[发明专利]一种基于微纳光纤进行微颗粒计数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微纳光纤进行微颗粒计数的装置及方法。

背景技术

微颗粒传感技术在化学大分子检测、半导体工艺和高通量激光系统等需要采取洁净控制的系统中有着迫切的应用需求。美国National Ignition Facility Project（国家点火工程，简称NIF，为核聚变提供激光点火）中涉及高光通量的光学元件及周围环境建立了“洁净控制协议（CCP）”，对核心部件的制造、清洗、安装以及材料进行了严格地规定，保证激光系统在制造、安装过程中尽可能少地残留污染物，在使用过程中尽可能少地产生污染物。系统要实现最终点火目标，主要光学部件的光通量负载能力应达到10J/cm²。研究表明，高质量、洁净玻璃的损伤阈值在7～10J/cm²，任何表面污染都会导致光学表面损伤阈值的降低，因此，“ICF”系统必须采取各种手段对系统中的污染发展情况进行实时监测并采取严格控制措施。但是，仅是前期的洁净控制还远远不够。由于该系统中的空间滤波器、多程放大器等都置于巨大而复杂的真空系统，需要使用大量润滑剂、粘合剂、高分子材料、塑料垫圈等等，在10^-4帕的真空情况下，这些材料会挥发形成有机污染物。在激光器工作情况下，这些有机污染物产生高能杂散光，强烈的散射光又加剧这些材料的挥发，导致恶性循环。这些有机污染物相互碰撞会凝聚成颗粒状污染物沉积在光学器件表面，一方面会影响光束质量，另一方面会吸收激光能量产生微爆炸，在光学器件表面形成微损伤，这种损伤的积累最终会导致光学器件损伤阈值下降，严重时会导致光学器件彻底损坏。

为保证高功率激光系统的持续稳定工作，必须对光学表面污染物的沉积情况进行实时在线检测，这对微污染物传感提出了特殊要求：

（1）分辨率高，动态范围大；目前该系统要求光学表面可凝态污染物测试分辨率优于100pg/mm²，连续工作时间至少要达到180天，由于激光器长时间工作会导致光学表面沉积的污染物达到几十纳克每平方毫米，这就要求传感器具有较大的动态范围；

（2）可在线、实时测量光学表面污染物吸附质量。激光粒子计数装置是测量空气洁净度的常用仪器，但它仅可测量飘浮在空中的污染颗粒，对吸附在光学表面的污染颗粒无法测量。原子力显微镜和椭偏仪可以通过测量光学表面薄膜厚度的微小变化来得到污染物吸附情况，但这两种仪器都十分精密，对使用条件有苛刻要求，无法实现在线测量。声表面波技术是一种较有前景的在线微质量测试技术，但受温度影响较大，国内该技术的研究还不成熟。

（3）有效区分污染物的类别。目前多数微质量传感器，如石英膜厚仪等虽可以精确测量，但还无法区分沉积物的成分。

（4）准分布测量。目前要进行环境洁净控制的系统通常体积庞大，该系统有几十路激光器，每一路有几十片大型光学玻璃、透镜和晶体，任何一块器件的损坏都可能造成整个光路的破坏。因此必须对这些高光通量光学器件的表面污染情况进行监测，而且这些器件的尺寸都比较大，可能需要几个传感器才可以完全反映一片玻璃的污染情况，因此需要大量的传感器进行准分布式测量，这一点目前石英膜厚仪和声表面波技术还无法实现。

发明内容

为了解决目前真空系统中污染物监测遇到的技术问题，本发明提供一种可准确有效检测污染物情况的基于微纳光纤的微颗粒计数装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种基于微纳光纤进行微颗粒计数的装置，包括激光发生装置、微纳光纤和信号光探测器，所述的激光发生装置的输出端通过微纳光纤连接信号光探测器。

所述的一种基于微纳光纤进行微颗粒计数的装置，还包括用于将激光发生装置所发射的激光分为两路的光纤耦合器和参考光探测器，所述的光纤耦合器的输入端连接激光发生装置，光纤耦合器的两个输出端的其中一个输出端连接微纳光纤后，再连接至信号光探测器，光纤耦合器的另一个输出端通过单模光纤连接至参考光探测器。

所述的一种基于微纳光纤进行微颗粒计数的装置，所述的激光发生装置包括激光器和光纤隔离器，所述的激光器的输出端经光纤隔离器连接至光纤耦合器的输入端。

所述的一种基于微纳光纤进行微颗粒计数的装置，所述的微纳光纤的直径为1微米-10微米。

一种基于微纳光纤进行微颗粒计数的方法，包括以下步骤：

步骤一：将激光发生装置所发生的激光作为信号光连接微纳光纤；

步骤二：在微纳光纤后连接用于检测信号光强度的信号光探测器；