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粒子计数器的光源设计

发布时间:2016-01-14   点击次数:435次
  内容导读:粒子计数器是利用丁达尔现象(Tyndall Effect)来检测粒子。丁达尔效应是用John Tyndall的名字命名的,通常是胶体中的粒子对光线的散射作用引起的。一束明亮的光照在空气或雾中的灰尘上,所产生的散射就是丁达尔现象。
  
  激光尘埃粒子计数器的工作原理
  
  当折射率变化时,光线就会发生散射。这就意味着在液体中,汽泡对光线的散射作用和固体粒子是一样的。米氏理论(Mie Theory)描述了粒子对光的散射作用。
  
  Lorenz-Mie-Debye理论zui早由Gustav Mie提出,它描述了光是如何朝各个不同方向散射的。具体的散射情况决定于介质的折射率、粒子对光的散射作用、粒子的尺寸和光的波长。具体介绍米氏理论的细节超出了本文的范围;但是,有很多公共领域的应用都可以用来验证光是如何散射的。
  
  光的散射情况会随着粒子尺寸的变化而变化。在粒子计数器中,米氏理论zui重要的结果以及它对光散射的预测都与之相关。当粒子尺寸比光的波长要小得多的时候,光散射主要是朝着正前方。而当粒子尺寸比光波长要大得多的时候,光散射则主要朝直角和后方方向散射。
  
  光可以看做是沿着传播方向进行垂直振荡的波。这一振荡方向就是所谓的偏振。入射光的偏振非常重要。在以前的例子里,光的散射是在入射光的偏振平面内进行测量的。
  
  粒子尺寸在5μm时的散射情况类似;而具有偏振现象,粒子尺寸在0.3μm时的散射情况有很大不同。由于用对数表示,变化不到十倍的,都看不到了。
  
  散射光的强度随着频率的改变而变化:较短的波长意味较强的散射。在其他条件都相同的情况下,蓝光的散射强度大约是红光的10倍。大部分粒子计数器采用的都是近红外或红色激光;直到zui近,这还都是zui符合经济效益的选择。蓝色气体和半导体激光器价格都很贵;而且半导体激光器的使用寿命也很短。
  
  空气粒子计数器
  
  粒子计数器是使用传感器的典型设计;气流、激光、以及聚光镜彼此成直角。
  
  在传感器的出口处有一个真空装置,把空气经过传感器抽走。而空气中的粒子则将激光散射。散射光又会被后面的聚光镜聚焦到光学探测器上,随后把光转换成电压信号,并且进行放大和滤波。此后,这个信号从模拟的转换成数字信号,并且由微处理器对它进行分类。微处理器也会通过接口将计数器连接到控制数据收集系统上。
  
  激光
  
  气体激光器发明于1960年,而半导体激光器发明于1962年。开始时这些激光器很贵,但是随着它们变成具有经济效益时,在粒子计数器中,就用气体激光取代了白光。而到了20世纪80年代末,在绝大多数场合下,更便宜的半导体激光器又取代了气体激光器。
  
  用于粒子计数的激光器有两种:一种是气体激光器,如氦氖(HeNe)激光器和氩离子(argon-ion)激光器;另外就是半导体激光器。气体激光器能够生产强烈的单色光,有时甚至是偏振光。通常气体激光器产生准直高斯光束,而半导体激光器则产生出一个小的发散点光源,通常发散光有两个不同的轴,并且总是出现多种模式。由于发散光具有多轴性,半导体激光器通常都有一个椭圆形的输出,这带来了一定的挑战,也带来了一定的优势。不同轴的散射光意味着要么勉强接受这一椭圆形的输出,要么设计一套复杂而昂贵的光学镜来做补偿。另一方面,椭圆光束很适合用于某些应用,利用长轴,可以得到更好的覆盖范围。
  
  总之,氦氖激光器的输出“直接可用”,无需增加任何光学元件。要想产生类似于氦氖激光器的光束,从半导体激光器出来的光必须经过透镜聚焦,这会导致光能的损耗。但是,半导体激光器的成本低、体积小、工作电压低、功耗小,成为粒子计数器的优先选择。
  
  在要求高灵敏度的应用中,氦氖激光器可以用于开式腔模式[6],产生很大的功率。因为样本要通过光学空腔谐振器,当粒子浓度较高时,激光会中断(无法维持“Q”因子),所以此时这种类型的激光不适用。
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