CN202083626U - 自聚焦透镜准直的激光气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，包括有激光发射模块、激光接收模块和数据处理模块，激光发射模块、激光接收模块之间的区域有待测气体；激光发射模块包括激光器，激光器出射端设有光纤，光纤出射端设有自聚焦透镜，自聚焦透镜外通过激光焊接的方式固定安装有外套管，外套管固定安装在激光器的外壳上，自聚焦透镜出射端的端面为斜坡面。本实用新型利用自聚焦透镜作为激光气体分析仪的准直透镜，使得激光气体分析仪的发射模块结构更加紧凑；本实用新型采用激光焊接的方式固定自聚焦准直透镜，并将自聚焦透镜出射端面设置为斜坡面，大大减小了激光气体分析过程中的标准具误差，提高了系统的灵敏度。

Description

自聚焦透镜准直的激光气体分析仪

技术领域

本发明涉及一种自聚焦透镜准直的激光气体分析仪。

背景技术

激光气体分析仪是一种“实时”在线的气体检测装置，常被用于石化、钢铁、水泥、环保、工业在线监控等领域。该技术是一种高灵敏度的其他分析技术，其原理是特定波长的激光通过气体后，因为受到气体的吸收，产生光强的衰减。光强的衰减可用Beer-Lambert定律准确描述：

I(v)＝I₀(v)exp[-S(T)φ(v)PXL]

其中I(v)，I₀(v)分别是激光通过气体后和通过气体前的光强，v是激光的频率，P，X和L分别是气体的压力、浓度和光程。线强S(T)是温度T的函数，线性函数φ(v)表示吸收谱线的形状。由Beer-Lambert定律可知，光强的衰减和被测气体的浓度成正比，从而可以通过测量激光通过气体后的衰减获得被测气体的浓度。同时，由于DFB激光器的发射峰很窄(小于15MHz)，工作时可以选择单根气体吸收谱线进行测量，不受其他气体的干扰，具有很高的测量灵敏度。

大多数DFB激光器采用尾纤的方式将光源引到工作地点。由于光纤具有宽频带、低损耗、不受电磁干扰的特点，能够将光源不受外界干扰的传输到工作地点。如果在激光气体分析仪中如果使用光纤将光源引入发射模块可以使激光器远离条件比较恶劣的工作地点，更有利于激光器的稳定输出和更长的工作寿命。但是光纤具有一定的发射角(如单模光纤的数值孔径为0.2左右)，必须对出射光进行准直才能用于测量气体浓度。目前常用单片凸透镜对出射光进行准直，但普通的光学透镜尺寸比较大，而且焦距不可能做得很小，这样就使得光发射模块的体积比较大，结构不紧凑。另外，透镜前后表面反射光所产生的干涉条纹会影响最终的测量结果。

自聚焦透镜又称梯度渐变折算率透镜，其折射率呈轴对称抛物线分布，

(公式1)，其中，n(0)表示自聚焦透镜的中心折射率，r表示自聚焦透镜的半径，A表示自聚焦透镜的折射率分布常数。圆坐标系中，光线传输方程为代入计算可以得到自聚焦透镜中光线传输的一般解为：

$\left[\begin{array}{c}{r}_2\\ o_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\sqrt{A}Z\right)& \frac{1}{n\left(0\right)\sqrt{A}}\sin \left(\sqrt{A}Z\right)\\ -n\left(0\right)\sqrt{A}\cos \left(\sqrt{A}Z\right)& \cos \left(\sqrt{A}Z\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ o_1\end{array}\right]$

其中，r和o分别为光线位置和斜率，下标1，2分别表示入射光和出射光，Z为自聚焦棒的长度。由上式可见，光线在自聚焦棒中的传输轨迹是正弦曲线，正弦曲线的周期长度为

如果我们选择自聚焦棒的长度为P/4，则位于自聚焦透镜的入射端面的光源从自聚焦透镜出射端面出射变为准直光线。

自聚焦透镜具有准直、聚焦、耦合等功能，并且有体积小、耦合效率高、插入损耗低的优点。加上它圆柱状小巧的外形特点，被广泛应用于光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光隔离器、光开关和光纤准直器等。

发明内容

本发明的目的是提供一种自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，利用自聚焦透镜作为激光气体分析仪的准直透镜，使得激光气体分析仪的发射模块结构更加紧凑；采用激光焊接的方式固定自聚焦准直透镜，并将自聚焦透镜出射端面设置为斜坡面，减小激光气体分析过程中的标准具误差，提高系统的灵敏度。

本发明的技术方案如下：

一种自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，包括有激光发射模块、激光接收模块和数据处理模块，所述激光发射模块、激光接收模块之间的区域有待测气体，所述的数据处理模块驱动激光发射模块工作并接收和处理激光接收模块发输出的数据；其特征在于：所述的激光发射模块包括激光器，所述激光器出射端设有光纤，所述光纤出射端设有自聚焦透镜，所述的自聚焦透镜外通过激光焊接的方式固定安装有外套管，所述的外套管固定安装在激光器的外壳上，所述自聚焦透镜出射端的端面为斜坡面。

所述的自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，其特征在于：所述自聚焦透镜出射端的端面与水平面具有95～100度的夹角。

所述的自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，其特征在于：所述自聚焦透镜的长度为其中A为自聚焦透镜折射率渐变参数(如公式1所示)。

本发明的有益效果：

本发明利用自聚焦透镜作为激光气体分析仪的准直透镜，使得激光气体分析仪的发射模块结构更加紧凑；本发明采用激光焊接的方式固定自聚焦准直透镜，并将自聚焦透镜出射端面设置为斜坡面，大大减小了激光气体分析过程中的标准具误差，提高了系统的灵敏度。

附图说明

图1为本发明激光气体分析仪的结构原理框图。

图2为本发明自聚焦透镜准直原理图。

图3为本发明自聚焦透镜的结构示意图。

图4为本发明自聚焦透镜端面的结构示意图。

具体实施方式

参见图1、3、4，一种自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，包括有激光发射模块、激光接收模块和数据处理模块，激光发射模块、激光接收模块之间的区域有待测气体，数据处理模块驱动激光发射模块工作并接收和处理激光接收模块发输出的数据；激光发射模块包括激光器，激光器出射端设有光纤3，光纤3出射端设有自聚焦透镜1，自聚焦透镜1外通过激光焊接的方式固定安装有外套管2，外套管2固定安装在激光器的外壳上，自聚焦透镜1出射端的端面为斜坡面。

自聚焦透镜1出射端的端面与水平面具有95～100度的夹角。

自聚焦透镜1的长度为

其中A为自聚焦透镜的具体参数。

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

参见图1，激光气体分析仪主要包括激光发射模块、激光接收模块和数据处理模块组成。激光发射模块是直接固定在检测地点，如果光发射模块体积小，结构紧凑，将会在现场安装和小型化等方面带来便利。

参见图2，工作中，光纤出射端面置于自聚焦透镜的入射端面，视作点光源。自聚焦棒的长度设计为1/4周期长度，也就是

可根据具体的自聚焦透镜的参数A来进行设计，此时，自聚焦透镜的出射端面发射的光将是准直光束。

参见图3，由于激光气体分析仪是在线工作的方式，工作现场可能有高温等恶劣情况，所以自聚焦透镜不能使用粘胶方式固定，这样会造成粘胶受热融化，影响光学性能。本发明中，装置采用激光焊接方式固定自聚焦透镜，其结构如图3所示，其中1为自聚焦透镜，2为外套管，自聚焦透镜1通过激光焊接方式固定在外套管2中，外套管再通过机械方式固定于发射模块中，光纤3通过机械法兰调节装置，将光纤3的出射端面置于自聚焦透镜1的入射端面。

参见图4，为了减小激光气体分析仪中的标准具噪声，本发明中将自聚焦透镜的端面制作为具有一定倾斜角度(与水平面的夹角为95-100度)，这样的设计这样可以减小透镜前后端面反射光的干涉，通过牺牲一部分准直性能提高激光气体分析仪整体的性能。

Claims (3)

1.一种自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，包括有激光发射模块、激光接收模块和数据处理模块，所述激光发射模块、激光接收模块之间的区域有待测气体，所述的数据处理模块驱动激光发射模块工作并接收和处理激光接收模块发输出的数据；其特征在于：所述的激光发射模块包括激光器，所述激光器出射端设有光纤，所述光纤出射端设有自聚焦透镜，所述的自聚焦透镜外通过激光焊接的方式固定安装有外套管，所述的外套管固定安装在激光器的外壳上，所述自聚焦透镜出射端的端面为斜坡面。

2.根据权利要求1所述的自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，其特征在于：所述自聚焦透镜出射端的端面与水平面具有95～100度的夹角。

3.根据权利要求1所述的自聚焦透镜准直的激光气体分析仪，其特征在于：所述自聚焦透镜的长度为 

其中A为自聚焦透镜的具体参数。 

Images