本發(fā)明涉及一種用于氣體傳感的長光程氣室，尤其涉及穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的長光程氣室，該氣室易于光路調(diào)節(jié)，具有很高的溫度和機(jī)械穩(wěn)定性。

背景技術(shù)：

危險(xiǎn)氣體如瓦斯、一氧化碳等的探測，對(duì)于煤礦、油氣田等危險(xiǎn)作業(yè)場所的安全防護(hù)，發(fā)現(xiàn)早期的危險(xiǎn)氣體釋放，防患于未然具有重要意義?，F(xiàn)階段，可調(diào)激光吸收光譜技術(shù)在氣體傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)利用瓦斯、一氧化碳等危險(xiǎn)氣體分子在近紅外波段的泛頻和組合頻帶的特征吸收峰，采用該波段范圍內(nèi)的可調(diào)激光器掃描，獲取特征吸收峰的強(qiáng)度，從而根據(jù)郎伯-比爾定律推算出危險(xiǎn)氣體的濃度。

由于許多危險(xiǎn)氣體在近紅外波段的吸收峰較弱，通常需要激光通過很長光程的氣室才能產(chǎn)生可以探測的吸收譜線，這使得在實(shí)際應(yīng)用中氣室的長度達(dá)到不可接受的程度。通常的做法是用一對(duì)反射鏡將激光多次反射，以在有限的體積內(nèi)產(chǎn)生足夠長光程(如3米以上)，如圖1所示的赫里奧特氣室(100)是其中最具代表性的氣室結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)凹面反射鏡(103、104)形成反射腔，當(dāng)輸入端(101)輸入的光束的入射方向和位置滿足一定條件時(shí)，光束將在兩個(gè)凹面反射鏡來回反射，并保持光束的準(zhǔn)直性，最后從輸出端(102)輸出。

由于長光程氣室在兩個(gè)反射鏡多次反射，由溫度或應(yīng)力等因素導(dǎo)致的輕微機(jī)械形變將影響光路使之產(chǎn)生明顯的變化，從而使出射激光束的位置和角度偏離輸出端(102)，使得輸出光束的能量大大衰減，氣體傳感器的性能下降。

另外，要得到最佳的功率輸出，氣室裝配過程中，在光學(xué)元件固定前，除了入射光束的角度和位置需要調(diào)節(jié)外，兩個(gè)反射鏡之間的距離和相對(duì)位置也需要調(diào)節(jié)，現(xiàn)有技術(shù)通常使用一些輔助的機(jī)械部件參與調(diào)節(jié)，它們的熱和機(jī)械不穩(wěn)定性也將影響光路的穩(wěn)定性。

圖2表示現(xiàn)有技術(shù)中典型的氣室光學(xué)與機(jī)械封裝結(jié)構(gòu)。一對(duì)光學(xué)反射鏡(201、202)貼合于兩個(gè)獨(dú)立的基座(203、204)上，基座又通過封裝桿(205)相連。處于加工靈活性的需要，基座和封裝桿通常采用金屬，其熱膨脹系數(shù)往往與光學(xué)反射鏡(201、202)的光學(xué)材料熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的熱不穩(wěn)定性；此外，基座和封裝桿金屬材料在外力的作用下、或者由于加工過程中的殘余應(yīng)力，隨時(shí)間容易形變，也引起光路的變化?？梢钥吹?，圖2所示的封裝結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)簡單，但輸出光功率易受溫度、應(yīng)力、機(jī)械振動(dòng)的影響，光學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

因此，具有穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的長光程氣室是迫切需要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)長光程氣室現(xiàn)有封裝技術(shù)的不穩(wěn)定性問題，本發(fā)明提供了一種具有穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的長光程氣室，以滿足氣體傳感領(lǐng)域?qū)Ψ€(wěn)定可靠的商業(yè)化產(chǎn)品需求。

如圖3所示，本發(fā)明提供的具有穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的長光程氣室(300)，包含：

1.一個(gè)輸入端(301)，用于輸入光束；

2.一個(gè)輸出端(302)，用于輸出光束；

3.第一凹面反射鏡(303)，具有第一中心孔(308)和第一粘接面(309)以及第一反射面(310)，所述第一反射面具有第一焦距f1；

4.第二凹面反射鏡(304)，具有第二中心孔(311)和第二粘接面(312)以及第二反射面(313)，所述第二反射面具有第二焦距f2；

5.一個(gè)封裝柱(305)，具有外徑r和長度l；

6.第一套環(huán)(306)，具有第一內(nèi)徑r1和第三粘接面(314)；

7.第二套環(huán)(307)，具有第二內(nèi)徑r2和第四粘接面(315)。

所述第一和第二凹面反射鏡的第一和第二反射面相對(duì)，相距的距離為d，組成一個(gè)反射腔體(320)，所述的輸入端(301)將入射光束饋入所述的反射腔體，在第一和第二反射面之間多次反射，到達(dá)所述的輸出端(302)，輸出光束。

所述第一和第二中心孔(308、311)的口徑大于封裝柱的外徑r，使第一和第二凹面反射鏡之間的距離d和它們的相對(duì)位置在使用粘膠劑固定前可調(diào)。

所述封裝柱(305)的長度l大于第一和第二凹面反射鏡之間的距離d，封裝柱從第一和第二凹面反射鏡的第一和第二中心孔(308、311)穿出；所述第一和第二套環(huán)(306、307)套于封裝柱，所述第一套環(huán)的第三粘接面(314)與第一凹面反射鏡的第一粘接面(309)緊密貼合，并用粘膠劑粘接；所述第二套環(huán)的第四粘接面(315)與第二凹面反射鏡的第二粘接面(312)緊密貼合，并用粘膠劑粘接；

所述第一和第二中心孔口徑、封裝柱的外徑、第一和第二套環(huán)內(nèi)徑可以是圓形或多邊形，優(yōu)選圓形。

所述封裝柱采用與第一和第二凹面反射鏡熱膨脹系數(shù)相近或相同的材料，如可伐或玻璃，優(yōu)選情況下，采用相同的光學(xué)材料，如k9或高硼硅玻璃等，三者具有相同的熱膨脹系數(shù)，氣室光路對(duì)溫度不敏感。所述第一和第二套環(huán)(306、307)的第一內(nèi)徑r1和第二內(nèi)徑r2略大于所述封裝柱的外徑r，如略大5-20微米，使第一和第二套環(huán)與封裝柱緊密套合，并用粘膠劑粘接。優(yōu)選情況下，第一和第二套環(huán)采用材料的熱膨脹系數(shù)與封裝柱或第一和第二凹面反射鏡光學(xué)材料的熱膨脹系數(shù)相近或相同。

本發(fā)明提供的長光程氣室，反射鏡與套環(huán)之間具有緊密貼合關(guān)系、封裝柱和套環(huán)之間具有緊密套合關(guān)系，在保證光路可調(diào)節(jié)的同時(shí)，又保證了粘膠劑只使用在緊密貼合元件之間，粘膠劑具有盡可能小的厚度。這一點(diǎn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的溫度、機(jī)械和長期可靠性是至關(guān)重要的，因粘膠劑通常具有較大的熱膨脹系數(shù)，以及在濕熱環(huán)境下的化學(xué)和物理不穩(wěn)定性，它的厚度不能太厚，通常應(yīng)小于20微米。

在優(yōu)選的情況下，采取赫里奧特氣室配置(appliedoptics/vol.3，no.4/april1964)：設(shè)光軸為z，使第一和第二凹面反射鏡的平面(x-y平面)垂直于z并居中，并使兩個(gè)反射鏡的焦距f1、f2相等為f，即f1＝f2＝f，并與所述距離d滿足如下關(guān)系：

0＜d＜4f(1)

設(shè)通過輸入端(301)的光束位置和角度在x-y平面上的投影分別為(x0，x0′)和(y0，y0′)，光束在反射腔(320)內(nèi)傳播時(shí)，第n次與第一或第二凹面反射鏡平面相交的位置用(xn，yn)表示，則有：

xn＝asin(n·θ+α)(2)

yn＝bsin(n·θ+β)(3)

其中，a和α是與f、d、x0、x0′有關(guān)的量，b和β是與f、d、y0、y0′有關(guān)的量，θ與d和f滿足如下關(guān)系式：

cos(θ)＝1-(d/2f)(4)

在一般的情況下，(2)和(3)的表達(dá)式為一個(gè)橢圓，即光束在第一或第二凹面反射鏡平面上的軌跡(反射點(diǎn))為橢圓分布，光束不經(jīng)過中間封裝柱所在區(qū)域。在優(yōu)選的情況下，初始入射光束位置和角度(x0，x0′)和(y0，y0′)可選擇一定值，使得：

a＝b(5)

α＝β±π/2(6)

這樣，如圖4所示，光束在第一或第二凹面反射鏡(403、404)平面上的軌跡(405)為圓形分布，具有均勻的間距。

所述輸出端(402)的位置可以選擇在第一或第二凹面反射鏡平面(x-y平面)上任一個(gè)反射點(diǎn)位置，若使光束在兩個(gè)反射鏡之間反射n次，優(yōu)選情況下，選擇第二凹面反射鏡上光束走完一圈時(shí)最后一個(gè)反射點(diǎn)位置(xn，yn)，這樣避免了輸入和輸出端在空間位置上的沖突或擁擠，同時(shí)光束從輸入端(401)到輸出端(402)所走過的光程最大化。

在優(yōu)選的情況下，輸入端為帶尾纖的光纖準(zhǔn)直器，所述光束為激光束，它通過尾纖輸入并準(zhǔn)直后饋入到氣室反射腔內(nèi)；輸出端可以為帶尾纖的光纖準(zhǔn)直器，將接受的激光束耦合到光纖輸出，也可直接用光探測器接收。

輸入端和輸出端的位置在第一或第二凹面反射鏡內(nèi)部，與之沖突?？梢圆捎靡韵氯N方式避免沖突。第一種，如圖5a所示，在第一或第二凹面反射鏡(501)上包含有一個(gè)小孔(502)，輸入端或輸出端(503)放置在所述小孔內(nèi)；第二種，如圖5b所示，第一或第二凹面反射鏡(504)包含有一個(gè)v形槽(505)，輸入端或輸出端(506)放置在所述v形槽內(nèi)；第三種，如圖5c所示，在第一或第二凹面反射鏡(507)上增加一個(gè)反射光學(xué)組件(508)，輸入端或輸出端(509)通過所述反射光學(xué)組件將光束饋入或饋出反射腔，在優(yōu)選的情況下，反射光學(xué)組件采用平行四邊形棱鏡，通過兩次全內(nèi)反射將光束饋入或饋出。對(duì)接收端，除了上述三種方法外，如圖5d所示，還可選擇光探測器(511)作為輸出端，將所述光探測器直接貼合到第一或第二凹面反射鏡(510)上接收光束，通過光探測器的光電轉(zhuǎn)換后，輸出電信號(hào)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了將光學(xué)件與外封裝件隔離的封裝結(jié)構(gòu)，如圖6所示，在圖3所示的光學(xué)及機(jī)械結(jié)構(gòu)上，增加一對(duì)緩沖圈(608)將封裝柱(605)固定到外封裝體(609)上，緩沖圈采用橡膠等具有一定彈性的材料，使封裝柱上的光學(xué)元件經(jīng)過緩沖與外封裝體固定，提高了長光程氣室的溫度、機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。

所述外封裝體可以是如圖6所示的帶有進(jìn)氣口(610)和出氣口(611)的密封結(jié)構(gòu)，待測氣體從所述進(jìn)氣口輸入，從所述出氣口排出。輸入端和輸出端的光纖通過密封小孔(612)與外部相連。一般情況下，從進(jìn)氣口輸入的待探測氣體經(jīng)過了外帶過濾裝置，濾除了水氣、灰塵等對(duì)光學(xué)表面有影響的物質(zhì)和有害氣體，保證了氣室長時(shí)間工作的可靠性。

所述外封裝體也可以是對(duì)環(huán)境大氣開放的開敞式結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)在實(shí)施例2中有進(jìn)一步的說明。

附圖說明

圖1現(xiàn)有長光程氣室的原理圖

圖2現(xiàn)有長光程氣室的封裝結(jié)構(gòu)圖

圖3本發(fā)明提供的長光程氣室光學(xué)及封裝結(jié)構(gòu)

圖4圓形光點(diǎn)軌跡的赫里奧特氣室配置

圖5a本發(fā)明提供的長光程氣室中，輸入和輸出端通過小孔固定示意圖

圖5b本發(fā)明提供的長光程氣室中，輸入和輸出端通過v形槽固定示意圖

圖5c本發(fā)明提供的長光程氣室中，輸入和輸出端通過平行四邊形棱鏡饋入或饋出光束

圖5d本發(fā)明提供的長光程氣室中，輸出端采用光探測器接收光束

圖6本發(fā)明提供的長光程氣室實(shí)施例1

圖7本發(fā)明提供的長光程氣室實(shí)施例2

具體實(shí)施方式

[實(shí)施例1]

如圖6所示，本發(fā)明提供的長光程氣室(600)，包含：

1.一個(gè)輸入端(601)，用于輸入光束；

2.一個(gè)輸出端(602)，用于輸出光束；

3.第一凹面反射鏡(603)，具有第一中心孔和第一粘接面以及第一反射面，所述第一反射面具有第一焦距f1；

4.第二凹面反射鏡(604)，具有第二中心孔和第二粘接面以及第二反射面，所述第二反射面具有第二焦距f2；

5.一個(gè)封裝柱(605)，具有外徑r和長度l；

6.第一套環(huán)(606)，具有第一內(nèi)徑r1和第三粘接面；

7.第二套環(huán)(607)，具有第二內(nèi)徑r2和第四粘接面。

所述第一和第二凹面反射鏡的第一和第二反射面相對(duì)，相距的距離為d，組成一個(gè)反射腔體，所述輸入端(601)將入射光束饋入所述的反射腔體，在第一和第二凹面反射鏡之間多次反射，到達(dá)所述的輸出端(602)，輸出光束。

所述第一和第二中心孔口徑、封裝柱的外徑、第一和第二套環(huán)內(nèi)徑是圓形，第一和第二中心孔的口徑大于封裝柱的外徑r，所述封裝柱(605)的長度l大于第一和第二凹面反射鏡的距離d，封裝柱從第一和第二凹面反射鏡的第一和第二中心孔穿出；所述第一和第二套環(huán)(606、607)外徑略大于封裝柱的外徑r約5-20微米，套于所述封裝柱，使第一和第二套環(huán)與封裝柱緊密套合，并用粘膠劑粘接。

所述第一套環(huán)的第三粘接面與第一凹面反射鏡的第一粘接面緊密貼合，并用粘膠劑粘接；所述第二套環(huán)的第四粘接面與第二凹面反射鏡的第二粘接面緊密貼合，并用粘膠劑粘接。

所述封裝柱、第一和第二凹面反射鏡、第一和第二套環(huán)都采用高硼酸玻璃，三者具有相同的熱膨脹系數(shù)，氣室光路對(duì)溫度不敏感。

在本實(shí)施例中，采取赫里奧特氣室配置，設(shè)光軸為z，使第一和第二凹面反射鏡的平面(x-y平面)垂直于z并居中，并使兩個(gè)反射鏡的焦距f1、f2相等為f，即f1＝f2＝f，并與所述距離d滿足前述(1)式關(guān)系。

設(shè)置輸入端(601)的光束位置和角度使得前述(2)式到(4)式中的a和b滿足前述關(guān)系式(5)，α和β滿足前述關(guān)系式(6)，使得光束在第一和第二凹面反射鏡平面上的光點(diǎn)軌跡為如圖4所示的圓形分布，具有均勻的間距。

所述輸出端(602)的位置選擇在第二凹面反射鏡平面(x-y平面)光束走完一圈時(shí)最后一個(gè)反射點(diǎn)位置，使光束從輸入端(601)到輸出端(602)所走過的光程最大化。

在本實(shí)施例中，輸入端為帶尾纖的光纖準(zhǔn)直器，光束為激光束，激光束通過尾纖輸入并準(zhǔn)直后饋入到氣室反射腔內(nèi)；輸出端也為帶尾纖的光纖準(zhǔn)直器，將接受的激光束耦合到尾纖輸出。在第一或第二凹面反射鏡上各包含一個(gè)小孔，輸入端和輸出端準(zhǔn)直器固定在小孔內(nèi)輸入和接收激光束。

本實(shí)施例還包含一對(duì)緩沖圈(608)和一個(gè)外封裝體(609)，所述緩沖圈將封裝柱(605)固定到所述外封裝體上，緩沖圈采用具有一定彈性的橡膠材料，使封裝柱上的光學(xué)元件經(jīng)過緩沖與外封裝體固定，提高了長光程氣室的溫度、機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。

所述外封裝體是帶有進(jìn)氣口(610)和出氣口(611)的密封結(jié)構(gòu)，材料為不銹鋼，待測氣體從所述進(jìn)氣口輸入，從所述出氣口排出。輸入端和輸出端的尾纖通過密封小孔(612)與外部相連。

[實(shí)施例2]

如圖7所示，本發(fā)明提供的長光程氣室(700)，第2個(gè)實(shí)施例具有與實(shí)施例1類似的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，光學(xué)上同樣采用赫里奧特氣室配置。不同之處在于，外封裝體(709)是一個(gè)對(duì)環(huán)境大氣開放的開敞式結(jié)構(gòu)，不再需要進(jìn)氣口和出氣口，外封裝體中的3個(gè)柱狀連接桿(708)將外封裝體左右兩部分相連，圖7中只畫出兩個(gè)柱狀連接桿。

輸入端(701)仍舊為帶尾纖的光纖準(zhǔn)直器，通過平行四邊形棱鏡(707)的兩次全內(nèi)反射將輸入端準(zhǔn)直后的激光束饋入到反射腔，第一凹面反射鏡(703)上不再需要固定光纖準(zhǔn)直器的小孔，光纖準(zhǔn)直器和所述平行四邊形棱鏡固定在第一凹面反射鏡上。

輸出端(702)采用光探測器，直接貼合到第二凹面反射鏡(704)上光束走完一圈時(shí)最后一個(gè)反射點(diǎn)位置，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過電導(dǎo)線(712)輸出。