CN105675529B - 微小型中红外光波导气体传感器 - Google Patents
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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。
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