一種同光軸收發(fā)一體式遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用激光測試材料在特定元素或分子的特征波長下的吸收光譜術(shù)，具體涉及空氣的激光吸收光譜術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)是在戶外環(huán)境工作，而且探測距離較遠(yuǎn)，需要在光路運行方式和光路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上采取相應(yīng)有效的技術(shù)路徑及措施，以能保持探測光路長時間穩(wěn)定運行。目前用于環(huán)境氣體探測的具備特定波長掃描并可鎖定的單模半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的輸出功率很小，通常只有幾個毫瓦的可用激光功率，因此，優(yōu)化激光發(fā)射、反射與接收的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其性能指標(biāo)，提高探測激光信號的幅值水平，都是激光探測裝置需要解決的設(shè)計研制問題。另外，現(xiàn)有的遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)中，激光發(fā)射與接收裝置的保護(hù)筒窗鏡均為一塊傾斜放置的平面窗鏡，明顯存在下述不足:由于單窗鏡也是傾斜放置的，以避免鏡面反射光對主光路形成干擾，而準(zhǔn)直激光束經(jīng)過單窗鏡時會產(chǎn)生折射和光軸偏移，需要在安裝窗鏡保護(hù)筒的過程中反復(fù)校準(zhǔn)光路，給遠(yuǎn)光程探測光路的調(diào)整帶來很大的不便與困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種同光軸收發(fā)一體式遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，而且具有安裝校準(zhǔn)方便的優(yōu)點。
[0004]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):本同光軸收發(fā)一體式遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一體式激光發(fā)射與接收裝置和放置在該裝置探測光程另一端的角錐反射鏡組成，所述的一體式激光發(fā)射與接收裝置包括光纖激光出射端口、準(zhǔn)直透鏡、雙窗鏡、菲涅爾透鏡、探測器和雙窗鏡保護(hù)筒；其中，
[0005]所述光纖激光出射端口穿越菲涅爾透鏡的中心，通過光纖激光出射端口輸入的激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后穿越雙窗鏡保護(hù)筒內(nèi)的雙窗鏡射出，經(jīng)過一段開放的大氣到達(dá)角錐反射鏡后被反射，并按原方向返回；返回光攜帶著大氣中目標(biāo)氣體的光譜信息透過雙窗鏡由菲涅爾透鏡聚焦到探測器上，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出；
[0006]所述雙窗鏡安裝在雙窗鏡保護(hù)筒面朝角錐反射鏡的一頭，并由兩塊左右對稱傾斜放置的平面窗鏡構(gòu)成，且兩塊平面窗鏡的對稱軸與準(zhǔn)直透鏡所發(fā)出光束的光軸垂直；其中所述兩塊平面窗鏡之間的夾角為30-40°。
[0007]所述兩塊平面窗鏡之間形成開口朝上的V字形結(jié)構(gòu)。
[0008]所述兩塊平面窗鏡之間形成開口朝下的八字形結(jié)構(gòu)。
[0009]所述的一體式激光發(fā)射與接收裝置具有一收發(fā)腔，該收發(fā)腔由橫截面為倒U形的罩殼、前端板、后端板和底板圍成，其中，所述的前端板和后端板設(shè)在所述罩殼的兩頭，保護(hù)筒與前端板固定連接，菲涅爾透鏡通過透鏡壓圈安裝在前端板的中部，所述底板設(shè)在所述罩殼下部的開口上；所述收發(fā)腔的中間設(shè)有一個隔板，隔板上安裝有轉(zhuǎn)接光纖法蘭和可調(diào)光闌，菲涅爾透鏡聚焦的光束穿過可調(diào)光闌到達(dá)探測器。
[0010]本發(fā)明上述方案中的雙窗鏡可在每一平面窗鏡的正反表面鍍增透膜，以降低透光損耗。采取上述措施的單塊平面窗鏡的光透過率可達(dá)99%，組成雙塊窗鏡后的透過率也達(dá)到 98%。
[0011]本發(fā)明激光探測系統(tǒng)的用途及其工作原理:
[0012]開放空間環(huán)境氣體近紅外吸收光譜監(jiān)測儀器，是基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)設(shè)計研制而成，運用對應(yīng)的特定波長激光和吸收光譜技術(shù)，可以準(zhǔn)確靈敏長效地探測目標(biāo)氣體的濃度等參數(shù)，可以應(yīng)用于溫室氣體的在線監(jiān)測、天然氣輸運管道泄漏的在線監(jiān)測預(yù)警、農(nóng)田氨氣排放的在線監(jiān)測等方面。
[0013]吸收光譜監(jiān)測儀器一般由主機系統(tǒng)和激光探測系統(tǒng)兩大部分組成。主機系統(tǒng)包含激光器光源、輸出激光調(diào)制以及光譜電信號的數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等方面，激光探測系統(tǒng)為監(jiān)測儀的外光路系統(tǒng)，它包含輸入激光的光纖耦合傳輸，激光束的準(zhǔn)直與發(fā)射、探測區(qū)合作目標(biāo)(角反射鏡裝置)的激光反射、返回激光束的接收聚焦、光譜光信號的探測和光譜電信號的輸出等方面。主機系統(tǒng)是在室內(nèi)工作，激光探測系統(tǒng)是在戶外環(huán)境工作，兩者經(jīng)由光纖、電纜互聯(lián)。
[0014]本激光探測裝置采用收發(fā)一體式的光路運行結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直透鏡、菲涅爾透鏡、輸入激光的光纖耦合傳輸以及探測器，集成安裝于收發(fā)腔體的前端板和底面板上，并且保持同光軸的結(jié)構(gòu)關(guān)系，借助對面端設(shè)置的角錐反射鏡裝置，可將到達(dá)的發(fā)射光束予以反射，并沿原光路主軸方向返回，在目標(biāo)氣體探測距離內(nèi)形成往返疊加吸收光路，有所擴(kuò)展的返回光束經(jīng)由菲涅爾透鏡聚焦至探測器，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。
[0015]由光纖耦合傳輸導(dǎo)入的激光輸出端光束為發(fā)散光束，不能直接用于遠(yuǎn)距離探測，需要通過透鏡收斂準(zhǔn)直成發(fā)散角小的細(xì)直光束，方可用于遠(yuǎn)距離激光探測。在激光收發(fā)腔體的前置窗鏡筒中，采用的斜置對稱型雙鏡窗鏡構(gòu)型，是運用其折射角互補原理設(shè)計而成，既可保持單向通過光束以及往返通過光束的同軸性，也可保持收發(fā)光路調(diào)整過程中的同一性。
[0016]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果:
[0017]與現(xiàn)有的單窗鏡保護(hù)筒相比，本發(fā)明由兩塊左右對稱傾斜放置的平面窗鏡構(gòu)成的雙窗鏡保護(hù)筒，運用其折射角互補原理，既可保持單向通過光束以及往返通過光束的同軸性，又可保持探測光路調(diào)整過程中的同一性。因此，本發(fā)明的雙窗鏡結(jié)構(gòu)技術(shù)不僅不需要窗鏡的校準(zhǔn)機構(gòu)，而且在安裝窗鏡保護(hù)筒的過程中也無需反復(fù)校準(zhǔn)。
【附圖說明】
[0018]圖1是實施例1的同光軸收發(fā)一體式遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)的光路圖。
[0019]圖2-圖6是探測裝置的結(jié)構(gòu)圖。其中，圖2是激光發(fā)射與接收裝置結(jié)構(gòu)圖。圖3為角錐反射鏡裝置結(jié)構(gòu)圖。圖4為圖2的準(zhǔn)直發(fā)射器的放大圖。圖5為圖2的激光收發(fā)腔體前端板內(nèi)側(cè)面的正面圖。圖6為圖2探測器的可調(diào)支架結(jié)構(gòu)圖。圖7是圖3的角錐反射鏡的零件圖。
[0020]圖8是實施例2的激光發(fā)射與接收裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖中標(biāo)號及名稱如下:
[0022]I罩殼的外罩，2罩殼的后端板，3端面板橫撐桿(兩根對稱安裝)，4探測器，5可調(diào)光闌，6罩殼的后罩殼，7隔板，8罩殼的前罩殼，9光纖跳線及光纖法蘭，10罩殼的前端板，11菲涅爾透鏡，12準(zhǔn)直透鏡，13保護(hù)筒的外筒，14平面窗鏡，15雙鏡框座筒，16壓環(huán)筒，17螺紋固定壓環(huán)，18定位螺釘，19罩殼的底板，20固定橫桿(兩根對稱安裝)，21罩殼的底座，22俯仰角調(diào)節(jié)螺栓，23水平角調(diào)節(jié)旋鈕，24轉(zhuǎn)接光纖法蘭，25底板孔接口及外套管，26電信號輸出線轉(zhuǎn)接座，27激光輸入光纖，28電信號輸出引線，29角鏡筒的外罩，30角鏡壓圈，31角錐反射鏡，32角鏡筒，33角鏡筒后蓋，34角鏡筒立板，35角鏡筒底板，36支撐座連接板，37支撐座底面板，38支撐座側(cè)面板，39角度調(diào)節(jié)弧形孔槽，40角度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動軸，41螺紋連接套管，42螺紋頂絲，43透鏡框管，44壓圈，45準(zhǔn)直發(fā)射器固定支座，46固定支座大螺孔，47透鏡壓圈，48橫撐桿固定用沉孔，49保護(hù)筒固定用螺孔，50罩殼的底板固定用沉孔，51支架底板，52支架立板，53固定夾板，54平移調(diào)節(jié)板，55角錐反射鏡的臺肩。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0024]實施例1:
[0025]如圖1-圖7所示的同光軸收發(fā)一體式遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一體式激光發(fā)射與接收裝置和放置在該裝置探測光程另一端的角錐反射鏡31組成，一體式激光發(fā)射與接收裝置包括光纖激光出射端口、準(zhǔn)直透鏡12、雙窗鏡、菲涅爾透鏡11、探測器4和雙窗鏡保護(hù)筒；其中，
[0026]光纖激光出射端口穿越菲涅爾透鏡11的中心，通過光纖激光出射端口輸入的激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡12準(zhǔn)直后穿越雙窗鏡保護(hù)筒內(nèi)的雙窗鏡射出，經(jīng)過一段開放的大氣到達(dá)角錐反射鏡31后被反射，并按原方向返回；返回光攜帶著大氣中目標(biāo)氣體的光譜信息透過雙窗鏡由菲涅爾透鏡11聚焦到探測器4上，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出；
[0027]雙窗鏡安裝在雙窗鏡保護(hù)筒面朝角錐反射鏡31的一頭，且其對稱軸與準(zhǔn)直透鏡12所發(fā)出光束的光軸垂直；所述雙窗鏡由兩塊左右對稱傾斜放置的平面窗鏡14構(gòu)成，其中所述兩塊平面窗鏡14之間的夾角為30°。
[0028]兩塊平面窗鏡14之間形成開口朝上的V字形結(jié)構(gòu)。
[0029]一體式激光發(fā)射與接收裝置具有一收發(fā)腔，該收發(fā)腔由橫截面為倒U形的罩殼、前端板10、后端板2和底板19圍成，其中，所述的前端板10和后端板2設(shè)在所述罩殼的兩頭，雙窗鏡保護(hù)筒與前端板10固定連接，菲涅爾透鏡11通過透鏡壓圈47安裝在罩殼的前端板10的中部，底板19設(shè)在所述罩殼下部的開口上；所述收發(fā)腔的中間設(shè)有一個隔板7，隔板7上安裝有轉(zhuǎn)接光纖法蘭24和可調(diào)光闌5，菲涅爾透鏡11聚焦的光束穿過可調(diào)光闌5到達(dá)探測器4。
[0030]根據(jù)激光功率很小、探測距離較遠(yuǎn)等特點要求，本裝置創(chuàng)建設(shè)計成準(zhǔn)直細(xì)光束激光發(fā)射和同光軸收發(fā)一體式的新型探測光路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。與激光云高儀等類的激光收發(fā)一體式裝置的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同，單光軸的激光云高儀是采用寬光束激光發(fā)射與接收，共用一塊準(zhǔn)直、接收透鏡，并且光路中需要借助于反射鏡折反光路，用于信號探測，光路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜些。云高儀所用的半導(dǎo)體激光器的激光功率則要大得多，可以實現(xiàn)長焦距激光準(zhǔn)直、寬光束發(fā)射與接收，它的激光探測也無需角反射鏡合作目標(biāo)，使用過程中也無需紅光激光預(yù)調(diào)。而本探測裝置需要針對合作目標(biāo)進(jìn)行紅光預(yù)調(diào)和近紅外光實調(diào)，因而在相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上形成一定的獨特之處。
[0031]與通常雙筒式(發(fā)射與接收光筒分離)收發(fā)一體化激光探測裝置不同，本設(shè)計形成的同光軸單筒式收發(fā)一體化激光探測裝置，不僅光路結(jié)構(gòu)單一緊湊，裝置體積有所減小，而且光路結(jié)構(gòu)的裝調(diào)也相對簡化方便。
[0032]下面對本實施例激光探測裝置進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0033]本同光軸收發(fā)一體式遠(yuǎn)光程激光探測系統(tǒng)，探測距離可達(dá)1.5千米，可用于甲烷、二氧化碳、硫化氫、氨氣、水汽等環(huán)境生態(tài)氣體的在線監(jiān)測。。
[0034]1.光路系統(tǒng)工作流程
[0035]圖1、圖2和圖3所示。由吸收光譜監(jiān)測儀的主機系統(tǒng)輸出的調(diào)制激光，通過單模的激光輸入光纖27傳輸進(jìn)入激光收發(fā)腔體，經(jīng)光纖轉(zhuǎn)接法蘭24轉(zhuǎn)接，再經(jīng)單模的光纖跳線及光纖法蘭9導(dǎo)入激光準(zhǔn)直器，通過準(zhǔn)直透鏡12形成準(zhǔn)直激光束發(fā)射。發(fā)射激光束通過保護(hù)筒的兩個窗鏡14后可保持主光軸方向不變。發(fā)射光束到達(dá)探測區(qū)對面端裝置的角錐反射鏡31后形成反射光束，且沿原光路主軸方向返回。有所擴(kuò)展的返回光束再次通過保護(hù)筒2個窗鏡后保持主光軸方向不變，經(jīng)由菲涅爾透鏡11聚焦至探測器4，探測光譜光信號，輸出光譜電信號，輸出信號通過電信號輸出引線28、電信號輸出線轉(zhuǎn)接座26和底板孔接口及外套