塵埃粒子的半導(dǎo)體激光散射測(cè)量

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1、第卷第期中國激光，年月，文章編號(hào)：（）塵埃粒子的半導(dǎo)體激光散射測(cè)量黃惠杰，趙永凱，任冰強(qiáng)，程兆谷，杜龍龍，路敦武（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海）提要以半導(dǎo)體激光為光源，建立了一個(gè)可以實(shí)時(shí)測(cè)量空氣中塵埃粒子的尺寸與顆粒數(shù)濃度的光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)散射理論，計(jì)算了該光學(xué)系統(tǒng)的光散射響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度、計(jì)數(shù)效率和計(jì)數(shù)重復(fù)性，適用于潔凈度檢測(cè)和環(huán)境空氣中塵埃粒子的粒徑分布測(cè)量。關(guān)鍵詞光散射，粒子尺寸測(cè)量，粒子濃度測(cè)量中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼，，，，，（，，），，，，引言算了該系統(tǒng)的光散射響應(yīng)特性，并實(shí)測(cè)了該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)?；趬m埃粒子在光束中產(chǎn)

2、生的散射現(xiàn)象為原理的光學(xué)塵埃粒子計(jì)數(shù)器，因其可實(shí)時(shí)測(cè)量空氣中塵光學(xué)系統(tǒng)埃粒子的尺寸和顆粒數(shù)濃度，所以在潔凈環(huán)境潔凈度檢測(cè)、空氣懸浮顆粒物監(jiān)測(cè)、氣溶膠研究等方面得光學(xué)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的光學(xué)系統(tǒng)主要由照明系到廣泛應(yīng)用［"］。隨著激光器的不斷發(fā)展，光學(xué)塵統(tǒng)、散射光收集系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)組成，三者的相交區(qū)埃粒子計(jì)數(shù)器的光源由最初的白熾燈、氣體激光器域?yàn)楣饷舾袇^(qū)。我們?cè)O(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)如圖所示，（主要是激光器），發(fā)展到了現(xiàn)在的半導(dǎo)體激這是一個(gè)直角散射光學(xué)系統(tǒng)，即照明系統(tǒng)光軸、散射光器。光源的不斷更新促進(jìn)了光學(xué)塵埃粒子計(jì)數(shù)器光收集系統(tǒng)光軸和氣路系統(tǒng)軸線相交于光敏感區(qū)中性能的不斷提高，尤其是半

3、導(dǎo)體激光器的應(yīng)用，不僅心且兩兩垂直。直角散射光學(xué)系統(tǒng)因可以很好地阻使光學(xué)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的探測(cè)靈敏度、計(jì)數(shù)效率、可止來自照明系統(tǒng)的雜光進(jìn)入散射光收集系統(tǒng)而獲得靠性等技術(shù)指標(biāo)得到了大幅度的提高，同時(shí)也使其較高的信噪比，所以在光學(xué)塵埃粒子計(jì)數(shù)器中應(yīng)用向著小型化、甚至微型化的方向發(fā)展。較多［"］。本文報(bào)道以半導(dǎo)體激光器為光源而建立的激光照明系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直鏡、柱面聚塵埃粒子計(jì)數(shù)器的光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)散射理論計(jì)焦鏡和光陷阱組成。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)收稿日期：；收到修改稿日期：作者簡(jiǎn)介：黃惠杰（—），男，江蘇通州人，研究員，碩士，主要從事激光應(yīng)用工程與儀器研究。：!l

4、ll8中國激光29卷準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，被柱面聚焦鏡一維聚焦于光敏感區(qū)，時(shí)產(chǎn)生與其尺寸成比例的散射光，一定立體角范圍焦線位于照明系統(tǒng)光軸和散射光收集系統(tǒng)光軸組成內(nèi)的散射光被球面反射鏡反射后變成平行光，經(jīng)聚的平面內(nèi)，且垂直于氣流方向。激光束穿過光敏感焦鏡聚焦于矩形光闌處，穿過矩形光闌后進(jìn)入光電區(qū)后進(jìn)入光陷阱，并被光陷阱吸收掉。散射光收集倍增管，光電倍增管輸出一個(gè)幅度與粒子尺寸成比系統(tǒng)主要由球面反射鏡、聚焦鏡、矩形光闌和光電倍例的脈沖信號(hào)，經(jīng)后續(xù)電路放大、甄別、計(jì)數(shù)后得到被測(cè)空氣中各種粒徑塵埃粒子的顆粒數(shù)濃度。為了保證采樣氣流中的所有粒子通過光敏感區(qū)而不被漏測(cè)，進(jìn)氣嘴出口的直徑應(yīng)

5、小于光敏感區(qū)激光焦線長度，且在采樣氣流外加上了環(huán)形潔凈氣套。表l給出本光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)。3計(jì)算結(jié)果一般情況下，光學(xué)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于直徑為的單個(gè)均勻球形粒子的散射光通量正比于下式［9，l0］（，）!（2／82）［（，，）l2（，，）］（）（）（，）ddd（l）圖l光學(xué)系統(tǒng)原理圖式中，為粒子的復(fù)折射率，虛部表示粒子對(duì)入射l：激光二極管；2：準(zhǔn)直透鏡；3：柱面聚焦鏡；4：探測(cè)區(qū)；5：光陷阱；光有吸收；／，為粒子的尺寸參數(shù)；為散射6：球面鏡；7：聚焦透鏡；8：矩形光闌；9：光電倍增管；l0：氣溶膠入角，是散射光線相對(duì)于照明光線的夾角；（，，口；ll：氣溶膠出口

6、lFig.lDiagramofthelaser-diodebasedopticalsystem）和2（，，）是角方向上的Mie散射強(qiáng)度函l：laserdiode；2：collimationlens；3：cylindricalfocusinglens；4：數(shù)，分別表示平行于和垂直于照明系統(tǒng)光軸和散射sensitivevolume；5：lighttrap；6：sphericalmirror；7：focusing光收集系統(tǒng)組成的平面的兩個(gè)偏轉(zhuǎn)分量；（）和lens；8：rectangularfieldslit；9：photomultipliertube；l0：aerosol（）

7、分別為光源的光譜強(qiáng)度和光電探測(cè)器的光譜inlet；ll：aerosoloutlet靈敏度；（，）是光學(xué)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)因子，與照明系統(tǒng)和散射光收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，為照表光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)明光線與散射光收集系統(tǒng)光軸的夾角，對(duì)于照明系統(tǒng)光軸與散射光收集系統(tǒng)光軸夾角為的側(cè)向式散Lightsourcel0mWlaserdiodeat650nm射光收集系統(tǒng)，（，）4sinsincos-l［（cosCylindricalfocusinglens=70mm，DOF=l.6mmcoscos）／sinsin］cos-l［（coscoscos）／sins