一种用于粉尘浓度测量的激光二极管准直器设计

姜勇

(重庆川仪软件有限公司，重庆 401121)

近几年来，环境保护及污染治理问题在现阶段国家经济发展过程中备受关注，国家相关部门也出台了相应的大气污染防治方面的政策[1-2]。必须重视大气环境的保护，真正营造一个人与自然和谐发展的状态。

污染物按照存在的形态可以分为气态污染物和颗粒污染物[3]。气态污染物是指在常温常压下包括： 一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、氨气等物质，而颗粒污染物是指粉尘、飞灰、黑烟等。在工业生产中，颗粒污染物的代表如工业烟气粉尘，若烟气粉尘浓度超过一定极限会引起爆炸，对人们的生活造成严重的影响和后果。所以，工业烟气粉尘浓度的实时监控就显得日益重要。根据米氏散射定律，当一束激光照射到粉尘颗粒时，由于激光波长与粉尘直径比较接近，会发生米氏散射，导致光电接收二极管接收的光强发生改变，而光的强度变化与粉尘浓度有关，通过特定公式，可以计算出粉尘浓度。

粉尘仪主要用于测量粉尘浓度，其关键部件激光二极管准直器对于仪器的精确测量起到非常重要的作用。

1 米氏散射定律

当入射光束经过光学性质不均匀的物质时，沿光束侧能够观察到光，该现象是光的散射现象[4]。当粒子尺寸接近或大于入射光波长时就产生米氏散射[5]。米氏散射具有以下特点： 散射光强度随角度分布复杂，粒子相对于波长的尺寸越大，光强分布越复杂；当粒子尺寸加大时，前向散射的波瓣增大。

米氏散射的散射强度与粉尘的浓度呈一定的比例关系。经过特定的公式，可以通过米氏散射的散射强度来计算待测区域粉尘的浓度。为了能够准确地测量待测区域粉尘的浓度，一束稳定且准直的入射光线显得非常重要。

2 结构设计

一束平行光通过一球面透镜能够在焦点位置实现会聚，根据光可逆原理可知，处于焦点位置的光源通过一球面透镜能够实现平行光出射。由于远轴光线入射角大，折射强，会在光轴离镜头近处形成焦点；而近轴光线入射角小，折射弱，会在光轴离镜头远处形成焦点。这样，平行光在光轴上形成的焦点会前后分散，形成一定直径的模糊像，即球差。球差可以通过非球面透镜进行消除，也可以通过改变球透镜边缘的曲率半径，尽可能地降低球差带来的影响。

在光学设计中，一般将光线由物方开始传播的方向设定为正方向，即光轴为z轴。坐标系采用右手法则。子午面是由轴外物点和光轴所确定的平面，子午面内的光束叫子午光束。过主光线且与子午平面垂直的平面称为弧矢平面，弧矢平面内的光束称为弧矢光束。在标准系统图中，弧矢平面内的x轴指向显示器以里，子午面内的y轴垂直向上。

这一定义对非旋转对称的系统并不通用。为统一起见，不管轴外物点在哪里，Zemax软件规定y，z平面为子午面；计算子午面数据时沿物空间y向进行计算。弧矢平面于y，z面垂直，二者相交于光轴中心，计算弧矢平面数据时在物空间沿x轴计算。该规定基于如下的理论： 如果系统是旋转对称的，沿y轴的轴外点确定系统的成像质量。此时，两种定义是完全一致的。如果系统不是旋转对称的，则不存在对称轴，参考平面的选择就是任意的。由于激光二极管发射的激光光束在弧矢和子午两个方向上具有不同的发散角，因此需要让激光光束通过一特定光阑，限制激光二极管出射光线，然后经过非球面准直平凸透镜进行准直，从而获得准直平行光线。

选用一款波长为650 nm激光二极管，通过硬件驱动。要求在L=500 mm，2 m，5 m处激光二极管准直光线直径d约为2～3 mm。根据上述，要获得一束准直的平行光线，必须进行激光二极管准直器结构的设计，激光二极管准直器结构如图1所示。

图1 激光二极管准直器结构示意

3 关键部件选择

3.1 激光二极管

激光二极管(LD)具有体积小、成本低、寿命长等特点，但是，激光二极管的光束质量比较差，端面出射光束具有较大的发散角，并伴有像散，远场光斑的分布呈长条高斯型。为了得到良好的光斑形态，必须对激光二极管的激光束进行准直整形[6]。

以某公司的一款半导体激光二极管为例，其输出功率为7 mW，波长为650 nm，阈值电流为20 mA，弧矢方向上峰值半宽发散角θfwhm=9°，子午方向上峰值半宽发散角θfwhm=28°。激光二极管性能参数(部分)详见表1所列。

表1 激光二极管性能参数(部分)

3.2 非球面透镜

由于球差的原因，其准直效果很不理想，发散角很大，无法实现要求的准直。而非球面透镜，就是为了解决球面透镜的球差带来光学上的缺陷，修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整透镜曲面常数和非球面系数，让远轴光线和近轴光线所形成的焦点位置尽量重合，从而减少球差的产生，最大限度地消除球差。球差的校正方法主要有： 加光阑、非球面透镜、复合透镜、变折射率透镜等。本文主要研究用非球面透镜实现光束的准直和聚焦。

以该公司生产的一款外径为6.35 mm，有效焦距为10 mm的平凸非球面透镜为例。其材质为L-BAL42，数值孔径为0.27，净孔径为5.45 mm，中心厚度3 mm，详见表2所列。

表2 非球面平凸透镜性能参数(部分)

该非球面平凸透镜系数见表3所列。计算非球面不同镜面孔径半径的镜面的凹陷度公式如式(1)所示。

表3 非球面平凸透镜系数(来源于某厂家)

(1)

式中：Z—镜面的凹陷度；r—镜面的孔径半径；c—曲率半径的倒数；k—曲面圆锥系数(其中k=0为球面；k>-1为椭圆面；k=-1为抛物面；k<-1为双曲面)；A—为r的各阶高次非球面系数。

4 Zemax仿真计算

Zemax是一款目前市面上被广泛使用的光学设计软件，可采用序列模式进行仿真。首先设置系统孔径，将孔径类型设置为物方空间，即物空间边缘光线的数值孔径，孔径值设为0.27，切趾类型设置为均匀，净口径余量为0，勾选无焦像空间和半口径快速计算；然后进行波长设置，将波长设置为0.65 μm，权重为1。

打开镜头数据表格，设置好物面、光阑及像面等位置及尺寸。将所选择的非球面平凸透镜的数据(表3)输入到表格中，透镜前后面均设置为偶次非曲面。

在仿真计算中，指均平方根半径RMS，是一个重要的半径参数，它表示弥散斑各个点坐标参考中心点的坐标平方和，再除以点数量，然后开方的值，该值可以反映一个典型的弥散斑的大小，定量反映系统实际的斑点大小，但它不能够反映全部弥散斑的直径。全部弥散斑的直径需要另一个重要参数是几何半径GEO来表示[8]。

经过仿真计算，不同光阑直径，出射光斑直径会发生变化。

当光阑直径为2 mm时，光斑最大半径为1.726 mm，RMS为0.456 mm，GEO为0.98 mm，艾利斑半径为0.132 7 mrad，不符合设计要求。当光阑直径为1 mm时，光斑最大半径为0.558 4 mm，RMS为0.141 mm，GEO为0.163 mm，艾利斑半径为0.132 7 mrad，符合设计要求。

5 实验

根据上文所述设计要求，试制了一套激光二极管准直器。先将激光二极管焊接到激光二极管驱动板上，上电并调整激光二极管焦点位置，然后组装、粘接、封装、老化。

通过试制，激光二极管准直器出射光斑直径约3 mm，满足设计要求。

将该款激光二极管准直器应用在超低浓度粉尘仪DT800上，获得了较好的准直平行光线，在粉尘浓度测量中获得较底的零点和较高的粉尘跨度，且光强信号跳动在技术参数要求的公差范围内，完全符合技术条件。

6 结束语

在粉尘浓度测量中，一个高精度的激光二极管准直器至关重要。只有高精度的激光二极管准直器，才能够获得稳定的符合要求的较小发散角的平行光，这样在粉尘测量中才能获得具有较低的零点和较小的零点跳动以及量程跳动，从而得到稳定的粉尘浓度测量值。该激光准直器具有以下优点： 准直光线较小的球差，能够保证较小的发散角；结构紧凑，装配难度低，而且具有较高的光透过率。通过样机实际测试，激光二极管准直光斑与仿真数据基本吻合，但是还存在一定误差，这也是下一步需要解决的问题。