专利名称：一种应用于差分吸收光谱系统的多led组合式宽带光源装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种光学测量领域，具体为一种差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源的装置，应用于监测大气痕量污染气体的差分吸收光谱系统。
背景技术：
目前，差分吸收光谱测量系统常用的宽带光源是氙灯、氘灯。氙灯是种充有高压氣气的光电灯，可发出很强的紫外线。灯内压力高，存在一定的安全隐患。它的发光波段180-2000nm，发光波段宽，容易导致杂散光进入探测器；发射的强紫外光会电离空气中的氧气产生O3，从而干扰O3的测定并危及人类健康；功耗大，发光效率较低，多数能量以热的方式耗散，造成能源的浪费；产生的不稳定原子发射线干扰监测；触发电压相当的高，可达30KV,对电子器件造成电磁干扰。
氘灯利用D2放电产生170_400nm波段的持续光谱。其中包含臭氧的辐射谱，产生的O3会在220-280nm区域内形成吸收,此外外部臭氧的流动会带来光福射的波动和噪声。同时，氣灯、氣灯产生的O3会氧化光学兀件的表面镀膜，降低光学器件的寿命。近年来，LED作为一种新型的紫外光源，逐渐运用于光谱探测领域。与常规紫外光源相比，其质量轻，体积小，耗电量低且散热少，使用寿命长，光谱高效稳定，坚固耐用，且不存在安全隐患。但LED光谱呈类高斯型窄带状，半高全宽在10-20nm左右。根据差分吸收光谱技术反演的要求，单个LED往往只可满足单一组分的监测。此外，国内外现有的紫外LED功率很低，从几十毫瓦到几瓦，发光功率低，如何提高紫外LED光能利用率是一大难题。面对上述光源存在的问题，要求一种更加高效，节能，稳定的组合式宽带光源系统应用于差分吸收光谱测量系统。
发明内容
本发明技术解决问题针对常用紫外光源的存在的缺陷，提供一种差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，解决了常规紫外光源存在的体积大，耗能多，寿命短，光谱不稳定以及单个LED谱带太窄，且光强较弱等问题。本发明的技术解决方案一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，由三种不同波段的紫外LED光源，非球面单透镜，以及一分四光纤束组成。紫外LED发出的光分别经非球面单透镜耦合入三根发射光纤，由位于望远镜主镜焦平面上的收发光纤端面联合发射至望远镜主镜后准直出射，经大气后，由角反镜原路回射，最后会聚至收发光纤端面的中心光纤(即接收光纤)导入光谱仪进行光谱分析。所述一分四光纤束由一根19芯的收发光纤、一根I芯的接收光纤、三根6芯的发射光纤组成。三根发射光纤依次与中心波长为365nm，295nm, 280nm的紫外LED耦合，如图2所不。接收光纤和三根6芯发射光纤在收发光纤内部分布比例依次为I :6 6 :6，具体的排布方式如图2所不。以接收光纤为中心,呈双环排布，内环为6芯,夕卜环为12芯,发射光纤7的6芯排布在外环,发射光纤8、9各自的6芯在内环与外环排布比例为3 :3。所述的一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，其特征在于三种不同的波段LED光源,与特定的一分四光纤束相结合；一分四光纤束的收发光纤端面相当于由三种不同波段窄带LED组合而成的宽带光源，能够同时实现三种污染气体NO2,S02，O3的监测。其中，中心波长为280nm的紫外LED光源，用于监测大气中痕量污染气体03，中心波长为295nm的紫外LED光源，用于监测大气中痕量污染气体SO2,中心波长为365nm的紫外LED光源，用于监测大气中痕量污染气体NO2 ；所述的LED光源的发散角一般很大(120度)，采用球面透镜，很难达到较好的聚焦效果，而采用多片透镜，不但空间结构上复杂，而且多片透镜会降低光能利用率。该装置采用非球面单透镜来提高耦合效率，其对大视场系统成像质量较好，单个非球面准确校正了球差，即使薄面也是准确的球面，使光束准确地相交于一点，且透镜变薄，简化了光学系统结构。
本发明与现有技术相比优点在于(I)本发明三种不同波段紫外LED光源，与一分四光纤束以及非球面单透镜相结合，一分四光纤束的收发光纤端面构成了一种由三种不同波段窄带LED组合而成的宽带光源，克服了单个LED由于发光波段较窄仅能实现单个污染气体监测的问题，能够同时满足大气中多种痕量气体(如no2，SO2, O3)的监测。(2)本发明采用紫外LED作为光源，与传统DOAS系统的氙灯，氘灯相比，具有体积小，质量轻，寿命长，耗能小，散热少，使用更安全，更换更简单，维护成本低等优点。从环保的角度来说，紫外LED更加的环保、节能。同时为今后差分吸收光谱系统向低成本、低功耗、寿命长、易维护的方向发展奠定了基础。(3)本发明采用的非球面单透镜，其对大视场系统成像质量较好；单个非球面准确校正了球差，即使薄面也是准确的球面，使光束准确地相交于一点，提高了光耦合效率。(4)本发明采用多LED与光纤束相结合，将望远镜简化为仅由主镜，光纤束及角反镜组成，与传统的Cassegrain望远镜相比，光路更稳定，调整更加的简单方便，且由光学元件造成光损耗降低。
图I为本发明一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置示意图；图2为本发明一分四光纤束结构不意图；图3为本发明LED前置非球面单透镜；图4常规大气污染物NO2, SO2, O3的差分吸收结构示意图。
具体实施例方式本发明一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置设计过程中，不仅要考虑选择合适波段的LED来满足差分吸收光谱系统测量要求，而且要考虑如何在光学和光纤设计上达到光的高效耦合，并将多个LED组合为宽带光源。本发明提供的一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，如图I所示，由中心波长依次为365nm，295nm，280nm的三种不同波段的紫外LED 1，2，3，非球面单透镜4，5，6，以及一分四光纤束7，8，9，10，11组成。紫外LEDl，2，3发出的光分别经非球面单透镜4，5，6耦合入三根发射光纤7，8，9，由位于望远镜主镜14焦平面上的收发光纤11端面联合发射，至望远镜主镜14后准直出射，经大气后，由角反镜15原路回射，回射光被收发光纤11端面中心的接收光纤10接收并导入光谱仪12，形成一种多LED组合式宽带光源。LED光谱呈类高斯型，半高全宽在10_20nm左右。根据差分吸收光谱技术反演的要求，单个LED往往只可满足一种污染气体监测的要求。本发明中采用一分四光纤束与多LED相结合的方案，根据待测污染物的特征吸收波段分别选择合适波段的LED，通过一分四光纤束将其组合为宽带光源。图4为大气常规污染物NO2, SO2, O3的在紫外波段的差分吸收结构示意图，X轴为波长，单位纳米(nm) ；Y轴为气体的吸收截面,单位平方厘米每分子(cm2/molecule)。参考图4各气体的吸收截面，本发明中所选用的紫外LED分别为中心波长为280nm的紫外LED光源，半高全宽275-285nm，可满足于大气痕量气体O3的监测要求；中心波长为295nm的紫外LED光源，半高全宽290-300nm，可满足于大气痕量气体SO2的监测要求；中心波长 为365nm的紫外LED光源，半高全宽360_370nm，可满足于大气痕量气体NO2的监测要求。如图2所设计的一分四光纤束由一根19芯的收发光纤11、一根I芯的接收光纤10、三根6芯的发射光纤7，8，9组成。三根发射光纤7，8，9依次与中心波长为365nm，295nm,280nm的紫外LED耦合。如此位于主镜焦平面上的收发光纤11的端面便构成了一种由三种不同波段的窄带LED组合而成的宽带光源，能够同时实现对三种污染气体NO2, SO2, O3的监测。本发明中所用的紫外LED光源受到现有LED工艺的限制，功率很低，仅为几十毫瓦到几瓦，如何在前置聚集透镜的设计上提高光的耦合效率是成功应用紫外LED的关键所在。紫外LED光源发散角一般很大(约120度)，若采用球面透镜，很难达到较好的聚焦效果，而采用多片透镜，不但空间结构上复杂，而且多片透镜会带来较多的光损耗。但非球面单透镜则不同，它的单个非球面能够准确校正球差，即使薄面也是标准的球面，使光束准确地相交于一点，且透镜厚度变薄，光学系统结构简单，所以，采用非球面单透镜是提高光耦合效率的最佳方式。如图3示，紫外LED发出的光束I经非球面单透镜2后聚焦于一点3，聚焦位置3放置发射光纤。此外，所采用的三种不同波段LED间光强也存在差异，按光强依次递增排序中心波长为280nm的紫外LED，中心波长为295nm的紫外LED，中心波长为365nm的紫外LED。前两者是在一个数量级上，而后者则是前两者的数百倍。因此在光纤束的设计时，要充分考虑这一点。一分四光纤束由一根19芯的收发光纤11、一根I芯的接收光纤10、三根6芯的发射光纤7，8，9组成。三根发射光纤7，8，9依次与中心波长为365nm，295nm，280nm的紫外LED f禹合。如图2所不,一根I芯接收光纤10,三根6芯发射光纤7,8,9在收发光纤内部的分布比例依次为I :6 6 :6。收发光纤11的端面呈现双环结构，以一根I芯接收光纤10为中心，内环为6芯,外环为12芯,其中，发射光纤7的6芯均排布在外环,发射光纤8、9各自的6芯在内环与外环排布比例均为3 :3。不同LED所对应的发射光纤在内环和外环排布的不同会直接影响到中心光纤所接受到的回射信号的大小。其中，内环出射的光在接收回射信号时更有优势。由于中心波长为280nm的紫外LED和中心波长为295nm的紫外LED光强在一个数量级上，而中心波长为365nm的紫外LED是它们的数百倍。因此，在光纤设计上，需要优先考虑中心波长为280nm的紫外LED和中心波长为295nm的紫外LED的回射信号大小。收发光纤11的端面的内环为6芯，则两者所对应的发射光纤各占一半，3 :3，其余和中心波长为365nm的紫外LED对应的发射光纤7 —致，排列在外环。此外，本发明装置所用的LED均为紫外波段，为了减少光在光纤束内的传输损耗，采用紫外增透石英作为光纤束的材质。本发明所应用的差分吸收光谱系统是基于DOAS算法来反演被测气体浓度。浓度反演时，需根据测量得到的大气谱和灯谱来获取差分吸收光学密度。因此，本发明所述的一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置存在以下两种工作模式在测大气模式下，紫外LED发出的光分别经非球面单透镜耦合入三根发射光纤7，8，9，由位于望远镜主镜14焦平面上的收发光纤11端面联合发射至望远镜主镜14后准直出射，经大气后，由角反镜15原路反射，最后会聚至收发光纤11端面的中心光纤10，即接收光纤导入光谱仪12，得到含有大气吸收的光谱。
在测灯模式下，收发光纤11前方的漫反射板13升起，收发光纤11端面发射的光被漫反射板13反射入收发光纤11端面中心的接收光纤10导入光谱仪12，获得不含大气吸收的“干净”灯谱。
权利要求
1.一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，其特征在于由三种不同波段的紫外LED光源、三个非球面单透镜及一分四光纤束组成；其中所述三种不同的波段紫外LED光源分别是中心波长为280nm的紫外LED光源、中心波长为295nm的紫外LED光源及中心波长为365nm的紫外LED光源；所述中心波长为280nm的紫外LED光源，用于监测大气中痕量污染气体O3，中心波长为295nm的紫外LED光源，用于监测大气中痕量污染气体SO2,中心波长为365nm的紫外LED光源，用于监测大气中痕量污染气体NO2 ;所述一分四光纤束由发射光纤、接收光纤和收发光纤三部分组成，其中发射光纤为三根，分别对应三种不同波段的紫外LED光源,接收光纤和收发光纤各一根；每根发射光纤的端面位于各自非球面单透镜的焦点上，收发光纤端面位于望远镜主镜的焦平面上，接收光纤一端位于收发光纤端面的中心，另一端与光谱仪相连；三种不同波段的紫外LED光源发出的光分别经各自的非球面单透镜耦合入各自的发射光纤，由位于望远镜主镜焦平面上的收发光纤端面联合发射，后经角反镜回射的光被位于收发光纤端面中心的接收光纤接收并导入光谱仪，形成一种多LED组合式宽带光源。
2.根据权利要求I所述的一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，其特征在于所述一分四光纤束由一根19芯的收发光纤、一根I芯的接收光纤、三根6芯的发射光纤组成；所述三种不同波段的紫外LED光源分别与三根发射光纤稱合；一根I芯接收光纤，三根6芯发射光纤在收发光纤内部的分布比例依次为I :6 6 6 ;收发光纤的端面呈现双环结构，以一根I芯接收光纤为中心，内环为6芯，外环为12芯，其中，一根发射光纤的6芯均排布在外环,其余两根发射光纤各自的6芯在内环与外环排布比例为3 :3。
3.根据权利要求I所述的一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，其特征在于所述一分四光纤束的材质为紫外增透石英。
4.根据权利要求I所述的一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，其特征在于所述宽带光源装置具有两种工作模式一是在测大气模式下，三种不同波段紫外LED发出的光分别经各自的非球面单透镜耦合入三根发射光纤，由位于望远镜主镜焦平面上的收发光纤端面联合发射至望远镜主镜后准直出射，经大气后，由角反镜原路回射，最后会聚至收发光纤端面的中心光纤，即接收光纤导入光谱仪进行光谱分析；二是在测灯模式下，收发光纤端面前方的漫反射板升起，三种不同波段紫外LED发出的光分别经各自的非球面单透镜耦合入三根发射光纤，由位于望远镜主镜焦平面上的收发光纤端面联合发射至漫反射板后被漫反射入中心光纤，即接收光纤，导入光谱仪，获得不含大气吸收的干净灯谱。
全文摘要
一种应用于差分吸收光谱系统的多LED组合式宽带光源装置，由三种紫外LED光源，非球面单透镜，以及一分四光纤束组成。本发明所用紫外LED具有体积小，质量轻，寿命长，功耗少、更换方便等优点。此外，LED与一分四光纤束以及非球面单透镜相结合，极大地提高了光的利用率，同时多LED组合式宽带光源解决了单个LED谱带较窄不利于多组分测量的问题，为今后差分吸收光谱系统向低成本、低功耗、寿命长、易维护的方向发展奠定了基础。
文档编号G01N21/33GK102778439SQ20121021711
公开日2012年11月14日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者凌六一, 刘建国, 刘文清, 江宇, 秦敏, 谢品华, 郑尼娜, 陈嘉乐 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院