СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2014 года по МПК G01N21/35 

Настоящее изобретение относится к светоизлучающему модулю для обнаружения газов, содержащему источник линейно поляризованного светового излучения и корпус с выходным окном.

Уровень техники

Настоящее изобретение направлено на улучшение свойств оптических приборов, в которых используется поляризованный свет с переменной длиной волны. Типичными вариантами применения являются приборы с настраиваемыми лазерными диодами для газовой измерительной техники с использованием оптического поглощения газов. Оптические газовые датчики основаны, по существу, на принципе инфракрасной спектроскопии. Подвергаемый исследованию объем просвечивают монохромным светом и определяют его поглощение в объеме. Путем изменения длины волны может быть зарегистрирован спектр, на основании которого могут быть определены имеющиеся газы. Поэтому в газовой измерительной технике требуются особые светоизлучающие модули, которые, например, обладают особенно высокой стабильностью длины волны и моды излучения.

Газовый датчик, а также соответствующий светоизлучающий модуль, известны из Европейского патентного документа ЕР 1783481 A1. Для улучшения стабильности интенсивности предлагается поворот выходного окна относительно оптической оси или главного направления излучения на угол Брюстера (в данном варианте примерно 57°). В случае линейно поляризованного лазерного излучения с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, такое отклонение может уменьшить нежелательные обратные отражения на колпачке.

Однако проблематичным является то, что на выходном окне возникают интерференционные эффекты, которые оказывают отрицательное влияние на измеряемый сигнал. Возникают возмущающие оптические модуляции, которые, например, проявляют себя в виде колебаний измеренной интенсивности света в зависимости от длины волны в фотодетекторах измерительной аппаратуры для оптического анализа газов. В частности, в одном варианте применения, известном под названием «газовый детектор с открытым путем» (OPGD), в котором лазерный луч направляют по более или менее длинному пути через контролируемое пространство, колебания интенсивности излучения являются особенно возмущающими, так как они значительно ухудшают соотношение сигнал/помеха. А именно, в большинстве случаев при измерении невозможно непосредственно отличить ослабление, вызванное поглощением в газе, от ослабления, вызванного интерференционными эффектами, что заметно повышает трудоемкость производимых измерений и связанные с этим затраты.

Поэтому в газовой измерительной техники особенно желательным является создание настраиваемого светоизлучающего модуля с изменяемой длиной волны, в котором уменьшена зависимость интенсивности светового излучения от длины волны за выходным окном.

Сущность изобретения

Согласно изобретению предложен светоизлучающий модуль, определенный в п.1 формулы изобретения. Преимущественные варианты выполнения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в последующем описании.

Преимущества изобретения

Изобретение основано на идее расположения источника света светоизлучающего модуля в корпусе с выходным окном таким образом, что интерференционные эффекты в просвечиваемой области выходного окна становятся по возможности малыми. Для этого выбирается соответствующая оптимальная ориентация главной плоскости выходного окна с одной стороны, по отношению к направлению поляризации, а с другой стороны, по отношению к главному направлению светового излучения. Таким образом, предметом изобретения является выполненный с возможностью регулирования длины волны светоизлучающий модуль для обнаружения газов, в котором значительно уменьшена зависимость интенсивности от длины волны света, выходящего из выходного окна. При одной ориентации согласно изобретению главное направление излучения источника света образует с нормалью к главной плоскости выходного окна угол φ наклона, предпочтительно равный 30°±20°. Кроме того, направление поляризации образует с плоскостью падения (которая, как известно, образована нормалью к главной плоскости выходного окна и главным направлением излучения источника света) угол 9 поворота, предпочтительно равный 45°±22,5°.

Особенно предпочтительный вариант выполнения относится к углу 9 поворота, равному 45°, то есть имеет место поляризация, перпендикулярная и параллельная плоскости падения пучка. Это обеспечивает, с одной стороны, особенно эффективное подавление интерференционных эффектов, а с другой стороны, особенно выгодную для изготовления инвариантность системы по отношению к повороту плоскости поляризации светового излучения на 90°. Тем самым упрощается изготовление, так как имеются четыре равноценные возможности расположения корпуса или выходного окна по отношению к источнику света. Однако изобретение включает в себя также углы поворота, которые расположены в пределах предпочтительных диапазонов 10°, 15° или 22,5° относительно угла 45°.

Предпочтительно угол φ наклона составляет от 20° до 40°, более предпочтительно от 25° до 35°, в частности, 30°. Оказалось, что благодаря этому может получаться особенно большой спектральный диапазон с малой зависимостью от длины волны. Кроме того, такой относительно малый угол наклона может быть получен существенно проще, чем известные из уровня техники углы наклона вплоть до 60°.

Благодаря предложенной в изобретении ориентации корпуса и источника света также уменьшается влияние толщины выходного окна. При ориентациях, известных из уровня техники, влияние помех возрастает вместе с толщиной окна. На основании этого рекомендуются особенно тонкие окна, которые, однако, являются дорогостоящими в изготовлении, чувствительными и менее прочными. Преимущественный для изобретения диапазон толщины выходного окна составляет от 0,2 мм до 1,5 мм. Особенно предпочтительно толщина составляет по меньшей мере 1 мм.

Благодаря существенно уменьшенной зависимости от длины волны светоизлучающие модули согласно изобретению пригодны в особенности для оптических газовых датчиков. При использовании согласно изобретению светоизлучающего модуля для обнаружения наличия газов регистрируют спектр поглощения.

В патенте США №7113658 В2 описан на первый взгляд аналогичный светоизлучающий модуль. Однако он применяется для передачи данных и непригоден для обнаружения газов вследствие отсутствия стабильности длины волны и моды излучения. Этот документ не может также привести специалиста к предмету настоящего изобретения, так как в основе описанной там геометрической конфигурации лежат совершенно другие соображения и эффекты. А именно, геометрическая конфигурация не служит для минимизации зависимости от длины волны. Напротив, поворот выходного окна по отношению к направлению излучения служит для того, чтобы отводить часть света в контрольный диод. Поворот выходного окна служит для того, чтобы одинаково демпфировались обе нестабильные моды излучения, так что вследствие скачка моды излучения не возникает скачок интенсивности. Обе задачи, то есть контрольный диод и нестабильность моды излучения, не имеют ничего общего с достигаемым в настоящем изобретении техническим результатом.

Следующие преимущества и варианты выполнения изобретения вытекают из описания и прилагаемых чертежей.

Понятно, что упомянутые выше и дополнительно поясняемые ниже признаки применимы не только в соответственно указанной комбинации, но и в других комбинациях или индивидуально, не выходя за рамки настоящего изобретения.

Изобретение схематически представлено на чертежах при помощи одного варианта выполнения и подробно описано ниже со ссылкой на чертежи.

Описание чертежей

Фиг.1 изображает схематический вид источника света, выходного окна, а также возникающей интерференционной картины при перпендикулярном падении линейно поляризованного света.

Фиг.2 изображает схематический вид источника света, выходного окна, а также возникающей интерференционной картины при наклонном падении линейно поляризованного света под углом примерно 30°.

Фиг.3 изображает схематический вид источника света и выходного окна предпочтительного варианта выполнения светоизлучающего модуля согласно изобретению, а также интерференционную картину, возникающую при наклонном падении под углом примерно 30° и поляризации, перпендикулярной и параллельной плоскости падения пучка.

Фиг.4 изображает вид в аксонометрии корпуса, используемого в изобретении.

Фиг.5 изображает вариант выполнения газового датчика согласно изобретению.

Вначале представлены теоретические сведения, лежащие в основе описания чертежей.

Световой луч, выходящий из апертуры, например одномодового лазерного диода или одномодового стеклянного волокна, представляет собой на большом расстоянии в хорошем приближении сферическую волну с гауссовым распределением интенсивности вокруг оптической оси, при этом в целом распределение интенсивности для излучающих по краям лазерных диодов будет эллиптическим, а для излучающих по поверхности лазерных диодов или стеклянных волокон - круговым. При этом луч содержит вытянутую в нескольких угловых направлениях область направлений распространения, причем среднее направление распространения или главное направление излучения соответствует оптической оси.

Ниже пропускание такого луча через прозрачный плоский стеклянный диск, например, через выходное окно будет считаться на большом расстоянии элементом, формирующим излучение. Эти соображения будут также применяться для элементов с другими свойствами, относящимися к формированию излучения, например, для прозрачных линз или для клиньев, а также для конечных пространственных расстояний.

Известно, что при прохождении сферической волны через плоский стеклянный диск образуются концентрические интерференционные кольца, обозначаемые в специальной литературе, например, как «проходные кольца». Интерференционные кольца образуются вследствие разделения падающего луча из-за внутренних отражений на граничных поверхностях между объемными областями с различными коэффициентами преломления и наложения отдельных лучей, которое в зависимости от коэффициента преломления и толщины диска, а также длины волны и поляризации светового луча в определенных направлениях распространения более конструктивно (светлые области), а в других направлениях распространения более деструктивно (темные области). Угловая картина интерференционных колец не зависит от расстояния между апертурой и диском и не зависит от покрытий на поверхности диска, которые обычно наносят для влияния на отражательную способность поверхности, в частности для ее снижения (просветление), причем при уменьшении отражательной способности, как правило, также уменьшается абсолютная контрастность коэффициента пропускания между конструктивными и деструктивными направлениями распространения.

Если в случае неполяризованного света оптическая ось расположена перпендикулярно к главной плоскости протяженности окна, то интерференционные кольца имеют вид концентрических круговых колец, при этом в центре вокруг оптической оси, в зависимости от толщины и коэффициента преломления диска, а также, в частности, в зависимости от длины волны света появляется светлая или темная круглая угловая область. Из литературы известно, что локальные максимумы интерференционных колец в случае монохромного света могут быть описаны следующей формулой:

$$2nd\cos \phi =m\lambda ,\left(1\right)$$

где n - групповой коэффициент преломления,

d - толщина окна,

ϕ - угол к оптической оси,

m - порядок интерференции,

λ - длина волны.

Если длина волны светового луча меняется непрерывно, что является необходимым при измерении спектра, то в целом полная переданная интенсивность соответствующим образом непрерывно модулируется угловыми областями, через которые проходит световой луч, вследствие конструктивной или деструктивной интерференции, изменяющейся в каждом отдельном угле. В амплитуду модуляции в особенности вносит вклад пульсирующая центральная область кольцевой картины. Как правило, в технических применениях эта модуляция является возмущающим фактором, влияние которого уменьшается посредством настоящего изобретения.

При перпендикулярном падении (ϕ=0) из формулы (1) получают соотношение для расстояния Δλ между двумя максимумами модуляции:

$$\Delta \lambda =\frac{{\lambda }^2}{2nd},\left(2\right)$$

что представляет собой известную формулу для расстояния между двумя модами резонатора Фабри-Перо.

Периодически структурированный с длиной Δλ резонансный спектр в литературе отчасти ошибочно называется так же как «интерференционные полосы», хотя под данным спектром имеется в виду модуляция не в угловом пространстве, выбранном в качестве упрощенного представления пространства координат, а в пространстве длин волн или частот.

Ниже описываются фиг.1-3, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами позиций. На фиг.1-3 наглядно поясняется, как исходя из конфигурации с перпендикулярным падением (фиг.1) можно постепенно перейти к конфигурации согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения (фиг.3).

Вначале со ссылками на фиг.1 описывается интерференционная картина, получающаяся при перпендикулярном падении линейно поляризованного света. Источник света, выполненный здесь в виде лазерного диода 110 поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL), испускает линейно поляризованное одномодовое приблизительно монохроматическое лазерное излучение, которое в виде расходящегося светового излучения 111 с главным направлением ОА излучения попадает на выходное окно 120 с главной плоскостью НЕ. Для лучшей наглядности расхождение светового излучения 111 показано сильно преувеличенным. Длина волны лазерного диода 110 может быть регулируемой, то есть изменяемой в пределах обычных границ, например, путем целенаправленной вариации инжекционного тока и/или температуры лазерного диода.

Главное направление ОА излучения определяет в то же время оптическую ось. Направление поляризации излучения 111 обозначено стрелкой P.

Графическое изображение интерференционной картины может быть получено, в частности, путем численного расчета электромагнитных векторов поля на основании формул Эри и Френеля, причем последние относятся в особенности к количественному расчету многослойных систем, например окон с антиотражающим покрытием. Рассчитанная таким образом интерференционная картина показана с целью наглядности на некотором удалении позади выходного окна на диаграмме 130. Фактически освещаемая область обозначена на диаграмме 130 кругом 131.

Вследствие поляризации светового излучения 111 наряду с центральной интерференционной картиной 140 возникают дополнительные концентрические угловые области в виде отчетливых частичных картин 141, 142, 143, 144 и т.д., которые в хорошем приближении расположены на перекрестии в угловом пространстве. Это перекрестие ориентировано в направлении P поляризации падающего светового излучения 111, так что оси проходят параллельно и перпендикулярно направлению поляризации. При перпендикулярном падении оси пересекаются на оптической оси.

Вследствие освещения, эффективно ограниченного вокруг оптической оси ОА областью 131, картина интенсивности прошедшего света вблизи оси подобна картине интенсивности неполяризованного света.

Вследствие инвариантности угловой интерференционной картины по отношению к расстоянию между источником света 110 или апертурой и окном 120, все варианты ориентации окна 120 относительно оптической оси ОА и направлению P поляризации падающего луча 111 описываются ниже без ограничений общности посредством наклона и поворота.

На фиг.2 показано, как окно 120 поворачивается на угол φ наклона, начиная от перпендикулярного положения относительно оптической оси ОА, так что нормаль N к главной плоскости НЕ образует угол φ, в настоящем варианте составляющий 30°, с главным направлением ОА излучения источника 110 света. Вследствие поворота перекрестие, на котором расположены ярко выраженные частичные картины 140 и т.д., перемещается относительно оптической оси ОА. При этом ориентация перекрестия не изменяется и остается ориентированной в направлении P поляризации падающего луча 111. Изменяются угловые расстояния ярко выраженных частичных картин относительно оптической оси ОА. В частности, центральная интерференционная картина 140 смещается от оптической оси ОА (на чертеже вверх). При показанной конфигурации направление P поляризации расположено в плоскости падения, которая образована линиями N и ОА. Таким образом, имеет место поляризация, параллельная плоскости падения пучка.

Наконец, выходное окно (и таким образом его нормаль N) поворачивают вокруг оптической оси ОА на угол θ поворота. Получающаяся при этом согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения интерференционная картина показана на фиг.3. Так как световое излучение, а с ним и направление P поляризации остаются неизменными, то происходит поворот плоскости падения, образованной линиями N и ОА, относительно направления P поляризации на угол 9 поворота.

Поворот плоскости падения, образованной линиями N и ОА, относительно направления P на угол θ поворота вызывает дальнейшее перемещение перекрестия и таким образом рисунка 140. Перекрестие продолжает оставаться ориентированным по направлению P поляризации падающего луча 111. При показанной конфигурации направление P образует с плоскостью падения, которая образована линиями N и ОА, угол θ поворота, равный 45°. Таким образом, имеет место поляризация, параллельная и перпендикулярная плоскости падения пучка.

В соответствии с этим в общей сложности обеспечивается возможность удаления оптической оси или главного направления ОА излучения от осей перекрестия в промежуточное пространство перекрестия. Так как эффективно ограниченная угловая протяженность падающего луча 111 освещает лишь эффективно ограниченную часть 131 общей интерференционной картины, то амплитуда модуляции переданной в целом интенсивности может быть уменьшена при изменении длины волны. С одной стороны, здесь почти не освещаются особенно возбуждающие и относительно большие центральные области частичных интерференционных картин, а с другой стороны, кольца частичных картин, имеющие в данном случае решающее значение и расположенные дальше в наружном направлении, располагаются в угловом пространстве плотнее, так что в результате имеет место технически выгодный эффект усреднения по облучаемой угловой поверхности.

Этот эффект усреднения приводит также к особенно выгодному эффекту в отношении выбора толщины окна. При перпендикулярном падении из формулы (2) следует, что следует стремиться к максимально малой толщине окна для получения максимально большого значения Δλ и тем самым для возможно большего сглаживания нежелательной модуляции в диапазоне длин волн.

Однако из формулы (1) следует, что плотность интерференционных колец в промежуточных пространствах перекрестия увеличивается, и связанный с этим выгодный эффект усреднения сопряжен с большей толщиной окна. Наряду с этим, большие толщины окна оказываются предпочтительными также при изготовлении, так как поверхности могут быть отполированы с более высоким качеством при меньших затратах. В опытах с использованием боросиликатного стекла хорошо зарекомендовала себя толщина окна, равная 1 мм.

Особенно предпочтительными оказались конфигурации, в которых угол поворота составляет 45° или 135°, или -45° или -135°. В литературе это называется поляризацией луча, параллельной и перпендикулярной плоскости падения пучка. Выгодным побочным эффектом для источника света является наличие степени свободы, связанной с направлением поляризации. Ориентация источника света относительно выходного окна является инвариантной по отношению к поворотам на 90°. Для дополнительного уменьшения абсолютной модуляции вследствие интерференции при прохождении целесообразно использовать антиотражающее покрытие, которое оптимизировано для поляризации, параллельной и перпендикулярной плоскости падения пучка.

Далее, особенно предпочтительным оказался угол наклона, равный 30°, так как в этом случае, с одной стороны, наблюдаются хорошие результаты в отношении волновых оптических свойств, а с другой стороны, изготовление не вызывает особых проблем. При производстве оконных колпачков для лазерных диодов в круглых корпусах практическое использование окна или его оправы ограничено различными краевыми условиями по причине заданных стандартов корпуса и технологии изготовления. Поэтому не представляется целесообразным реализация любого произвольного поворота окна с обычными компонентами, например с цилиндрическими стеклами окна. Однако при повороте на 30° не следует опасаться каких-либо проблем.

На фиг.4 в качестве примера показано решение с углом наклона 30° для стандартного оптического корпуса. Корпус или колпачок 400 выполнен здесь в виде круглого корпуса с центральной осью А, который имеет установочный элемент 401 для выходного окна. Установочный элемент 401 расположен на корпусе 400 таким образом, что образуется угол φ наклона, равный 30°, между нормалью к главной плоскости протяженности окна и главным направлением излучения (здесь центральной осью А корпуса). При ориентации источника света, например лазерного диода поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL), он предпочтительно установлен в корпусе таким образом, что образуется поляризация, перпендикулярная и параллельная плоскости падения пучка, как это описано выше. Для подавления создающих помехи отражений корпус может быть, в частности, внутри соответствующим образом покрыт покрытием или окрашен, в частности окрашен в черный цвет.

На фиг.5 схематически показано продольное сечение предпочтительного варианта выполнения газового детектора согласно изобретению, обозначенного в целом позицией 500. Газовый детектор 500 выполнен в виде OPGD (газового детектора с открытым путем) и содержит трансмиттер или передатчик 510 и ресивер или приемник 520.

Передатчик 510 содержит светоизлучающий модуль 511 согласно изобретению в предпочтительном варианте выполнения, который содержит источник света, выполненный в данном варианте в виде лазерного диода 110, а также корпус 400, представленный на фиг.4. Передатчик 510 содержит дополнительные элементы (не показаны), в частности, для управления и питания светоизлучающего модуля 511.

Светоизлучающий модуль 511 испускает линейно поляризованное световое излучение 515 в главном направлении ОА, которое направлено на приемник 520.

Приемник 520 содержит детектор 521 для определения интенсивности светового излучения 515, а также дополнительные компоненты (не показаны) для питания и управления детектором 521.

В отношении дополнительных подробностей, относящихся к обнаружению газов, в этом месте можно сослаться, например, на WO 2005/088275 A1.

Изобретение относится к светоизлучающему модулю для газового детектора, который содержит источник (110) линейно поляризованного светового излучения (111) и корпус с выходным окном (120), при этом длина волны испускаемого источником (110) света светового излучения (111) может регулироваться. Источник (110) света расположен в корпусе таким образом, что главное направление (ОА) излучения источника (110) света образует с нормалью (N) к главной плоскости (НЕ) выходного окна (120) угол (φ) наклона от 10° до 50°, а направление (P) поляризации светового излучения образует с плоскостью падения на выходное окно (120) угол (θ) поворота от 22,5° до 67,5°. Изобретение позволяет уменьшить зависимость интенсивности светового излучения от длины волны за выходным окном. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Светоизлучающий модуль для газового детектора (500), который содержит источник (110) линейно поляризованного светового излучения (111, 515) и корпус (400) с выходным окном (120),
при этом длина волны светового излучения (111, 515), испускаемого источником (110) света, является регулируемой,
причем источник (110) света расположен в корпусе (400) таким образом, что главное направление (ОА) излучения источника (110) света образует с нормалью (N) к главной плоскости (НЕ) выходного окна (120) угол (φ) наклона от 10° до 50°, и
направление (P) поляризации светового излучения образует с плоскостью падения на выходное окно (120) угол (θ) поворота от 22,5° до 67,5°.

2. Светоизлучающий модуль по п.1, в котором угол (θ) поворота составляет от 30° до 60°, предпочтительно от 35° до 55°, в особенности 45°.

3. Светоизлучающий модуль по п.1, в котором угол (φ) наклона составляет от 20° до 40°, предпочтительно от 25° до 35°, в особенности 30°.

4. Светоизлучающий модуль по п.1, в котором выходное окно (120) имеет антиотражающее покрытие для света с поляризацией, перпендикулярной и параллельной плоскости падения пучка.

5. Светоизлучающий модуль по п.1, в котором выходное окно (120) имеет толщину по меньшей мере 0,2 мм, предпочтительно по меньшей мере 1 мм, и самое большее 1,5 мм.

6. Светоизлучающий модуль по п.1, в котором источник (110) света выполнен в виде лазерного диода, в частности в виде лазерного диода поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL).

7. Светоизлучающий модуль по одному из пп.1-6, в котором источник (110) света является одномодовым.

8. Светоизлучающий модуль по п.7, в котором источник (110) света содержит одномодовый лазерный диод или стеклянное волокно, в частности, одномодовое, из которого испускается одномодовое световое излучение (111, 115).

9. Газовый детектор (500), содержащий светоизлучающий модуль (511), выполненный по одному из пп.1-8.

10. Применение светоизлучающего модуля (511) по одному из пп.1-8 в оптическом газовом детекторе (500) для регистрации спектра поглощения.

11. Способ регистрации спектра поглощения в оптическом газовом детекторе (500) по п.9, в котором исследуемый объем просвечивают испущенным от источника (110) света, по существу, монохроматическим световым излучением (111, 515), имеющим по меньшей мере одну первую и отличающуюся от нее вторую длины волны, и соответственно измеряют поглощение светового излучения (111, 515) первой и второй длин волн в исследуемом объеме.