Yb：YAG固体激光器自混合干涉纳米粒度传感器的制作方法

本发明属于激光传感测量设备技术领域，具体涉及yb:yag固体激光器自混合干涉的纳米粒度传感器。

背景技术：

粒度及其分布通常决定着被测物的固有理化性能。与粒度测试和应用有关的技术在地质、石油、煤炭、海洋、水利、冶金、建材、化工、环保、医药、化肥、农药、食品等多个工农业生产部门和研究领域中都有着广泛的应用。特别是随着近几年国家对海洋科学和生命健康的重视和支持力度的不断加大，粒度测量技术有望在海洋环境监测、空气污染预报、农药残留控制和药物研制审批等领域发挥日益重要甚至难以替代的作用。

现有粒度测量方法包括：筛分法、显微镜法、电阻法、沉降法、全息法、动态光散射法和静态光散射法等。其中，光散射法凭借着优良综合性能在现有粒度测量方法中处于绝对性的统治地位。但是，随着测试标准的日益提高，光散射法仍面临着测量精度和检测效率的挑战。

激光自混合干涉技术是近年来新兴的一种精密光学非接触测量技术，具有灵敏度高、精度高、动态范围宽、抗电磁干扰等优点，且其测量系统易准直、结构简单紧凑、不依赖于激光器类型。激光自混合干涉理论的发展及其测量技术的日益成熟为解决上述挑战提供了重要发展契机。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种yb:yag固体激光器自混合干涉纳米粒度传感器，通过激光晶体分析选择、光路和信号处理方案设计提高激光自混合干涉信号的信噪比，拓展测量通道，从而提高粒度测量的精度和效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：yb:yag固体激光器自混合干涉纳米粒度传感器，包括yb:yag固体激光器、光电探测器及信号处理电路；yb:yag固体激光器包括发射938nm光波的泵浦用激光二极管，在泵浦用激光二极管所发射光波的光轴上依次设有光纤、耦合透镜组、yb:yag晶体、双折射f-p标准具及输出耦合镜；泵浦用激光二极管还连接有ld电源电路；输出耦合镜出射的激光由分光棱镜分为两路，一路光经过偏振分光棱镜分别照射在两份被测样品上，另一路光经过另一偏振分光棱镜分光后由两个电探测器接收；光电探测器则与信号处理电路连接。

所述的激光晶体，选用了上能级荧光寿命更长的yb:yag激光晶体，其对光反馈的灵敏度更高，有利于提高激光自混合干涉粒度测量的精度。

所述的yb:yag固体激光器腔内采用双折射f-p标准具实现纵模选择和纵模分裂，实现正交偏振双频激光同时振荡输出。

所述的输出耦合镜朝向双折射f-p标准具的端面镀有938nm高反膜和对1030nm透过率为5％的介质膜。

所述的yb:yag晶体朝向耦合透镜组的端面镀有938nm高透，1030nm高反膜。

所述的泵浦用激光二极管的电源电路采用压控电流源形式设计。

所述的信号处理电路包括依次连接的电流电压转换电路，信号放大电路、低通滤波电路、模数转换器及fpga控制器，信号处理电路与光电探测器连接。

所述的泵浦用激光二极管电源电路和信号处理电路中所使用的运算放大器均为精密运放芯片——opa277。

所述的泵浦用激光二极管电源电路中的电压基准芯片采用低噪声、低漂移的ref5040。

本发明的有益效果是：

1)本发明所采用的开腔式yb:yag(掺三价镱离子的钇铝石榴石，属于较常见的激光晶体)固体激光器可以自由调节，扩展，可以通过调节，添加元件进一步改善激光器的性能；

2)本发明所采用的激光出射正交偏振双频激光，通过其偏振特性可以进行双通道测量，提高测量效率；

3)本发明所采用的yb:yag固体激光器，其荧光寿命与光子寿命之比远大于半导体激光器，对光反馈的灵敏度更高，可以得到可见度更高的自混合干涉信号；

4)本发明采用压控电流源电路为泵浦用激光二极管供电，相较于商用电源，体积小，操作灵活简便。

本发明基于激光自混合干涉结构简单紧凑、检测灵敏度高和后向散射的特点，设计新型纳米粒度传感器。通过分析选择激光工作介质提高激光回馈灵敏度，通过激光器和光路的设计拓展为双通道测量，可实现优于3％的粒度测量精度，为高精度高效率的纳米粒度测量提供一种全新的技术选择。本发明适用于溶液中纳米粒子粒度和浓度的测量，可应用于药物研制审批、农药残留检测等领域。

附图说明

图1是本发明中yb:yag固体激光器自混合干涉纳米粒度传感器的结构示意图。

图2是本发明中泵浦用激光二极管电源电路的原理图。

图3是本发明的信号处理电路的结构框图。

图4是本发明在粒度测量时所拟合洛仑兹曲线的示意图。

图5是本发明反射镜的组成示意图。

图6是本发明偏振分光棱镜组成示意图。

图中：1-yb:yag固体激光器，11-泵浦用激光二极管，12-光纤，13-耦合透镜组，14-yb:yag晶体，15-双折射f-p标准具，16-输出耦合镜，2-分光棱镜，3-反射镜，31-反射镜一，32反射镜二，4-偏振分光棱镜，41-偏振分光棱镜一，42-偏振分光棱镜二，5-被测样品，51-被测样品一，52-被测样品二，6-光电探测器，61-光电探测器一，62-光电探测器二，7-信号处理电路，71-电流电压转换电路一，72-电流电压转换电路二，73-信号放大电路一，74-信号放大电路二，75-低通滤波电路一，76-低通滤波电路二，77-模数转换器一，78-模数转换器二，79-fpga控制器，8-泵浦用激光二极管电源电路，81-电压基准芯片，82-滑动变阻器，83-运算放大器一，84-运算放大器二，85-比例电阻一，86-比例电阻二，87-采样电阻，88-功率场效应管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供了一种yb:yag固体激光器自混合干涉纳米粒度传感器，如图1所示，包括yb:yag固体激光器1，分光棱镜2，反射镜3，偏振分光棱镜4，被测样品5，光电探测器6，信号处理电路7及泵浦用激光二极管电源电路8；yb:yag固体激光器1包括用于发射938nm光波的泵浦用激光二极管11，在泵浦用激光二极管11所发射的光波的光轴上依次设有光纤12、耦合透镜组13、yb:yag晶体14、双折射f-p标准具15及输出耦合镜16；输出耦合镜16的右侧设有分光棱镜2；分光棱镜2的右侧设有反射镜一31，下侧设有偏振分光棱镜二42；反射镜一31的下侧设有偏振分光棱镜一41；偏振分光棱镜二41下侧设有被测样品一51；偏振分光棱镜二41右侧设有反射镜二32；反射镜二32的下侧设有被测样品二52；泵浦用激光二极管11还连接有泵浦用激光二极管电源电路8；双折射f-p标准具15进行纵模分裂和纵模选择，保证固体激光器输出正交偏振双频激光；经由分光棱镜2分开的激光，一路被反射镜一31反射，再经过偏振分光棱镜一41分光，分别照射在被测样品一51和被测样品二52上，被测样品二52上的激光是经过偏振分光棱镜一41分光后再经过反射镜二32反射来的；另一路被偏振分光棱镜二42分光，分别被光电探测器一61和光电探测器二62接收，光电探测器一61、光电探测器二62与信号处理电路7连接。

输出耦合镜16朝向双折射f-p标准具15的端面镀有938nm高反膜和对1030nm透过率为5％的介质膜。

yb:yag晶体14朝向耦合透镜组13的端面镀有938nm高透，1030nm高反膜。

图2表示本发明的泵浦用激光二极管电源电路8的原理图。泵浦用激光二极管电源电路8包括电压基准芯片81、滑动变阻器82、运算放大器一83、运算放大器二84、比例电阻一85、比例电阻二86、采样电阻87、功率场效应管88组成，电压基准芯片81与滑动变阻器82连接，滑动变阻器82与运算放大器一83的3脚连接，运算放大器一83的6脚与功率场效应管88相连，运算放大器一83的2脚分别与运算放大器二84的6脚、比例电阻一85连接；功率场效应管88分别与运算放大器二84的3脚、采样电阻87连接；采样电阻87与运算放大器二84的3脚、比例电阻二86连接；比例电阻二86、比例电阻一85相连接后与运算放大器二84的2脚连接；采样电阻87、比例电阻二86相连接后接地，泵浦用激光二极管电源电路8与泵浦用激光二极管11连接；泵浦用激光二极管电源电路8构成一个闭环反馈系统，为泵浦用激光二极管11提供稳定的工作电流，且该电流可通过滑动变阻器82改变输入运算放大器一83的电压来进行调节。

图3表示本发明的信号处理电路7的结构框图。信号处理电路主要是由电流电压转换电路一71，电流电压转换电路二72，信号放大电路一73，信号放大电路二74，低通滤波电路一75，低通滤波电路二76，模数转换器一77，模数转换器二78和fpga控制器79组成。信号处理电路7与光电探测器一61、光电探测器二62连接，光电探测器包括光电探测器一61、光电探测器二62。电流电压转换电路一71、电流电源转换电路二72分别将光电探测器一61、光电探测器二62得到的电流信号转换为电压信号，信号放大电路一73、信号放大电路二74分别实施对电压信号的放大，低通滤波电路一75、低通滤波电路二76分别对放大后的电压信号滤除高频噪声，同时起到数据采集前抗混叠滤波的作用，模数转换器一77、模数转换器二78分别将滤波后的自混合信号采集到fpga控制器79中进行后续分析计算。

所述的信号处理电路7和泵浦用激光二极管电源电路8中所使用的运算放大器采用精密运放芯片——opa277。

泵浦用激光二极管电源电路8中所使用的电压基准芯片81采用低噪声、低漂移的ref5040。功率场效应管88采用n沟道的irf3305。

该纳米粒度传感器是由yb:yag固体激光器1，分光棱镜2，反射镜3，偏振分光棱镜4，光电探测器6，信号处理电路7及泵浦用激光二极管电源电路8组成，样品5表示被测样品。泵浦用激光二极管11为固体激光器的泵浦源，其发射的938nm激光通过光纤12由耦合透镜组13汇聚于yb:yag晶体14的朝向耦合透镜组13的端面，此端面镀有938nm高透，1030nm高反膜，yb:yag晶体14的该端面与输出耦合镜16构成激光谐振腔，腔内双折射f-p标准具15进行纵模分裂和纵模选择，保证固体激光器正交偏振双频运转。正交偏振的双频激光分别被被测样品一51、被测样品二52散射后返回yb:yag固体激光器1腔内发生自混合干涉现象，通过光电探测器一61、光电探测器二62探测两个偏振态的功率变化信息从而得到被测样品一51、被测样品二52中的粒度和浓度信息。

粒子在溶液中作布朗运动，激光照射在单个粒子上产生多普勒频移，后向散射光与腔内光发生自混合干涉，总的散射光场可以看作单个粒子散射光场的简单叠加。激光散射可以用瑞利散射和米氏散射理论进行解释，散射光线主要分布于入射光线方向及其反方向。当粒子尺度接近或大于入射光波长时，其散射的光强在各方向是不对称的，其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射，后向散射光线比较少，不适用于激光自混合干涉测量结构，因此测量时需要待测粒度小于激光波长，这种散射称为瑞利散射。

粒度测量原理如公式(1-3)所示：

式中，s表示激光自混合信号功率谱，瑞利散射下自混合信号功率谱可以用洛仑兹函数进行拟合，d表示扩散系数，<n>表示照射区域内的粒子数目，θ表示散射角与光轴的夹角，在激光自混合结构中θ＝π，n为溶剂折射率，λ为激光波长，t为环境温度，kb为玻尔兹曼常数，η为溶剂粘度，x表示溶质粒度，q是为了简化式(1)的形式所引入的散射参数。激光自混合干涉信号通过模数转换器一77、模数转换器二78转换为数字量送入fpga控制器79后进行功率谱分析和洛仑兹函数拟合，求解x从而得到待测粒度。

图4表示本发明中粒度测量时拟合洛仑兹曲线的示意图。fs表示采样率，在实际测量中可设定一个拟合带宽以减少计算量。浓度测量需要提前标定，将多种不同粒度的标准聚苯乙烯微球用纯净水分别配制成多种浓度的溶液并分别在两个通道下进行测量，得到两个通道各浓度下的拟合洛仑兹函数系数，把浓度和对应的洛仑兹系数制成数据表存入fpga控制器79。在实际检测中，拟合洛仑兹函数系数通过数据表插值可以得到相应的浓度值。

参见图5，反射镜一31与反射镜二32组成反射镜3。

参见图6，偏振分光棱镜一41与偏振分光棱镜二42组成偏振分光棱镜4。

开腔式固体激光器相对于微片固体激光器和半导体激光器的优势在本发明中得以体现，yb:yag固体激光器1采用开腔式设计，可以灵活方便地对出射激光功率和纵模进行调节，也可在腔内插入光阑对横模进行控制。