CN1963378A

CN1963378A - 基于激光回馈效应的细微颗粒测量方法

Info

Publication number: CN1963378A
Application number: CN 200610118877
Authority: CN
Inventors: 孙国强; 郑继红; 郑刚
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: CN100430689C

Abstract

本发明公开了一种基于激光回馈效应的细微颗粒测量方法，该方法利用激光器附加谐振腔内运动的细微颗粒后向散射作用产生的激光回馈效应，通过测量激光器输出光能的变化，测量颗粒的尺寸，速度，数量等参数。测量装置采用氦氖激光器附加凹面全反镜和会聚透镜共焦式设计的附加谐振腔，在共焦测量敏感区对于不同尺寸和不同运动速度的单颗粒测量。该测量方法可以测量单颗粒参数，简单易行，准确可靠，在单颗粒和小颗粒测量等方面具有广泛应用前景。

Description

基于激光回馈效应的细微颗粒测量方法

技术领域

本发明涉及光学颗粒测量领域，特别是基于激光回馈效应的测量装置针对细微单颗粒，测量颗粒尺寸，运动速度等参数。

背景技术

近几十年来，研究人员提出了许多用于测量颗粒粒度和浓度的光散射方法和仪器，特别是在小颗粒的测量领域，目前已有多种细微颗粒测量技术和浓度分析方法。如在医学领域对悬浮微粒小颗粒测量，在环境工程中测量空气污染，在半导体工业中测量硅片表面的污染颗粒等。目前使用的大部分测量仪器应用光散射理论，对被测物体的颗粒浓度有一定的要求。对于数量稀少的微小颗粒测量有一定的难度。

发明内容

本发明是要提供一种基于激光回馈效应的测量方法，该方法简单易行，适合于单颗粒尺寸，运动速度等参数的测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于激光回馈效应的细微颗粒测量方法，采用基于激光回馈效应的单颗粒测量装置，该装置包括波长为632.8nm，输出光功率Pmax＝5mw，输出光斑直径0.81毫米的单模氦氖激光器，凹面全反镜，聚光透镜，其焦距f＝20mm，凹面全反镜的焦距为30mm，光探测器PD，放大器A和高速数模转换数据采集卡装置，示波器，电脑，采用凹面全反镜和聚光透镜的共焦方式与激光谐振腔形成附加谐振腔，当出射激光在附加谐振腔内，在焦点区域内，被测颗粒的出现产生散射光，回馈到激光器，引起输出激光功率的改变。

测量具体步骤如下：

1.测试前，对激光回馈单颗粒测量装置进行热稳定处理，得到无颗粒通过时激光器输出的激光经过光探测器和放大数模转换后的电压值；

2.让颗粒通过共焦测量区，得到新的电压值；二者的差值为激光回馈产生的电压脉冲值；

3.测量在运动速度一定情况下，标准单颗粒尺寸同反馈脉冲电压之间的关系，得到标准测量比对图；

4.测量标准尺寸单颗粒，得到其运动速度同测量电压之间的标准关系图；

5.测量被测量的运动中的单颗粒粒子，将反馈脉冲电压同标准图谱比对，运用数据经电脑程序修正后，得到所需要的尺寸，运动速度信息。

激光器和透镜部分采用内部镀有高吸收材料的套筒进行封闭，用于避免外界杂散光的干扰；同时采用大孔径短焦距的透镜提高分辨率，缩短光程，提高颗粒测量稳定性。

本发明是基于激光回馈效应，设计凸透镜和凹面反射镜共焦腔的结构组成附加谐振腔，先对标准尺寸和标准运动速度的单颗粒测量定标基础上，让被测量单颗粒通过共焦测量区，通过回馈电流脉冲的比对，得到所测量的单颗粒尺寸和运动速度等信息。

本发明弥补了普通颗粒利用颗粒散射效应测量颗粒参数的不足，对于单独小颗粒参数测量。该方法实现简单，可重复性强，数据可靠，可以通过脉冲电流的变化分辨出通过测量区域颗粒的数目，进一步推算稀薄颗粒的浓度。该测量方法对于数量稀少的小颗粒测量以及颗粒标准定标等起到作用。

附图说明

图1是颗粒散射产生的激光回馈效应，(a)为没有颗粒的激光内外腔，(b)为存在颗粒散射的内外腔；

图2是激光回馈单颗粒测量装置系统图；

图3是测量V＝0.5m/s时颗粒尺寸同测量电压的线性关系图；

图4是测量较大尺寸颗粒直径与测量电压的关系图；

图5是测量不同尺寸颗粒运动速度与测量电压的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

一种基于激光回馈效应的细微颗粒测量方法：其具体步骤是：

1.搭建基于激光回馈效应的单颗粒测量装置(图2)，选用单模氦氖激光器，图2中R为凹面全反射镜，L为聚焦变换透镜，焦距f＝20mm，凹面全反镜的焦距为30mm，F为共焦焦点。采用凹面全反镜R和聚光透镜L的共焦方式，与激光谐振腔形成附加谐振腔。当出射激光在附加谐振腔内，在焦点F区域内，被测颗粒的出现十分敏感，散射光回馈到激光器，引起输出激光功率的改变。PD是光探测器，采用高灵敏度，线性度好的接收器件。A为放大和20位高速数模转换数据采集卡装置，记录设备两路并行。OS为示波器，采用泰克公司的5104B示波器，C为电脑，记录数据。P为产生标准单颗粒的喷墨打印机。

2.激光回馈单颗粒测量装置在进行测试前，系统进行20分钟左右的热稳定，得到无颗粒通过时激光器输出的激光经过光探测器和放大数模转换后的电压值；

3.让颗粒通过共焦测量区，得到新的电压值；二者的差值为激光回馈产生的电压脉冲值。

4.测量在运动速度一定情况下，标准单颗粒尺寸同反馈脉冲电压之间的关系，得到标准测量比对图。如图3为颗粒在V＝0.5m/s低速运动，直径小于30μm情况下，颗粒直径同测量电压脉冲之间的线性关系图。图4是颗粒在V＝5m/s和V＝20m/s的速度运动下，直径在120um以下的，颗粒直径同测量反馈电压脉冲的线性关系比对标准图。

5.测量标准尺寸单颗粒，其运动速度同测量电压之间的标准关系图。图5为颗粒直径分别为5μm，10μm，30μm，80μm，100μm和120μm颗粒运动速度在低于20m/s时得到的测量电压脉冲关系图。

6.测量被测量的运动中的单颗粒粒子，将反馈脉冲电压同标准图谱比对，运用数据经电脑程序修正后，得到所需要的尺寸，运动速度等信息。

本发明的测量基本原理是：

激光回馈效应指的是激光器输出的光被外部反射物反射或散射后，其中一部分光被反馈回激光谐振腔。由于反馈光场和原谐振腔中的光场之间的相互作用，激光器的输出特性随着反馈光场的变化而受到调制，也称为激光自混和效应。King于1963年首次提出激光自混和概念，激光自混和的某些现象和双光束干涉类似，通常应用于位移测量，多普勒速度检测，振动，表面形态和散射介质中的物体成像等研究。本发明提出将散射微粒放置于激光器附加谐振腔当中，利用激光回馈效应测量单颗粒参数，将激光反馈效应方法运用到颗粒检测领域，搭建测量装置并测量颗粒速度，直径等参数。

基于颗粒散射引发激光回馈效应的基本原理如图1所示，以光束传播的一维方向考虑，测量小颗粒的激光系统示意图包括反射镜R1和R2，构成激光谐振腔，以及反射镜R3，构成外腔。在没有颗粒存在时，激光向右传播耦合到外腔，又被反射入激光谐振腔。假设激光是单横模。激光场传播分为右向和左向，分别用“+”和“-”表示。

在没有颗粒散射情况下，如图1(a)所示，激光谐振腔内光波复振幅分布为，A＝A++A-；外腔为，B＝B++B-；光场通过反射镜R2处的边界条件耦合，

则(A+)＝(A-)*R1*exp(2iγL1)，

(A-)＝(A+)*R2+(B-)*T，

(B+)＝(A+)*T+(B-)*R2，

(B-)＝(B+)*R3*exp(2iκL2)，

这里R1，R2和R3是有效反射系数，T是反射镜R2的透射系数，γ和κ分别为激光腔和外腔的波数。在没有颗粒情形下，激光输出形成稳定状态。

当外腔中存在单颗粒微滴时，如图1(b)所示，形成新的散射和反射源，颗粒产生右向散射系数S1和后向散射系数S2，总散射系数为S。则在第二个反射镜面的边界条件为：

(A+)＝(A-)*R1*exp(2iγL1)，

(A-)＝(A+)*R2+(B-)*T，

(B+)＝(A+)*T+(B-)*R2，

(B-)＝(B+)*S1*R3*exp(iγL2)+(B+)*S2*exp(i2κr1)+(B+)*(1-S²)^1/2*exp(i2κL2)，

当外腔有单颗粒时，改变了激光器稳定输出的条件，产生不同激光功率和相应泵浦电流的改变。不同颗粒尺寸和运动速度产生不同散射系数，可以通过测量激光器输出得到的电压脉冲信号测量颗粒直径等参数。

Claims

1.一种基于激光回馈效应的细微颗粒测量方法，其特征在于，采用基于激光回馈效应的单颗粒测量装置，该装置包括波长为632.8nm，输出光功率Pmax＝5mw，输出光斑直径0.81毫米的单模氦氖激光器，凹面全反镜(R)，聚光透镜(L)，其焦距f＝20mm，凹面全反镜(R)的焦距为30mm，光探测器(PD)，放大器(A)和高速数模转换数据采集卡装置，示波器(OS)，电脑(C)，采用凹面全反镜(R)和聚光透镜(L)的共焦方式与激光谐振腔形成附加谐振腔，当出射激光在附加谐振腔内，在焦点区域内，被测颗粒的出现产生散射光，回馈到激光器，引起输出激光功率的改变；

测量具体步骤如下：

1)测试前，对激光回馈单颗粒测量装置进行热稳定处理，得到无颗粒通过时激光器输出的激光经过光探测器和放大数模转换后的电压值；

2)让颗粒通过共焦测量区，得到新的电压值；二者的差值为激光回馈产生的电压脉冲值；

3)测量在运动速度一定情况下，标准单颗粒尺寸同反馈脉冲电压之间的关系，得到标准测量比对图；

4)测量标准尺寸单颗粒，得到其运动速度同测量电压之间的标准关系图；

5)测量被测量的运动中的单颗粒粒子，将反馈脉冲电压同标准图谱比对，运用数据经电脑程序修正后，得到所需要的尺寸，运动速度信息。

2.根据权利要求1所述的基于激光回馈效应的细微颗粒测量方法，其特征在于，所述激光器和透镜部分采用内部镀有高吸收材料的套筒进行封闭，用于避免外界杂散光的干扰；同时采用大孔径短焦距的透镜提高分辨率，缩短光程，提高颗粒测量稳定性。