一种具有激光生物灭活功能的激光光路系统
技术领域
本发明涉及一种具有激光生物灭活功能的激光光路系统，属于空气灭菌
技术领域
。背景技术
致病微生物在人员密集场所的传播严重损害人体健康且在我国处于高发态势。近年来，流感在医院门诊、学校等场所暴发流行日趋常见，医院获得性感染发生率也不断上升。随着科技的进步，人们深刻意识到空气中微生物传播的危害，同时也提出了在高致病传染微生物存在的极端条件下，快速有效地降低致病微生物传播的技术需求。事实上，人群聚集的任何地方都需要健康的空气，因而去除空气中的致病微生物研究具有重大的现实需求和意义。目前关于如何去除空气中致病微生物已经有一些研究，相关实用技术主要分为两类：一是采用高效空气过滤器（HEPA）的过滤方法，二是采用紫外线照射的方法。
HEPA空气过滤器通过使用具有纳米或微米孔的过滤材料来去除空气中的微生物，从而抑制其在空气中的传播。研究表明，空气中微生物的种类繁多，病毒、细菌等微生物的尺寸范围从几十纳米到十几微米不等。当利用空气过滤器去除纳米级的微生物粒子时，需要采用孔径更小的过滤器，但是这样会使气阻增大，严重增加设备能耗；由于过滤器需要经常更换维护，大大提高了空气净化的成本，不适合大型建筑物。此外，HEPA过滤器并不会主动杀死致病微生物，它们被捕获并留存在过滤器的滤料中，使废弃过滤器的处置麻烦，不加处理的丢弃将引发环境问题。
紫外线照射是一种成熟的消毒方式，对细菌、病毒及抗氯的原生动物都有很好的灭活作用。然而，紫外线会对人体造成伤害，因而只能在无人的空间使用。事实上，人的活动会在很短的时间内显著提高室内空气中微生物的含量，而在这段时间内紫外线灯不能工作。为了解决紫外线灯存在的问题，紫外线杀菌净化器已经被研制和使用，这种净化器将紫外线灯内置在机器内部，屏蔽了紫外线与人的接触，利用风扇使室内空气通过紫外线照射区域，实现不间断的工作。紫外线空气消毒器能够实现去除空气中致病微生物的效果，但也存在着一些问题。紫外线杀菌技术中最主要的问题在于微生物需要长时间的紫外照射才能完全灭活，一般紫外线辐射剂量要累计达到2000-10000µJ/cm2以上才能够有效的杀灭微生物。在一项利用254nm紫外光照射SARS-COV病毒的研究中，当紫外线强度为4016µW/cm2时，病毒完全灭活需要15分钟的照射时间，累计剂量达到3.6J/cm2。因此，为了达到较高的剂量，需要在紫外线杀菌设备中保持较长的时间或者多次循环，这导致净化效率低，速度慢，大风量多次循环造成能耗高。此外，一些高致病的微生物如果不能在进入净化器的过程中被杀死，那么仪器风循环作用则会加速微生物的扩散，带来负面的影响。
尽管有大量关于利用激光技术杀灭微生物的研究，但是到目前为止很少有关于激光技术杀灭空气中微生物的报道。激光技术杀灭空气中微生物一些关键性的科学问题还不明确，如激光与空气中悬浮状态下的微生物单体或气溶胶作用时，激光强度、脉冲能量及脉宽等参数的影响规律还不明确，激光光路的发散与聚焦。此外，激光光束窄、能量集中，空气中的微生物含量低，如何能够让激光束击中空间中漂浮的微生物，且充分利用激光能量是一个复杂的多变量问题。
随着人们对空气中微生物危害认识的提高、激光器种类的丰富及激光器价格的大幅度降低，激光在去除空气中微生物上具有潜在的应用价值，能够实现空气中微生物的快速灭活，并进一步降低空气中微生物的净化成本。因此，本专利提出利用激光技术灭活空气中的微生物，对及激光光路的多变量优化设计理论等问题开展研究，提出了几种新型的应用在空气中微生物灭活的光路系统。该光路系统具有高效率，成本低，性能稳定，维护周期长的特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有激光生物灭活功能的激光光路系统，该激光光路系统根据激光光束与空气中微生物作用系统的特点，协同各影响因素，以成本为优化目标，构建高效低成本的激光光路系统，促进激光技术在空气微生物灭活上实现应用。
为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种具有激光生物灭活功能的激光光路系统，利用反射镜对激光的反射作用，在固定空间范围内构造高强度激光场的反应器；在反应器的一端设有气体入口，另一端设有气体出口；在反应器的容器壁内设有激光窗口，外部设置的激光器所发出的激光通过激光窗口入射到反应器内；在反应器的内壁设有曲面或斜面镜面，将激光多次折射形成激光屏障。
所述的激光屏障垂直于气体流向或平行于气体流向。
利用激光高速振镜在反应器内构建动态激光场，且激光光束方向与气体流向方向平行。
所述的反应器为方形管道，方形管道的两个相对面设有平面反射镜，激光窗口位于其中一个平面反射镜的端部，激光器产生的激光线束通过激光窗口斜向射入方形管道内，激光线束在两个反射镜之间折返，构建出具有固定高度和深度的激光屏障。
所述的激光器为CO2激光器、固体激光器、光纤激光器或者半导体激光器。
所述的激光器的功率为5mw～3000w，频率特征包括连续激光和脉冲激光。
激光生物灭活功能的激光光路系统可以使空气中微生物灭活，从而达到净化空气的作用。
该具有激光生物灭活功能的激光光路系统采用反应器内设置激光屏障，有效对微生物进行灭活作用。
进一步的反应器为方形管结构，采用激光光束平行或垂直于气体进入方向，实现激光屏障。
激光生物灭活功能的激光光路系统的激光能量调整方法通过改变激光参数，可研究激光参数对微生物灭活的影响，也可以改变微生物种类，研究激光辐照对不同微生物种类的影响。此外，可以利用该反应装置研究模拟空气中的灰尘、水汽对激光灭活微生物的影响。
附图说明
图 1 激光束与气流平行的激光场。
图 2 动态光路系统。
图 3 为激光束与气流垂直的激光场示意图。
图 4未进行激光灭活的培养皿培养菌落生长图。
图 5为完全激光灭活的培养皿培养菌落生长图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，一种具有激光生物灭活功能的激光光路系统，在反应器的一端设有气体入口2，反应器的另一端设有气体出口3；在反应器的容器壁内设有激光窗口，外部设置的激光器6所发出的激光线束通过激光窗口5入射到反应器内；在反应器的内壁设有曲面或斜面镜面1，将激光多次折射形成激光屏障；激光器6产生的激光线束方向与气体流向方向平行，以实现激光光束充满管道。
其中激光器为CO2激光器、固体激光器、光纤激光器或者半导体激光器。激光器的功率为5mw～3000w。
实施例二
如图2所示，当可选择的激光功率足够强时，激光器6通过激光高速振镜4在反应器内构建动态激光场，且激光光束方向与气体流向方向平行，利用激光高速振镜可以在通风管道的内部制造具有一定空间分布的动态光场。通过合理配置激光的功率和扫描的速度，能够实现在单个微生物上累计的激光能量超过微生物承受的极限，实现微生物的灭活效果。该光路方案中激光的利用率低，也可以将激光振镜与反射镜结合使用，以提高激光能量的利用率。
实施例三
如图3所示，在反应器的内壁设有曲面或斜面镜面，将激光多次折射形成激光屏障，所述的反应器为方形管道，方形管道的两个相对面设有平面反射镜1，激光窗口位于其中一个平面反射镜的端部，激光器6产生的激光线束通过激光窗口斜向射入方形管道内，激光在两个反射镜之间折返，当反射点超过反射镜顶端的时候，利用一个分离的反射镜将激光束以一定入射角度向下反射，同理在反射镜的底部也设置同样的分离反射镜，从而实现激光束被约束并填充在两个反射镜之间。通过激光在高度方向和深度方向两个方向的填充，构建出具有一定高度和深度的激光场，且激光光束方向与气体流向方向垂直。其余结构与实施例一相同。
上述三个实施例中，激光生物灭活功能的激光光路系统的激光能量调整方法，包括以下步骤：在反应器的出气口处设置盛有培养基的培养皿，在气流的带动下，出口气体中的活性微生物会撞击在培养皿中；将培养皿置于恒温培养箱中20～48小时后观察菌落情况如图4所示，根据菌落的数量来定性激光灭活空气中微生物的性能，根据菌落的数量改变进气和出气口之间的距离或者载气流速，调整激光与微生物的作用时间，最终达到如图5所示的培养皿菌落的数量，即为合格。
一种具有激光生物灭活功能的激光光路系统采用激光屏障对空气中微生物灭活的应用。
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