[發(fā)明專利]分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210533664.5
• 申請日: 2012-12-11
• 公開（公告）號: CN103063324A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊晨光;徐勇躍;左都羅;王新兵;陸培祥;唐建;何崇文;胡攀攀
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是監(jiān)控氣體溫度的裝置，特別是一種基于分子光譜來監(jiān)控放電等離子氣體溫度的裝置及方法。本發(fā)明尤其適用于分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控。

背景技術(shù)

分子氣體激光器，例如CO₂激光器、N₂激光器以及準(zhǔn)分子激光器，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。分子氣體激光器幾乎都采用放電泵浦的方式將能量注入，所以放電質(zhì)量的好壞對于激光器的性能尤為重要。而一方面，放電過程中氣體的溫度是影響放電質(zhì)量好壞的重要因素；另一方面，氣體的溫度也是放電質(zhì)量好壞的重要評價標(biāo)準(zhǔn)。特別是放電的崩潰(由輝光放電轉(zhuǎn)化成弧光放電)，一方面氣體溫度過高是它的成因之一，另一方面弧光放電過程中氣體溫度也明顯高于輝光放電中的氣體溫度。所以在分子氣體激光器工作時實時監(jiān)控氣體溫度極為重要。

傳統(tǒng)的氣體激光器溫度監(jiān)控裝置多采用熱電偶溫度傳感器或熱敏電阻傳感器。熱電偶溫度傳感器是由一端連接的兩根不同材質(zhì)的金屬線構(gòu)成，當(dāng)一端受熱時，電路中就會產(chǎn)生電勢差，從而得到環(huán)境溫度。它的優(yōu)勢是簡單方便、無需供電且適合寬溫度范圍和各種大氣環(huán)境。熱敏電阻溫度傳感器實際上是熱敏的半導(dǎo)體材料，它的電阻值會隨著溫度的變化而變化。它體積小、敏感度高。而新興的溫度傳感方式有光纖光柵傳感，它是利用溫度變化造成的光纖光柵熱變形，使光纖中的反射光產(chǎn)生中心波長位移，從而探測環(huán)境溫度。它響應(yīng)速度快，不受電磁干擾的影響。

但這些溫度傳感器存在的最根本的問題是，它只能放置在激光器腔內(nèi)非放電區(qū)域。因為這些傳感器如果放置在放電區(qū)域勢必會對放電穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；同時傳統(tǒng)的傳感器更是會受放電電磁干擾的影響。這樣，傳感器獲得的是腔內(nèi)氣體的平均溫度而不是放電過程中的氣體溫度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置及其方法，本發(fā)明能夠簡單而準(zhǔn)確地監(jiān)控分子氣體激光器放電區(qū)域氣體溫度，信號的后續(xù)處理也相對簡單。

本發(fā)明提供的一種分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置，其特征在于，該裝置包括收集鏡、光譜儀、CCD相機以及計算機；CCD相機接駁在光譜儀上，CCD相機和光譜儀均與計算機電連接，光譜儀的狹縫上安裝有光纖探頭，計算機用于對光譜數(shù)據(jù)依次進行位置校正、強度校正、歸一化、擬合曲線對比，獲取并記錄氣體溫度。

利用上述分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置進行監(jiān)測的方法，其過程為：

第1步將等離子體發(fā)光通過收集鏡收集到光譜儀的光纖探頭端面上；

第2步利用光譜儀獲得分子氣體激光器放電發(fā)射的某一帶系的分子光譜；

第3步再由CCD相機采集一次光譜數(shù)據(jù)；

第4步將采集到的光譜數(shù)據(jù)輸出到計算機中，計算機對光譜數(shù)據(jù)依次進行位置校正、強度校正、歸一化、擬合曲線對比，獲取并記錄氣體溫度，并當(dāng)溫度超過一定閾值時報警。

本發(fā)明通過探測放電等離子體發(fā)光監(jiān)控氣體溫度，直接獲得放電中心區(qū)域的溫度。本發(fā)明是一種非接觸式溫度監(jiān)控裝置，特別適合分子氣體激光器這種對氣密性與氣體成分純度要求比較高的放電裝置的溫度監(jiān)控。

總之，本發(fā)明采用全光學(xué)方法進行溫度測量，完全解決了放電過程中電磁干擾的問題，并且采用光纖探頭將等離子體發(fā)光引入光譜儀，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實驗光譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理擬合氣體溫度流程圖。

具體實施方式

分子氣體激光器在工作時，放電等離子體有強輝光發(fā)射，發(fā)射的輝光會包含有氣體成分的分子光譜。而放電等離子體滿足局域熱平衡條件，分子的轉(zhuǎn)動能與平動能極易達(dá)到熱平衡，所以通常情況下，分子的轉(zhuǎn)動溫度等于氣體的平動溫度(也就是通常意義下的氣體溫度)。

本發(fā)明基于上述原理設(shè)計而成，正是利用分子氣體激光器放電等離子體發(fā)射的分子光譜，擬合轉(zhuǎn)動光譜，獲得實時氣體溫度，從而對放電氣體溫度進行監(jiān)控。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明提供的分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置包括收集鏡1、光譜儀3、CCD相機5以及計算機6。CCD相機5接駁在光譜儀3上，CCD相機5和光譜儀3均與計算機6電連接，光譜儀3的狹縫上安裝有光纖探頭。