一種光程氣室的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于氣體傳感的光程氣室，尤其涉及穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的光程氣室，可用于氣體傳感所需的參考?xì)馐一蛱綔y氣室。該光程氣室易于光路調(diào)節(jié)，具有插入損耗小和溫度、機(jī)械穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]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。現(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。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用一對(duì)帶尾纖的光準(zhǔn)直器發(fā)射和接收激光束，光準(zhǔn)直器之間的氣體對(duì)激光束產(chǎn)生特定的吸收譜線，由于許多危險(xiǎn)氣體在近紅外波段的吸收峰較弱，通常需要激光通過一定的光程氣室才能產(chǎn)生可以探測的吸收譜線，故要求一對(duì)光準(zhǔn)直器之間的距離足夠長，如10-50mm，這就要求氣室具有較高的光學(xué)穩(wěn)定性。
[0004]圖1表示現(xiàn)有技術(shù)中光準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)，柱狀的準(zhǔn)直透鏡(102)與尾纖(103)同軸封裝于外套管(101)中，出于避免回波的需要，準(zhǔn)直透鏡和尾纖相對(duì)的一面需要斜面拋角(105、104)，一般為6-15度，使得光準(zhǔn)直器(100)的光學(xué)系統(tǒng)在光學(xué)上不再同軸，準(zhǔn)直后的光束(106)與光準(zhǔn)直器的機(jī)械軸(107)產(chǎn)生一個(gè)偏離角(108)。偏離角的存在使得一對(duì)光準(zhǔn)直器之間進(jìn)行光束耦合時(shí)，需要對(duì)至少一個(gè)光準(zhǔn)直器進(jìn)行角度和位置的精細(xì)調(diào)節(jié)，這就要求封裝結(jié)構(gòu)上留有一定的冗余空間以利于調(diào)整，冗余空間的存在對(duì)光準(zhǔn)直器之間的光束耦合穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，在溫度變化或機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況下，光準(zhǔn)直器間的光束耦合效率將下降。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，如中國專利201020675598.1披露了一種光程氣室的光學(xué)封裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在封裝基底(201)上開有一個(gè)凹槽(202)，光準(zhǔn)直器(203)放置于所述凹槽中，一對(duì)拐角支架(204)緊貼在封裝基底和光準(zhǔn)直器上，用激光焊接固定。該結(jié)構(gòu)充分減小了冗余空間，具有一定的光學(xué)穩(wěn)定性，但該結(jié)構(gòu)除有封裝工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)外，由于封裝結(jié)構(gòu)(拐角支架、封裝基底)相對(duì)于光準(zhǔn)直器不具有對(duì)稱性，光束耦合效率對(duì)溫度和機(jī)械應(yīng)力的變化仍舊敏感。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，如中國專利201310419011.9披露了另外一種光程氣室的光學(xué)封裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示，一對(duì)尾纖(303)通過一對(duì)法蘭盤(302)固定在封裝基底(301)上，尾纖固定后不能調(diào)節(jié)，光路的調(diào)節(jié)是通過準(zhǔn)直透鏡(304)相對(duì)于尾纖在x-y平面內(nèi)的相對(duì)位置調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，光路調(diào)整完成后，在準(zhǔn)直透鏡與尾纖之間使用粘膠劑粘接。該結(jié)構(gòu)也避免了較大的冗余空間，但要求透鏡的焦距和長度具有很高的精度，否則，在z軸上準(zhǔn)直透鏡與尾纖之間要么沒有足夠的空間調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置，要么空間太大使得準(zhǔn)直透鏡與尾纖之間的粘膠劑太厚，較厚的粘膠劑在固化過程中以及在濕熱環(huán)境下的形變對(duì)光束耦合效率都有影響。
[0007]因此，一種具有穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的光程氣室是迫切需要的。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]針對(duì)光程氣室現(xiàn)有封裝技術(shù)的不穩(wěn)定性問題，本實(shí)用新型提供了一種具有穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的光程氣室，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。
[0009]如圖4所示，本實(shí)用新型提供的具有穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的長光程氣室(400)，包含:
[00?0] 1.—個(gè)輸入尾纖(402)，具有外徑Rl，用于輸入光束；
[0011]2.—個(gè)輸出尾纖(403)，具有外徑Rl，用于輸出光束；
[0012]3.—個(gè)輸入準(zhǔn)直透鏡(404)，具有外徑R2，將來自所述輸入尾纖的光束準(zhǔn)直；
[0013]4.一個(gè)輸出準(zhǔn)直透鏡(405)，具有外徑R2，接受準(zhǔn)直光束并聚焦到所述輸出尾纖；
[0014]5.—個(gè)套筒(401)，具有內(nèi)徑R3;
[0015]6.—對(duì)套環(huán)(406、407)，具有內(nèi)徑 R4。
[0016]所述輸入和輸出準(zhǔn)直透鏡的外徑R2略小于所述套筒的內(nèi)徑R3，并套于其中，用粘膠劑粘接;所述輸入和輸出尾纖的外徑Rl略小于所述套環(huán)的內(nèi)徑R4，并套于其中，用粘膠劑粘接;所述套環(huán)(406、407)通過端面與所述套筒用粘膠劑粘接。
[0017]出于光路的穩(wěn)定性考慮，粘膠劑的使用越薄越好，在優(yōu)選的情況下，R2小于R3約5到20微米，Rl小于R4約5到20微米。
[0018]光束耦合要求聚焦到輸出尾纖(403)的高斯光束與其光纖波導(dǎo)模場匹配，要求聚焦的高斯光束模場大小，x、y、z方向的位置，以及入射到光纖的兩個(gè)方向角匹配，共6個(gè)參數(shù)。本實(shí)用新型提供的光程氣室光學(xué)結(jié)構(gòu)，在未使用粘膠劑前，輸入與輸出尾纖在x、y、z三個(gè)方向上可調(diào)，共6個(gè)自由度，滿足6個(gè)參數(shù)的匹配要求，可以將耦合效率最大化。另外，由于套環(huán)與尾纖之間的套合關(guān)系，以及套環(huán)與套筒之間的端面緊貼關(guān)系，在允許光路調(diào)整所需要的自由度的同時(shí)，保障了冗余空間的最小化，使光程氣室的光學(xué)穩(wěn)定性最優(yōu)。
[0019]在氣體傳感應(yīng)用中，需要兩種光程氣室，一種是參考?xì)馐?，一種是探測氣室。針對(duì)參考?xì)馐?，套?401)內(nèi)需要密封特定的參考?xì)怏w，套筒上開有至少一個(gè)灌氣口，并在特定氣體灌入后，使用密封膠將灌氣口密封;針對(duì)探測氣室，套筒(401)內(nèi)需要多個(gè)交換氣口，以利于環(huán)境氣體與腔室(408)內(nèi)氣體進(jìn)行交換。圖4中，未將灌氣口或交換氣口畫出。
[0020]為避免回波，在輸入和輸出尾纖上通常有一個(gè)斜面拋角，使界面的菲涅耳反射的光線不能進(jìn)入光纖，斜面拋角一般為6-15度。
[0021]在輸入和輸出準(zhǔn)直透鏡的選擇方面，如圖5所示，可以采用具有斜面拋角的梯度折射率透鏡(501)，或者一邊為斜面拋角、一邊為部分球面的C-透鏡(502)，或者兩邊都為部分球面的D-透鏡(503)，三者都為柱狀體。輸入和輸出準(zhǔn)直透鏡斜面拋角與輸入和輸出尾纖的斜面拋角相對(duì)，一般情況下大小也接近，為6-15度。
[0022]所述套筒和套環(huán)可采用與準(zhǔn)直透鏡材料熱膨脹系數(shù)相近的材料，如高硼硅玻璃、金屬如可伐或不銹鋼。
[0023]進(jìn)一步地，輸出準(zhǔn)直透鏡和輸出尾纖可用一個(gè)光探測器代替，以直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，針對(duì)這種情況，本實(shí)用新型還提供了一種光程氣室，如圖6所示，包含
[0024]1.—個(gè)輸入尾纖(602)，具有外徑Rl，用于輸入光束；
[0025]2.一個(gè)光探測器(603)，用于接收光束；
[0026]3.—個(gè)輸入準(zhǔn)直透鏡(604)，具有外徑R2，將來自所述輸入尾纖的光束準(zhǔn)直；
[0027]4.一個(gè)套筒(601)，具有內(nèi)徑R3;
[0028]5.第一套環(huán)(606)，具有內(nèi)徑R4;
[0029]6.第二套環(huán)(607)。
[0030]所述輸入準(zhǔn)直透鏡的外徑R2略小于所述套筒的內(nèi)徑R3，并套于其中，用粘膠劑粘接;所述輸入尾纖的外徑Rl略小于所述第一套環(huán)的內(nèi)徑R4，并套于其中，用粘膠劑粘接;所述光探測器(603)固定在所述第二套環(huán)(607)上;所述第一和第二套環(huán)(606、607)通過端面與所述套筒用粘膠劑粘接。
[0031]為避免回波，所述輸入尾纖和輸入準(zhǔn)直透鏡相對(duì)一面各有一個(gè)斜面拋角，為6-15度。
[0032]出于光路的穩(wěn)定性考慮，粘膠劑的使用越薄越好，在優(yōu)選的情況下，R2小于R3約5到20微米，Rl小于R4約5到20微米。
[0033]光束耦合要求聚焦到光探測器(603)上的高斯光束在x、y、z方向的位置，以及入射方向角匹配，共5個(gè)參數(shù)。本實(shí)用新型提供的光程氣室光學(xué)結(jié)構(gòu)，在未使用粘膠劑前，輸入尾纖在x、y、z三個(gè)方向上可調(diào)，光探測器與第二套環(huán)在x、y兩個(gè)方向上可調(diào)，共5個(gè)自由度，滿足5個(gè)參數(shù)的匹配要求，可以將耦合效率最大化。另外，由于套環(huán)與尾纖之間的套合關(guān)系，以及套環(huán)與套筒之間的端面緊貼關(guān)系，在允許光路調(diào)整所需要的自由度的同時(shí)，保障了冗余空間的最小化，使光程氣室的光學(xué)穩(wěn)定性最優(yōu)。
[0034]與前述同，針對(duì)參考?xì)馐遥淄?601)上開有至少一個(gè)灌氣口以利于特定參考?xì)怏w的灌入密封;針對(duì)探測氣室，套筒(601)上開有多個(gè)交換氣口，以利于環(huán)境氣體與腔室(608)內(nèi)氣體進(jìn)行交換。圖6中，未將灌氣口或交換氣口畫出。
[0035]在輸入準(zhǔn)直透鏡的選擇方面，與如圖5所示同，可以采用具有斜面拋角的梯度折射率透鏡(501)，或者一邊為斜面拋角、一邊為部分球面的C-透鏡(502)，或者兩邊都為部分球面的D-透鏡(503)，三者都為柱狀體。
[0036]如圖7所示，所述光探測器(7