李川褚达金多
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摘要：随着我国工业的飞速发展，工业气体的在线检测显得越来越重要，在线气体分析仪在钢铁、石化、环保等行业得到广泛应用。同时随着工艺的不断改进以及环保标准的提高，对低浓度、超低浓度气体的检测需求也与日俱增。为了提高检测精度，需要对传统的仪器各方面进行改进，本文针对激光气体分析仪的激光发射单元中的准直系统进行剖析，通过软件模拟与实验数据对比，对准直系统进行改进，取得了比较好的效果。
关键词：发散角；数值孔径；非球面；透过率
1．原理分析.
可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）是当今国际上最先进的在线气体测量技术之一，通过快速调制激光频率使其周期性地扫过被测气体吸收谱线，采用锁相放大技术测量被测气体吸收后透射谱线中的谐波分量来分析在线气体的吸收情况。半导体激光穿过被测气体的光强被吸收程度基于朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律，即被测气体组分对特定波长的光的吸收强度与组分浓度成正比，通过测量气体对激光的衰减量来计算气体浓度。根据Lambert-Beer定律，初始光强为I0，频率为v的红外激光通过一段气体介质时，被吸收的光强△I为
△I=I0[1-exp（-kL）]
式中L为有效吸收光程，k为光谱吸收函数，与气体浓度有关。在测量某些超低浓度的气体成分时，因本身气体的吸收强度非常低，比如O2在760.1nm的吸收强度仅为，为使吸收强度充分可观，在光程L及浓度固定的情况下，就需要激光的初始能量I0尽量的强。因光源的特殊性，现市面上普遍采用的是nanoplus公司的半导体激光器，此激光器输出能量为5mw左右，但有个不利的特点，发散角太大——快轴发散角65°，慢轴40°。
2.传统准直系统解析
为使此激光能量能最大程度的作用于被测气体，首先需要对半导体激光器的输出激光进行准直，因仪器内部光路中最窄部分直径为40mm，权衡各方面的利弊，需选择直径为30mm的透镜作为准直镜，实际接收面直径仅为28mm。为使得激光通过准直透镜后能准直，需要将光源发光点置于透镜的焦点处，而对于普通φ30mm的球面镜，一般焦距f≥30mm，此类透镜数值孔径较低，仅有0.42，将有近30%能量无法进入透镜。再加上球面镜本身的球差及彗差，使得激光在接收器处难以会聚成φ1以内的光斑，激光将在光敏接收器处损失20%左右能量。
3.非球面镜在准直系统中的优点分析
因为光源存在以上客观的不利因素，传统球面透镜与身俱来的缺点与之难以完美配合。为解决这个矛盾，可将准直透镜升级为非球面镜，考虑Edmund公司的φ30mm非球面平凸透镜，此透镜后焦距BFL=13.73，数值孔径NA=0.66，来自光源的能量几乎可以全部透过准直镜。此非球面镜有别于传统球面镜，它采用更复杂外表面，并会通过曲率方式从透镜中心往透镜边缘外面的方向逐渐改变，来达到减小焦距并消除球差，使得最终在光敏接收器处，光束能汇聚到φ1mm左右，90%以上能量会被接收器所接收。通过多次实验，采用Edmundφ30mm非球面准直镜+传统φ30mm球面镜会聚，能量透过率比传统的球面镜准直+球面镜会聚的方式提高了30%-40%。采用两种准直镜的效果分别如下图所示：
4.其他方面的优势
另一方面，采用传统球面镜的准直系统，为了消除球差彗差，就必须采用多镜片复合结构，因此就增加了装配的难度和精度，同时还降低了系统整体的透过率。而采用非球面镜，整个准直系统只有一片透镜，不论安装调节还是后期维护都变得简单。同时整个准直系统的重量也比传统的复合结构减少50%以上，这点在高频震动的工况中，对增加系统的稳定性，尤为重要。
5.结论
经软件模拟与实验数据分析，均表明：单一的非球面透镜准直系统比传统的复合型球面镜准直系统，具有更高的通光率，更便于安装调试的简洁的结构、更小的体积与更轻的重量。这一系列优点，正迎合了追求精度与稳定性的工程仪表。因此，非球面镜准直系统将越来越多的应用到需要光学准直的工业仪表中。
参考文献：
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作者简介：
李川（1981-），助理工程师，从事激光气体分析仪研发。