一種半導體雷射透過率分析系統的製作方法

2023-09-19 07:46:50

專利名稱：一種半導體雷射透過率分析系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光電分析系統，特別涉及一種通過測量雷射束透過率來分 析獲得被測參數的半導體雷射透過率分析系統。
背景技術：
通過測量雷射束透過率來分析獲得被測參數的半導體雷射分析技術應用領 域廣泛，例如半導體雷射吸收光譜分析技術可以用於分析氣體、液體中化學成 分濃度，還可以分析氣體溫度和速度等，又例如還可以通過分析測量雷射束透 過率來分析粉塵濃度。下面以氣體濃度分析為例介紹其應用。半導體雷射吸收 光譜氣體分析技術是一種高靈敏度氣體分析技術。半導體雷射器發射出的特定 頻率的光束穿過被測氣體時，被測氣體的吸收譜線對光束能量的吸收導致光強
度衰減，光強吸收可由Beer-Lambert關係描述
/v = /v0r(v) = /v 。 exp[-S(r)g(v — v。
八,0和/v分別表示頻率為v的雷射入射時和經過壓力屍、濃度X和光程丄的 氣體後的光強，S(7)表示氣體吸收譜線的譜線強度，線形函數g(v-v。)表徵該吸收 譜線的形狀。由Beer-Lambert關係可知，光強度的衰減與被測氣體含量、溫度、 壓力等相關，因此，通過測量光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的相關 參數。
半導體雷射器的輸出光波長具有可調諧性。半導體雷射吸收光譜氣體分析 技術通常採用DFB、 VCSEL等單模半導體雷射器，通常通過給這些雷射器注入
一定頻率的鋸齒波電流使光波長掃描過整條吸收譜線來獲得完整的高解析度單 線吸收光譜數據。對於常壓環境中的應用，如圖1所示，單模半導體雷射的譜寬 (通常小於幾十MHz)遠小於被測氣體單吸收譜線的寬度，雷射器的波長調製 掃描範圍也僅包含被測氣體的單吸收譜線，將其它氣體的譜線排除在外，成功 避免了測量環境中背景氣體的交叉幹擾。
在很多應用場合，分析系統需要安裝在易燃易爆環境中，如含有一氧化碳或氫氣等危險氣體的工作區內。在這些場合就需要對分析系統做好防爆設計， 並取得防爆認證。防爆設計有多種方式，如正壓防爆、隔爆、本安防爆等。由 於隔爆具有可靠性高、應用方便等優越性，獲得非常廣泛的應用。
如圖2所示， 一種半導體雷射吸收光譜氣體分析系統，包括光發射單元l、 光接收單元2和信號分析單元3，所述光發射單元1和光接收單元2安裝在被測 氣體4的兩側。所述光發射單元包括半導體雷射器11、會聚透鏡12和玻璃窗片 13;所述光接收單元2包括會聚透鏡20、光接收器件21和玻璃窗片22。當所 述分析系統需要防爆時，所述玻璃窗片13、 22使用鋼化玻璃，而且為了滿足隔 爆面大小的需要，鋼化玻璃13、 22的直徑較大；同時很多在位測量應用也需要 大孔徑的光束來降低被測氣體中顆粒物散射對測量光產生的不均勻衰減，所以 會聚透鏡12和會聚透鏡20的直徑較大。
所述分析系統的工作過程如下所述半導體雷射器ll發光，經過光發射單 元1中的會聚透鏡12會聚成平行光，之後經過玻璃窗片13穿過被測氣體4，穿過 被測氣體4的光在穿過光接收單元2中的玻璃窗片22後再經過會聚透鏡20會聚， 之後被所述光接收器件21接收，而接收信號送信號分析單元3分析，從而得到被 測氣體4的濃度等。
雷射由半導體雷射器11發射出後，在經過會聚透鏡12、玻璃窗片13、玻 璃窗片22、會聚透鏡20等各個光學元器件的表面時，儘管絕大多數雷射能量折 射通過光學器件，但是一小部分雷射能量會被上述光學器件的表面往復反射或 散射後再被光接收器件接收，因此，到達光接收器件的各次反射、散射雷射束 之間會存在相位差，產生多光束幹涉(etalon)現象。這種多光束幹涉現象會對 測量光束的透過率產生影響，從而改變光接收器件接收到的光信號。由於吸收 光譜分析技術是通過分析光接收器件接收到的光信號來分析氣體濃度，上述多 光束幹涉現象會對氣體濃度分析產生幹擾，這種幹擾通常被稱為etalon噪音。 在雷射波長掃描過吸收譜線的過程中，多光束之間相位差隨雷射波長不斷變化； 也就是說，在雷射波長掃描過吸收譜線的過程中光束的透過率是變化的，因此， etalon噪音隨光頻率的變化而變化，圖3給出了一種etalon噪音與光頻率的關係。 另外，受各種環境因素(溫度變化、機械振動等)的影響，各光學元器件表面
之間的距離經常發生微小的變化；由於雷射波長較短，微小的變化就會引起多 光束之間相位差的明顯改變，從而顯著改變上述多光束幹涉產生的透過率變化， 也就是說etalon噪音隨光頻率的分布會受各種環境因素的影響而發生變化，進 而給準確氣體參數分析帶來困難。圖4給出了在沒有etakm噪音情況下分析系 統測得的氣體單線吸收光譜，在有etalon噪音情況下測得的氣體單線吸收光譜 的信噪比會顯著下降，如圖5所示。對於固定波長測量方法，波長的微小漂移 或環境因素的變化也均會導致光學系統表觀透過率的變化，從而影響測量精度。
上述分析系統存在一些不足1)結構相對複雜，採用會聚透鏡來會聚發散 光，而同時還需要鋼化玻璃來實現隔爆；由於採用多個光學元器件，增加了反 射表面數目，增大了etalon光學噪音，降低了測量精度和測量靈敏度；2)在測 量一些介質濃度時，如測量微量水份和氧氣的濃度時，由於半導體雷射器、會 聚透鏡、隔爆玻片之間，光接收器件，會聚透鏡和隔爆玻片之間都存在不少空 間，如果這些空間中氣體存在被測氣體組分，就會對測量產生影響，當前的方 法是或者採用氮氣吹掃，或者採用氮氣灌封的方法來避免這些空間中存在這些 被測氣體；但吹掃增加了系統的複雜度，另外灌封方法在發生洩漏時會產生較 大的測量不準確性，尤其當被測介質濃度較低時，例如ppm量級，因此，光發 射單元l、光接收單元2均需要嚴格密封，防洩漏要求高，這進一步增加了系統 設計和製造的複雜性。

實用新型內容
為了解決現有技術中存在的上述不足，本實用新型提供了一種測量精度和 測量靈敏度較高、結構簡單可靠、易於實現隔爆功能、無需吹掃、密封要求低 以及製造方便的半導體雷射透過率分析系統。
為實現上述目的，本實用新型採用以下技術方案
一種半導體雷射透過率分析系統，包括光發射單元、光接收單元和信號分 析單元，所述光發射單元和光接收單元安裝在被測介質的一側或兩側；所述光 發射單元包括半導體雷射器、第一會聚透鏡，所述第一會聚透鏡相對半導體激 光器的一端為斜面；所述半導體雷射器與所述第一會聚透鏡之間雷射束主光線 光程小於或等於7mm;所述第一會聚透鏡的中間部分的A-A截面為任意幾何形
狀，所述截面的最小覆蓋圓的直徑大於或等於25mm;所述半導體雷射器發出的 光通過所述第一會聚透鏡後進入被測介質。
所述第一會聚透鏡的厚度大於或等於20mm。
所述第一會聚透鏡的中間部分的A-A截面為圓形，直徑大於或等於25mm。
所述第一會聚透鏡的中間部分的A-A截面為矩形或正多邊形，其最小覆蓋 圓的直徑大於或等於25mm。
所述第一會聚透鏡的中間部分的A-A截面為不規則圖形，其最小覆蓋圓的 直徑大於或等於25mm。
所述第一會聚透鏡的前端安裝緊固件。
所述第一會聚透鏡與所述光發射單元的殼體間安裝密封件。
本實用新型還提出了這樣一種半導體雷射透過率分析系統，包括光發射單 元、光接收單元和信號分析單元，所述光發射單元和光接收單元安裝在被測介 質的一側或兩側；所述光接收單元包括光接收器件、第二會聚透鏡，所述第二 會聚透鏡相對光接收器件的一端為斜面；所述光接收器件與所述第二會聚透鏡 之間雷射束主光線光程小於或等於7mm;所述第二會聚透鏡的中間部分的A-A 截面為任意幾何形狀，所述截面的最小覆蓋圓的直徑大於或等於25mm;從被測 介質中穿過的光通過所述第二會聚透鏡後被光接收器件接收。
所述第二會聚透鏡的厚度大於或等於20mm。
上述的截面的最小覆蓋圓的定義為能夠包圍該截面的直徑最小的圓。 與現有技術相比，本實用新型具有的有益效果為1)提高了測量精度。第 一透鏡不僅具有會聚準直雷射器發射光束的作用，還可以實現系統隔爆的作用， 減少了系統光學元器件的數目，減少了光學反射面數量，進而降低了系統的光 學etalon噪音。同時，由於減小了雷射器與第一會聚透鏡以及傳感器與第二會 聚透鏡之間距離(在系統中上述光學元件面之間產生的etalori噪音最明顯)， etalon噪音的FSR (自由光譜範圍)明顯增加，也就是etalon噪音隨光頻率的 變化較緩慢；因較易採用背景擬合等背景糾正算法來去除緩慢變化的etalon噪 音背景的影響，可以較好地提高測量精度。另外，會聚透鏡靠近雷射器或者傳 感器的一端為斜面，避免了與雷射器以及傳感器中半導體晶片表面相互平行，也有效地降低了系統的光學etalon噪音。2)無需吹掃以及密封要求低。介質吸 收跟光在介質中的光程成正比，由於減少了光學部件，同時各部件間的距離都 較近，部件間空氣對於測量結果的影響顯著減少，可無需吹掃或密封。3)結構 簡單，可靠性較好。使用的厚會聚透鏡不僅實現會聚作用，還可以同時實現隔 爆的功能，減少了光學部件，結構簡單。4)大通光孔徑可以較容易地實現隔爆 和提高原位測量的性能。5)隔溫效果較好，由於使用了較厚的會聚透鏡，外界 的熱量不易傳遞到光發射單元內的雷射器，從而使分析系統能在被測氣體溫度 較高場合下正常工作。


圖1是半導體雷射譜寬和氣體吸收譜寬示意圖2是現有技術中一種半導體雷射吸收光譜氣體分析系統的結構示意圖3是一種etalon噪音與光頻率的關係示意圖4是在沒有etalon噪音情況下測得的一條氣體吸收譜線的單線吸收光譜 示意圖5是在有etalon噪音情況下測得的一條氣體吸收譜線的單線吸收光譜示 意圖6是本實用新型實施例1中的一種半導體雷射吸收光譜微量水分析系統 結構示意圖7是實施例1中使用的會聚透鏡的結構示意圖8是實施例2中會聚透鏡的中間部分的A-A截面圖9是實施例3中會聚透鏡的中間部分的A-A截面圖10是實施例4中會聚透鏡的中間部分的A-A截面圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型作進一步詳盡描述。
實施例1:
如圖6所示， 一種半導體雷射吸收光譜微量水分析系統，用於檢測被測氣
體4中微量氣態水的濃度，同時還滿足隔爆要求。所述分析系統包括光發射單 元1、光接收單元2和信號分析單元3，所述光發射單元1和光接收單元2安裝在被測氣體4的兩側。
所述光發射單元1包括殼體、半導體雷射器11及其驅動電路10、第一會聚 透鏡14及套筒5，所述半導體雷射器11和第一會聚透鏡14安裝在所述套筒5 內，其中半導體雷射器11安裝在雷射器座15上。所述半導體雷射器ll驅動電 路10安裝在所述殼體內。所述套筒與所述第一會聚透鏡14間通過密封件如O 形圈16密封，同時第一會聚透鏡14的前端還安裝透鏡緊固件17。
如圖7所示，所述第一會聚透鏡14是厚的斜-凸透鏡， 一端是斜面，另一端 是球面，其球面的曲率半徑為13.66mm。所述第一會聚透鏡14的中間部分的 A-A截面是圓形，直徑為35mm，第一會聚透鏡厚度(雷射束在第一會聚透鏡中 的主光線光程，即斜面中心與球面中心的間距)為31mm，斜面與圓柱面最長母 線的夾角為76° ，可以使半導體雷射器11發射的雷射經斜面反射後不進入雷射 器11內，降低系統的光學噪聲。所述斜面的意義為既可以是傾斜的平面，也 可以是傾斜的弧面。所述半導體雷射器11的發光點與斜面中心間距為5.6mm。 雷射束主光線與圓柱面中心軸線夾角為7.49。，保證雷射束主光線從球面中心 出射。第一會聚透鏡14與套筒5共同實現隔爆功能，兩者之間的隔爆接合面為 透鏡14的斜面與套筒5的斜面接合面。根據國標GB3836.2-2000，在光發射單 元1的體積條件下平面接合面的寬度要求在9.5mm 15.8mm範圍內，取平面接 合面為10mm;如果要求第一會聚透鏡14的有效通光孔徑大於13mm，則所述 第一會聚透鏡14的圓柱面直徑為2倍平面接合面寬度加通光孔徑為33mm，本 實施例取35mm。
所述光接收單元2包括第二會聚透鏡23、光電傳感器21。所述第二會聚透 鏡23的尺寸同第一會聚透鏡14。所述光接收單元2上的透鏡座與所述第二會聚 透鏡23間通過密封件如O形圈24密封，同時第二會聚透鏡23的前端還安裝透 鏡緊固件25。 實施例2:
一種半導體雷射吸收光譜微量水分析系統，用於檢測微量氣態水的濃度， 同時還滿足隔爆要求。與實施例1不同的是，所述第一和第二會聚透鏡的中間 部分的A-A截面是正方形，如圖8所示，所述正方形的最小覆蓋圓的直徑為
40mm 。
實施例3:
一種半導體雷射吸收光譜微量水分析系統，用於檢測微量氣態水的濃度，
同時還滿足隔爆要求。與實施例1不同的是，所述第一和第二會聚透鏡的中間 部分的A-A截面是橢圓形，如圖9所示，所述橢圓形的最小覆蓋圓的直徑為 45mm。
實施例4:
一種半導體雷射吸收光譜微量水分析系統，用於檢測微量氣態水的濃度， 同時還滿足隔爆要求。與實施例1不同的是，所述第一和第二會聚透鏡的中間 部分的A-A截面是不規則圖形，如圖IO所示，所述不規則圖形的最小覆蓋圓的 直徑為50.8mm。
需要指出的是，上述實施方式不應理解為對本實用新型保護範圍的限制。
實施例1中是用在氣體分析中，當然還可以應用於液體分析或粉塵分析中。
實施例中涉及到一種不規則圖形，當然還可以是其它不規則圖形。
本實用新型的關鍵是，所述光發射單元內的第一會聚透鏡相對半導體雷射器的一端為斜面， 同時半導體雷射器與所述第一會聚透鏡間主光線光程小於或等於7mm，所述第
一會聚透鏡的中間部分的A-A截面的最小覆蓋圓直徑大於或等於25mm，從而
顯著減少了 Etakm噪音，減少了光學部件間氣體對測量的影響，並可較容易地
實現隔爆或原位測量需要的大通光孔徑。在不脫離本實用新型精神的情況下，
對本實用新型作出的任何形式的改變均應落入本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1、一種半導體雷射透過率分析系統，包括光發射單元、光接收單元和信號分析單元，所述光發射單元和光接收單元安裝在被測介質的一側或兩側；所述光發射單元包括半導體雷射器、第一會聚透鏡；其特徵在於所述第一會聚透鏡相對半導體雷射器的一端為斜面；所述半導體雷射器與所述第一會聚透鏡之間雷射束主光線光程小於或等於7mm；所述第一會聚透鏡的中間部分的A-A截面為任意幾何形狀，所述截面的最小覆蓋圓的直徑大於或等於25mm；所述半導體雷射器發出的光通過所述第一會聚透鏡後進入被測介質。
2、 根據權利要求1所述的分析系統，其特徵在於所述第一會聚透鏡的厚 度大於或等於20mm。
3、 根據權利要求1或2所述的分析系統，其特徵在於所述第一會聚透鏡 的中間部分的A-A截面為圓形，直徑大於或等於25mm。
4、 根據權利要求1或2所述的分析系統，其特徵在於所述第一會聚透鏡 的中間部分的A-A截面為矩形或正多邊形，其最小覆蓋圓的直徑大於或等於 25mm。
5、 根據權利要求1或2所述的分析系統，其特徵在於所述第一會聚透鏡的中間部分的A-A截面為不規則圖形，其最小覆蓋圓的直徑大於或等於25mm。
6、 根據權利要求1或2所述的分析系統，其特徵在於所述第一會聚透鏡 的前端安裝緊固件。
7、 根據權利要求1或2所述的分析系統，其特徵在於所述第一會聚透鏡 與所述光發射單元的殼體間安裝密封件。
8、 一種半導體雷射透過率分析系統，包括光發射單元、光接收單元和信號 分析單元，所述光發射單元和光接收單元安裝在被測介質的一側或兩側，所述光接收單元包括光接收器件、第二會聚透鏡；其特徵在於所述第二會聚透鏡 相對光接收器件的一端為斜面；所述光接收器件與所述第二會聚透鏡之間雷射 束主光線光程小於或等於7mm;所述第二會聚透鏡的中間部分的A-A截面為任 意幾何形狀，所述截面的最小覆蓋圓的直徑大於或等於25mm;從被測介質中穿 過的光通過所述第二會聚透鏡後被光接收器件接收。
9、根據權利要求8所述的分析系統，其特徵在於所述第二會聚透鏡的厚 度大於或等於20mm。
專利摘要本實用新型公開了一種半導體雷射透過率分析系統，包括光發射單元、光接收單元和信號分析單元，所述光發射單元和光接收單元安裝在被測介質的一側或兩側；所述光發射單元包括半導體雷射器、第一會聚透鏡；所述第一會聚透鏡相對半導體雷射器的一端為斜面；所述半導體雷射器與所述第一會聚透鏡之間雷射束主光線光程小於或等於7mm；所述第一會聚透鏡的中間部分的A-A截面為任意幾何形狀，所述截面的最小覆蓋圓的直徑大於或等於25mm；所述半導體雷射器發出的光通過所述第一會聚透鏡後進入被測介質。本實用新型還公開了另外一種半導體雷射透過率分析系統。
文檔編號G01N21/39GK201075085SQ200720112469
公開日2008年6月18日 申請日期2007年8月3日 優先權日2007年8月3日
發明者熊志才, 健 王, 顧海濤 申請人:聚光科技(杭州)有限公司