專利名稱：一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多l(xiāng)ed組合式寬帶光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種光學(xué)測量領(lǐng)域，具體為一種差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源的裝置，應(yīng)用于監(jiān)測大氣痕量污染氣體的差分吸收光譜系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，差分吸收光譜測量系統(tǒng)常用的寬帶光源是氙燈、氘燈。氙燈是種充有高壓氣氣的光電燈，可發(fā)出很強(qiáng)的紫外線。燈內(nèi)壓力高，存在一定的安全隱患。它的發(fā)光波段180-2000nm，發(fā)光波段寬，容易導(dǎo)致雜散光進(jìn)入探測器；發(fā)射的強(qiáng)紫外光會(huì)電離空氣中的氧氣產(chǎn)生O3，從而干擾O3的測定并危及人類健康；功耗大，發(fā)光效率較低，多數(shù)能量以熱的方式耗散，造成能源的浪費(fèi)；產(chǎn)生的不穩(wěn)定原子發(fā)射線干擾監(jiān)測；觸發(fā)電壓相當(dāng)?shù)母撸蛇_(dá)30KV,對(duì)電子器件造成電磁干擾。
氘燈利用D2放電產(chǎn)生170_400nm波段的持續(xù)光譜。其中包含臭氧的輻射譜，產(chǎn)生的O3會(huì)在220-280nm區(qū)域內(nèi)形成吸收,此外外部臭氧的流動(dòng)會(huì)帶來光福射的波動(dòng)和噪聲。同時(shí)，氣燈、氣燈產(chǎn)生的O3會(huì)氧化光學(xué)兀件的表面鍍膜，降低光學(xué)器件的壽命。近年來，LED作為一種新型的紫外光源，逐漸運(yùn)用于光譜探測領(lǐng)域。與常規(guī)紫外光源相比，其質(zhì)量輕，體積小，耗電量低且散熱少，使用壽命長，光譜高效穩(wěn)定，堅(jiān)固耐用，且不存在安全隱患。但LED光譜呈類高斯型窄帶狀，半高全寬在10-20nm左右。根據(jù)差分吸收光譜技術(shù)反演的要求，單個(gè)LED往往只可滿足單一組分的監(jiān)測。此外，國內(nèi)外現(xiàn)有的紫外LED功率很低，從幾十毫瓦到幾瓦，發(fā)光功率低，如何提高紫外LED光能利用率是一大難題。面對(duì)上述光源存在的問題，要求一種更加高效，節(jié)能，穩(wěn)定的組合式寬帶光源系統(tǒng)應(yīng)用于差分吸收光譜測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題針對(duì)常用紫外光源的存在的缺陷，提供一種差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，解決了常規(guī)紫外光源存在的體積大，耗能多，壽命短，光譜不穩(wěn)定以及單個(gè)LED譜帶太窄，且光強(qiáng)較弱等問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，由三種不同波段的紫外LED光源，非球面單透鏡，以及一分四光纖束組成。紫外LED發(fā)出的光分別經(jīng)非球面單透鏡耦合入三根發(fā)射光纖，由位于望遠(yuǎn)鏡主鏡焦平面上的收發(fā)光纖端面聯(lián)合發(fā)射至望遠(yuǎn)鏡主鏡后準(zhǔn)直出射，經(jīng)大氣后，由角反鏡原路回射，最后會(huì)聚至收發(fā)光纖端面的中心光纖(即接收光纖)導(dǎo)入光譜儀進(jìn)行光譜分析。所述一分四光纖束由一根19芯的收發(fā)光纖、一根I芯的接收光纖、三根6芯的發(fā)射光纖組成。三根發(fā)射光纖依次與中心波長為365nm，295nm, 280nm的紫外LED耦合，如圖2所不。接收光纖和三根6芯發(fā)射光纖在收發(fā)光纖內(nèi)部分布比例依次為I :6 6 :6，具體的排布方式如圖2所不。以接收光纖為中心,呈雙環(huán)排布，內(nèi)環(huán)為6芯,夕卜環(huán)為12芯,發(fā)射光纖7的6芯排布在外環(huán),發(fā)射光纖8、9各自的6芯在內(nèi)環(huán)與外環(huán)排布比例為3 :3。所述的一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，其特征在于三種不同的波段LED光源,與特定的一分四光纖束相結(jié)合；一分四光纖束的收發(fā)光纖端面相當(dāng)于由三種不同波段窄帶LED組合而成的寬帶光源，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種污染氣體NO2,S02，O3的監(jiān)測。其中，中心波長為280nm的紫外LED光源，用于監(jiān)測大氣中痕量污染氣體03，中心波長為295nm的紫外LED光源，用于監(jiān)測大氣中痕量污染氣體SO2,中心波長為365nm的紫外LED光源，用于監(jiān)測大氣中痕量污染氣體NO2 ；所述的LED光源的發(fā)散角一般很大(120度)，采用球面透鏡，很難達(dá)到較好的聚焦效果，而采用多片透鏡，不但空間結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，而且多片透鏡會(huì)降低光能利用率。該裝置采用非球面單透鏡來提高耦合效率，其對(duì)大視場系統(tǒng)成像質(zhì)量較好，單個(gè)非球面準(zhǔn)確校正了球差，即使薄面也是準(zhǔn)確的球面，使光束準(zhǔn)確地相交于一點(diǎn)，且透鏡變薄，簡化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明三種不同波段紫外LED光源，與一分四光纖束以及非球面單透鏡相結(jié)合，一分四光纖束的收發(fā)光纖端面構(gòu)成了一種由三種不同波段窄帶LED組合而成的寬帶光源，克服了單個(gè)LED由于發(fā)光波段較窄僅能實(shí)現(xiàn)單個(gè)污染氣體監(jiān)測的問題，能夠同時(shí)滿足大氣中多種痕量氣體(如no2，SO2, O3)的監(jiān)測。(2)本發(fā)明采用紫外LED作為光源，與傳統(tǒng)DOAS系統(tǒng)的氙燈，氘燈相比，具有體積小，質(zhì)量輕，壽命長，耗能小，散熱少，使用更安全，更換更簡單，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。從環(huán)保的角度來說，紫外LED更加的環(huán)保、節(jié)能。同時(shí)為今后差分吸收光譜系統(tǒng)向低成本、低功耗、壽命長、易維護(hù)的方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。(3)本發(fā)明采用的非球面單透鏡，其對(duì)大視場系統(tǒng)成像質(zhì)量較好；單個(gè)非球面準(zhǔn)確校正了球差，即使薄面也是準(zhǔn)確的球面，使光束準(zhǔn)確地相交于一點(diǎn)，提高了光耦合效率。(4)本發(fā)明采用多LED與光纖束相結(jié)合，將望遠(yuǎn)鏡簡化為僅由主鏡，光纖束及角反鏡組成，與傳統(tǒng)的Cassegrain望遠(yuǎn)鏡相比，光路更穩(wěn)定，調(diào)整更加的簡單方便，且由光學(xué)元件造成光損耗降低。


圖I為本發(fā)明一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置示意圖；圖2為本發(fā)明一分四光纖束結(jié)構(gòu)不意圖；圖3為本發(fā)明LED前置非球面單透鏡；圖4常規(guī)大氣污染物NO2, SO2, O3的差分吸收結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮選擇合適波段的LED來滿足差分吸收光譜系統(tǒng)測量要求，而且要考慮如何在光學(xué)和光纖設(shè)計(jì)上達(dá)到光的高效耦合，并將多個(gè)LED組合為寬帶光源。本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，如圖I所示，由中心波長依次為365nm，295nm，280nm的三種不同波段的紫外LED 1，2，3，非球面單透鏡4，5，6，以及一分四光纖束7，8，9，10，11組成。紫外LEDl，2，3發(fā)出的光分別經(jīng)非球面單透鏡4，5，6耦合入三根發(fā)射光纖7，8，9，由位于望遠(yuǎn)鏡主鏡14焦平面上的收發(fā)光纖11端面聯(lián)合發(fā)射，至望遠(yuǎn)鏡主鏡14后準(zhǔn)直出射，經(jīng)大氣后，由角反鏡15原路回射，回射光被收發(fā)光纖11端面中心的接收光纖10接收并導(dǎo)入光譜儀12，形成一種多LED組合式寬帶光源。LED光譜呈類高斯型，半高全寬在10_20nm左右。根據(jù)差分吸收光譜技術(shù)反演的要求，單個(gè)LED往往只可滿足一種污染氣體監(jiān)測的要求。本發(fā)明中采用一分四光纖束與多LED相結(jié)合的方案，根據(jù)待測污染物的特征吸收波段分別選擇合適波段的LED，通過一分四光纖束將其組合為寬帶光源。圖4為大氣常規(guī)污染物NO2, SO2, O3的在紫外波段的差分吸收結(jié)構(gòu)示意圖，X軸為波長，單位納米(nm) ；Y軸為氣體的吸收截面,單位平方厘米每分子(cm2/molecule)。參考圖4各氣體的吸收截面，本發(fā)明中所選用的紫外LED分別為中心波長為280nm的紫外LED光源，半高全寬275-285nm，可滿足于大氣痕量氣體O3的監(jiān)測要求；中心波長為295nm的紫外LED光源，半高全寬290-300nm，可滿足于大氣痕量氣體SO2的監(jiān)測要求；中心波長 為365nm的紫外LED光源，半高全寬360_370nm，可滿足于大氣痕量氣體NO2的監(jiān)測要求。如圖2所設(shè)計(jì)的一分四光纖束由一根19芯的收發(fā)光纖11、一根I芯的接收光纖10、三根6芯的發(fā)射光纖7，8，9組成。三根發(fā)射光纖7，8，9依次與中心波長為365nm，295nm,280nm的紫外LED耦合。如此位于主鏡焦平面上的收發(fā)光纖11的端面便構(gòu)成了一種由三種不同波段的窄帶LED組合而成的寬帶光源，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)三種污染氣體NO2, SO2, O3的監(jiān)測。本發(fā)明中所用的紫外LED光源受到現(xiàn)有LED工藝的限制，功率很低，僅為幾十毫瓦到幾瓦，如何在前置聚集透鏡的設(shè)計(jì)上提高光的耦合效率是成功應(yīng)用紫外LED的關(guān)鍵所在。紫外LED光源發(fā)散角一般很大(約120度)，若采用球面透鏡，很難達(dá)到較好的聚焦效果，而采用多片透鏡，不但空間結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，而且多片透鏡會(huì)帶來較多的光損耗。但非球面單透鏡則不同，它的單個(gè)非球面能夠準(zhǔn)確校正球差，即使薄面也是標(biāo)準(zhǔn)的球面，使光束準(zhǔn)確地相交于一點(diǎn)，且透鏡厚度變薄，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所以，采用非球面單透鏡是提高光耦合效率的最佳方式。如圖3示，紫外LED發(fā)出的光束I經(jīng)非球面單透鏡2后聚焦于一點(diǎn)3，聚焦位置3放置發(fā)射光纖。此外，所采用的三種不同波段LED間光強(qiáng)也存在差異，按光強(qiáng)依次遞增排序中心波長為280nm的紫外LED，中心波長為295nm的紫外LED，中心波長為365nm的紫外LED。前兩者是在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，而后者則是前兩者的數(shù)百倍。因此在光纖束的設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮這一點(diǎn)。一分四光纖束由一根19芯的收發(fā)光纖11、一根I芯的接收光纖10、三根6芯的發(fā)射光纖7，8，9組成。三根發(fā)射光纖7，8，9依次與中心波長為365nm，295nm，280nm的紫外LED f禹合。如圖2所不,一根I芯接收光纖10,三根6芯發(fā)射光纖7,8,9在收發(fā)光纖內(nèi)部的分布比例依次為I :6 6 :6。收發(fā)光纖11的端面呈現(xiàn)雙環(huán)結(jié)構(gòu)，以一根I芯接收光纖10為中心，內(nèi)環(huán)為6芯,外環(huán)為12芯,其中，發(fā)射光纖7的6芯均排布在外環(huán),發(fā)射光纖8、9各自的6芯在內(nèi)環(huán)與外環(huán)排布比例均為3 :3。不同LED所對(duì)應(yīng)的發(fā)射光纖在內(nèi)環(huán)和外環(huán)排布的不同會(huì)直接影響到中心光纖所接受到的回射信號(hào)的大小。其中，內(nèi)環(huán)出射的光在接收回射信號(hào)時(shí)更有優(yōu)勢。由于中心波長為280nm的紫外LED和中心波長為295nm的紫外LED光強(qiáng)在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，而中心波長為365nm的紫外LED是它們的數(shù)百倍。因此，在光纖設(shè)計(jì)上，需要優(yōu)先考慮中心波長為280nm的紫外LED和中心波長為295nm的紫外LED的回射信號(hào)大小。收發(fā)光纖11的端面的內(nèi)環(huán)為6芯，則兩者所對(duì)應(yīng)的發(fā)射光纖各占一半，3 :3，其余和中心波長為365nm的紫外LED對(duì)應(yīng)的發(fā)射光纖7 —致，排列在外環(huán)。此外，本發(fā)明裝置所用的LED均為紫外波段，為了減少光在光纖束內(nèi)的傳輸損耗，采用紫外增透石英作為光纖束的材質(zhì)。本發(fā)明所應(yīng)用的差分吸收光譜系統(tǒng)是基于DOAS算法來反演被測氣體濃度。濃度反演時(shí)，需根據(jù)測量得到的大氣譜和燈譜來獲取差分吸收光學(xué)密度。因此，本發(fā)明所述的一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置存在以下兩種工作模式在測大氣模式下，紫外LED發(fā)出的光分別經(jīng)非球面單透鏡耦合入三根發(fā)射光纖7，8，9，由位于望遠(yuǎn)鏡主鏡14焦平面上的收發(fā)光纖11端面聯(lián)合發(fā)射至望遠(yuǎn)鏡主鏡14后準(zhǔn)直出射，經(jīng)大氣后，由角反鏡15原路反射，最后會(huì)聚至收發(fā)光纖11端面的中心光纖10，即接收光纖導(dǎo)入光譜儀12，得到含有大氣吸收的光譜。
在測燈模式下，收發(fā)光纖11前方的漫反射板13升起，收發(fā)光纖11端面發(fā)射的光被漫反射板13反射入收發(fā)光纖11端面中心的接收光纖10導(dǎo)入光譜儀12，獲得不含大氣吸收的“干凈”燈譜。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，其特征在于由三種不同波段的紫外LED光源、三個(gè)非球面單透鏡及一分四光纖束組成；其中所述三種不同的波段紫外LED光源分別是中心波長為280nm的紫外LED光源、中心波長為295nm的紫外LED光源及中心波長為365nm的紫外LED光源；所述中心波長為280nm的紫外LED光源，用于監(jiān)測大氣中痕量污染氣體O3，中心波長為295nm的紫外LED光源，用于監(jiān)測大氣中痕量污染氣體SO2,中心波長為365nm的紫外LED光源，用于監(jiān)測大氣中痕量污染氣體NO2 ;所述一分四光纖束由發(fā)射光纖、接收光纖和收發(fā)光纖三部分組成，其中發(fā)射光纖為三根，分別對(duì)應(yīng)三種不同波段的紫外LED光源,接收光纖和收發(fā)光纖各一根；每根發(fā)射光纖的端面位于各自非球面單透鏡的焦點(diǎn)上，收發(fā)光纖端面位于望遠(yuǎn)鏡主鏡的焦平面上，接收光纖一端位于收發(fā)光纖端面的中心，另一端與光譜儀相連；三種不同波段的紫外LED光源發(fā)出的光分別經(jīng)各自的非球面單透鏡耦合入各自的發(fā)射光纖，由位于望遠(yuǎn)鏡主鏡焦平面上的收發(fā)光纖端面聯(lián)合發(fā)射，后經(jīng)角反鏡回射的光被位于收發(fā)光纖端面中心的接收光纖接收并導(dǎo)入光譜儀，形成一種多LED組合式寬帶光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，其特征在于所述一分四光纖束由一根19芯的收發(fā)光纖、一根I芯的接收光纖、三根6芯的發(fā)射光纖組成；所述三種不同波段的紫外LED光源分別與三根發(fā)射光纖稱合；一根I芯接收光纖，三根6芯發(fā)射光纖在收發(fā)光纖內(nèi)部的分布比例依次為I :6 6 6 ;收發(fā)光纖的端面呈現(xiàn)雙環(huán)結(jié)構(gòu)，以一根I芯接收光纖為中心，內(nèi)環(huán)為6芯，外環(huán)為12芯，其中，一根發(fā)射光纖的6芯均排布在外環(huán),其余兩根發(fā)射光纖各自的6芯在內(nèi)環(huán)與外環(huán)排布比例為3 :3。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，其特征在于所述一分四光纖束的材質(zhì)為紫外增透石英。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，其特征在于所述寬帶光源裝置具有兩種工作模式一是在測大氣模式下，三種不同波段紫外LED發(fā)出的光分別經(jīng)各自的非球面單透鏡耦合入三根發(fā)射光纖，由位于望遠(yuǎn)鏡主鏡焦平面上的收發(fā)光纖端面聯(lián)合發(fā)射至望遠(yuǎn)鏡主鏡后準(zhǔn)直出射，經(jīng)大氣后，由角反鏡原路回射，最后會(huì)聚至收發(fā)光纖端面的中心光纖，即接收光纖導(dǎo)入光譜儀進(jìn)行光譜分析；二是在測燈模式下，收發(fā)光纖端面前方的漫反射板升起，三種不同波段紫外LED發(fā)出的光分別經(jīng)各自的非球面單透鏡耦合入三根發(fā)射光纖，由位于望遠(yuǎn)鏡主鏡焦平面上的收發(fā)光纖端面聯(lián)合發(fā)射至漫反射板后被漫反射入中心光纖，即接收光纖，導(dǎo)入光譜儀，獲得不含大氣吸收的干凈燈譜。
全文摘要
一種應(yīng)用于差分吸收光譜系統(tǒng)的多LED組合式寬帶光源裝置，由三種紫外LED光源，非球面單透鏡，以及一分四光纖束組成。本發(fā)明所用紫外LED具有體積小，質(zhì)量輕，壽命長，功耗少、更換方便等優(yōu)點(diǎn)。此外，LED與一分四光纖束以及非球面單透鏡相結(jié)合，極大地提高了光的利用率，同時(shí)多LED組合式寬帶光源解決了單個(gè)LED譜帶較窄不利于多組分測量的問題，為今后差分吸收光譜系統(tǒng)向低成本、低功耗、壽命長、易維護(hù)的方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01N21/33GK102778439SQ20121021711
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者凌六一, 劉建國, 劉文清, 江宇, 秦敏, 謝品華, 鄭尼娜, 陳嘉樂 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院