激光颗粒计数器光敏区强度分布的特性分析

　　光散射法测量颗粒浓度的光学颗粒计数器,得到了越来越多的应用。早期的光学颗粒浓度计数器,用白光作光源[1],故其测量下限受到限制。激光问世以后,人们采用激光作为其光源[2]。激光束与使颗粒信号衰减的阈值噪音耦合,使得颗粒计数器的测量极限与其能够测量的最小颗粒的直径相一致,对于小于最小颗粒直径的颗粒,则不能测量。本文给出了激光颗粒计数器光敏区强度分布的表达式及光敏区面积和强度的关系。

　　理论分析

　　当截断光束的直径大于等于光束直径的倍时,整个受衍射限制的光学系统中的光束在径向为高斯强度分布[3],其在垂直于光束传播方向(z轴)平面内的强度为

　　其中r为径向坐标,R(z)为光强为最大光强的的z点的光束半径。激光束通过一透镜后的关系式为[3]

　　其中zi为入射光束的腰到透镜的距离; zo为透镜到出射光束腰的距离;Ri为入射光束腰半径;Ro为出射光束腰半径, f为透镜焦距; fF=πRi/λ,λ为光波长。如图1所示。

　　其中和分别为无量纲径向和轴向坐标,为焦点最大光强。由(6)式得到其强度轮廓如图2所示,将图2绕轴旋转形成的旋转体表面是一些等强度的表面,而这些等强度表面的强度是互不相等的。

　　讨　论

　　在激光颗粒计数器中,由于噪音的存在以及光电倍增管的探测灵敏度是有限的,因此,只有那些有足够散射光强度的颗粒才能被检测到。在焦平面上,入射光的强度最大。对于给定的颗粒计数器结构,一定大小的颗粒(对应于光散射截面)只有被大于或等于的入射光照射,其散射光才能被检测到,其中I0为焦点处最大光强I(0, 0)。即只有当颗粒通过图2所示的轮廓内时,才能被检测到。相应的,颗粒的光学采样体积正比于轮廓的截面积A()和颗粒的流速。

　　可见,颗粒的光学采样体积和颗粒的粒径有关。因此,在焦平面内,光强相等的轮廓包围的面积是比较重要的。为了确定大于或等于入射光强度I照射的面积A(I/I0),需解下列方程

　　此对应I/I0较大的情况。在接近焦点中心,ξ和ρ较小,强度轮廓接近椭球,它可以从(6)式关于原点的Taylor级数展开中得到。在此情况下,线性范围是相当小的。

　　此对应I/I0较小的情况。在远离焦点处,ξ和ρ较大,由(6)式知,激光强度较小。面积比/和强度比I/I0成线性关系。

　　由以上分析可见,激光束在焦平面的强度分布是不均匀的。由此使得颗粒散射光强度和颗粒在光敏区的位置有关。故使得大颗粒在光敏区的边缘产生的散射光信号与小颗粒在光敏区的中心产生的散射光信号相混淆,致使激光颗粒计数器产生误差。为了避免这种误差,需对光敏区进行均匀内化处理。