于上侧面上，出气口位于下侧面上，长方体结构的集合中心为上述坐标系的原点，进气口和出气口用于实时采集待测气体样品的流通，在气体容腔2的立体几何中心处激光光束与待测气体样品流交汇。

上述光学设备的工作过程为：待测气体样品如图1中从气体容腔2上端的进气孔进入，按照箭头所示方向在气泵的作用下流进气体容腔2，此时激光光源1持续发射激光，当待测气体样品中的微纳粒子经过激光束传输区域后发生散射，散射光分布于各个方向，如图2所示，一部分散射光直接由盖革模式雪崩光电二极管4采集，进入到盖革模式雪崩光电二极管4探测器内部，另一部分散射光在凹面反射镜3的反射作用下聚焦于盖革模式雪崩光电二极管4探测器光敏靶面，完成单个粒子信号光采集，此时采集到的所有光信号在光电信号处理电路板的作用下转换为电信号，并由上位机软件（数据处理模块）进行处理分析，在软件中设置有散射光强阈值，在阈值范围内的散射光信号经过光电信号处理电路板的信号转换和数据处理模块的分析处理，数据处理模块输出对应粒子的粒径大小和数量，经过一段时间的采集，形成该待测气体样品的粒径谱线分布，经过散射区域后的待测样品气体将从如图1中所示气体容腔2下端的出气孔流出，不会滞留于密封腔室内影响测量结果。

基于上述一种用于激光粒子计数的光学设备，本发明一种用于激光粒子计数的光学设备的使用方法，包括如下步骤：

进气口连通气体注入装置，启动气体注入装置向气体容腔2中注入待测气体，确保出气口打开；

打开激光光源1，打开盖革模式雪崩光电二极管4；

持续向气体容腔2中注入待测气体，直至获得待测气体中的微纳粒子的粒径大小和数量；

待测气体检测完毕后关闭激光光源1和盖革模式雪崩光电二极管4。

本发明的一种用于激光粒子计数的光学设备，提出了利用盖革模式雪崩光电二极管4作为探测单元，而0.1μm粒径的散射光功率在纳瓦和皮瓦量级之间，普通的PIN或者APD光电探测器的最小可探测功率基本在几十纳瓦到几百纳瓦之间，无法探测0.1μm粒径大小的微纳粒子，而盖革模式雪崩光电二极管4的最小可探测功率可以达到皮瓦量级，最小可探测功率提升了2~3个数量级，从而实现0.1μm微纳粒子粒径和数量的精确测量；散射光不仅一部分直接入射到盖革模式雪崩光电二极管4，通过设置凹面反射镜3配合盖革模式雪崩光电二极管4，使得更多的散射光被盖革模式雪崩光电二极管4探测到，由于更多的散射光被盖革模式雪崩光电二极管4探测到实现了测量精度的提高，降低了测量误差。

通过将气体容腔2内壁设为黑体和密闭结构，以及凹面反射镜3的高反射率，进一步的提高了本发明光学设备的精准度。

本发明的一种用于激光粒子计数的光学设备的使用方法简单、易操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于激光粒子计数的光学设备，其特征在于，包括气体容腔，所述气体容腔上设有用于通过待检测气体的进气口和出气口，气体容腔中设有激光光源、盖革模式雪崩光电二极管和凹面反射镜，凹面反射镜的焦点位于盖革模式雪崩光电二极管的靶面上，激光光源能够向气体容腔内发出激光光束，盖革模式雪崩光电二极管用于探测激光光束照射到气体容腔中的待检测气体发生散射得到的散射光；所述盖革模式雪崩光电二极管连接光电信号处理电路板，所述光电信号处理电路板连接数据处理模块；所述盖革模式雪崩光电二极管探测散射光得到散射光信号，光电信号处理电路板能够将散射光信号转为电信号，数据处理模块能够分析处理所述电信号得到待测气体中微纳粒子的粒径和数量。

2.如权利要求1所述的一种用于激光粒子计数的光学设备，其特征在于，所述气体容腔内壁为黑体。

3.如权利要求1所述的一种用于激光粒子计数的光学设备，其特征在于，当所述进气口和出气口均关闭时，所述气体容腔为密封结构。

4.如权利要求1所述的一种用于激光粒子计数的光学设备，其特征在于，所述进气口处设有进气开关装置，出气口处设有出气开关装置。

5.如权利要求1所述的一种用于激光粒子计数的光学设备，其特征在于，所述进气口连通气体注入装置。

6.如权利要求1所述的一种用于激光粒子计数的光学设备，其特征在于，所述凹面反射镜主光轴和激光光源发出激光光束的光轴相互垂直，且交汇于O点，所述进气口和出气口的连线经过O点、垂直于凹面反射镜主光轴、垂直于激光光源发出激光光束的光轴。

7.如权利要求1所述的一种用于激光粒子计数的光学设备，其特征在于，所述气体容腔为长方体型，激光光源位于长方体的前侧面上，盖革模式雪崩光电二极管位于长方体的左侧面上，凹面反射镜位于长方体的右侧面上，进气口位于长方体的上侧面上，出气口位于长方体的下侧面上。

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