CN102608043A - 激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法 - Google Patents
激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102608043A CN102608043A CN2012100138883A CN201210013888A CN102608043A CN 102608043 A CN102608043 A CN 102608043A CN 2012100138883 A CN2012100138883 A CN 2012100138883A CN 201210013888 A CN201210013888 A CN 201210013888A CN 102608043 A CN102608043 A CN 102608043A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- photonic crystal
- ring
- cavity
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 4
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 42
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，其步骤是：利用可调谐二极管激光器TDL与光源发出的光在PPLN晶体中进行差分，调制成1400—1600nm的可调谐激光，使其通过准直透镜进入光子晶体衰荡腔气室，当腔内光能量满足条件时，即在足够长的衰荡时间内光强度衰减至初始光腔的
时，触发控制器通过EOM关断Nd:YAG光源，计算机开始记录衰荡时间
，由计算机分别记录空腔衰荡时间
和充满气体时的衰荡时间
，由此得出被测气体浓度。本发明实现了超低浓度痕量气体的高灵敏度、高精度在线测量，克服谱线交叠和输出不稳定等不足，可以实现复杂环境气体组分分析及高分辨率的光子晶体微腔气室。
Description
技术领域
本发明为一种气体浓度测量方法，特别涉及一种激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，可以实现所处环境的复杂气体浓度的高灵敏度、高精度测量及组分的分析。
背景技术
目前用于测量痕量气体浓度的系统，多数采用电化方法、频谱法、电磁法等，但是对于超低浓度痕量气体的高灵敏度、高精度在线测量和组分分析，这些方法则难以胜任。由于气体的吸收带离散会产生气体吸收谱线相互交叠，很难准确识别其成分。此外，环境温度和压力的变化也会使系统输出不稳定，使其在现场应用中，测量精度降低。
2011年由Wei-Cheng Lai，Swapnajit Chakravarty等人采用硅光子晶体波导用于测量甲烷气体吸收光谱，通过高强度电场实现慢光来增大有效光学吸收长度，可以实现0.03ppm灵敏度的气体浓度测量。《On-chip methane sensing by near-IR absorption signatures in a photonic crystal slot waveguide》, Optics Letters, Vol. 36, Issue 6, pp. 984-986(2011)
该方法是采用光子晶体波导的方法来实现气体浓度的测量，此方法虽较新颖，但是由于测量过程的高强度电场技术较复杂，实现较繁琐，对于分析吸收谱线重叠较严重的气体组分而言，灵敏度和精确度相对较低。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术中的不足，提供一种激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，其步骤是：
采用大功率固定波长的Nd:YAG激光器作为光源，采用光子晶体微腔作为循环回路中的气室，以被测气体作为光子晶体介质柱内的介质，光子晶体中心介质KTP折射率通过外加交流电实现调制，以实现禁带数量的增加或减少，使被测气体吸收峰值谱线在光子晶体气室输出的导带范围之内；利用可调谐二极管激光器TDL与光源发出的光在PPLN晶体中进行差分，调制成1400—1600nm的可调谐激光，使其通过准直透镜进入光子晶体衰荡腔气室，当腔内光能量满足条件时，即在足够长的衰荡时间内光强度衰减至初始光腔的 
时，触发控制器通过EOM关断Nd:YAG光源，计算机开始记录衰荡时间，计算机接收波长计与触发控制器的信号，驱动PZT调整衰荡腔长度，为锁相放大器提供参考信号调制TDL，而Nd:YAG的输出由CM进行调制。从而形成适当方位的Nd:YAG与TDL的准确差分，由计算机分别记录空腔衰荡时间
和充满气体时的衰荡时间
，由此得出被测气体浓度。
所述的光子晶体微腔气室，是利用硅橡胶和镀膜以及气室的尘埃过滤技术解决微腔气室的环境温度敏感及环境粉尘污染问题。
所述腔内的准直透镜的作用是为了保证光传输过程中具有良好的平行性，其设计长度为50cm、半径为20cm、反射系数为0.999、曲率半径为1m的柱形光学气体微腔。
由于采用上述技术方案，本发明提供的激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，与现有技术相比，具有这样的有益效果：
1)基于光子晶体的极窄带宽特性，使得光源输出的不平坦性得到了很好的解决；
2)本发明KTP晶体为中心的光子晶体可实现禁带和导带数量的增加或减少，即：通过气室的光波长范围可调。因此对峰值相近的波长可以实现滤波，并通过吸收峰的准确捕获实现组分的分析；
3）该微腔气室具有微型化、精度高等优点；
4)通过调整参数使测量分辨率可高达1ppb。
本发明实现了超低浓度痕量气体的高灵敏度、高精度在线测量，克服谱线交叠和输出不稳定等不足，可以实现复杂环境气体组分分析及高分辨率的光子晶体微腔气室。
附图说明
图1是连续波激光光腔衰荡痕量气体测量结构原理图；
图2是光子晶体微腔气室示意图；
图3是 光子晶体微腔气室横截面。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图2所示，本发明所采用的光子晶体气室，硅橡胶1置于气室6两端，在气室6两端的间隙处开四个气孔2，保证气室6内部气体流通，避免阻塞光子晶体。气室6主框架3采用金属结构，在硅橡胶1与光子晶体5之间加入准直透镜4，保证输入光平行通过光子晶体。如图3所示，在气室6端口处开气孔1，保证被测气体为所处环境气体。气室6内部光子晶体介质柱3内冲入被测气体2，光子晶体利用硅4作为基底，中心采用KTP晶体5，与周围介质的折射率差较大且半径大于介质柱。
开始测量，如图1所示，大功率固定波长的激光器Nd:YAG(1)和可调谐二极管激光器(12)经单模光纤(15)在PPLN晶体(3)中差分，调制成1400nm—1600nm范围的可调谐激光，通过透镜(4)进入光子晶体气室进行衰荡。气室内的气体由气孔(5)与环境气体进行流通。探测器（7）将透镜（4）输出的光信号转换为电信号，并经放大器（8）进行放大。当气室(6)内的能量积累到足够完成衰荡的强度，由触发控制器(10)触发EOM(2)以20MHz频率轮流接通、关断Nd:YAG激光源(1)。PC(13)中的数据库开始记录衰荡的谐振光信号的衰荡时间，当光信号衰减到
时，一个测量过程结束，此时的测量时间正比于衰荡时间。PC机(13)接收波长计(11)和触发控制器(10)的信号，并根据程序通过驱动器 (9) 驱动PZT(6)微调衰荡腔的长度，通过锁入环节(15)为锁相放大器(17)提供参考信号。Nd:YAG激光器(1)输出由电流调制器(16)调制，最后所得结果通过PC(13)实现输出(14)。
图3所示的结构中，突出特点是使用一个宽范围连续可调的差分激光源和自由频谱范围和精细度与之匹配的光子晶体衰荡腔，以式
作为基本测量模型(为被测气体浓度)，
和
分别是激光在空腔和全充满气体的腔内的衰荡时间，
值由HITRAN数据在固定温度下可以查到。通过PC机实现闭环伺服控制与调制，把痕量气体的浓度与循环衰荡速率的关系建立起来，避免了光强测量时由于环境和光源本身的波动带来的对测量精度的影响。
Claims (3)
1.一种激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，其特征在于：它的步骤是：
采用大功率固定波长的Nd:YAG激光器作为光源，采用光子晶体微腔作为循环回路中的气室，以被测气体作为光子晶体介质柱内的介质，光子晶体中心介质KTP折射率通过外加交流电实现调制，以实现禁带数量的增加或减少，使被测气体吸收峰值谱线在光子晶体气室输出的导带范围之内；利用可调谐二极管激光器TDL与光源发出的光在PPLN晶体中进行差分，调制成1400—1600nm的可调谐激光，使其通过准直透镜进入光子晶体衰荡腔气室，当腔内光能量满足条件时，即在足够长的衰荡时间内光强度衰减至初始光腔的 
时，触发控制器通过EOM关断Nd:YAG光源，计算机开始记录衰荡时间，计算机接收波长计与触发控制器的信号，驱动PZT调整衰荡腔长度，为锁相放大器提供参考信号调制TDL，而Nd:YAG的输出由CM进行调制，从而形成适当方位的Nd:YAG与TDL的准确差分，由计算机分别记录空腔衰荡时间和充满气体时的衰荡时间，由此得出被测气体浓度。
2.根据权利要求1激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，其特征在于：所述的所述的光子晶体微腔气室，是利用硅橡胶和镀膜以及气室的尘埃过滤技术解决微腔气室的环境温度敏感及环境粉尘污染问题。
3.根据权利要求1激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，其特征在于：所述腔内的准直透镜的作用是为了保证光传输过程中具有良好的平行性，其设计长度为50cm、半径为20cm、反射系数为0.999、曲率半径为1m的柱形光学气体微腔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210013888.3A CN102608043B (zh) | 2012-01-17 | 2012-01-17 | 激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210013888.3A CN102608043B (zh) | 2012-01-17 | 2012-01-17 | 激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102608043A true CN102608043A (zh) | 2012-07-25 |
| CN102608043B CN102608043B (zh) | 2015-06-10 |
Family
ID=46525598
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210013888.3A Expired - Fee Related CN102608043B (zh) | 2012-01-17 | 2012-01-17 | 激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102608043B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103091268A (zh) * | 2013-01-12 | 2013-05-08 | 东北大学 | 一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法 |
| CN104568210A (zh) * | 2015-01-19 | 2015-04-29 | 北京邮电大学 | 一种基于四方晶格介质柱型光子晶体的温度传感器阵列结构 |
| CN108562550A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-09-21 | 中国计量科学研究院 | 一种绝对测量大气中碳同位素含量的稳频光腔衰荡光谱仪 |
| CN110274891A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-09-24 | 安庆师范大学 | 一种测量水汽变温吸收光谱的系统及其使用方法 |
-
2012
- 2012-01-17 CN CN201210013888.3A patent/CN102608043B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 李志全等: "用乙炔吸收方法实现光纤光栅外腔式半导体激光器稳频的研究 ", 《燕山大学学报》 * |
| 李志全等: "用乙炔吸收方法实现光纤光栅外腔式半导体激光器稳频的研究", 《燕山大学学报》, vol. 32, no. 01, 31 January 2008 (2008-01-31) * |
| 李志全等: "用乙炔稳频二极管-泵浦Er-Yb玻璃激光器 ", 《光学与光电技术》 * |
| 李志全等: "用乙炔稳频二极管-泵浦Er-Yb玻璃激光器", 《光学与光电技术》, vol. 6, no. 05, 31 October 2008 (2008-10-31) * |
| 马伯华 等: "用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室设计与研究", 《光学与光电技术》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103091268A (zh) * | 2013-01-12 | 2013-05-08 | 东北大学 | 一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法 |
| CN103091268B (zh) * | 2013-01-12 | 2014-11-05 | 东北大学 | 一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法 |
| CN104568210A (zh) * | 2015-01-19 | 2015-04-29 | 北京邮电大学 | 一种基于四方晶格介质柱型光子晶体的温度传感器阵列结构 |
| CN104568210B (zh) * | 2015-01-19 | 2018-04-24 | 北京邮电大学 | 一种基于四方晶格介质柱型光子晶体的温度传感器阵列结构 |
| CN108562550A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-09-21 | 中国计量科学研究院 | 一种绝对测量大气中碳同位素含量的稳频光腔衰荡光谱仪 |
| CN110274891A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-09-24 | 安庆师范大学 | 一种测量水汽变温吸收光谱的系统及其使用方法 |
| CN110274891B (zh) * | 2019-06-24 | 2021-07-16 | 安庆师范大学 | 一种测量水汽变温吸收光谱的系统及其使用方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102608043B (zh) | 2015-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xiao et al. | Ultra-sensitive ppb-level methane detection based on NIR all-optical photoacoustic spectroscopy by using differential fiber-optic microphones with gold-chromium composite nanomembrane | |
| Lang et al. | Disturbance-immune, fast response LITES gas sensor based on out-plane vibration mode employing micro Fabry-Perot cavity with heterodyne phase demodulation | |
| Ma et al. | A high sensitive methane QEPAS sensor based on self-designed trapezoidal-head quartz tuning fork and high power diode laser | |
| CN106483069A (zh) | 基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置 | |
| Zhao et al. | Fiber optic photoacoustic gas sensor enhanced by multi-pass cell with overlapping phantom spots | |
| CN106706272B (zh) | 一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置和方法 | |
| CN107860750B (zh) | 基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振的传感装置及其参数优化方法 | |
| Zhang et al. | Photoacoustic spectroscopy for detection of trace C2H2 using ellipsoidal photoacoustic cell | |
| CN101592757A (zh) | 级联长周期光纤光栅装置及其制造方法及湿敏传感系统 | |
| Pi et al. | Theoretical and experimental investigation of on-chip mid-infrared chalcogenide waveguide CH4 sensor based on wavelength modulation spectroscopy | |
| CN107941735B (zh) | 一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法 | |
| CN102608043B (zh) | 激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法 | |
| CN103175634A (zh) | Tdlas温度校准系统 | |
| CN102680429B (zh) | 超小型微腔气体传感器 | |
| CN110160989A (zh) | 一种痕量气体的探测方法及探测装置 | |
| CN103091268B (zh) | 一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法 | |
| CN207557107U (zh) | 一种基于腔内放大的腔衰荡光谱湿度测量系统 | |
| CN104122227A (zh) | 一种光纤折射率传感器及其制作方法 | |
| Wang et al. | High sensitivity and ultra-low concentration range photoacoustic spectroscopy based on trapezoid compound ellipsoid resonant photoacoustic cell and partial least square | |
| Zhu et al. | Microfiber evanescent-field photothermal gas detection using acoustic-induced mode-dependent frequency shift | |
| Hu et al. | Harmonic phase-sensitive detection for quartz-enhanced photoacoustic-thermoelastic spectroscopy | |
| CN113777073B (zh) | 一种基于光学相位放大的气体检测方法和系统 | |
| CN105158208B (zh) | 一种古斯汉欣位移spr高灵敏度介质折射率检测方法 | |
| Zhao et al. | Fiber-optic photoacoustic sensor with SF6 purity correction for decomposition derivative H2S based on 1f and 2f dual-modes | |
| CN114935696A (zh) | 一种基于原子光谱的便携式工频电场测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150610 Termination date: 20180117 |