CN219284994U - 一种紧凑高灵敏气体探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开紧凑高灵敏气体探测器，在激光线路上设有偏振分光棱镜PBS、半波片、法拉第旋转片和第一反射镜，气室上下分别设有平行设置的气室上反射镜和气室下反射镜，在气室气体入口端气室上反射镜侧边设有垂直反射镜；采用上述方案后，本实用新型通过多次反射且调节减小反射角度可在紧凑的空间内传播极长的距离，且通过PBS+半波片+法拉第旋转片控制偏振态后可在末端设置垂直反射镜再次折回后在PBS中反射进入至探测器中，经过探测气体光程x2，实现高灵敏度。

Description

一种紧凑高灵敏气体探测器

技术领域

本实用新型涉及光学探测设置，尤其涉及一种气体探测器

背景技术

常见的大气组分浓度探测是通过激光雷达探测方法，其是通过回收和分析所发出的激光经过大气空间气体分子的后向散射光的波长、频率、偏振等方法，对激光所到区域的大气组分浓度进行远距离探测。常见方案中为提高探测灵敏度往往需要加长激光在气体中的传播距离。

中国专利CN 107607932 B公开一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置及其方法，该装置包括：激光雷达、激光束处理模块、光纤、准直透镜、标准气体池，其中所述光纤为大数值孔径光纤。还涉及一种方法，该方法包括：对激光雷达射出的第一激光束进行处理；然后输出至标准气体池，得到第二激光束；对从所述标准气体池内出来的该第二激光束再次进行处理；再输出至所述激光雷达。该方案在激光经过标准气体池时，气体池内分子对激光光子的后向散射将会沿原路返回到原光纤输出端，但这种后向散射比较弱，会影响分析的灵敏度，另外激光在档准气体池虽经多个反射镜反射增加了传输路径和长度，但由于激光是单向传输所以气室体积相对还是较大，使探测器不够紧凑。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种体积小、灵敏度高的气体探测器。

为达成上述目的，本实用新型紧凑高灵敏气体探测器，包括发射光源、接收探测器、气室和反射镜，其中，在发射光源发出的激光线路上依次设有偏振分光棱镜PBS、半波片、法拉第旋转片和第一反射镜，气室上下分别设有平行设置的气室上反射镜和气室下反射镜，在气室气体入口端气室上反射镜侧边设有垂直反射镜；第一反射镜与气室气体出口端气室上反射镜相对；偏振分光棱镜PBS为两胶合在一起的一对高精度直角棱镜，在其中一个直角棱镜的斜边上设有偏振分光介质膜，在偏振分光棱镜PBS下方设有反射棱镜，接收探测器正对反射棱镜的反射光出口，前述的第一反射镜、气室上反射镜、气室下反射镜和垂直反射镜均镀有偏振反射膜。

第一反射镜和垂直反射镜角度可调节。

发射光源准直透镜为非球面透镜，出射光为线偏振光；

法拉第旋光片设有磁场，其具有“非互易性”。

采用上述方案后，本实用新型通过多次反射且调节减小反射角度可在紧凑的空间内传播极长的距离，且通过PBS+半波片+法拉第旋转片控制偏振态后可在末端设置垂直反射镜再次折回后在PBS中反射进入至探测器中，经过探测气体光程x2，实现高灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型偏振分光棱镜PBS光路原理图；

图3为本实用新型半波片光路原理图；

图4为本实用新型法拉第旋光片光路原理图。

标号说明：

1、发射光源；2、接收探测器；3胶合PBS；4、反射棱镜；5、半波片；6法拉第旋光片；7、气室；8、反射镜组；81、第一反射镜；82、气室上反射镜；83、气室下反射镜；84、垂直反射镜。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本实用新型一种紧凑高灵敏气体探测器，发射光源1、接收探测器2、偏振分光棱镜PBS3、反射棱镜4、半波片5、法拉第旋转片6、气室7和反射镜组8(包括第一反射镜81、气室上反射镜82、气室下反射镜83、垂直反射镜84)组成。发射光源1可采用半导体激光器，可使用非球面透镜管帽进行TO封装，该非球面透镜可准直光束，且该半导体激光器出射的是线偏振光，其发出的激光光路上依次设偏振分光棱镜PBS3、半波片5、法拉第旋转片6。偏振分光棱镜PBS3为两胶合在一起的一对高精度直角棱镜，在其中一个直角棱镜的斜边上设有偏振分光介质膜，把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角(如图2所示)，发射光源出射的是准直的线偏振光，旋转TO封装的发射光源可使光束完全通过(P光)。半波片5和法拉第旋转片6依次贴接偏振分光棱镜PBS3，如图3半波片5可以对偏振光进行旋转，可使线偏振态旋转45°。线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。自带磁场的法拉第旋光片6可使线偏振态旋转45°，其具有“非互易性”，即可将同一波长的正向射光及反向射光的偏振态,都向同一个方向旋转同一个角度，而与光束传播的方向无关。如图4所示，例如光源出射经过半波片逆时针旋光45°，再经过法拉第旋光片顺时针旋光45°，抵消仍为P光；反射回来时经过法拉第旋光片顺时针旋光45°，经过半波片顺时针旋光45°，旋转了90°，变成S光，被PBS反射再被反射棱镜反射到接收探测器。

第一反射镜81设在从法拉第旋光片6出来的激光光路上，气室7上下分别设有平行设置的气室上反射镜82和气室下反射镜84，激光经第一反射镜81反射后入射至气室上反射镜82并在气室上反射镜82和气室下反射镜84间多次小角度反射，在气室7气体入口端气室上反射镜82侧边设有垂直反射镜84，激光垂直入设到垂直反射镜84后沿原路径返回。第一反射镜81、气室上反射镜82、气室下反射镜83、垂直反射镜84均镀有偏振反射膜，用于保持偏振态。偏振分光棱镜PBS3下方设有反射棱镜4，第一反射镜81将返回的激光反射到偏振分光棱镜PBS3再经反射棱镜4后进入接收探测器2，接收探测器2可使用PD光电二极管(Photo-Diode)，可使用非球面透镜管帽进行TO封装，该非球面透镜可聚焦光束，可使用成本较低的小光敏面PD。

本实用新型根据由比尔-朗伯定律，一束强度已知的光，通过充满某种气体的介质前后光强的变化，气体浓度X的表达式：

本实用新型通过偏振分光棱镜PBS、半波片、法拉第旋转片的设计控制光偏振态，使用反射镜组增加光在气体介质中的总路径长度(小角度多次反射加原路返回)，相较于中国专利CN 107607932 B后向散射比较弱，增加了接收光强，从而更灵敏的进行气体探测。

本实用新型第一反射镜81和垂直反射镜84的角度可调节(垂直反射镜84要始终保持与入射光垂直)，这样可改变光路在气室中和路径长度。从而进行不同的数据分析。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种紧凑高灵敏气体探测器，包括发射光源、接收探测器、气室和反射镜，其特征在于：在发射光源发出的激光线路上依次设有偏振分光棱镜PBS、半波片、法拉第旋转片和第一反射镜，气室上下分别设有平行设置的气室上反射镜和气室下反射镜，在气室气体入口端气室上反射镜侧边设有垂直反射镜；第一反射镜与气室气体出口端气室上反射镜相对；偏振分光棱镜PBS为两胶合在一起的一对高精度直角棱镜，在其中一个直角棱镜的斜边上设有偏振分光介质膜，在偏振分光棱镜PBS下方设有反射棱镜，接收探测器正对反射棱镜的反射光出口，前述的第一反射镜、气室上反射镜、气室下反射镜和垂直反射镜均镀有偏振反射膜。

2.如权利要求1所述的一种紧凑高灵敏气体探测器，其特征在于：第一反射镜和垂直反射镜角度可调节。

3.如权利要求1所述的一种紧凑高灵敏气体探测器，其特征在于：发射光源准直透镜为非球面透镜，出射光为线偏振光。

4.如权利要求1所述的一种紧凑高灵敏气体探测器，其特征在于：法拉第旋光片设有磁场，其具有“非互易性”。

Images