專利名稱：激光塵埃粒子計數器新型光學探頭的制作方法
技術領域：
本實用新型是潔凈環境潔凈度的檢測儀器——激光塵埃粒子計數器的一種新型光學探頭。
日本KC－14型激光塵埃粒子計數器的光學探頭基本上是由He－Ne激光放電管1、布儒斯特窗2、集光橢球面反射鏡3、采樣氣流通道4、光敏感區5、激光諧振腔反射鏡6、端窗式光電倍增管7所構成，如圖1所示。該光學探頭采用半外腔式激光器，光敏感區位于激光諧振腔內。其主要性能如下1.最小探測粒徑0.11μm；2.粒徑動態探測范圍0.11～0.5μm；3.光敏感區(即氣流橫截面)尺寸φ0.18mm的圓形，為激光光束半徑的1／2(激光束直徑為0.72mm)；4.散射光收集立體角2.05πSrad；5.采樣流量300ml／min；該光學探頭存在以下缺點1.檢測時間長，工作效率低。桉照美國聯邦標準209D的要求，使用該光學探頭對100級潔凈環境進行檢測時，需用19分鐘才能完成一個采樣點的檢測，而對于10級潔凈環境，則需用3個多小時才能完成一個采樣點的檢測。因而從提高工作效率的要求出發，該探頭的實用性受到了很大限制。
檢測時間與采樣流量成反比，而采樣流量又與光敏感區尺寸成正比。該光學探頭的光敏感區位于激光諧振腔內，因為無法采取措施擴展光束，所以其尺寸受限于腔內激光束的直徑。根據照明均勻性要求，通常光敏感區在垂直于激光束方向上，其寬度只能為激光束直徑的1／4。
2.粒徑動態探測范圍小。激光諧振腔內的激光束具有駐波效應，因而沿光軸方向的光強度具有λ／2的周期分布。所以，檢測粒徑小于該周期長度的小粒子時，測量誤差大，因為相同粒徑的粒子在通過光敏感區的不同位置時，將產生不同的散射光通量。因此，粒徑動態探測范圍的下限是駐波效應決定的，通常該下限為0.1μm左右。
粒徑動態探測范圍的上限是由激光諧振腔的增益特性決定的。當粒子通過光束引起的損耗大于激光諧振腔的增益時，激光器熄滅。粒子越大，引起的損耗越大，因而這就限制了粒徑上限值為2.0μm。雖然，2.0μm左右的粒子不會引起激光器熄滅，但是，此時的測量結果很不可靠。
為了克服上述光學探頭的不足，本實用新型提供一種具有檢測時間快、動態探測范圍寬、結構緊湊等特點的新型的激光塵埃粒子計數器光學探頭。以滿足現代工業對潔凈環境檢測的要求。
本實用新型的結構是一He－Ne激光器，沿其激光束傳播方向上置一個具有光通道和采樣氣體通道的集光橢球面反射鏡；在激光器與集光橢球面反射鏡之間靠近激光器處有一偏振擴束器，在偏振擴束器與集光橢球面反射鏡之間靠近集光橢球面反射鏡處有一個孔徑光闌；激光束穿過集光橢球面反射鏡的光通道射向后向平面反射鏡，在集光橢球面反射鏡與后向平面反射鏡之間有一個消雜光光闌；集光橢球面反射鏡上的采樣氣流通道是通過集光橢球面反射鏡的內焦點，并與激光的傳播方向和集光橢球面反射鏡的光軸三者兩兩相互垂直，且三者相交于集光橢球面反射鏡的內焦點，光敏感區也就在這個內焦點處；在集光橢球面反射鏡的外焦點稍后處有一光電接收器，在光電接收器與集光橢球面反射鏡之間，于集光橢球面反射鏡的外焦點處置一個視場光闌；在集光橢球面反射鏡與視場光闌之間有一聚光透鏡。如圖2、3所示。
本實用新型中的偏振擴束器由兩塊大小材料完全相同的單軸晶片構成，如圖4所示。晶體的光軸與晶片表面法線成45°角。兩個晶片的主截面相互垂直，即第二塊晶片相對于第一塊晶片轉過90°角。入射線偏振單模激光束的偏振方向與第一塊晶片的主截面成45°角，入射光被第一個晶片分成兩束光，即尋常光O和非常光E。在第二個晶片中，第一個晶片中的O光變為E光，反之亦然。兩晶片中的每個晶片在兩光線間產生相等的橫向位移量。厚度為2t的偏振擴束器在出射光線EO和OE之間產生的總位移量為d＝
｜n2e－n2o｜t／(n2e＋n2o)式中，ne和no分別為E和O光的折射率。本實用新型中兩光束的橫向位移方向垂直于采樣氣流通道。
從偏振擴束器出射的EO和OE兩光束的振動方向相互垂直，所以它們以強度相加形式疊加在一起。這樣，可以得到一個以兩光束的疊加區為中心的均勻照明的光敏感區。計算表明，當照明均勻性不小于88％時，在垂直于激光束光軸方向上，光敏感區的寬度為1.7W，這里W是入射激光束的半徑。
偏振擴束器的晶體材料可以是正單軸晶體石英，也可以是負單軸晶體方解石。
集光橢球面反射鏡上的采樣氣流通道的橫截面是長圓形或矩形，其長度方向與激光束傳播方向相重合。這是因為激光束光軸方向上的光強均勻性極好。這種形式的采樣氣流通道大大擴大了光敏感區。
后向平面反射鏡的反射面為多層高反射，反射率大于99.9％。
本實用新型的工作過程激光器輸出的線偏振單模光束經偏振擴束器和孔徑光闌后，穿過集光橢球面反射鏡的左邊光通道進入光敏感區，再通過右邊光通道后又被后向平面反射鏡反射返回，兩反射鏡之間多次來回反射，待測塵埃粒子以垂直于激光束的方向流過光敏感區時產生光散射，一定立體角內的粒子散射光經集光橢球面反射鏡反射后，以橢球面的外焦點為會聚點射向聚光透鏡，經聚光透鏡再次會聚的光通過位于聚光透鏡像面處的視場光闌投射到光電接收器上。光電接收器輸出的電信號被其后的電子學系統處理后給出測量結果。
上述的孔徑光闌，消雜光光闌和視場光闌的通光孔徑最好為方形。
本實用新型的優點1.光敏感區位于激光諧振腔外，避免了采樣氣流對激光振蕩的影響，擴大了粒徑動態測量范圍，提高了測量結果的可靠性；2.采用偏振擴束器對激光束擴束，大大增大了光敏感區尺寸及該區域的光強均勻性；3.采用長圓形或矩形橫截面的采樣氣流通道，充分利用了光能，同時又極大地增大了光敏感區尺寸，從而大大地加快了測量速度。
4.在后向平面反射鏡與激光器輸出鏡之間，激光束多次來回照射被測塵埃粒子，從而大幅度提高了光敏感區照明光強度，使系統能探測更小的塵埃粒子；5.加入聚光透鏡使散射光有效收集立體角范圍增大，同時縮小了系統的體積，使得整個系統結構緊湊簡單；6.加入聚光透鏡后，其光電接收器除可利用端窗式光電倍增管外，還可利用側窗式光電倍增管，從而可進一步簡化系統的結構；7.合理地安排孔徑光闌、消雜光光闌和視場光闌的位置，合理地沒計這些光闌的通光孔形狀，大大降低了系統的噪聲，提高了系統的性能。
圖1是已有技術日本KV－14型激光塵埃粒子計數器光學探頭的結構示意圖。
圖2是本實用新型的激光塵埃粒子計數器新型光學探頭結構的俯視剖視圖，圖3是本實用新型的激光塵埃粒子計數器新型光學探關結構的縱剖正視剖面圖。
圖4是系用正單軸晶體制成的偏振擴束器的光路圖，圖中的雙箭頭“←→”表示晶片的光軸方向。
實施例圖2和圖3是本實用新型的最佳實施例的結構圖。He－Ne激光器1是線偏振單模輸出的，管長為500mm，輸出功率為5mW，激光束半徑為0.4mm；偏振擴束器8用方解石制成，兩塊晶片的厚度均為3.27mm；集光橢球面反射鏡3的兩個焦距分別為15mm，散射光有效收集立體角范圍為2.2πSrad；光敏感區5的形狀為長圓形，其長度為2mm，寬度為0.65mm，面積為1.21mm2；聚光透鏡1、2是焦距等于98.1mm的平凸透鏡；光電接收器14采用端窗式光電倍增管的。孔徑光闌9、消雜光光闌10和視場光闌13的通光孔徑為方形，后向平面反射鏡11反射率大于99.9％。
實施例的最小探測粒徑為0.065μm，最大采樣氣體流量為28.31／min，粒徑動態探測范圍為0.065μm～10.0μm。本系統檢測速度快，性能穩定可靠，結構簡單緊湊，調整方便。只用12秒鐘即可完成100級潔凈環境中一個采樣點的檢測，而用2分鐘即可完成10級潔凈環境中一個采樣點的檢測，比日本KC－14型對于10級潔凈環境用3個多小時才能完成一個采樣點的檢測時間快90多倍。
權利要求1.一種激光塵埃粒子計數器新型光學探頭，其特征在于沿著一個He-Ne激光器在光束傳播方向上置有一個具有光通道和采樣氣流通道的集光橢球面反射鏡，在集光橢球面反射鏡與激光器之間靠近激光器處有一偏振擴束器，在偏振擴束器和集光橢球面反射鏡之間靠近集光橢球面反射鏡處有一孔徑光闌，激光束穿過集光橢球面反射鏡后射向一后向平面反射鏡，在后向平面反射鏡與集光橢球面反射鏡之間有一個消雜光光闌，在集光橢球面反射鏡外焦點稍后處有一光電接收器，在集光橢球面反射鏡與光電接收器之間，于集光橢球面反射鏡外焦點處有一視場光闌，在視場光闌與集光橢球面反射鏡之間有一聚光透鏡。
2.根據權利要求1所述的一種激光塵埃粒子計數器新型光學探頭，其特征在于集光橢球面反射鏡上的采樣氣流通道是通過集光橢球面反射鏡的內焦點并與激光束的傳播方向和集光橢球面反射鏡的光軸三者兩兩相互垂直，并三者相焦于集光橢球面反射鏡的內焦點處。
3.根據權利要求1所述的一利激光塵埃粒子計數器新型光學探頭，其特征在于偏振擴束器是由兩片大小相等、材料相同、主截面相互垂直的單軸晶片所構成。
4.根據權利要求1或2所述的一種激光塵埃粒子計數器新型光學探頭，其特征在于集光橢球面反射鏡上的采樣氣流通道其橫截面是長圓形或矩形，其長度方向與激光傳播方向相重合。
專利摘要本實用新型是一種檢測潔凈環境潔凈度的激光塵埃粒子計數器新型光學探頭、主要由He-Ne激光器、偏振擴束器、孔徑光闌、集光橢球面反射鏡、消雜光光闌、后向平面反 射鏡、聚光透鏡、視場光闌和光電接收器所構成。具有粒徑動態測量范圍大、測量結果可靠性高、結構簡單緊湊、安排合理、體積小、測量速度快等特點，其測量速度比已有技術對于10級潔凈環境完成一個采樣點的測量時間要快九十多倍。
文檔編號G01N15/10GK2109569SQ92215120
公開日1992年7月8日 申請日期1992年1月30日 優先權日1992年1月30日
發明者黃惠杰, 鄒海興 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所