【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及光學氣體傳感器，尤其涉及一種反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器。
技術介紹
1、在各類氣體檢測技術中，光學氣體傳感技術以其高靈敏度、快速響應和非侵入性檢測等優(yōu)勢而備受青睞。光學氣體傳感技術在呼氣診斷、有毒氣體泄漏、環(huán)境大氣監(jiān)測以及能源勘探等領域有著廣泛的應用前景。在光學氣體傳感技術中，激光光譜技術包括：可調諧二極管激光吸收光譜、拉曼光譜和光聲/光熱光譜等多種形式。通過分子指紋中待測氣體吸收光譜的方式，能夠有效區(qū)分不同種類的氣體。光熱光譜技術在痕量氣體檢測中的物理過程可劃分為幾個關鍵部分：首先，通過強度調制或波長調制對泵浦激光進行處理，與氣體分子相互作用，使氣體分子吸收特定波長的光子能量，其電子從基態(tài)躍遷至高能級激發(fā)態(tài)；然后，高能級激發(fā)態(tài)氣體分子通過非輻射熱弛豫的過程釋放能量，在空間內產生局部熱量積聚，繼而調制該空間光學折射率分布；當連續(xù)探測激光經過該位置時，其光相位因折射率調制而發(fā)生時移，基于不同的光學相位解調方式，可以將相位信息轉換為強度變化，隨氣體分子濃度變化，最終獲得探測激光強度信號的線性變化，從而實現(xiàn)間接傳感目的。由于同時利用泵浦和探測激光的主動探測手段，同時利用光熱致相位解調方式可實現(xiàn)零背景痕量氣體檢測。
2、根據(jù)光熱致相位解調方式，光熱光譜可以分為光熱干涉光譜和外差光熱光譜兩類。在泵浦光激發(fā)空間中待測氣體分子產生光熱相位變化后，光熱干涉光譜主要通過構建光學干涉儀，將探測光相位變化轉換為探測光干涉相位差，當相位差發(fā)生變化時，處于干涉工作點的相位轉換為強度的變化最明顯，從而將相位變化轉為強度信號輸
3、在上述光熱干涉光譜的氣體檢測方案中，目前提出的具體干涉解調技術包括馬赫澤德爾干涉儀、邁克爾遜干涉儀、法布里玻羅干涉儀等成熟的干涉裝置均可用于光熱致相位的強度解調。其中，基于法布里玻羅干涉在小型化光熱光譜氣體檢測儀研制中使用廣泛，因其結構簡單，易于集成。然而，基于干涉儀實現(xiàn)相位解調的方案在考慮實際環(huán)境中存在的溫度對干涉儀相位差的影響時，往往需要引入探測波長負反饋鎖定的機制，將靜態(tài)正交工作點鎖定以提高輸出強度信號信噪比。通常斜邊解調原理涉及工作點鎖定需要引入pid負反饋算法，涉及大量反饋、計算和放大電路實現(xiàn)，操作復雜且實現(xiàn)難度較大。
4、就上述兩點而言，考慮實現(xiàn)痕量氣體檢測目的所需的光熱光譜檢測儀需要高效率泵浦光傳輸激發(fā)以及穩(wěn)定的信號解調單元，同時需要保證系統(tǒng)結構簡單緊湊，易于后期集成封裝。因此，需要設計一種同時實現(xiàn)泵浦光約束和探測光相位解調的全光纖光熱氣體吸收室，因此提出基于反諧振空芯光纖作為氣體吸收室的同時，利用諧振滾降帶進行斜邊解調的方案，可省略光纖干涉儀的設計，同時利用諧振滾降帶溫度不敏感特性，實現(xiàn)無串擾的光致熱相位變化轉換，構成一種基于波導本身性質的解調儀。其次，通過控制光波導結構和材料特性，可以實現(xiàn)超寬范圍的反諧振解調線性區(qū)，對比普通光纖干涉儀的解調范圍將大幅提升，從而實現(xiàn)痕量濃度范圍內的超大動態(tài)測量范圍。
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術的目的是為了解決現(xiàn)有技術存在的問題和不足，提供一種反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器。
2、本專利技術的目的是這樣實現(xiàn)的：
3、該傳感器氣體吸收室由反諧振空芯光纖與單模光纖級聯(lián)構成，泵浦和探測光同時耦合進入空芯氣室內，其中反諧振特性約束泵浦光與氣體分子在極高光能密度條件下可激發(fā)全空芯線路內的光熱效應集聚，形成腔內熱場分布將進一步調制探測光場相位，并在反諧振空芯光纖特殊的諧振滾降帶中，將相位變化線性轉化為光熱強度信號輸出，實現(xiàn)從泵浦增強和大動態(tài)范圍精密解調的全光纖光熱痕量氣體檢測目的。未來，可能作為一種新的系統(tǒng)結構指導核心器件集成化的小型精密氣體分析儀設計與實現(xiàn)。
4、具體地說
5、如圖1，本傳感器包括泵浦激光、探測激光、輸入光纖、空芯反諧振光纖、輸出光纖和光電探測器；
6、泵浦激光和探測激光經耦合器合束并經輸入光纖耦合至空芯反諧振光纖的空氣芯中；
7、輸入光纖、空芯反諧振光纖、輸出光纖和光電探測器依次連接。
8、工作機理：
9、泵浦激光和探測激光耦合到輸入光纖中傳輸并遞送到空芯反諧振光纖中，輸出探測光耦合進入輸出光纖，最后投射到光電探測器中，輸出待測氣體濃度信號；
10、在輸入光纖、空芯反諧振光纖和輸出光纖之間通過陶瓷插芯和陶瓷套管將反諧振空芯波導中心點與單模光纖纖芯中心點準直，同時間隔數(shù)微米間距構成氣體進入空芯氣室的通路。
11、本專利技術具有下列優(yōu)點和積極效果：
12、①本傳感器是基于反諧振空芯波導中的反諧振反射光波導機理，提出一種新型的光熱相位解調原理，解決干涉式光學相位解調所需要設計的額外結構，降低傳感器復雜度；
13、②設計反諧振空芯波導幾何尺寸和材料折射率分布，以期實現(xiàn)超大諧振滾降范圍的光譜分布，基于該傳輸特性可以實現(xiàn)超大范圍線性斜邊區(qū)域，保證更大可測量氣體濃度范圍；
14、③基于反諧振空芯波導特有的空芯內壁，其曲面具有等效高精細度分布，對應光譜中滾降區(qū)域對單位相位變化，將實現(xiàn)線性光相位調制放大，從而補償探測極低濃度氣體時光熱效應激發(fā)不足的缺陷，保證系統(tǒng)檢測下限；
15、④本傳感器通過合理設計光波導結構，在波導中控制泵浦光和探測光傳輸特性，可同時實現(xiàn)超低檢測下限和超大檢測動態(tài)范圍，將用于指導新型光熱氣體傳感器設計。
16、總之，本專利技術利用反諧振反射光波導機理實現(xiàn)光相位解調，無需外部干涉相位解調結構，系統(tǒng)簡單，成本低，響應速度快。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術保護點】
1.一種反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器，其特征在于：
2.根據(jù)權利要求1所述的反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器，其特征在于：
3.根據(jù)權利要求1所述的反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器，其特征在于：
4.根據(jù)權利要求1所述的反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器，其特征在于：
【技術特征摘要】
1.一種反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器，其特征在于：
2.根據(jù)權利要求1所述的反諧振空芯波導光熱光譜氣體傳感器，其特征在于：
3...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：倪文軍，冉思向，楊春勇，趙忠科，岑卓，何秉澤，吳睿銘，張李康，
申請(專利權)人：中南民族大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。