了解光學(xué)激光粒子計數(shù)器的發(fā)展歷程

2015-02-20 11:54:00 admin

了解光學(xué)激光粒子計數(shù)器的發(fā)展歷程

光學(xué)激光粒子計數(shù)器是隨著工業(yè)生產(chǎn)對生產(chǎn)環(huán)境潔凈度要求的不斷提高而逐步發(fā)展起來的。國外光學(xué)激光粒子計數(shù)器發(fā)展迅速，形式多樣，性能穩(wěn)步提升。美國在二十世紀(jì)八十年代生產(chǎn)出采樣量為28.3L/min的大流量激光粒子計數(shù)器，九十年代生產(chǎn)出最小可測量粒徑為0.1μm的粒子計數(shù)器。九十年代初，粒子計數(shù)器的測試時間整個過程已縮短為1分鐘，同時檢測的對象不僅是空氣成份，也用于液體的檢測。且已實(shí)現(xiàn)對單分散散射光場的二維分布的測定，對亞微米粒子的幾何結(jié)構(gòu)的直接測定。

    我國的潔凈技術(shù)和設(shè)備與國外先進(jìn)國家相比差距是明顯的，國內(nèi)在二十世紀(jì)70年代開始研制和生產(chǎn)這類儀器，同時研制出標(biāo)定這類儀器用的標(biāo)準(zhǔn)粒子。1975年開始生產(chǎn)的光散射激光粒子計數(shù)器比國外晚了二十年。當(dāng)時的儀器采樣流量只能做到300ml/min和1 L/min，光源為普通白光。0.1μm潔凈技術(shù)和設(shè)備在國際上先進(jìn)國家己成為成熟技術(shù)，我國則在90年代剛剛起步。一直在致力于激光粒子計數(shù)器精度的提高，2005年利用齊明鏡設(shè)計的粒子計數(shù)器精度可以達(dá)到0.18μm。

    回顧國外激光粒子計數(shù)器的發(fā)展歷史，我們可以從幾個方面來加以認(rèn)識。從光源來劃分可以分為以白光作為光源，以He-Ne激光作為光源，以半導(dǎo)體激光器作為光源三種。下面以白光照明的近前向散射光收集形式的粒子計數(shù)器為例做一下簡單介紹。如圖1.2.1所示，基本結(jié)構(gòu)是照明孔徑半角為5o，光陷阱消光半角為160，粒子散射光被探測器收集的最大半角為160-250。此類激光粒子計數(shù)器的最小分辨粒徑在0.3μm或以上，因?yàn)榘坠庹彰鲿r光敏區(qū)強(qiáng)度不夠高，其光學(xué)收集系統(tǒng)較小，像差、色差、雜光等等缺陷，使白光激光粒子計數(shù)器的信噪比較低。同時其照明方式為臨界照明，光敏區(qū)光強(qiáng)是隨著燈絲松散的周期性結(jié)構(gòu)而變化，燈絲像引起的光敏區(qū)光強(qiáng)不均勻，從而形成較大程度的漏計和誤記。

       圖1白光照明近前向收集散射光粒子計數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖

上世紀(jì)六十年代以來，由于激光的出現(xiàn)，為光學(xué)激光粒子計數(shù)器提供了大功率、高亮度、穩(wěn)定性好的照明光源。由于激光光束強(qiáng)度高，在光敏區(qū)中的光照度遠(yuǎn)大于白光，且譜線單一，光束規(guī)則，易獲得較高的信噪比，大大提高了激光粒子計數(shù)器的靈敏度。

激光光源中，He-Ne激光器的優(yōu)點(diǎn)是激光強(qiáng)度穩(wěn)定，缺點(diǎn)是光敏區(qū)光強(qiáng)均勻性差，功率低，體積較大，且需要高壓供電。半導(dǎo)體激光器的使用大大減小了傳感器的體積并且較He-Ne激光器提高了光敏區(qū)光強(qiáng)均勻性，但是半導(dǎo)體激光器的激光光束不穩(wěn)定。

以上是根據(jù)照明光源的分類，下面根據(jù)照明光軸和散射光收集系統(tǒng)光軸的關(guān)系，可以分為近前向散射光收集結(jié)構(gòu)和側(cè)向散射光收集結(jié)構(gòu)[29]。近前向散射光收集形式結(jié)構(gòu)如圖1.2.1所示，側(cè)向散射光收集結(jié)構(gòu)如圖1.2.2所示，即照明光軸與散射光收集光軸不在一條直線上，相互之間的夾角不等于Oo，圖1.2.2的夾角為90度，這是最常見的結(jié)構(gòu)。

圖1.2.2側(cè)向散射光收集形式結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)光敏區(qū)與光諧振腔的位置關(guān)系，通常將光學(xué)傳感器分為內(nèi)腔式和外腔式。根據(jù)激光器工作原理，激光器產(chǎn)生激光的前提條件是介質(zhì)必須實(shí)現(xiàn)能級間的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)，或者增益系數(shù)G>0。但是光波在實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)中傳播時還有各種損耗，主要是激光工作物質(zhì)的內(nèi)部損耗和鏡面損耗。因此，對于單頻腔式激光器，在理想情況下，腔內(nèi)平均光強(qiáng)為

（1）

式中，I’為飽和光強(qiáng)，t1為透射系數(shù)，a1為輸出反射鏡的鏡面損耗系數(shù)，GP0為非均勻增益型介質(zhì)的小訊號增益系數(shù)，L為增益介質(zhì)的長度。激光器輸出的光強(qiáng)為

（2）

由于tl <<1，故腔內(nèi)光強(qiáng)遠(yuǎn)比腔外光強(qiáng)大，約為100倍。所以內(nèi)腔式激光粒子計數(shù)器大大提高了光敏感區(qū)的照明光束強(qiáng)度，進(jìn)一步減小了最小可探測粒徑，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

    另外，也有的文獻(xiàn)從采樣流量來劃分，普遍的有采樣流量為0.283L/min（0.01 cfm），2.83L/min（0.1cfm）, 28.3L/min（1.0cfm），這主要是激光粒子計數(shù)器廠家根據(jù)不同測量要求設(shè)計的，也有根據(jù)粒徑測量檔別來劃分的，這也是根據(jù)實(shí)際的用途設(shè)計和制造的。