專利名稱：單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光學測量裝置，尤其是單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置。
背景技術：
大氣中的氣溶膠粒子和人們的生活密切相關，其尺寸、濃度以及成分在確定人們的生活環(huán)境質量方面起著極其重要的作用，粒子中的有機成分更是影響人類健康的主要因素。正確地了解氣溶膠粒子在大氣中的分布和傳輸，對于污染防治措施的選擇具有十分重要的應用價值。目前，人們?yōu)榱藢馊苣z粒子的尺寸、濃度和成分的分布狀況進行測量和計數(shù)，常使用光散射裝置。它由激光器和其輸出光路上依次設置的氣溶膠粒子噴嘴、光探測器構成。測量時，由噴嘴噴出的氣溶膠粒子，在途經(jīng)激光器的輸出光路時，將對激光束產生散射，從而在光探測器上反映出氣溶膠粒子的特性。但是，這種裝置存在著不足之處，首先，因其僅依靠探測散射光的強度來獲取氣溶膠粒子的尺寸，故測量的精度不高，難以精確地測定氣溶膠粒子的確切尺寸；其次，受氣溶膠粒子的形狀、尺寸等因素的影響，使其對氣溶膠粒子濃度的測量存在著較大的誤差；再次，不能對氣溶膠粒子的成分進行現(xiàn)場的實時測量，只能于采樣后再經(jīng)后續(xù)分析處理而得出氣溶膠粒子的分布特性，屬非實時在線測量，而此時環(huán)境條件早已發(fā)生了變化，因此，對于識別污染的來源、危險程度、快速報警以及及時反應都無法做到實時響應。
發(fā)明內容
本實用新型要解決的技術問題為克服現(xiàn)有技術中的不足之處，提供一種結構簡單、實用，使用便捷的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置。
所采用的技術方案包括激光器和其光路上的噴嘴、光探測器，特別是激光器的光路上依次設置有1/4波片、方解石、柱面鏡和散射光收集橢球鏡的一個焦點；紫外激光器的光路上依次設置有柱面鏡和熒光收集橢球鏡的一個焦點；所說散射光收集橢球鏡的一個焦點與所說熒光收集橢球鏡的一個焦點為共焦點，所說噴嘴位于該共焦點處，且其噴氣方向為穿過激光器的平行的兩束光路和紫外激光器的光路；所說光探測器為雪崩二極管和光電倍增管，所說雪崩二極管位于散射光收集橢球鏡的另一個焦點處，所說光電倍增管位于熒光收集橢球鏡的另一個焦點處。
作為技術方案的進一步改進，所述的激光器為二極管激光器，紫外激光器為紫外脈沖激光器；所述的激光器與1/4波片間的光路上置有準直透鏡；所述的1/4波片與方解石間的光路上置有負透鏡和正透鏡；所述的激光器光路上的柱面鏡和紫外激光器光路上的柱面鏡均為負柱面鏡；所述的激光器光路上的柱面鏡后的光路上依次置有反射鏡和窗片；所述的紫外激光器與紫外激光器光路上的柱面鏡間的光路上置有反射鏡和正透鏡，該反射鏡與激光器光路上的柱面鏡后的光路上的反射鏡配對設置；所述的光電倍增管與熒光收集橢球鏡間的光路上置有帶通濾光片；所述的噴嘴的噴氣方向與激光器的光路和紫外激光器的光路的傳輸方向相垂直設置；所述的噴嘴后的激光器的光路上置有光束收集器。
相對于現(xiàn)有技術的有益效果是，其一，激光器輸出光路上依次設置的1/4波片、方解石和柱面鏡，使激光束經(jīng)其后先由線偏振光轉變?yōu)閳A偏振光，再由方解石后分成強度相等的兩束平行光，最后這兩束平行光均在光路與噴嘴噴氣方向相垂直的徑向上被拉伸擴展，而形成扁橢圓形的兩束平行高斯光束，從而保證了噴嘴里噴出的氣溶膠粒子的運動軌跡始終能落在這兩束光路的焦斑中，使本實用新型能根據(jù)氣溶膠粒子穿過這兩束扁橢圓形的高斯光束時的散射光的強度和途經(jīng)時間來既獲得氣溶膠粒子的個數(shù)，又同時因在噴口獲得相同力的不同尺寸的氣溶膠粒子，由于其慣性不同，飛行的時間就有差異，而由此得到氣溶膠粒子的確切尺寸，還可因此而獲知氣溶膠粒子的濃度分布狀況，并同時給出紫外脈沖激光器的觸發(fā)信號；其二，采用橢球鏡來收集散射光，將探測粒子的雙束平行激光與氣溶膠粒子的相互作用區(qū)位于橢球鏡的一個焦點，粒子的散射光由橢球鏡會聚在另外一個焦點，并于此焦點處安置光探測器雪崩二極管，獲得了最佳的光散射信號，大大地提高探測小粒子氣溶膠的靈敏度；其三，同理，紫外激光器的光路上依次設置的柱面鏡和熒光收集橢球鏡的一個焦點，加之上述散射光收集橢球鏡的一個焦點與該熒光收集橢球鏡的一個焦點為共焦點，而噴嘴又位于該共焦點處，其噴氣方向為穿過激光器的平行的于徑向上被拉伸擴展的兩束光路和紫外激光器的被其光路上的柱面鏡在與噴嘴噴氣方向相垂直的徑向上被拉伸擴展的光路，且作為光電探測器的光電倍增管又位于熒光收集橢球鏡的另一個焦點處，使其除能精確地獲得氣溶膠粒子的尺寸和濃度分布狀況，還能因紫外激光激發(fā)單粒子氣溶膠熒光，由熒光收集橢球鏡會聚至光電倍增管而立即獲得氣溶膠粒子的成分信息；其四，準直透鏡和負透鏡、正透鏡的采用，可使激光束在形成較小的發(fā)散角的基礎上易于聚焦，以利于后續(xù)的分束；其五，使用負柱面鏡，使得激光器的兩束平行光被拉伸成兩個部分重疊的扁橢圓形高斯光束，紫外激光器的光束被拉伸成扁橢圓形高斯光束，這三束扁橢圓形的高斯光束的長軸均大于進氣噴嘴，而進氣噴嘴的中心軸是以該長軸為對稱中心的，故可以避免因氣流的擾動使得相同尺寸的氣溶膠粒子在出射噴口后運動軌跡有微小的偏移時，仍能測得氣溶膠粒子的飛行時間，避免了粒子因氣流的擾動引起的粒子運動軌跡的偏離而產生的誤計數(shù)；其六，配對使用分置于激光器光路和紫外激光器光路上的兩只反射鏡，既使得整機的結構簡單、體積小，又可用于調整紫外激光器的光束與激光器的兩平行光束間的距離，使紫外脈沖激光器由該距離的大小來獲取相應的觸發(fā)信號；其七，設置在反射鏡與兩只橢球鏡間的窗片，保證了光束整形區(qū)和氣溶膠進樣區(qū)的隔離，既得以保持進樣腔具有一定的氣壓，又可避免氣溶膠粒子對光束整形區(qū)內的光學元件的污染；其八，光電倍增管與熒光收集橢球鏡間的帶通濾光片的使用，杜絕了激光器的散射光和紫外激光對光電倍增管的干擾，避免了對熒光信號探測的影響；其九，噴嘴的噴氣方向與光路的傳輸方向相垂直設置，提升了探測的效率和降低了誤差率；其十，激光器光路的終端處設置的光束收集器，根除了無用的激光對光探測器的干擾和對其它光學元器件的光輻射損傷。
以下結合附圖對本實用新型的優(yōu)選方式作進一步詳細的描述。
圖1是本實用新型的一種基本結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1，作為激光器1的二極管激光器及其光路21上依次設置有準直透鏡2、1/4波片3、負透鏡4、正透鏡5、方解石6、作為柱面鏡7的負柱面鏡、反射鏡8、窗片19、散射光收集橢球鏡9的一個焦點和光束收集器11，作為紫外激光器12的紫外脈沖激光器及其光路22上依次設置有反射鏡13、正透鏡14、作為柱面鏡15的負柱面鏡、反射鏡8、窗片19、熒光收集橢球鏡16的一個焦點和光束收集器11，其中，反射鏡13與反射鏡8配對設置。前述散射光收集橢球鏡9的一個焦點與熒光收集橢球鏡16的一個焦點相重疊，即為共焦點。散射光收集橢球鏡9的另一個焦點處置有雪崩二極管10，熒光收集橢球鏡16的另一個焦點處置有光電倍增管18，在熒光收集橢球鏡16與光電倍增管18間的光路22上置有帶通濾光片17。位于散射光收集橢球鏡9和熒光收集橢球鏡16的共焦點處置有噴氣方向穿過平行的兩束光路21和光路22、且與光路(21，22)的傳輸方向相垂直的噴嘴20。
使用時，二極管激光器發(fā)射出的線偏振激光束沿著光路21先經(jīng)準直透鏡2后，形成發(fā)散角較小的均勻光束；此光束再經(jīng)1/4波片3被變換成圓偏振光。之后，該圓偏振光先經(jīng)負透鏡4和正透鏡5聚焦；再經(jīng)方解石6將其分成焦斑直徑均為60μm、間距為80μm的兩束平行光；后由負柱面鏡將這兩束平行光均在其光軸的與噴嘴噴氣方向相垂直的徑向上被拉伸擴展，而各自形成橫截面為長軸1mm、短軸60μm的扁橢圓形的高斯光束。紫外脈沖激光器發(fā)出的紫外激光束由反射鏡13反射后經(jīng)正透鏡14聚焦，其焦點位于噴嘴20處的二極管激光束的焦點后方1mm，焦斑直徑為60μm，由負柱面鏡將紫外激光束在其光軸的與噴嘴噴氣方向相垂直的徑向上被拉伸擴展，形成橫截面為長軸1mm、短軸60μm的扁橢圓形的高斯光束。由二極管激光變換成的兩束平行的扁橢圓形高斯光束和由紫外激光變換成的扁橢圓形高斯光束在分別射向雪崩二極管10和光電倍增管18的途中，經(jīng)過散射光收集橢球鏡9和熒光收集橢球鏡16的共焦點處，并與置于此焦點處的噴嘴20中噴出的氣溶膠粒子相遇，由氣溶膠粒子將其散射；位于散射光收集橢球鏡9另一焦點處的雪崩二極管10將會先后兩次收集到每個氣溶膠粒子的散射光，并交由后續(xù)部件根據(jù)其輸出信號的強弱和兩次相同強度信號間的時差來獲得該氣溶膠粒子的確切尺寸以及全部氣溶膠粒子的個數(shù)和濃度分布狀況；而位于熒光收集橢球鏡16另一焦點處的光電倍增管18將于雪崩二極管10收集每個氣溶膠粒子散射光之后收集到每個氣溶膠粒子的熒光，并交由后續(xù)部件根據(jù)其輸出的信號來獲知相應的成分。最后，這三束扁橢圓形高斯光束均由光束收集器11吸收。
顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求1.一種單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，包括激光器和其光路上的噴嘴(20)、光探測器，其特征在于1.1、激光器(1)的光路(21)上依次設置有1/4波片(3)、方解石(6)、柱面鏡(7)和散射光收集橢球鏡(9)的一個焦點；1.2、紫外激光器(12)的光路(22)上依次設置有柱面鏡(15)和熒光收集橢球鏡(16)的一個焦點；1.3、所說散射光收集橢球鏡(9)的一個焦點與所說熒光收集橢球鏡(16)的一個焦點為共焦點，所說噴嘴(20)位于該共焦點處，且其噴氣方向為穿過平行的兩束光路(21)和光路(22)；1.4、所說光探測器為雪崩二極管(10)和光電倍增管(18)，所說雪崩二極管(10)位于散射光收集橢球鏡(9)的另一個焦點處，所說光電倍增管(18)位于熒光收集橢球鏡(16)的另一個焦點處。
2.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是激光器(1)為二極管激光器，紫外激光器(12)為紫外脈沖激光器。
3.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是激光器(1)與1/4波片(3)間的光路(21)上置有準直透鏡(2)。
4.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是1/4波片(3)與方解石(6)間的光路(21)上置有負透鏡(4)和正透鏡(5)。
5.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是柱面鏡(7，15)為負柱面鏡。
6.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是柱面鏡(7)后的光路(21)上依次置有反射鏡(8)和窗片(19)。
7.根據(jù)權利要求6所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是紫外激光器(12)與柱面鏡(15)間的光路(22)上置有反射鏡(13)和正透鏡(14)，所說的反射鏡(13)與反射鏡(8)配對設置。
8.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是光電倍增管(18)與熒光收集橢球鏡(16)間的光路(22)上置有帶通濾光片(17)。
9.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是噴嘴(20)的噴氣方向與光路(21，22)的傳輸方向相垂直設置。
10.根據(jù)權利要求1所述的單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置，其特征是噴嘴(20)后的光路(21)上置有光束收集器(11)。
專利摘要本實用新型公開了一種單粒子氣溶膠紫外熒光分析光學測量裝置。它包括激光器和其光路上的噴嘴(20)、光探測器，特別是激光器(1)光路(21)上依次置有1/4波片(3)、方解石(6)、柱面鏡(7)和散射光收集橢球鏡(9)的一個焦點；紫外激光器(12)光路(22)上依次置有柱面鏡(15)和熒光收集橢球鏡(16)的一個焦點；噴嘴(20)位于橢球鏡(9)與橢球鏡(16)的共焦點處，且其噴氣方向為穿過平行的兩束光路(21)和光路(22)；作為光探測器的雪崩二極管(10)位于散射光收集橢球鏡(9)的另一個焦點處、光電倍增管(18)位于熒光收集橢球鏡(16)的另一個焦點處。它能對氣溶膠粒子個數(shù)、尺寸、濃度、成分的分布狀況進行精確計數(shù)和測量。
文檔編號G01N21/64GK2786619SQ20052007217
公開日2006年6月7日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權日2005年5月20日
發(fā)明者高曉明, 張為俊 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所