CN105675529A - 微小型中红外光波导气体传感器 - Google Patents
微小型中红外光波导气体传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105675529A CN105675529A CN201610040150.4A CN201610040150A CN105675529A CN 105675529 A CN105675529 A CN 105675529A CN 201610040150 A CN201610040150 A CN 201610040150A CN 105675529 A CN105675529 A CN 105675529A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- mid
- microminiature
- gas
- optical waveguide
- 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
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000005387 chalcogenide glass Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 22
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 claims description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 239000012792 core layer Substances 0.000 abstract description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 25
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000003916 acid precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/06—Illumination; Optics
- G01N2201/061—Sources
- G01N2201/06113—Coherent sources; lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/08—Optical fibres; light guides
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种微小型中红外光波导气体传感器，包括气室、入气孔、排气孔、进光孔、出光孔以及光波导；入气孔和排气孔均设置于气室顶端，进光孔和出光孔分别设置于气室相对的两个侧壁上，光波导包括基底和芯层，基底设置于气室底端，芯层设置于基底上并采用分段式结构，进光孔、芯层以及出光孔位于同一直线上。本发明采用分段式光波导结构，并以硫系玻璃作为光波导芯层材料，性能稳定，灵敏度高，体积小，易于集成化、规模化，抗电磁干扰能力强，具有很强的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种微小型中红外光波导气体传感器的设计。
背景技术
随着我国工业化进程的推进和人民生活水平的提高，工业废气、汽车尾气等的超标排放，严重污染了地球的大气环境，温室效应、酸雨、臭氧层破坏、灰霾和光化学烟雾等大气污染问题频发，大气环境的破坏直接影响着人类的生存和发展，大气环境形势日趋严峻。因此，对大气环境进行监测的具有重大的意义。传统的环境监测方法存在成本高、效率低等问题。现阶段气体传感器检测系统过于庞大，灵敏度相对不高，不易于集成化，由于光波导本身其具有的高抗电磁干扰、高灵敏度等优点，因而是提高气体传感器灵敏度，实现集成化的重要技术方案。
随着光学材料、激光技术的发展，光波导技术的应用成本的也会不断的降低，光波导技术将凭借其传感时不受外界电磁场的干扰、稳定性好、灵敏度高、不受光源光功率波动的影响等优点，在大气环境监测、室内环境监测有着广泛应用前景。在气体传感中，光波导传感器扮演越来越重要的角色，其具有普通传感器无法比拟的灵敏度高，体积小，抗电磁干扰，便于集成化，规模化等优点。
大多数气体分子的特征光谱都集中在中红外波段，具有比近红外波段高1～2个数量级的吸收系数，更易于检测。而传统半导体激光器由于现有材料限制，发射波长无法达到中红外波段，然而量子级联激光器(QCL)作为一种新型的红外相干光源，可实现3μm到100μm波长范围内的任意输出波长，其不但可以工作在中、远红外波段，而且具有优良的可调谐性能及窄线宽、高输出功率密度，扫描速度快等独特的优点。因此本发明采用量子级联激光器作为检测光源。基于量子级联激光器的光谱检测系统具有灵敏度高，检测速度快等优点，尤其是对低浓度气体的检测方面，中红外量子级联激光器具有传统光谱检测手段无法比拟的优势。
硫系玻璃的柔性结构决定了其具备很好的光敏性，硫系玻璃具有较宽的透射光谱，其透过范围覆盖了近红外通信波段和中红外的表征生物特征的指纹吸收区，宽的光谱范围使硫系玻璃光波导在中红外激光传输方面具有重大的应用价值，因此本发明采用硫系玻璃作为波导芯层，高折射率和高非线性特性使硫系玻璃波导对光场有很好的限域作用，对提高光学器件的集成度非常有利。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中气体传感器抗电磁干扰度不强，检测系统过于庞大，不利于集成化与批量生产的问题，提出了一种微小型中红外光波导气体传感器。
本发明的技术方案为：一种微小型中红外光波导气体传感器，包括气室、入气孔、排气孔、进光孔、出光孔以及光波导；入气孔和排气孔均设置于气室顶端，进光孔和出光孔分别设置于气室相对的两个侧壁上，光波导包括基底和芯层，基底设置于气室底端，芯层设置于基底上并采用分段式结构，进光孔、芯层以及出光孔位于同一直线上。
优选地，基底采用二氧化硅作为材料。
优选地，芯层采用硫系玻璃作为材料。
优选地，本发明采用量子级联激光器作为检测光源。
本发明的有益效果是：本发明采用分段式光波导结构，并以硫系玻璃作为光波导芯层材料，性能稳定，灵敏度高，体积小，易于集成化、规模化，抗电磁干扰能力强，具有很强的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的微小型中红外光波导气体传感器结构示意图。
附图标记说明：1—气室、2—入气孔、3—排气孔、4—进光孔、5—出光孔、6—基底、7—芯层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种微小型中红外光波导气体传感器，如图1所示，包括气室1、入气孔2、排气孔3、进光孔4、出光孔5以及光波导。
入气孔2和排气孔3均设置于气室1顶端，用于对未知气体进行导入和排出。
进光孔4和出光孔5分别设置于气室1相对的两个侧壁上。在进光孔4处设置有检测光源，本发明实施例中采用量子级联激光器作为检测光源。大多数气体分子在中红外波段具有更高的吸收系数，量子级联激光器不但工作在中红外波段，且具有窄线宽、光束质量好、光功率密度高等优点，能满足低浓度气体的检测要求。在出光孔5处设置有光电检测器。
光波导包括基底6和芯层7，基底6设置于气室1底端，芯层7设置于基底6上并采用分段式结构。分段式结构利于光源与气体的充分作用，采用此结构有效减小了传感器的体积。进光孔4、芯层7以及出光孔5位于同一直线上。
本发明实施例中，基底6采用二氧化硅作为材料，芯层7采用硫系玻璃作为材料。硫系玻璃具有较宽的透射光谱，其透过范围覆盖了近红外通信波段和中红外的表征生物特征的指纹吸收区，硫系玻璃的柔性结构决定了其具备很好的光敏性，因此硫系玻璃波导在近红外和中红外区域具有优良的透光性能。
利用本发明检测未知气体的具体过程如下：
首先将未知气体通过入气孔2导入气室1，将量子级联激光器发出的检测光由进光孔4导入到气室1当中，检测光经过光波导并与气室1当中的未知气体充分作用，然后通过光电探测器检测从出光孔5出来的检测光。之后通过排气孔3将气室1中的未知气体排尽，再将量子级联激光器发出的检测光由进光孔4导入到气室1当中，并通过光电探测器检测从出光孔5出来的检测光。最后通过对比有无未知气体时的检测光强，获取未知气体的吸收光谱，从而测得该未知气体。该检测方法具有选择性好、灵敏度高等优点，特别是在低浓度气体检测方面具有显著优势。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种微小型中红外光波导气体传感器，其特征在于，包括气室(1)、入气孔(2)、排气孔(3)、进光孔(4)、出光孔(5)以及光波导；所述入气孔(2)和排气孔(3)均设置于气室(1)顶端；所述进光孔(4)和出光孔(5)分别设置于气室(1)相对的两个侧壁上；所述光波导包括基底(6)和芯层(7)，所述基底(6)设置于气室(1)底端，所述芯层(7)设置于基底(6)上并采用分段式结构；所述进光孔(4)、芯层(7)以及出光孔(5)位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的微小型中红外光波导气体传感器，其特征在于，所述基底(6)采用二氧化硅作为材料。
3.根据权利要求1所述的微小型中红外光波导气体传感器，其特征在于，所述芯层(7)采用硫系玻璃作为材料。
4.根据权利要求1所述的微小型中红外光波导气体传感器，其特征在于，采用量子级联激光器作为检测光源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610040150.4A CN105675529B (zh) | 2016-01-21 | 2016-01-21 | 微小型中红外光波导气体传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610040150.4A CN105675529B (zh) | 2016-01-21 | 2016-01-21 | 微小型中红外光波导气体传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105675529A true CN105675529A (zh) | 2016-06-15 |
| CN105675529B CN105675529B (zh) | 2018-10-12 |
Family
ID=56301861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610040150.4A Expired - Fee Related CN105675529B (zh) | 2016-01-21 | 2016-01-21 | 微小型中红外光波导气体传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105675529B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108872123A (zh) * | 2018-08-03 | 2018-11-23 | 广州米德红外科技有限公司 | 一种高灵敏度的中红外有源微环气体传感器 |
| CN110361604A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-10-22 | 北京无线电计量测试研究所 | 电场探测量子组件和制备方法以及量子场强传感器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0481440A2 (de) * | 1990-10-19 | 1992-04-22 | Iot Entwicklungsgesellschaft Für Integrierte Optik-Technologie Mbh | Sensor zum Stoffnachweis |
| CN101923052A (zh) * | 2009-06-17 | 2010-12-22 | 中国科学院微电子研究所 | 基于滤波结构分光的红外光谱式memes气敏传感器 |
| WO2012031208A2 (en) * | 2010-09-02 | 2012-03-08 | University Of Delaware | Ultra-sensitive chemical vapor detection using micro-cavity photothermal spectroscopy |
| CN102954947A (zh) * | 2012-11-05 | 2013-03-06 | 煤炭科学研究总院 | 一种双光源四探测器红外气体传感器 |
| CN203324177U (zh) * | 2013-02-01 | 2013-12-04 | 深圳市理邦精密仪器股份有限公司 | 一种测量气体浓度的装置 |
| WO2014029663A1 (en) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | Sony Corporation | Gas analysis apparatus and method |
-
2016
- 2016-01-21 CN CN201610040150.4A patent/CN105675529B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0481440A2 (de) * | 1990-10-19 | 1992-04-22 | Iot Entwicklungsgesellschaft Für Integrierte Optik-Technologie Mbh | Sensor zum Stoffnachweis |
| CN101923052A (zh) * | 2009-06-17 | 2010-12-22 | 中国科学院微电子研究所 | 基于滤波结构分光的红外光谱式memes气敏传感器 |
| WO2012031208A2 (en) * | 2010-09-02 | 2012-03-08 | University Of Delaware | Ultra-sensitive chemical vapor detection using micro-cavity photothermal spectroscopy |
| WO2014029663A1 (en) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | Sony Corporation | Gas analysis apparatus and method |
| CN102954947A (zh) * | 2012-11-05 | 2013-03-06 | 煤炭科学研究总院 | 一种双光源四探测器红外气体传感器 |
| CN203324177U (zh) * | 2013-02-01 | 2013-12-04 | 深圳市理邦精密仪器股份有限公司 | 一种测量气体浓度的装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| D. CONTEDUCA等: "New miniaturized exhaled nitric oxide sensor based on a high Q/V mid-infrared 1D photonic crystal cavity", 《APPLIED OPTICS》 * |
| HONGTAO LIN等: "Demonstration of mid-infrared waveguide photonic crystal cavities", 《OPTICS LETTERS》 * |
| 温志渝等: "基于量子级联激光器的气体检测系统的发展与应用", 《光谱学与光谱分析》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108872123A (zh) * | 2018-08-03 | 2018-11-23 | 广州米德红外科技有限公司 | 一种高灵敏度的中红外有源微环气体传感器 |
| CN110361604A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-10-22 | 北京无线电计量测试研究所 | 电场探测量子组件和制备方法以及量子场强传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105675529B (zh) | 2018-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1900696B (zh) | 空芯光子晶体光纤气体传感器 | |
| CN105675529A (zh) | 微小型中红外光波导气体传感器 | |
| CN105651703A (zh) | 一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法 | |
| CN106483094B (zh) | 消除大气吸收干扰的红外光致发光光路系统和实验方法 | |
| CN104266971B (zh) | 管道气体在线检测的原位标定装置及其方法 | |
| CN111380834A (zh) | 一种被动红外激光探测方法及装置 | |
| CN111562237A (zh) | 基于双光束腔增强光谱技术的co2、n2o稳定同位素同时探测装置及方法 | |
| CN108872123A (zh) | 一种高灵敏度的中红外有源微环气体传感器 | |
| CN102539365A (zh) | 一种氮气分子激光器的机动车尾气检测装置及其使用方法 | |
| CN111707619A (zh) | 一种基于mems麦克风阵列的光声池及光声光谱传感器 | |
| Beck et al. | High-efficiency uni-travelling-carrier photomixer at 1.55 µm and spectroscopy application up to 1.4 THz | |
| CN105866068B (zh) | 一种基于递推最小二乘法的激光吸收光谱谐波信号峰值点提取方法 | |
| Li et al. | An ultraviolet sensor based on surface plasmon resonance in no-core optical fiber deposited by Ag and ZnO film | |
| CN101847828B (zh) | 垂直发射量子级联激光器结构 | |
| CN106684198A (zh) | 基于亚波长光栅的谐振增强型紫外光探测器及制备方法 | |
| CN102297843A (zh) | 一种应用于总磷检测的倏逝波光传感测试系统及方法 | |
| CN204517126U (zh) | 光子晶体光纤THz激光器 | |
| CN112432921A (zh) | 基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法 | |
| CN112014355A (zh) | 一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统 | |
| CN106252421B (zh) | 高速量子级联红外探测器及其制作方法 | |
| CN213580665U (zh) | 基于光腔衰荡技术的空气中气体监测装置 | |
| CN205538658U (zh) | 一种紫外气体分析仪中气体浓度测量系统 | |
| CN113589426A (zh) | 空心光纤、气体检测系统及方法 | |
| CN211206259U (zh) | 一种藻类浓度检测装置 | |
| CN201255663Y (zh) | 一种智能可见光传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181012 Termination date: 20210121 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |