CN2109569U - 激光尘埃粒子计数器新型光学探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种检测洁净环境洁净度的激光 尘埃粒子计数器新型光学探头、主要由He-Ne激光 器、偏振扩束器、孔径光阑、集光椭球面反射镜、消杂 光光阑、后向平面反 射镜、聚光透镜、视场光阑和光电 接收器所构成。具有粒径动态测量范围大、测量结果 可靠性高、结构简单紧凑、安排合理、体积小、测量速 度快等特点，其测量速度比已有技术对于10级洁净 环境完成一个采样点的测量时间要快九十多倍。

Description

本实用新型是洁净环境洁净度的检测仪器——激光尘埃粒子计数器的一种新型光学探头。

日本KC－14型激光尘埃粒子计数器的光学探头基本上是由He－Ne激光放电管1、布儒斯特窗2、集光椭球面反射镜3、采样气流通道4、光敏感区5、激光谐振腔反射镜6、端窗式光电倍增管7所构成，如图1所示。该光学探头采用半外腔式激光器，光敏感区位于激光谐振腔内。其主要性能如下：

1.最小探测粒径：0.11μm；

2.粒径动态探测范围：0.11～0.5μm；

3.光敏感区（即气流横截面）尺寸：φ0.18mm的圆形，为激光光束半径的1／2（激光束直径为0.72mm）；

4.散射光收集立体角：2.05πSrad；

5.采样流量：300ml／min；

该光学探头存在以下缺点：

1.检测时间长，工作效率低。桉照美国联邦标准209D的要求，使用该光学探头对100级洁净环境进行检测时，需用19分钟才能完成一个采样点的检测，而对于10级洁净环境，则需用3个多小时才能完成一个采样点的检测。因而从提高工作效率的要求出发，该探头的实用性受到了很大限制。

检测时间与采样流量成反比，而采样流量又与光敏感区尺寸成正比。该光学探头的光敏感区位于激光谐振腔内，因为无法采取措施扩展光束，所以其尺寸受限于腔内激光束的直径。根据照明均匀性要求，通常光敏感区在垂直于激光束方向上，其宽度只能为激光束直径的1／4。

2.粒径动态探测范围小。激光谐振腔内的激光束具有驻波效应，因而沿光轴方向的光强度具有λ／2的周期分布。所以，检测粒径小于该周期长度的小粒子时，测量误差大，因为相同粒径的粒子在通过光敏感区的不同位置时，将产生不同的散射光通量。因此，粒径动态探测范围的下限是驻波效应决定的，通常该下限为0.1μm左右。

粒径动态探测范围的上限是由激光谐振腔的增益特性决定的。当粒子通过光束引起的损耗大于激光谐振腔的增益时，激光器熄灭。粒子越大，引起的损耗越大，因而这就限制了粒径上限值为2.0μm。虽然，2.0μm左右的粒子不会引起激光器熄灭，但是，此时的测量结果很不可靠。

为了克服上述光学探头的不足，本实用新型提供一种具有检测时间快、动态探测范围宽、结构紧凑等特点的新型的激光尘埃粒子计数器光学探头。以满足现代工业对洁净环境检测的要求。

本实用新型的结构是：一He－Ne激光器，沿其激光束传播方向上置一个具有光通道和采样气体通道的集光椭球面反射镜；在激光器与集光椭球面反射镜之间靠近激光器处有一偏振扩束器，在偏振扩束器与集光椭球面反射镜之间靠近集光椭球面反射镜处有一个孔径光阑；激光束穿过集光椭球面反射镜的光通道射向后向平面反射镜，在集光椭球面反射镜与后向平面反射镜之间有一个消杂光光阑；集光椭球面反射镜上的采样气流通道是：通过集光椭球面反射镜的内焦点，并与激光的传播方向和集光椭球面反射镜的光轴三者两两相互垂直，且三者相交于集光椭球面反射镜的内焦点，光敏感区也就在这个内焦点处；在集光椭球面反射镜的外焦点稍后处有一光电接收器，在光电接收器与集光椭球面反射镜之间，于集光椭球面反射镜的外焦点处置一个视场光阑；在集光椭球面反射镜与视场光阑之间有一聚光透镜。如图2、3所示。

本实用新型中的偏振扩束器由两块大小材料完全相同的单轴晶片构成，如图4所示。晶体的光轴与晶片表面法线成45°角。两个晶片的主截面相互垂直，即第二块晶片相对于第一块晶片转过90°角。入射线偏振单模激光束的偏振方向与第一块晶片的主截面成45°角，入射光被第一个晶片分成两束光，即寻常光O和非常光E。在第二个晶片中，第一个晶片中的O光变为E光，反之亦然。两晶片中的每个晶片在两光线间产生相等的横向位移量。厚度为2t的偏振扩束器在出射光线EO和OE之间产生的总位移量为：

d＝

｜n² _e－n² _o｜t／（n² _e＋n² _o）

式中，n_e和n_o分别为E和O光的折射率。本实用新型中两光束的横向位移方向垂直于采样气流通道。

从偏振扩束器出射的EO和OE两光束的振动方向相互垂直，所以它们以强度相加形式叠加在一起。这样，可以得到一个以两光束的叠加区为中心的均匀照明的光敏感区。计算表明，当照明均匀性不小于88％时，在垂直于激光束光轴方向上，光敏感区的宽度为1.7W，这里W是入射激光束的半径。

偏振扩束器的晶体材料可以是正单轴晶体石英，也可以是负单轴晶体方解石。

集光椭球面反射镜上的采样气流通道的横截面是长圆形或矩形，其长度方向与激光束传播方向相重合。这是因为激光束光轴方向上的光强均匀性极好。这种形式的采样气流通道大大扩大了光敏感区。

后向平面反射镜的反射面为多层高反射，反射率大于99.9％。

本实用新型的工作过程：激光器输出的线偏振单模光束经偏振扩束器和孔径光阑后，穿过集光椭球面反射镜的左边光通道进入光敏感区，再通过右边光通道后又被后向平面反射镜反射返回，两反射镜之间多次来回反射，待测尘埃粒子以垂直于激光束的方向流过光敏感区时产生光散射，一定立体角内的粒子散射光经集光椭球面反射镜反射后，以椭球面的外焦点为会聚点射向聚光透镜，经聚光透镜再次会聚的光通过位于聚光透镜像面处的视场光阑投射到光电接收器上。光电接收器输出的电信号被其后的电子学***处理后给出测量结果。

上述的孔径光阑，消杂光光阑和视场光阑的通光孔径最好为方形。

本实用新型的优点：

1.光敏感区位于激光谐振腔外，避免了采样气流对激光振荡的影响，扩大了粒径动态测量范围，提高了测量结果的可靠性；

2.采用偏振扩束器对激光束扩束，大大增大了光敏感区尺寸及该区域的光强均匀性；

3.采用长圆形或矩形横截面的采样气流通道，充分利用了光能，同时又极大地增大了光敏感区尺寸，从而大大地加快了测量速度。

4.在后向平面反射镜与激光器输出镜之间，激光束多次来回照射被测尘埃粒子，从而大幅度提高了光敏感区照明光强度，使***能探测更小的尘埃粒子；

5.加入聚光透镜使散射光有效收集立体角范围增大，同时缩小了***的体积，使得整个***结构紧凑简单；

6.加入聚光透镜后，其光电接收器除可利用端窗式光电倍增管外，还可利用侧窗式光电倍增管，从而可进一步简化***的结构；

7.合理地安排孔径光阑、消杂光光阑和视场光阑的位置，合理地没计这些光阑的通光孔形状，大大降低了***的噪声，提高了***的性能。

附图说明：

图1是已有技术日本KV－14型激光尘埃粒子计数器光学探头的结构示意图。

图2是本实用新型的激光尘埃粒子计数器新型光学探头结构的俯视剖视图，图3是本实用新型的激光尘埃粒子计数器新型光学探关结构的纵剖正视剖面图。

图4是系用正单轴晶体制成的偏振扩束器的光路图，图中的双箭头“←→”表示晶片的光轴方向。

实施例：

图2和图3是本实用新型的最佳实施例的结构图。He－Ne激光器1是线偏振单模输出的，管长为500mm，输出功率为5mW，激光束半径为0.4mm；偏振扩束器8用方解石制成，两块晶片的厚度均为3.27mm；集光椭球面反射镜3的两个焦距分别为15mm，散射光有效收集立体角范围为2.2πSrad；光敏感区5的形状为长圆形，其长度为2mm，宽度为0.65mm，面积为1.21mm²；聚光透镜1、2是焦距等于98.1mm的平凸透镜；光电接收器14采用端窗式光电倍增管的。孔径光阑9、消杂光光阑10和视场光阑13的通光孔径为方形，后向平面反射镜11反射率大于99.9％。

实施例的最小探测粒径为0.065μm，最大采样气体流量为28.31／min，粒径动态探测范围为0.065μm～10.0μm。本***检测速度快，性能稳定可靠，结构简单紧凑，调整方便。只用12秒钟即可完成100级洁净环境中一个采样点的检测，而用2分钟即可完成10级洁净环境中一个采样点的检测，比日本KC－14型对于10级洁净环境用3个多小时才能完成一个采样点的检测时间快90多倍。

Claims (4)

1、一种激光尘埃粒子计数器新型光学探头，其特征在于沿着一个He-Ne激光器在光束传播方向上置有一个具有光通道和采样气流通道的集光椭球面反射镜，在集光椭球面反射镜与激光器之间靠近激光器处有一偏振扩束器，在偏振扩束器和集光椭球面反射镜之间靠近集光椭球面反射镜处有一孔径光阑，激光束穿过集光椭球面反射镜后射向一后向平面反射镜，在后向平面反射镜与集光椭球面反射镜之间有一个消杂光光阑，在集光椭球面反射镜外焦点稍后处有一光电接收器，在集光椭球面反射镜与光电接收器之间，于集光椭球面反射镜外焦点处有一视场光阑，在视场光阑与集光椭球面反射镜之间有一聚光透镜。

2、根据权利要求1所述的一种激光尘埃粒子计数器新型光学探头，其特征在于集光椭球面反射镜上的采样气流通道是通过集光椭球面反射镜的内焦点并与激光束的传播方向和集光椭球面反射镜的光轴三者两两相互垂直，并三者相焦于集光椭球面反射镜的内焦点处。

3、根据权利要求1所述的一利激光尘埃粒子计数器新型光学探头，其特征在于偏振扩束器是由两片大小相等、材料相同、主截面相互垂直的单轴晶片所构成。

4、根据权利要求1或2所述的一种激光尘埃粒子计数器新型光学探头，其特征在于集光椭球面反射镜上的采样气流通道其横截面是长圆形或矩形，其长度方向与激光传播方向相重合。

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