[发明专利]分子气体激光器腔内气体温度监控装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是监控气体温度的装置，特别是一种基于分子光谱来监控放电等离子气体温度的装置及方法。本发明尤其适用于分子气体激光器腔内气体温度监控。

背景技术

分子气体激光器，例如CO₂激光器、N₂激光器以及准分子激光器，在工业、军事、医疗、科研等领域都有着广泛的应用。分子气体激光器几乎都采用放电泵浦的方式将能量注入，所以放电质量的好坏对于激光器的性能尤为重要。而一方面，放电过程中气体的温度是影响放电质量好坏的重要因素；另一方面，气体的温度也是放电质量好坏的重要评价标准。特别是放电的崩溃(由辉光放电转化成弧光放电)，一方面气体温度过高是它的成因之一，另一方面弧光放电过程中气体温度也明显高于辉光放电中的气体温度。所以在分子气体激光器工作时实时监控气体温度极为重要。

传统的气体激光器温度监控装置多采用热电偶温度传感器或热敏电阻传感器。热电偶温度传感器是由一端连接的两根不同材质的金属线构成，当一端受热时，电路中就会产生电势差，从而得到环境温度。它的优势是简单方便、无需供电且适合宽温度范围和各种大气环境。热敏电阻温度传感器实际上是热敏的半导体材料，它的电阻值会随着温度的变化而变化。它体积小、敏感度高。而新兴的温度传感方式有光纤光栅传感，它是利用温度变化造成的光纤光栅热变形，使光纤中的反射光产生中心波长位移，从而探测环境温度。它响应速度快，不受电磁干扰的影响。

但这些温度传感器存在的最根本的问题是，它只能放置在激光器腔内非放电区域。因为这些传感器如果放置在放电区域势必会对放电稳定性产生影响；同时传统的传感器更是会受放电电磁干扰的影响。这样，传感器获得的是腔内气体的平均温度而不是放电过程中的气体温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分子气体激光器腔内气体温度监控装置及其方法，本发明能够简单而准确地监控分子气体激光器放电区域气体温度，信号的后续处理也相对简单。

本发明提供的一种分子气体激光器腔内气体温度监控装置，其特征在于，该装置包括收集镜、光谱仪、CCD相机以及计算机；CCD相机接驳在光谱仪上，CCD相机和光谱仪均与计算机电连接，光谱仪的狭缝上安装有光纤探头，计算机用于对光谱数据依次进行位置校正、强度校正、归一化、拟合曲线对比，获取并记录气体温度。

利用上述分子气体激光器腔内气体温度监控装置进行监测的方法，其过程为：

第1步将等离子体发光通过收集镜收集到光谱仪的光纤探头端面上；

第2步利用光谱仪获得分子气体激光器放电发射的某一带系的分子光谱；

第3步再由CCD相机采集一次光谱数据；

第4步将采集到的光谱数据输出到计算机中，计算机对光谱数据依次进行位置校正、强度校正、归一化、拟合曲线对比，获取并记录气体温度，并当温度超过一定阈值时报警。

本发明通过探测放电等离子体发光监控气体温度，直接获得放电中心区域的温度。本发明是一种非接触式温度监控装置，特别适合分子气体激光器这种对气密性与气体成分纯度要求比较高的放电装置的温度监控。

总之，本发明采用全光学方法进行温度测量，完全解决了放电过程中电磁干扰的问题，并且采用光纤探头将等离子体发光引入光谱仪，可实现远距离监控。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明实验光谱数据的数据处理拟合气体温度流程图。

具体实施方式

分子气体激光器在工作时，放电等离子体有强辉光发射，发射的辉光会包含有气体成分的分子光谱。而放电等离子体满足局域热平衡条件，分子的转动能与平动能极易达到热平衡，所以通常情况下，分子的转动温度等于气体的平动温度(也就是通常意义下的气体温度)。

本发明基于上述原理设计而成，正是利用分子气体激光器放电等离子体发射的分子光谱，拟合转动光谱，获得实时气体温度，从而对放电气体温度进行监控。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的分子气体激光器腔内气体温度监控装置包括收集镜1、光谱仪3、CCD相机5以及计算机6。CCD相机5接驳在光谱仪3上，CCD相机5和光谱仪3均与计算机6电连接，光谱仪3的狭缝上安装有光纤探头。