基于ZEMAX的二氧化硫分析儀光學(xué)設(shè)計(jì)

李洪剛，吳巖磊

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司 天津300384；2.天津市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300384)

0 引 言

人類生活的大氣是由多種氣體組成的，除了人體需要的氣體外，還有很多有害氣體，其中二氧化硫氣體就是危害較大的氣體之一。對于人類來說，二氧化硫氣體通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入體內(nèi)，會引起呼吸系統(tǒng)疾病，影響人的身體健康，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懙缴踩?。對于環(huán)境來說，二氧化硫是形成酸雨的主要物質(zhì)，酸雨對環(huán)境的影響以及危害非常大，在 20世紀(jì)80年代，我國的酸雨面積大約170萬km2，到了90年代，面積擴(kuò)大了約 40%，二氧化硫及其形成的酸雨已成為制約我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1]，所以對二氧化硫氣體進(jìn)行檢測是非常有必要的。本文通過對國標(biāo)推薦的分析方法進(jìn)行光學(xué)仿真，以驗(yàn)證光學(xué)設(shè)計(jì)的可行性。

1 二氧化硫分析儀工作原理

HJ 654—2013《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》推薦二氧化硫分析儀的分析方法為紫外熒光法，其基本原理為二氧化硫分子吸收紫外光，在某個(gè)波長受到激勵(lì)，然后衰減至較低的能量狀態(tài)，在另一個(gè)不同的波長發(fā)射出紫外熒光，此紫外熒光的光強(qiáng)正比于二氧化硫氣體的濃度，據(jù)此即可對未知濃度的二氧化硫氣體進(jìn)行濃度測量，具體分述如下。

SO2分子吸收紫外光(UV)，在某個(gè)波長受到激勵(lì)，然后衰減至較低的能量狀態(tài)，同時(shí)在另一個(gè)不同的波長發(fā)射UV光。明確地說就是：

SO2在長度為 L的光學(xué)室中吸收的輻射光強(qiáng) Ia符合Beer-Lambert定律：Ia=Io(1-e-αLc)

光電倍增管接收到的熒光光強(qiáng)可用下式表達(dá)：

其中 G為與光電倍增管所檢測到的檢測室被照亮部分相關(guān)的常數(shù)。

因此光電倍增管所檢測到的光輻射直接正比于SO2的濃度[2]。

將上述公式進(jìn)行更詳細(xì)的展開，可以得到探測器接收的熒光強(qiáng)度為[3]：

式中：a為熒光出口石英透鏡的透過率，b為熒光濾光片的透過率，ε為二氧化硫的吸收系數(shù)，l為反應(yīng)室的長度，p為二氧化硫氣體濃度，I0為入射光強(qiáng)，kf、kq、kd為速率常數(shù)，ΔS為熒光出口的面積，ds為光束束寬(橫截面積)，r為光束中心與探測器的距離。

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由此可見，熒光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)成正比，與光束束寬成正比，同時(shí)要求入射光束為平行光。這將作為我們最終選擇設(shè)計(jì)光路的基本原則。

2 二氧化硫分析儀光學(xué)設(shè)計(jì)

二氧化硫氣體在紫外區(qū)主要有 3個(gè)吸收區(qū)[4]：190～230nm 是強(qiáng)吸收區(qū)；250～320nm 是弱吸收區(qū)；340～390nm 是極弱吸收區(qū)。之所以選擇 190～230nm波段的激發(fā)光，是因?yàn)樵搮^(qū)屬于強(qiáng)吸收區(qū)，淬滅最小，熒光系數(shù)最大。

光源部分：紫外光源有鋅燈、氘燈和氙燈等，氘燈使用壽命比較短，鋅燈和氙燈在紫外熒光法測二氧化硫里是使用比較多的光源，對這兩種光源進(jìn)行了對比設(shè)計(jì)。激發(fā)光的選擇，通常采用干涉濾光片的方式，本文通過選擇特殊鍍膜的反射鏡，結(jié)合特殊的光路設(shè)計(jì)，以獲得激發(fā)光，同時(shí)對這兩種方式進(jìn)行了對比設(shè)計(jì)。

反應(yīng)室部分：主要考慮充分反應(yīng)和熒光的收集需求，采用90°垂直光路設(shè)計(jì)。同時(shí)，使光學(xué)室溫度和壓力保持恒定，以保持熒光反應(yīng)的外界條件一致性。

光電探測部分：熒光的探測采用光電倍增管，因?yàn)闊晒庑盘柼貏e微弱，檢測難度較大，硅光電池、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管難以滿足要求，所以選擇光電倍增管來接收熒光。光電管用來監(jiān)測光源的能量，以補(bǔ)償光源的變化對熒光強(qiáng)度的影響。

綜上所述，設(shè)計(jì)了兩種光路，光路 1采用氙燈為光源，采用反射濾光片進(jìn)行激發(fā)光的選擇，采用光電管進(jìn)行光強(qiáng)探測，其光學(xué)原理如圖1所示。

圖1 光路1光學(xué)原理圖Fig.1 Optical schematic diagram of optical path 1

在ZEMAX軟件中，對光路1進(jìn)行了建模仿真，其三維布局如圖2所示。

圖2 光路一三維布局圖Fig.2 3D Layout diagram of optical path 1

光路2采用鋅燈為光源，采用干涉濾光片進(jìn)行激發(fā)光的選擇，并采用分束鏡進(jìn)行光源能量監(jiān)測，其光學(xué)原理如圖3所示。

圖3 光路2光學(xué)原理圖Fig.3 Optical schematic diagram of optical path 2

在ZEMAX軟件中，對光路2進(jìn)行了建模仿真，其三維布局如圖4所示。

圖4 光路二三維布局圖Fig.4 3D Layout diagram of optical path 2

3 優(yōu)化結(jié)果分析與結(jié)論

在 ZEMAX中以光源到第一個(gè)聚光鏡的距離為變量，對以上兩種光路分別進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行光線追跡，探測器的光斑圖及分析如下。

圖5 光斑圖Fig.5 Light spot figure

兩種光路的光斑圖如圖5所示，左圖為光路1光斑圖，右圖為光路2光斑圖。光路1的最終能量百分比為 49%，光路 2的最終能量百分比為 9%，這完全符合光路設(shè)計(jì)情況的理論分析。因?yàn)楣饴?不僅采用了透過率低的干涉濾光片，而且采用了分束鏡進(jìn)行光強(qiáng)探測，使得入射到光室的光強(qiáng)進(jìn)一步降低；光路 1的 PMT位置光束半徑為 2.738mm，光路 2的 PMT位置光束半徑為1.291mm。從數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論：無論入射光強(qiáng)還是光束束寬，光路1的結(jié)果都比光路2的結(jié)果好。

兩種光路不同位置的光斑圖如圖6所示，上圖是光路1的光斑圖，下圖是光路2的光斑圖。光路1的3處位置的光斑半徑分別為 2.884、2.738、2.707mm；光路 2的 3處位置的光斑半徑分別為 1.429、1.291、1.222mm。從數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論：光路 1的平行性比光路2的平行性好。

圖6 不同位置光斑圖Fig.6 Light spot at different locations

綜合以上兩種結(jié)果的分析，光路 1更符合要求，為滿足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。