[发明专利]一种半导体激光透过率分析系统

说明书

技术领域

本发明涉及光电分析系统，特别涉及一种通过测量激光束透过率来分析获得被测参数的半导体激光透过率分析系统。

背景技术

通过测量激光束透过率来分析获得被测参数的半导体激光分析技术应用领域广泛，例如半导体激光吸收光谱分析技术可以用于分析气体、液体中化学成分浓度，还可以分析气体温度和速度等，又例如还可以通过分析测量激光束透过率来分析粉尘浓度。下面以气体浓度分析为例介绍其应用。半导体激光吸收光谱气体分析技术是一种高灵敏度气体分析技术。半导体激光器发射出的特定频率的光束穿过被测气体时，被测气体的吸收谱线对光束能量的吸收导致光强度衰减，光强吸收可由Beer-Lambert关系描述：

I_v＝I_v，0T(v)＝I_v，0 exp[-S(T)g(v-v₀)PXL]

I_v，0和I_v分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P、浓度X和光程L的气体后的光强，S(T)表示气体吸收谱线的谱线强度，线形函数g(v-v₀)表征该吸收谱线的形状。由Beer-Lambert关系可知，光强度的衰减与被测气体含量、温度、压力等相关，因此，通过测量光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的相关参数。

半导体激光器的输出光波长具有可调谐性。半导体激光吸收光谱气体分析技术通常采用DFB、VCSEL等单模半导体激光器，通常通过给这些激光器注入一定频率的锯齿波电流使光波长扫描过整条吸收谱线来获得完整的高分辨率单线吸收光谱数据。对于常压环境中的应用，如图1所示，单模半导体激光的谱宽(通常小于几十MHz)远小于被测气体单吸收谱线的宽度，激光器的波长调制扫描范围也仅包含被测气体的单吸收谱线，将其它气体的谱线排除在外，成功避免了测量环境中背景气体的交叉干扰。

在很多应用场合，分析系统需要安装在易燃易爆环境中，如含有一氧化碳或氢气等危险气体的工作区内。在这些场合就需要对分析系统做好防爆设计，并取得防爆认证。防爆设计有多种方式，如正压防爆、隔爆、本安防爆等。由于隔爆具有可靠性高、应用方便等优越性，获得非常广泛的应用。

如图2所示，一种半导体激光吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元1、光接收单元2和信号分析单元3，所述光发射单元1和光接收单元2安装在被测气体4的两侧。所述光发射单元包括半导体激光器11、会聚透镜12和玻璃窗片13；所述光接收单元2包括会聚透镜20、光接收器件21和玻璃窗片22。当所述分析系统需要防爆时，所述玻璃窗片13、22使用钢化玻璃，而且为了满足隔爆面大小的需要，钢化玻璃13、22的直径较大；同时很多在位测量应用也需要大孔径的光束来降低被测气体中颗粒物散射对测量光产生的不均匀衰减，所以会聚透镜12和会聚透镜20的直径较大。

所述分析系统的工作过程如下：所述半导体激光器11发光，经过光发射单元1中的会聚透镜12会聚成平行光，之后经过玻璃窗片13穿过被测气体4，穿过被测气体4的光在穿过光接收单元2中的玻璃窗片22后再经过会聚透镜20会聚，之后被所述光接收器件21接收，而接收信号送信号分析单元3分析，从而得到被测气体4的浓度等。