一种光程气室的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于气体传感的光程气室，尤其涉及稳定封装结构的光程气室，可用于气体传感所需的参考气室或探测气室。该光程气室易于光路调节，具有插入损耗小和温度、机械稳定性高等优点。
【背景技术】
[0002]危险气体如瓦斯、一氧化碳等的探测，对于煤矿、油气田等危险作业场所的安全防护，发现早期的危险气体释放，防患于未然具有重要意义。现阶段，可调激光吸收光谱技术在气体传感领域得到了广泛应用。该技术利用瓦斯、一氧化碳等危险气体分子在近红外波段的泛频和组合频带的特征吸收峰，采用该波段范围内的可调激光器扫描，获取特征吸收峰的强度，从而根据郎伯-比尔定律推算出危险气体的浓度。
[0003]现有技术中普遍采用一对带尾纤的光准直器发射和接收激光束，光准直器之间的气体对激光束产生特定的吸收谱线，由于许多危险气体在近红外波段的吸收峰较弱，通常需要激光通过一定的光程气室才能产生可以探测的吸收谱线，故要求一对光准直器之间的距离足够长，如10-50mm，这就要求气室具有较高的光学稳定性。
[0004]图1表示现有技术中光准直器的结构，柱状的准直透镜(102)与尾纤(103)同轴封装于外套管(101)中，出于避免回波的需要，准直透镜和尾纤相对的一面需要斜面抛角(105、104)，一般为6-15度，使得光准直器(100)的光学系统在光学上不再同轴，准直后的光束(106)与光准直器的机械轴(107)产生一个偏离角(108)。偏离角的存在使得一对光准直器之间进行光束耦合时，需要对至少一个光准直器进行角度和位置的精细调节，这就要求封装结构上留有一定的冗余空间以利于调整，冗余空间的存在对光准直器之间的光束耦合稳定性产生较大的影响，在温度变化或机械结构应力变化情况下，光准直器间的光束耦合效率将下降。
[0005]现有技术中，如中国专利201020675598.1披露了一种光程气室的光学封装结构，如图2所示，在封装基底(201)上开有一个凹槽(202)，光准直器(203)放置于所述凹槽中，一对拐角支架(204)紧贴在封装基底和光准直器上，用激光焊接固定。该结构充分减小了冗余空间，具有一定的光学稳定性，但该结构除有封装工艺复杂的缺点外，由于封装结构(拐角支架、封装基底)相对于光准直器不具有对称性，光束耦合效率对温度和机械应力的变化仍旧敏感。
[0006]现有技术中，如中国专利201310419011.9披露了另外一种光程气室的光学封装结构，如图3所示，一对尾纤(303)通过一对法兰盘(302)固定在封装基底(301)上，尾纤固定后不能调节，光路的调节是通过准直透镜(304)相对于尾纤在x-y平面内的相对位置调整实现的，光路调整完成后，在准直透镜与尾纤之间使用粘胶剂粘接。该结构也避免了较大的冗余空间，但要求透镜的焦距和长度具有很高的精度，否则，在z轴上准直透镜与尾纤之间要么没有足够的空间调节焦点位置，要么空间太大使得准直透镜与尾纤之间的粘胶剂太厚，较厚的粘胶剂在固化过程中以及在湿热环境下的形变对光束耦合效率都有影响。
[0007]因此，一种具有稳定封装结构的光程气室是迫切需要的。
【实用新型内容】
[0008]针对光程气室现有封装技术的不稳定性问题，本实用新型提供了一种具有稳定封装结构的光程气室，以满足气体传感领域对稳定可靠的商业化产品需求。
[0009]如图4所示，本实用新型提供的具有稳定封装结构的长光程气室(400)，包含:
[00?0] 1.—个输入尾纤(402)，具有外径Rl，用于输入光束；
[0011]2.—个输出尾纤(403)，具有外径Rl，用于输出光束；
[0012]3.—个输入准直透镜(404)，具有外径R2，将来自所述输入尾纤的光束准直；
[0013]4.一个输出准直透镜(405)，具有外径R2，接受准直光束并聚焦到所述输出尾纤；
[0014]5.—个套筒(401)，具有内径R3;
[0015]6.—对套环(406、407)，具有内径 R4。
[0016]所述输入和输出准直透镜的外径R2略小于所述套筒的内径R3，并套于其中，用粘胶剂粘接;所述输入和输出尾纤的外径Rl略小于所述套环的内径R4，并套于其中，用粘胶剂粘接;所述套环(406、407)通过端面与所述套筒用粘胶剂粘接。
[0017]出于光路的稳定性考虑，粘胶剂的使用越薄越好，在优选的情况下，R2小于R3约5到20微米，Rl小于R4约5到20微米。
[0018]光束耦合要求聚焦到输出尾纤(403)的高斯光束与其光纤波导模场匹配，要求聚焦的高斯光束模场大小，x、y、z方向的位置，以及入射到光纤的两个方向角匹配，共6个参数。本实用新型提供的光程气室光学结构，在未使用粘胶剂前，输入与输出尾纤在x、y、z三个方向上可调，共6个自由度，满足6个参数的匹配要求，可以将耦合效率最大化。另外，由于套环与尾纤之间的套合关系，以及套环与套筒之间的端面紧贴关系，在允许光路调整所需要的自由度的同时，保障了冗余空间的最小化，使光程气室的光学稳定性最优。
[0019]在气体传感应用中，需要两种光程气室，一种是参考气室，一种是探测气室。针对参考气室，套筒(401)内需要密封特定的参考气体，套筒上开有至少一个灌气口，并在特定气体灌入后，使用密封胶将灌气口密封;针对探测气室，套筒(401)内需要多个交换气口，以利于环境气体与腔室(408)内气体进行交换。图4中，未将灌气口或交换气口画出。
[0020]为避免回波，在输入和输出尾纤上通常有一个斜面抛角，使界面的菲涅耳反射的光线不能进入光纤，斜面抛角一般为6-15度。
[0021]在输入和输出准直透镜的选择方面，如图5所示，可以采用具有斜面抛角的梯度折射率透镜(501)，或者一边为斜面抛角、一边为部分球面的C-透镜(502)，或者两边都为部分球面的D-透镜(503)，三者都为柱状体。输入和输出准直透镜斜面抛角与输入和输出尾纤的斜面抛角相对，一般情况下大小也接近，为6-15度。
[0022]所述套筒和套环可采用与准直透镜材料热膨胀系数相近的材料，如高硼硅玻璃、金属如可伐或不锈钢。
[0023]进一步地，输出准直透镜和输出尾纤可用一个光探测器代替，以直接进行光电转换，针对这种情况，本实用新型还提供了一种光程气室，如图6所示，包含
[0024]1.—个输入尾纤(602)，具有外径Rl，用于输入光束；
[0025]2.一个光探测器(603)，用于接收光束；
[0026]3.—个输入准直透镜(604)，具有外径R2，将来自所述输入尾纤的光束准直；
[0027]4.一个套筒(601)，具有内径R3;
[0028]5.第一套环(606)，具有内径R4;
[0029]6.第二套环(607)。
[0030]所述输入准直透镜的外径R2略小于所述套筒的内径R3，并套于其中，用粘胶剂粘接;所述输入尾纤的外径Rl略小于所述第一套环的内径R4，并套于其中，用粘胶剂粘接;所述光探测器(603)固定在所述第二套环(607)上;所述第一和第二套环(606、607)通过端面与所述套筒用粘胶剂粘接。
[0031]为避免回波，所述输入尾纤和输入准直透镜相对一面各有一个斜面抛角，为6-15度。
[0032]出于光路的稳定性考虑，粘胶剂的使用越薄越好，在优选的情况下，R2小于R3约5到20微米，Rl小于R4约5到20微米。
[0033]光束耦合要求聚焦到光探测器(603)上的高斯光束在x、y、z方向的位置，以及入射方向角匹配，共5个参数。本实用新型提供的光程气室光学结构，在未使用粘胶剂前，输入尾纤在x、y、z三个方向上可调，光探测器与第二套环在x、y两个方向上可调，共5个自由度，满足5个参数的匹配要求，可以将耦合效率最大化。另外，由于套环与尾纤之间的套合关系，以及套环与套筒之间的端面紧贴关系，在允许光路调整所需要的自由度的同时，保障了冗余空间的最小化，使光程气室的光学稳定性最优。
[0034]与前述同，针对参考气室，套筒(601)上开有至少一个灌气口以利于特定参考气体的灌入密封;针对探测气室，套筒(601)上开有多个交换气口，以利于环境气体与腔室(608)内气体进行交换。图6中，未将灌气口或交换气口画出。
[0035]在输入准直透镜的选择方面，与如图5所示同，可以采用具有斜面抛角的梯度折射率透镜(501)，或者一边为斜面抛角、一边为部分球面的C-透镜(502)，或者两边都为部分球面的D-透镜(503)，三者都为柱状体。
[0036]如图7所示，所述光探测器(7