CN103063324B - 分子气体激光器腔内气体温度监控装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分子气体激光器腔内气体温度监控装置及其方法。该装置包括收集镜、光谱仪、CCD相机以及计算机；CCD相机接驳在光谱仪上，CCD相机和光谱仪均与计算机电连接，光谱仪的狭缝上安装有光纤探头，计算机用于对光谱数据依次进行位置校正、强度校正、归一化、拟合曲线对比，获取并记录气体温度。方法通过探测放电等离子体发光监控气体温度，直接获得放电中心区域的温度。本发明是一种非接触式温度监控装置，特别适合分子气体激光器这种对气密性与气体成分纯度要求比较高的放电装置的温度监控，可实现远距离监控。

Description

分子气体激光器腔内气体温度监控装置及其方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是监控气体温度的装置，特别是一种基于分子光谱来监控放电等离子气体温度的装置及方法。本发明尤其适用于分子气体激光器腔内气体温度监控。

背景技术

分子气体激光器，例如CO₂激光器、N₂激光器以及准分子激光器，在工业、军事、医疗、科研等领域都有着广泛的应用。分子气体激光器几乎都采用放电泵浦的方式将能量注入，所以放电质量的好坏对于激光器的性能尤为重要。而一方面，放电过程中气体的温度是影响放电质量好坏的重要因素；另一方面，气体的温度也是放电质量好坏的重要评价标准。特别是放电的崩溃(由辉光放电转化成弧光放电)，一方面气体温度过高是它的成因之一，另一方面弧光放电过程中气体温度也明显高于辉光放电中的气体温度。所以在分子气体激光器工作时实时监控气体温度极为重要。

传统的气体激光器温度监控装置多采用热电偶温度传感器或热敏电阻传感器。热电偶温度传感器是由一端连接的两根不同材质的金属线构成，当一端受热时，电路中就会产生电势差，从而得到环境温度。它的优势是简单方便、无需供电且适合宽温度范围和各种大气环境。热敏电阻温度传感器实际上是热敏的半导体材料，它的电阻值会随着温度的变化而变化。它体积小、敏感度高。而新兴的温度传感方式有光纤光栅传感，它是利用温度变化造成的光纤光栅热变形，使光纤中的反射光产生中心波长位移，从而探测环境温度。它响应速度快，不受电磁干扰的影响。

但这些温度传感器存在的最根本的问题是，它只能放置在激光器腔内非放电区域。因为这些传感器如果放置在放电区域势必会对放电稳定性产生影响；同时传统的传感器更是会受放电电磁干扰的影响。这样，传感器获得的是腔内气体的平均温度而不是放电过程中的气体温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分子气体激光器腔内气体温度监控装置及其方法，本发明能够简单而准确地监控分子气体激光器放电区域气体温度，信号的后续处理也相对简单。

本发明提供的一种分子气体激光器腔内气体温度监控装置，其特征在于，该装置包括收集镜、光谱仪、CCD相机以及计算机；CCD相机接驳在光谱仪上，CCD相机和光谱仪均与计算机电连接，光谱仪的狭缝上安装有光纤探头，计算机用于对光谱数据依次进行位置校正、强度校正、归一化、拟合曲线对比，获取并记录气体温度。

利用上述分子气体激光器腔内气体温度监控装置进行监测的方法，其过程为：

第1步将等离子体发光通过收集镜收集到光谱仪的光纤探头端面上；

第2步利用光谱仪获得分子气体激光器放电发射的某一带系的分子光谱；

第3步再由CCD相机采集一次光谱数据；

第4步将采集到的光谱数据输出到计算机中，计算机对光谱数据依次进行位置校正、强度校正、归一化、拟合曲线对比，获取并记录气体温度，并当温度超过一定阈值时报警。

本发明通过探测放电等离子体发光监控气体温度，直接获得放电中心区域的温度。本发明是一种非接触式温度监控装置，特别适合分子气体激光器这种对气密性与气体成分纯度要求比较高的放电装置的温度监控。

总之，本发明采用全光学方法进行温度测量，完全解决了放电过程中电磁干扰的问题，并且采用光纤探头将等离子体发光引入光谱仪，可实现远距离监控。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明实验光谱数据的数据处理拟合气体温度流程图。

具体实施方式

分子气体激光器在工作时，放电等离子体有强辉光发射，发射的辉光会包含有气体成分的分子光谱。而放电等离子体满足局域热平衡条件，分子的转动能与平动能极易达到热平衡，所以通常情况下，分子的转动温度等于气体的平动温度(也就是通常意义下的气体温度)。

本发明基于上述原理设计而成，正是利用分子气体激光器放电等离子体发射的分子光谱，拟合转动光谱，获得实时气体温度，从而对放电气体温度进行监控。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的分子气体激光器腔内气体温度监控装置包括收集镜1、光谱仪3、CCD相机5以及计算机6。CCD相机5接驳在光谱仪3上，CCD相机5和光谱仪3均与计算机6电连接，光谱仪3的狭缝上安装有光纤探头。

整个温度监控单次温度测量过程如下：将等离子体发光通过收集镜1收集到光谱仪3的光纤探头端面2上；利用光谱仪3获得分子气体激光器放电发射的某一带系的分子光谱；再由CCD相机5以需要的时间间隔采集一次光谱数据；将采集到的光谱数据输出到计算机6中，计算机6对光谱数据依次进行位置校正、强度校正、归一化、拟合曲线对比，获取并记录气体温度，并当温度超过一定阈值时报警。

在开始监控之前，首先需要对装置进行调整。调整收集镜1的位置，使得收集镜1尽可能多的收集等离子体发光并聚焦到光谱仪3的光纤探头端面2上，固定收集镜1与光纤探头端面2的位置。通过计算机6调整光谱仪3光栅4的旋转角度，同时开启CCD相机5实时监视光栅4衍射到CCD相机成像面上的光谱，选择所需要的分子光谱带系。选择的原则是：第一，无原子光谱或其他分子光谱的叠加干扰；第二，原则上要求是计算机6数据库中包含的分子光谱带系；第三，在满足前两个条件的前提下选择发光亮度最高持续时间最长的分子光谱带系。选择探测的光谱带系的同时，也调节CCD相机每帧的采样时间，保证能够获得可分辨的分子光谱。调整完成后，即可开始监控放电气体温度。

为了能迅速获得气体温度，计算机6的数据库中需存储以下数据信息：光谱仪3与CCD相机5组成的探测系统整体的强度响应率；几种常见的分子光谱带系(例如N₂第一正带、N₂第二正带、N₂ ⁺第一负带光谱、OH自由基)在不同温度下的归一化的拟合分子光谱。光谱仪3与CCD相机5组成的探测系统整体的强度响应率是光谱仪3与CCD相机5组成的探测系统对于不同波长的光的强度响应率，可事先使用光谱强度校准灯进行标定，具体实施方法是将光谱仪3的光纤探头接驳在光谱强度校准灯上，记录全波长范围每一波长值CCD相机采样的强度，再将全波长范围每一波长值CCD相机采样的强度除以光谱强度校准灯全波长范围每一波长值的发射光强度(在光谱强度校准灯的说明书中会给出)，就得到了探测系统整体的强度响应率。通常情况下，数据库存储的拟合分子光谱的波长精度优于5pm；数据库存储的拟合分子光谱的温度范围需涵盖放电低温等离子体可能的温度范围，一般为200K至2000K；数据库存储的拟合分子光谱的温度精度是监控过程中测量气体温度能达到的精度，一般优于1K。

如图2所示的是待测气体光谱数据的数据处理拟合气体温度流程图。

第1步：采集分子气体激光器腔内气体光谱数据，并对其进行预处理，预处理包括强度校正和归一化处理。

首先，根据待测气体光谱数据的波长范围选取相应波长范围的探测系统整体的强度响应率，将待测气体光谱数据每个波长的光谱强度除以探测系统整体的强度响应率每个波长的光谱强度响应率得到强度校正后的待测气体光谱数据。再按最大值为1、最小值为0对待测气体光谱数据进行归一化处理。

第2步：判断是否为第一次温度测量，如果是，进入第3步，否则，转入第6步。

第3步：设定一个初始温度范围；初始温度范围可以设定一个较宽范围。

第4步计算初始温度范围上限(T_a)下限(T_b)的拟合分子光谱方差；

提取温度范围上、下限对应的拟合分子光谱，按下述公式计算拟合分子光谱的方差χ²(T_a)、χ²(T_b)：

${\mathrm{\χ}}^2\left(T\right)=\left\{\underset{k=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{[I_k^e-I_k^s\left(T\right)]}^2\right\}/Z/(Z-1)---\left(1\right)$

式中χ²(T)为温度T时拟合分子光谱与实验光谱数据的方差，Z为待测气体光谱数据的采样光谱波长总数，为预处理后的待测气体光谱数据第k个采样光谱波长的强度值，为温度T时拟合分子光谱对应的第k个采

样光谱波长的强度值。

第5步采用黄金分割搜索法在初始温度范围内寻找方差最小的拟合分子光谱对应的温度。

对于第一次获取温度，由于温度范围T_b至T_a较大可采用黄金分割搜索法。具体实施方法为：

第5.1步首先在取温度范围T_b至T_a的两个黄金分割点T_c和T_d，T_c＜T_d，按(1)式计算χ²(T_c)和χ²(T_d)；

第5.2步如果χ²(T_c)小于χ²(T_d)，则以T_a、T_d为新的温度范围上下限，T_c为新温度范围上下限的其中一个黄金分割点，再取另一个黄金分割点T_e，计算χ²(T_e)与χ²(T_c)；

如果χ²(T_c)大于χ²(T_d)，则以T_c、T_b为新温度范围的上下限，T_d为新温度范围上下限的其中一个黄金分割点，再取另一个黄金分割点T_f，计算χ²(T_f)与χ²(T_d)；

第5.3步判断第5.2步所得到的两个黄金分割点中方差较小的那个黄金分割点的温度值是否满足设定的精度(计算机6中数据库存储的拟合分子光谱的温度精度，一般不大于1K)；如满足，则进入第5.4步；否则继续缩小温度范围，直到温度值满足设定的精度；

第5.4步判断该温度的方差是否小于χ²(T_a)和χ²(T_b)，如果是，则该温度为拟合温度，即待测气体温度T，进入第5.5步；否则，如果方差大于χ²(T_a)则在初始温度范围的下限以下重新设定温度范围，如果方差大于χ²(T_b)则在初始温度范围的上限以上重新设定温度范围(由于偏离最适温度越远方差越大，所以不存在该温度的方差比χ²(T_a)和χ²(T_b)都大的情况)，再转入第4步，重新搜寻，最终得到待测气体温度T。

第5.5步根据所得到的待测气体温度T设定监控温度范围，作为监控使用，然后转入第1步监控。根据监控放电稳定性需要，在得到的待测气体温度T附近设定激光输出可接受的温度波动范围，作为监控温度范围。对于一般工业加工用的分子气体激光器，通常设定监控温度范围为T±20K，对于激光输出功率有更高要求的应用可进一步缩小监控温度范围。

第6步采用逐项比较法在监控温度范围内寻找方差最小的拟合分子光谱对应的温度。

依次计算监控温度范围内的每一温度对应的方差，找到方差最小的温度，如果方差最小的温度不是监控温度范围的上限或下限时，则该温度为拟合温度，即待测气体温度T；否则，说明分子气体激光器内放电气体温度超过监控温度范围，气体放电不正常，予以报警。

第7步转入第1步继续监控，直到任务完成。

如果气体放电的发射光谱中，无数据库中所含的分子光谱，或数据库中所含的分子光谱太弱、叠加严重，则可选取适当的光谱，根据分子光谱学的原理自行拟合不同温度对应的光谱，添加到数据库中再进行监控。

本发明能实时的对分子气体激光器腔内放电过程中的气体温度进行监控，具备高度灵敏性、实时性、远程监控、装置简单、方法简便等一系列的有点。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种分子气体激光器腔内气体温度监控方法，其过程为：

第1步将等离子体发光通过收集镜收集到光谱仪的光纤探头端面上；

第2步利用光谱仪获得分子气体激光器放电发射的某一带系的分子光谱；

第3步再由CCD相机采集一次光谱数据；

第4步将采集到的光谱数据输出到计算机中，计算机对光谱数据依次进行位置校正、强度校正、归一化、拟合曲线对比，获取并记录气体温度，并当温度超过一定阈值时报警；计算机的具体处理过程为：

第4.1步接收分子气体激光器腔内气体光谱数据，并对其进行预处理；

第4.2步：判断是否为第一次温度测量，如果是，进入第4.3步，否则，转入第4.6步；

第4.3步：设定一个初始温度范围；

第4.4步计算初始温度范围的上限T_a和下限T_b拟合分子光谱方差；

第4.5步采用黄金分割搜索法在初始温度范围内寻找方差最小的拟合分子光谱对应的温度，作为待测气体温度T，并根据待测气体温度T设定监控温度范围，然后转入第4.1步；

第4.6步采用逐项比较法在监控的温度范围内寻找方差最小的拟合分子光谱对应的温度：

依次计算监控温度范围内的每一温度对应的方差，找到方差最小的温度，如果方差最小的温度不是监控温度范围的上限或下限时，则该温度为拟合温度，即待测气体温度T；否则，说明分子气体激光器内放电气体温度超过监控温度范围，气体放电不正常，予以报警；

第4.7步转入第4.1步继续监控，直到任务完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第2步中，所述某一带系的分子光谱的选择的原则是：第一，无原子光谱或其他分子光谱的叠加干扰；第二，原则上要求是计算机数据库中包含的分子光谱带系；第三，在满足前两个条件的前提下选择发光亮度最高持续时间最长的分子光谱带系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第4.5步具体包括下述过程：

第4.5.1步首先在取初始温度范围T_b至T_a的两个黄金分割点T_c和T_d，T_c<T_d，计算拟合分子光谱的方差χ²(T_c)和χ²(T_d)；

第4.5.2步如果χ²(T_c)小于χ²(T_d)，则以T_a、T_d为新的温度范围上下限，T_c为新温度范围上下限的其中一个黄金分割点，再取另一个黄金分割点T_e，计算χ²(T_e)与χ²(T_c)；

如果χ²(T_c)大于χ²(T_d)，则以T_c、T_b为新温度范围的上下限，T_d为新温度范围上下限的其中一个黄金分割点，再取另一个黄金分割点T_f，计算χ²(T_f)与χ²(T_d)；

第4.5.3步判断第4.5.2步所得到的两个黄金分割点中方差较小的那个黄金分割点的温度值是否满足设定的精度；如满足，则进入第4.5.4步；否则继续缩小温度范围，直到温度值满足设定的精度；

第4.5.4步判断该温度的方差是否小于χ²(T_a)和χ²(T_b)，如果是，则该温度为拟合温度，即待测气体温度T，进入第4.5.5步；否则，在初始温度范围的上限或下限外重新设定温度范围，转入第4.4步；

第4.5.5步根据所得到的待测气体温度T设定监控温度范围，作为监控使用，然后转入第4.1步监控。