CN109507116A - 一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法 - Google Patents

一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109507116A
CN109507116A CN201811196116.1A CN201811196116A CN109507116A CN 109507116 A CN109507116 A CN 109507116A CN 201811196116 A CN201811196116 A CN 201811196116A CN 109507116 A CN109507116 A CN 109507116A
Authority
CN
China
Prior art keywords
semiconductor laser
polymer film
thin polymer
microcavity
film microcavity
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
Application number
CN201811196116.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109507116B (zh
Inventor
马欲飞
何应
于欣
彭江波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201811196116.1A priority Critical patent/CN109507116B/zh
Publication of CN109507116A publication Critical patent/CN109507116A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109507116B publication Critical patent/CN109507116B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • 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
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • 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
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明实施例涉及一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置，所述装置包括：沿光束传播方向依次设置的第一半导体激光器(1)、准直聚焦透镜组(2)、玻璃基片(3)、聚合物薄膜微腔(4)、光电探测器(5)、锁相放大器(6)、第二半导体激光器(7)、准直聚焦透镜组(8)、微型共振腔(9)、数据采集与控制模块(10)、计算机(11)。根据锁相放大器解调的二次谐波信号幅值作为系统探测的信号值，便可实现水汽浓度的反演。经系统各参数优化调节，根据探测信号强度与探测噪声综合评价此种光声光谱气体传感器的性能，技术效果优异。

Description

一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法
技术领域
本发明涉及激光检测领域，具体涉及一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法。
背景技术
随着激光光谱技术的迅速发展和激光器件的研究进步，利用激光光谱技术实现痕量气体的检测成为了新的研究领域。在众多激光光谱测量方法中，光声光谱由于具有高选择性、高灵敏度、高分辨率等优点成为了目前的一大研究热点。
在传统光声光谱中，激光激发目标检测气体分子产生声波信号，进而使用麦克风来探测声波信号的强度，据该声波信号的强度即可反演目标气体的浓度信息。2002年出现了一种新的技术革新，即使用石英音叉来代替麦克风作为声信号的探测元件，由于石英音叉具有诸多的优点(品质因数高、噪声免疫性强、体积小、价格低廉等)，光声光谱技术在痕量气体检测领域又迈进了一大步。
现有技术中，光声光谱式痕量气体检测技术利用可调谐激光激发待检测气体，气体吸收调制激光能量之后，在局部产生温度与气压的变化，进而形成声波，通过声波探测元件(麦克风、石英音叉)检测该声波信号的强度大小便可反演出痕量气体的浓度。
在光声光谱技术中，核心元件声波探测器件的品质性能直接影响整个系统的探测性能。因此，提高声波探测元件的探测灵敏度、品质因数以及环境适应等性能对于传感器的探测能力、实际应用能力至关重要。然而就目前现有技术而言，基于麦克风探测的光声光谱技术对环境噪声比较敏感，其声波响应宽(～100Hz)、品质因数低(20-200)、声波检测能力弱。石英音叉型光声光谱技术受石英音叉固有频率的限制(常规的共振频率为32.768kHz)，使得激光调制频率无法针对环境因素影响进行调节。此外，石英音叉在长时间工作中，由于环境作用易致使其镀银层发生氧化，最终导致其品质因数降低从而影响传感系统的性能。由于以上两种声波探测元件(麦克风和石英音叉)性能难以进一步提升，光声光谱技术在实际发展应用中的受到了一定的阻碍。
因此，研发一种高灵敏度、且能在任意环境中进行检测的装置或方法就变得十分紧迫。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法，以解决现有传感器灵敏度受限的技术问题。
本发明实施例提供的一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置，所述装置包括：
沿光束传播方向依次设置的第一半导体激光器1、准直聚焦透镜组2、玻璃基片3、聚合物薄膜微腔4、光电探测器5、锁相放大器6、第二半导体激光器7、准直聚焦透镜组8、微型共振腔9、数据采集与控制模块10、计算机11；
其中，所述第一半导体激光器1和第一准直聚焦透镜组2、玻璃基片3、聚合物薄膜微腔4、光电探测器5、第二半导体激光器7、第二准直聚焦透镜组8、微型共振腔9构成一个全光学结构的光声激励与探测系统；该系统与所述锁相放大器6、数据采集与控制模块10、计算机11构成整个聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置。
所述第一半导体激光器1为输出波长是1310-1550nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述第二半导体激光器7为输出波长是1395nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述玻璃基片3直径为30-40mm、厚度为0.5-1.0mm；所述聚合物薄膜微腔4的平凹腔长为300-500μm，直径为2.2-4.0mm，所述聚合物薄膜微腔4的平面以及凹面均镀有1310-1550nm高反介质膜，反射率为98％；所述光电探测器5的工作波段覆盖1310-1550nm；所述微型共振腔9的长度为10mm，内径与外径分别为1mm、1.27mm的空心金属管；
所述第一准直聚焦透镜组2将所述第一半导体激光器1输出激光准直并聚焦为直径100μm的光斑，且该光斑位于所述聚合物薄膜微腔4的内部；所述光电探测器5产生的信号输出至锁相放大器6中，锁相放大器6将其信号转换为数字信号并进行谐波解调，其中所述锁相放大器6解调的信号为光电探测器5所接受的光强信号；所述第一半导体激光器1、锁相放大器6、第二半导体激光器7分别连接至所述数据采集与控制模块10，所述计算机11连接数据采集与控制模块10，通过上位机软件LabVIEW进行实时控制。
优选的，所述第二准直聚焦透镜组8将所述第二半导体激光器7输出的激光准直并聚焦，使其能够无阻挡性的穿过所述微型共振腔9；所述微型共振腔9的中心点处设有边长为0.5mm的方形孔，所述方形孔正对所述聚合物薄膜微腔4的凸面中心点，两者间距为50μm。
优选的，所述第一半导体激光器1通过控制温度调谐使其输出波长处于所述聚合物薄膜微腔4干涉光谱的线性区，并使用其反馈补偿特性稳定工作波长；所述第二半导体激光器7由低频锯齿波与高频正弦波叠加调制输出，锯齿波频率为20mHz，正弦波频率为10kHz。
本发明还提供了一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体测量方法，包括，
步骤一：计算机11设定相关参数输入至数据采集与控制模块10，所述计算机11同时控制第一半导体激光器1、第二半导体激光器7、锁相放大器6；其中，控制所述第一半导体激光器1输出激光进行扫描，使其波长位于聚合物薄膜微腔4干涉光谱线性区，并最终稳定其工作波长；所述第一半导体激光器1输出激光经过第一准直聚焦透镜组2后入射到所述聚合物薄膜微腔4中，由于该聚合物薄膜微腔4前后镀有高反介质膜，入射激光将在所述聚合物薄膜微腔内来回振荡并形成干涉，最终从所述聚合物薄膜微腔4的平面端输出至光电探测器5中；
步骤二：数据采集与控制模块10通过低频锯齿波与高频正弦波叠加控制所述第二半导体激光器7，使其输出波长以高频形式扫描覆盖目标探测气体吸收峰；输出光经过第二准直聚焦透镜组8无阻挡地输入至微型共振腔9中；
步骤三：目标探测气体在所述微型共振腔9内吸收激励光源并产生高频声波，此声波最终在所述微型共振腔9内形成驻波；此时所述微型共振腔9中的方形孔正对驻波波腹，即最终产生的声波通过方形孔扩散而出并作用在所述聚合物薄膜微腔4的凸型表面；
步骤四：由于声波的作用，所述聚合物薄膜微腔4的腔长发生改变，使得腔内干涉光谱发生频移，所述聚合物薄膜微腔4输出光由所述光电探测器5接收并输入至锁相放大器6中，锁相放大器6对其光强进行谐波解调；
步骤五：锁相放大器6参考数据采集与控制模块8所控制第二半导体激光器7的高频信号，对所述光电探测器5的光强信号进行解调并得到其二次谐波信号，最终通过计算机软件进行数据获取与相关计算，反演出目标探测气体的浓度。
优选的，所述第一半导体激光器1为输出波长是1310-1550nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述第二半导体激光器7为输出波长是1395nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述玻璃基片3直径为30-40mm、厚度为0.5-1.0mm；所述聚合物薄膜微腔4的平凹腔长为300-500μm，直径为2.2-4.0mm，所述聚合物薄膜微腔4的平面以及凹面均镀有1310-1550nm高反介质膜，反射率为98％；所述光电探测器5的工作波段覆盖1310-1550nm；所述微型共振腔9的长度为10mm，内径与外径分别为1mm、1.27mm的空心金属管。
优选的，所述第二准直聚焦透镜组8将所述第二半导体激光器7输出的激光准直并聚焦，使其能够无阻挡性的穿过所述微型共振腔9；所述微型共振腔9的中心点处设有边长为0.5mm的方形孔，所述方形孔正对所述聚合物薄膜微腔4的凸面中心点，两者间距为50μm。
优选的，所述第一半导体激光器1通过控制温度调谐使其输出波长处于所述聚合物薄膜微腔4干涉光谱的线性区，并使用其反馈补偿特性稳定工作波长；所述第二半导体激光器7由低频锯齿波与高频正弦波叠加调制输出，锯齿波频率为20mHz，正弦波频率为10kHz。
本发明提供一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置至少具有如下有益效果，在本发明中，目标探测气体以大气中的水汽(H2O)为例，选取的吸收波长为1.395μm，半导体激光器输出激光激励H2O气体产生声波，利用聚合物薄膜微腔检测其声波信号。根据锁相放大器解调的二次谐波信号幅值作为系统探测的信号值，便可实现水汽浓度的反演。经系统各参数优化调节，根据探测信号强度与探测噪声综合评价此种光声光谱气体传感器的性能，技术效果优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例所述传感器装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述……，但这些……不应限于这些术语。这些术语仅用来将……区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一……也可以被称为第二……，类似地，第二……也可以被称为第一……。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
法布里-珀罗光学腔由于光学干涉光谱精度高、灵敏度好、结构简单等特点，在诸多物理量的测量中有着十分优异的特性。其腔长的微小量改变即可在干涉光谱的光强、频移等参量中得到充分的体现。基于此，本发明提出了一种新型的技术方案——基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置，主要利用聚合物制成平凹型法布里-珀罗光学腔用以检测光声光谱技术中的声波信号，形成一种全光学结构的传感器系统。相比采用麦克风的光声光谱技术以及石英音叉型光声光谱技术而言，此声波探测元件极大程度上消除了环境噪声以及电磁干扰的影响，其高品质因数(Q>30000)也进一步提高了系统检测灵敏度。此外，该聚合物薄膜微腔具有结构紧凑、简单，环境适应性强，可重复性好等优点，将进一步提高光声光谱式气体痕量气体传感器的检测极限，并推动其实用化的进程。
在本发明实施例中，该方法可用于探测各种痕量气体，例如甲烷(CH4)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)等。
本发明实施例提供的一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置，所述装置包括：
沿光束传播方向依次设置的第一半导体激光器1、准直聚焦透镜组2、玻璃基片3、聚合物薄膜微腔4、光电探测器5、锁相放大器6、第二半导体激光器7、准直聚焦透镜组8、微型共振腔9、数据采集与控制模块10、计算机11；
其中，所述第一半导体激光器1和第一准直聚焦透镜组2、玻璃基片3、聚合物薄膜微腔4、光电探测器5、第二半导体激光器7、第二准直聚焦透镜组8、微型共振腔9构成一个全光学结构的光声激励与探测系统；该系统与所述锁相放大器6、数据采集与控制模块10、计算机11构成整个聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置。
所述第一半导体激光器1为输出波长是1310-1550nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述第二半导体激光器7为输出波长是1395nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述玻璃基片3直径为30-40mm、厚度为0.5-1.0mm；所述聚合物薄膜微腔4的平凹腔长为300-500μm，直径为2.2-4.0mm，所述聚合物薄膜微腔4的平面以及凹面均镀有1310-1550nm高反介质膜，反射率为98％；所述光电探测器5的工作波段覆盖1310-1550nm；所述微型共振腔9的长度为10mm，内径与外径分别为1mm、1.27mm的空心金属管；
特别优选的，所述第一半导体激光器1为输出波长是1530nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述第二半导体激光器7为输出波长是1395nm的连续波分布反馈式半导体激光器；精确的波长能够提高气体检测精度。所述玻璃基片3直径为30mm、厚度为1mm；所述聚合物薄膜微腔4的平凹腔长为340μm，直径为2.47mm，所述聚合物薄膜微腔4的平面以及凹面均镀有1530nm高反介质膜，反射率为98％；所述光电探测器5的工作波段覆盖1530nm；所述微型共振腔9的长度为10mm，内径与外径分别为1mm、1.27mm的空心金属管，该特定参数对于气体检测能够提高足够的精度。
所述第一准直聚焦透镜组2将所述第一半导体激光器1输出激光准直并聚焦为直径100μm的光斑，且该光斑位于所述聚合物薄膜微腔4的内部；所述光电探测器5产生的信号输出至锁相放大器6中，锁相放大器6将其信号转换为数字信号并进行谐波解调，其中所述锁相放大器6解调的信号为光电探测器5所接受的光强信号；所述第一半导体激光器1、锁相放大器6、第二半导体激光器7分别连接至所述数据采集与控制模块10，所述计算机11连接数据采集与控制模块10，通过上位机软件LabVIEW进行实时控制。
优选的，所述第二准直聚焦透镜组8将所述第二半导体激光器7输出的激光准直并聚焦，使其能够无阻挡性的穿过所述微型共振腔9；所述微型共振腔9的中心点处设有边长为0.5mm的方形孔，所述方形孔正对所述聚合物薄膜微腔4的凸面中心点，两者间距为50μm。
优选的，所述第一半导体激光器1通过控制温度调谐使其输出波长处于所述聚合物薄膜微腔4干涉光谱的线性区，并使用其反馈补偿特性稳定工作波长；所述第二半导体激光器7由低频锯齿波与高频正弦波叠加调制输出，锯齿波频率为20mHz，正弦波频率为10kHz。
本发明还提供了一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体测量方法，包括，
步骤一：计算机11设定相关参数输入至数据采集与控制模块10，所述计算机11同时控制第一半导体激光器1、第二半导体激光器7、锁相放大器6；其中，控制所述第一半导体激光器1输出激光进行扫描，使其波长位于聚合物薄膜微腔4干涉光谱线性区，并最终稳定其工作波长；所述第一半导体激光器1输出激光经过第一准直聚焦透镜组2后入射到所述聚合物薄膜微腔4中，由于该聚合物薄膜微腔4前后镀有高反介质膜，入射激光将在所述聚合物薄膜微腔内来回振荡并形成干涉，最终从所述聚合物薄膜微腔4的平面端输出至光电探测器5中；
步骤二：数据采集与控制模块10通过低频锯齿波与高频正弦波叠加控制所述第二半导体激光器7，使其输出波长以高频形式扫描覆盖目标探测气体吸收峰；输出光经过第二准直聚焦透镜组8无阻挡地输入至微型共振腔9中；
步骤三：目标探测气体在所述微型共振腔9内吸收激励光源并产生高频声波，此声波最终在所述微型共振腔9内形成驻波；此时所述微型共振腔9中的方形孔正对驻波波腹，即最终产生的声波通过方形孔扩散而出并作用在所述聚合物薄膜微腔4的凸型表面；
步骤四：由于声波的作用，所述聚合物薄膜微腔4的腔长发生改变，使得腔内干涉光谱发生频移，所述聚合物薄膜微腔4输出光由所述光电探测器5接收并输入至锁相放大器6中，锁相放大器6对其光强进行谐波解调；
步骤五：锁相放大器6参考数据采集与控制模块8所控制第二半导体激光器7的高频信号，对所述光电探测器5的光强信号进行解调并得到其二次谐波信号，最终通过计算机软件进行数据获取与相关计算，反演出目标探测气体的浓度。
优选的，所述第一半导体激光器1为输出波长是1530nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述第二半导体激光器7为输出波长是1395nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述玻璃基片3直径为30mm、厚度为1mm；所述聚合物薄膜微腔4的平凹腔长为340μm，直径为2.47mm，所述聚合物薄膜微腔4的平面以及凹面均镀有1530nm高反介质膜，反射率为98％；所述光电探测器5的工作波段覆盖1530nm；所述微型共振腔9的长度为10mm，内径与外径分别为1mm、1.27mm的空心金属管。
优选的，所述第二准直聚焦透镜组8将所述第二半导体激光器7输出的激光准直并聚焦，使其能够无阻挡性的穿过所述微型共振腔9；所述微型共振腔9的中心点处设有边长为0.5mm的方形孔，所述方形孔正对所述聚合物薄膜微腔4的凸面中心点，两者间距为50μm。
优选的，所述第一半导体激光器1通过控制温度调谐使其输出波长处于所述聚合物薄膜微腔4干涉光谱的线性区，并使用其反馈补偿特性稳定工作波长；所述第二半导体激光器7由低频锯齿波与高频正弦波叠加调制输出，锯齿波频率为20mHz，正弦波频率为10kHz。
本发明提供一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置，在本发明中，目标探测气体以大气中的水汽(H2O)为例，选取的吸收波长为1.395μm，半导体激光器输出激光激励H2O气体产生声波，利用聚合物薄膜微腔检测其声波信号。根据锁相放大器解调的二次谐波信号幅值作为系统探测的信号值，便可实现水汽浓度的反演。经系统各参数优化调节，根据探测信号强度与探测噪声综合评价此种光声光谱气体传感器的性能，技术效果优异。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置，其特征在于，所述装置包括：
沿光束传播方向依次设置的第一半导体激光器(1)、准直聚焦透镜组(2)、玻璃基片(3)、聚合物薄膜微腔(4)、光电探测器(5)、锁相放大器(6)、第二半导体激光器(7)、准直聚焦透镜组(8)、微型共振腔(9)、数据采集与控制模块(10)、计算机(11)；
其中，所述第一半导体激光器(1)和第一准直聚焦透镜组(2)、玻璃基片(3)、聚合物薄膜微腔(4)、光电探测器(5)、第二半导体激光器(7)、第二准直聚焦透镜组(8)、微型共振腔(9)构成一个全光学结构的光声激励与探测系统；该系统与所述锁相放大器(6)、数据采集与控制模块(10)、计算机(11)构成整个聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置；
所述第一半导体激光器(1)为输出波长是1310-1550nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述第二半导体激光器(7)为输出波长是1395nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述玻璃基片(3)直径为30-40mm、厚度为0.5-1.0mm；所述聚合物薄膜微腔(4)的平凹腔长为300-500μm，直径为2.2-4.0mm，所述聚合物薄膜微腔(4)的平面以及凹面均镀有1310-1550nm高反介质膜，反射率为98％；所述光电探测器(5)的工作波段覆盖1310-1550nm；所述微型共振腔(9)的长度为10mm，内径与外径分别为1mm、1.27mm的空心金属管；
所述第一准直聚焦透镜组(2)将所述第一半导体激光器(1)输出激光准直并聚焦为直径100μm的光斑，且该光斑位于所述聚合物薄膜微腔(4)的内部；所述光电探测器(5)产生的信号输出至锁相放大器(6)中，锁相放大器(6)将其信号转换为数字信号并进行谐波解调，其中所述锁相放大器(6)解调的信号为光电探测器(5)所接受的光强信号；所述第一半导体激光器(1)、锁相放大器(6)、第二半导体激光器(7)分别连接至所述数据采集与控制模块(10)，所述计算机(11)连接数据采集与控制模块(10)，通过上位机软件进行实时控制。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述第二准直聚焦透镜组(8)将所述第二半导体激光器(7)输出的激光准直并聚焦，使其能够无阻挡性的穿过所述微型共振腔(9)；所述微型共振腔(9)的中心点处设有边长为0.5mm的方形孔，所述方形孔正对所述聚合物薄膜微腔(4)的凸面中心点，两者间距为50μm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述第一半导体激光器(1)通过控制温度调谐使其输出波长处于所述聚合物薄膜微腔(4)干涉光谱的线性区，并使用其反馈补偿特性稳定工作波长；所述第二半导体激光器(7)由低频锯齿波与高频正弦波叠加调制输出，锯齿波频率为20mHz，正弦波频率为10kHz。
4.一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体测量方法，其特征在于包括，
步骤一：计算机(11)设定相关参数输入至数据采集与控制模块(10)，所述计算机(11)同时控制第一半导体激光器(1)、第二半导体激光器(7)、锁相放大器(6)；其中，控制所述第一半导体激光器(1)输出激光进行扫描，使其波长位于聚合物薄膜微腔(4)干涉光谱线性区，并最终稳定其工作波长；所述第一半导体激光器(1)输出激光经过第一准直聚焦透镜组(2)后入射到所述聚合物薄膜微腔(4)中，由于该聚合物薄膜微腔(4)前后镀有高反介质膜，入射激光将在所述聚合物薄膜微腔内来回振荡并形成干涉，最终从所述聚合物薄膜微腔(4)的平面端输出至光电探测器(5)中；
步骤二：数据采集与控制模块(10)通过低频锯齿波与高频正弦波叠加控制所述第二半导体激光器(7)，使其输出波长以高频形式扫描覆盖目标探测气体吸收峰；输出光经过第二准直聚焦透镜组(8)无阻挡地输入至微型共振腔(9)中；
步骤三：目标探测气体在所述微型共振腔(9)内吸收激励光源并产生高频声波，此声波最终在所述微型共振腔(9)内形成驻波；此时所述微型共振腔(9)中的方形孔正对驻波波腹，即最终产生的声波通过方形孔扩散而出并作用在所述聚合物薄膜微腔(4)的凸型表面；
步骤四：由于声波的作用，所述聚合物薄膜微腔(4)的腔长发生改变，使得腔内干涉光谱发生频移，所述聚合物薄膜微腔(4)输出光由所述光电探测器(5)接收并输入至锁相放大器(6)中，锁相放大器(6)对其光强进行谐波解调；
步骤五：锁相放大器(6)参考数据采集与控制模块(8)所控制第二半导体激光器(7)的高频信号，对所述光电探测器(5)的光强信号进行解调并得到其二次谐波信号，最终通过计算机软件进行数据获取与相关计算，反演出目标探测气体的浓度。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述第一半导体激光器(1)为输出波长是1310-1550nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述第二半导体激光器(7)为输出波长是1395nm的连续波分布反馈式半导体激光器；所述玻璃基片(3)直径为30-40mm、厚度为0.5-1.0mm；所述聚合物薄膜微腔(4)的平凹腔长为300-500μm，直径为2.2-4.0mm，所述聚合物薄膜微腔(4)的平面以及凹面均镀有1310-1550nm高反介质膜，反射率为98％；所述光电探测器(5)的工作波段覆盖1310-1550nm；所述微型共振腔(9)的长度为10mm，内径与外径分别为1mm、1.27mm的空心金属管。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述第二准直聚焦透镜组(8)将所述第二半导体激光器(7)输出的激光准直并聚焦，使其能够无阻挡性的穿过所述微型共振腔(9)；所述微型共振腔(9)的中心点处设有边长为0.5mm的方形孔，所述方形孔正对所述聚合物薄膜微腔(4)的凸面中心点，两者间距为50μm。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述第一半导体激光器(1)通过控制温度调谐使其输出波长处于所述聚合物薄膜微腔(4)干涉光谱的线性区，并使用其反馈补偿特性稳定工作波长；所述第二半导体激光器(7)由低频锯齿波与高频正弦波叠加调制输出，锯齿波频率为20mHz，正弦波频率为10kHz。
CN201811196116.1A 2018-10-15 2018-10-15 一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法 Active CN109507116B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811196116.1A CN109507116B (zh) 2018-10-15 2018-10-15 一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811196116.1A CN109507116B (zh) 2018-10-15 2018-10-15 一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109507116A true CN109507116A (zh) 2019-03-22
CN109507116B CN109507116B (zh) 2021-04-20

Family

ID=65746529

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811196116.1A Active CN109507116B (zh) 2018-10-15 2018-10-15 一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109507116B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112454324A (zh) * 2020-11-24 2021-03-09 桂林电子科技大学 微型机器人的群体控制方法
CN112816419A (zh) * 2021-01-04 2021-05-18 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种谐振型气体传感器
CN113624718A (zh) * 2021-08-13 2021-11-09 哈尔滨工业大学 基于压阻薄膜的光声光谱痕量气体检测装置及方法
CN114485746A (zh) * 2021-12-24 2022-05-13 中山大学 基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10253487A (ja) * 1997-03-10 1998-09-25 Tokyo Electric Power Co Inc:The 濃度分布計測装置
CN101055243A (zh) * 2007-04-04 2007-10-17 南京旭飞光电有限公司 光纤气体传感的方法和传感器
CN103063574A (zh) * 2012-12-21 2013-04-24 安徽大学 一种膜片式微型光声池及其应用
CN104865192A (zh) * 2015-05-12 2015-08-26 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器及制作方法
CN108051400A (zh) * 2017-11-30 2018-05-18 大连理工大学 一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10253487A (ja) * 1997-03-10 1998-09-25 Tokyo Electric Power Co Inc:The 濃度分布計測装置
CN101055243A (zh) * 2007-04-04 2007-10-17 南京旭飞光电有限公司 光纤气体传感的方法和传感器
CN103063574A (zh) * 2012-12-21 2013-04-24 安徽大学 一种膜片式微型光声池及其应用
CN104865192A (zh) * 2015-05-12 2015-08-26 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于光声光谱探测的光纤悬臂梁微音器及制作方法
CN108051400A (zh) * 2017-11-30 2018-05-18 大连理工大学 一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HÅKAN KARLSSON: "《Air Quality Monitoring with》", 《OPTIK&PHOTONIK》 *
JYRKI KAUPPINEN: "《High sensitivity in gas analysis with photoacoustic detection》", 《MICROCHEMICAL JOURNAL》 *
QIAOYUN WANG: "《An all-optical photoacoustic spectrometer for trace gas detection》", 《SENSORS AND ACTUATORS B 》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112454324A (zh) * 2020-11-24 2021-03-09 桂林电子科技大学 微型机器人的群体控制方法
CN112454324B (zh) * 2020-11-24 2022-03-25 桂林电子科技大学 微型机器人的群体控制方法
CN112816419A (zh) * 2021-01-04 2021-05-18 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种谐振型气体传感器
CN113624718A (zh) * 2021-08-13 2021-11-09 哈尔滨工业大学 基于压阻薄膜的光声光谱痕量气体检测装置及方法
CN113624718B (zh) * 2021-08-13 2023-08-18 哈尔滨工业大学 基于压阻薄膜的光声光谱痕量气体检测装置及方法
CN114485746A (zh) * 2021-12-24 2022-05-13 中山大学 基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统
CN114485746B (zh) * 2021-12-24 2023-10-31 中山大学 基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109507116B (zh) 2021-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109507116A (zh) 一种基于聚合物薄膜微腔的光声光谱气体传感装置及方法
CN107064012B (zh) 基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法
CN101358918B (zh) 用于进行石英增强的光声光谱测量的方法和气体传感器
Kuusela et al. Photoacoustic gas analysis using interferometric cantilever microphone
US20090249861A1 (en) Stable photo acoustic trace gas detector with optical power enhancement cavity
Fu et al. Small-volume highly-sensitive all-optical gas sensor using non-resonant photoacoustic spectroscopy with dual silicon cantilever optical microphones
CN102884413A (zh) 用于在气体或液体介质中对分析物质进行光声识别和定量的方法和装置
CN104237135A (zh) 基于石英音叉增强型光声光谱技术的co气体检测系统及方法
CN108489905A (zh) 一种痕量气体浓度检测方法
CN103063574B (zh) 一种膜片式微型光声池及其应用
CN105651374A (zh) 单管共轴光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置
Avino et al. Musical instrument pickup based on a laser locked to an optical fiber resonator
CN102713565A (zh) 基于光声检测的气体传感器
Tavakoli et al. Design, simulation and structural optimization of a longitudinal acoustic resonator for trace gas detection using laser photoacoustic spectroscopy (LPAS)
CN103105365A (zh) 一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法及装置
CN106124411A (zh) 一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置及方法
CN106959171A (zh) 基于超声波、激光吸收光谱技术的温湿度测量方法
CN103411898B (zh) 基于石英增强光声光谱的全光学气体探测方法及装置
Matveev et al. Midinfrared Light-Emitting Diodes Based on А 3 В 5 Heterostructures in Gas-Analyzer-Equipment Engineering: Potential and Applications in 2014–2018
Theobald et al. Technique for the calibration of hydrophones in the frequency range 10 to 600 kHz using a heterodyne interferometer and an acoustically compliant membrane
Li et al. Active noise reduction for a differential Helmholtz photoacoustic sensor excited by an intensity-modulated light source
Miklós et al. Multipass acoustically open photoacoustic detector for trace gas measurements
CN107024432A (zh) 一种用于探测高腐蚀性气体的简易光声探测器
Wang et al. Optical interferometer-based methods for photoacoustic gas sensing: a review
CN103411904B (zh) 基于聚偏氟乙烯压电薄膜的光声气体传感装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant