【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及環(huán)境保護(hù)中空氣質(zhì)量檢測(cè)，具體地，涉及基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其是有害氣體的排放對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了巨大威脅。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，建設(shè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行有害氣體檢測(cè)成為了一個(gè)重要的解決方案。傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)技術(shù)雖然能夠提供一定的信息，但面對(duì)空氣中微弱的有害氣體，它們的靈敏度和準(zhǔn)確性往往不足。
2、微環(huán)諧振腔的高品質(zhì)因子意味著它可以提供極高的光譜分辨率，從而使得傳感器能夠以極高的靈敏度檢測(cè)痕量氣體分子。此外，小體積的微環(huán)諧振腔可在縮小傳感器尺寸的同時(shí)與多種物質(zhì)相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體的高度選擇性檢測(cè)。
3、然而，盡管微環(huán)諧振腔在檢測(cè)痕量氣體方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，它在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，處于嚴(yán)格耦合狀態(tài)下的微環(huán)諧振腔所獲取到的信息量雖然有所增加，但由于氣體的吸收作用，微環(huán)諧振腔的耦合模式會(huì)發(fā)生改變，這意味著微環(huán)諧振腔并不能始終維持在最佳工作點(diǎn)。其次，傳統(tǒng)的強(qiáng)度探測(cè)在實(shí)驗(yàn)中只能收集到有限的數(shù)據(jù)，這限制了對(duì)氣體吸收率的精確測(cè)量和數(shù)據(jù)分析的深度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本專利技術(shù)的目的是提供一種基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法及系統(tǒng)。
2、根據(jù)本專利技術(shù)提供的一種基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，包括：激光器1、分束器2、第一耦合模塊3、第二耦合模塊4、光開(kāi)關(guān)5以及相干探測(cè)模塊6；
3、所述激
4、其中，所述第一信號(hào)光束和第二信號(hào)光束分別通過(guò)所述第一耦合模塊3和第二耦合模塊4后，再通過(guò)所述光開(kāi)關(guān)5的通道選擇后與所述參考光束通過(guò)所述相干探測(cè)模塊6進(jìn)行干涉測(cè)量。
5、優(yōu)選地，所述激光器1為輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器。
6、優(yōu)選地，所述第一耦合模塊3包括第一傳感微環(huán)和第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi；所述第一傳感微環(huán)和所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi耦合；
7、所述第一信號(hào)光束通過(guò)直波導(dǎo)傳輸至所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi，再通過(guò)所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi進(jìn)入所述第一傳感微環(huán)，在所述第一傳感微環(huán)中完成傳感過(guò)程，完成傳感過(guò)程后的第一信號(hào)光束傳輸至所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi，再經(jīng)過(guò)所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi傳輸至所述光開(kāi)關(guān)5；
8、所述第二耦合模塊4包括第二傳感微環(huán)和第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi；所述第二傳感微環(huán)和所述第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi耦合；
9、所述第二信號(hào)光束通過(guò)直波導(dǎo)傳輸至所述第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi，再通過(guò)所述第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi進(jìn)入所述第二傳感微環(huán)，在所述第二傳感微環(huán)中完成傳感過(guò)程，完成傳感過(guò)程后的第二信號(hào)光束傳輸至所述第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi，再經(jīng)過(guò)所述第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi傳輸至所述光開(kāi)關(guān)5。
10、優(yōu)選地，所述第一信號(hào)光束通過(guò)直波導(dǎo)傳輸至所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi，其中一部分光束由消逝場(chǎng)通過(guò)第一3db耦合器7進(jìn)入所述第一傳感微環(huán)中與氣體發(fā)生相互作用，另一部分光束繼續(xù)向前傳輸，兩部分光束在第二3db耦合器8發(fā)生干涉，干涉后的光束傳輸至所述光開(kāi)關(guān)5；
11、所述第二信號(hào)光束通過(guò)直波導(dǎo)傳輸至所述第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi，其中一部分光束由消逝場(chǎng)通過(guò)第三3db耦合器9進(jìn)入所述第二傳感微環(huán)中與氣體發(fā)生相互作用，另一部分光束繼續(xù)向前傳輸，兩部分光束會(huì)在第四3db耦合器10發(fā)生干涉，干涉后的光束傳輸至所述光開(kāi)關(guān)5。
12、優(yōu)選地，所述第一傳感微環(huán)/第二傳感微環(huán)的半徑由待測(cè)氣體對(duì)應(yīng)吸收峰的波段位置決定，包括：
13、
14、其中，r為微環(huán)半徑，λ為待測(cè)氣體吸收峰峰值波長(zhǎng)，m為正整數(shù)，微環(huán)諧振波長(zhǎng)需要恰好等于待測(cè)氣體吸收峰峰值波長(zhǎng)，neff表示微環(huán)內(nèi)部有效折射率。
15、根據(jù)本專利技術(shù)提供的一種基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法，基于上述所述的基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)執(zhí)行如下步驟：
16、步驟s1：在所述第一傳感微環(huán)和所述第二傳感微環(huán)表面分別涂覆目標(biāo)聚合物用于檢測(cè)第一目標(biāo)氣體和第二目標(biāo)氣體；
17、步驟s2：調(diào)整第一傳感微環(huán)和第二傳感微環(huán)的耦合系數(shù)，以使第一傳感微環(huán)和第二傳感微環(huán)處于嚴(yán)格耦合狀態(tài)；
18、步驟s3：激光器1產(chǎn)生光源經(jīng)過(guò)分束器后分成完全相同的三路光，分別標(biāo)記為第一信號(hào)光束、第二信號(hào)光束和參考光束；
19、步驟s4：所述第一信號(hào)光束/第二信號(hào)光束通過(guò)直波導(dǎo)進(jìn)入與第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi/第二馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi耦合的第一傳感微環(huán)諧振腔中/第二傳感微環(huán)諧振腔中，與目標(biāo)氣體相互作用，相互作用后的光束通過(guò)直波導(dǎo)離開(kāi)第一傳感微環(huán)諧振腔/第二傳感微環(huán)諧振腔，經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)5選擇后與參考光束在相干探測(cè)模塊6中的混頻器發(fā)生干涉，最后被探測(cè)器接收，獲得探測(cè)器光電流；
20、步驟s5：在探測(cè)器輸出的光電流為0的條件下，調(diào)整光源輸出波段以及相應(yīng)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi雙臂上相位調(diào)制器參數(shù)φ1、φ2，以使相應(yīng)傳感微環(huán)再次回到嚴(yán)格耦合模式；
21、步驟s6：當(dāng)探測(cè)器輸出的光電流數(shù)據(jù)為0時(shí)，計(jì)算氣體吸收系數(shù)αa；
22、步驟s7：調(diào)整耦合系數(shù)等于當(dāng)前損耗量，以使傳感微環(huán)再次回到嚴(yán)格耦合模式，綜合吸收系數(shù)與相移量估計(jì)氣體濃度。
23、優(yōu)選地，所述步驟s2包括：
24、r＝ieiδφcmcos(δφd)
25、其中，r為微環(huán)-mzi與波導(dǎo)的等效耦合系數(shù)，φ1、φ2分別為mzi臂上相位調(diào)制器相移量。
26、優(yōu)選地，所述探測(cè)器光電流包括：
27、
28、其中，i2表示通過(guò)帶通濾波后的探測(cè)器光電流；s表示光電探測(cè)器增益由于探測(cè)過(guò)程為零差探測(cè)過(guò)程；as表示信號(hào)光振幅，ar表示參考光振幅，ωs表示信號(hào)光頻率，ωr表示參考光頻率，表示信號(hào)光相位，表示參考光相位。
29、優(yōu)選地，所述步驟s5包括：
30、
31、其中，δλ表示微環(huán)諧振波長(zhǎng)改變量；δneff表示微環(huán)有效折射率變化量；m表示正整數(shù)；r表示微環(huán)半徑；δφ表示因氣體吸收導(dǎo)致的相位偏移；l表示微環(huán)的周長(zhǎng)；γφ表示比例因子。
32、優(yōu)選地，所述步驟s6包括：
33、r＝a
34、
35、αt＝αi+γααa
36、其中，αr為總吸收因子，αi表征的是系統(tǒng)本征損耗，αa為氣體吸收系數(shù)，γα為比例因子；
37、所述氣體濃度包括：
38、根據(jù)吸收系數(shù)估計(jì)氣體濃度，包括：
39、
40、其中，c為氣體濃度，k為摩爾吸光系數(shù)，l為微環(huán)的周長(zhǎng)αi表征的是系統(tǒng)本征損耗，γα為比例因子，φ1、φ2分別為mzi臂上相位調(diào)制器相移量。<本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括：激光器(1)、分束器(2)、第一耦合模塊(3)、第二耦合模塊(4)、光開(kāi)關(guān)(5)以及相干探測(cè)模塊(6)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器(1)為輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第一耦合模塊(3)包括第一傳感微環(huán)和第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xMZI；所述第一傳感微環(huán)和所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xMZI耦合；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第一信號(hào)光束通過(guò)直波導(dǎo)傳輸至所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xMZI，其中一部分光束由消逝場(chǎng)通過(guò)第一3dB耦合器(7)進(jìn)入所述第一傳感微環(huán)中與氣體發(fā)生相互作用，另一部分光束繼續(xù)向前傳輸，兩部分光束在第二3dB耦合器(8)發(fā)生干涉，干涉后的光束傳輸至所述光開(kāi)關(guān)(5)；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第一傳感微環(huán)/第二傳感
6.一種基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法，其特征在于，基于權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)執(zhí)行如下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法，其特征在于，所述步驟S2包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法，其特征在于，所述探測(cè)器光電流包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法，其特征在于，所述步驟S5包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于MZI-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感方法，其特征在于，所述步驟S6包括：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括：激光器(1)、分束器(2)、第一耦合模塊(3)、第二耦合模塊(4)、光開(kāi)關(guān)(5)以及相干探測(cè)模塊(6)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器(1)為輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第一耦合模塊(3)包括第一傳感微環(huán)和第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi；所述第一傳感微環(huán)和所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi耦合；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于mzi-微環(huán)諧振腔增強(qiáng)的氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第一信號(hào)光束通過(guò)直波導(dǎo)傳輸至所述第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯xmzi，其中一部分光束由消逝場(chǎng)通過(guò)第一3db耦合器(7)進(jìn)入所述第一傳感微環(huán)中與氣體發(fā)生相互作用，另一部分光束繼續(xù)向前傳輸，兩部分光束在第二3db耦合器(8)發(fā)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃靖正，王浩然，李洪婧，曾貴華，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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