CN109507134A - 基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器 - Google Patents

基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器 Download PDF

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Abstract

基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，属于气体浓度测量技术领域。本发明解决了现有光纤气体传感器的灵敏度有待提升的问题。本发明的创新点在于：包括FP干涉计和Sagnac干涉计；耦合器I的分光光路上并列设置有Sagnac干涉计和FP干涉计，FP干涉计所在分光光路上还设置有耦合器III和衰减器，耦合器I分光后进入耦合器IV，耦合器IV与环形器、滤波器、光谱仪依次连接；泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接。本发明将Sagnac干涉计与FP干涉计并联，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度，使被测气体测量灵敏度提高1‑2个数量级。

Description

基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型 气体传感器
技术领域
本发明涉及一种气体传感器，具体涉及一种基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，属于气体浓度测量技术领域。
背景技术
对于气体浓度的测量，通常采用空间光谱吸收法进行测量，为了提高灵敏度需要大体积气室，导致仪器体积庞大，难以实现在线检测。
光纤气体传感技术在气体检测技术中属于后起之秀，在20世纪70年代才走进人们的视野。光纤气体传感器传输功率损耗小，适合长距离测量，在高温、高压等恶劣环境下有较强优势，结构简单，灵敏度高，稳定可靠。鉴于以上种种独特的优势得到了众多科研工作者的青睐，在实际应用中的地位也逐渐提升，但是现有光纤气体传感器的灵敏度还有待提升。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明为了解决现有光纤气体传感器的灵敏度有待提升的问题，进而提供一种基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器。将Sagnac干涉计与FP干涉计并联，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度。与单个的Sagnac干涉计相比，Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构可以使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级。
方案：基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，包括宽谱光源、隔离器I、耦合器I、耦合器II、耦合器III、耦合器IV、保偏空芯光子晶体光纤、泵浦激光器、隔离器II、环形器、滤波器、光谱仪、衰减器和FP干涉计；所述保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计；
所述宽谱光源、隔离器I和耦合器I依次连接，耦合器I的分光光路上并列设置有Sagnac干涉计和FP干涉计，FP干涉计所在分光光路上还设置有耦合器III和衰减器，耦合器I分光后进入耦合器IV，耦合器IV与环形器、滤波器、光谱仪依次连接；泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接；
探测光的光学路径为：探测光由宽谱光源发出，依次经过隔离器I，进入耦合器I分成两束光；一束光经耦合器II进入保偏空芯光子晶体光纤，再经耦合器II进入耦合器IV，另一束光依次进入耦合器III、FP干涉计、耦合器III、衰减器后进入耦合器IV；两束光于耦合器IV合成一束光后依次进入环形器、滤波器和光谱仪；
泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦激光器发出，依次经过隔离器II、环形器、耦合器VI，然后进入Sagnac干涉计。
进一步地：所述保偏空芯光子晶体光纤的长度为0.5-5米，保偏空芯光子晶体光纤(保偏HC-PCF)的两端分别与单模光纤熔接，保偏空芯光子晶体光纤的直径与单模光纤相同均为125微米。
进一步地：保偏空芯光子晶体光纤的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米；保偏空芯光子晶体光纤的侧面有多个开孔，保证其纤芯与外界相通，开孔的直径为5-20微米，开孔的密度为10-100个/米。
进一步地：所述耦合器I、耦合器II、耦合器III、耦合器IV的分光比为50：50，光束由耦合器II进入Saganc干涉计后，探测光分成两束光，两束光在Sagnac环内沿相反的方向传输，然后经耦合器II合成一束光，实现干涉。
进一步地：所述泵浦激光器为窄带DFB激光器，泵浦激光器的波长与被测气体的吸收峰重合，保证被测气体对泵浦光有强烈的吸收，宽谱光源作为探测激光器，由于其能量谱密度远小于泵浦光，因此探测光对其吸收可忽略不计。当泵浦光进入保偏空芯光子晶体光纤时，被测气体因吸收泵浦光而温度升高，导致保偏空芯光子晶体光纤因温度升高而发生长度变化。
进一步地：所述FP干涉计，为长度在5-20毫米范围内的空芯光纤两端与单模光纤熔接形成FP干涉计。
进一步地：所述空芯光纤的空芯的直径与单模光纤相同均为125微米，空芯光纤的纤芯为空气，纤芯直径均为10-30微米。
本发明所达到的效果为：
本发明将Sagnac干涉计与FP干涉计并联，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度。与单个的Sagnac干涉计相比，Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构可以使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级，该结构对外界振动具有极高的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器结构图；
图2为Sagnac干涉计的干涉谱图；
图3为FP干涉计结构图；
图4为FP干涉计的干涉谱图；
图5为干涉谱包络图。
具体实施方式
为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：参见图1至图5，本实施方式的基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，包括宽谱光源、隔离器I、耦合器I、耦合器II、耦合器III、耦合器IV、保偏空芯光子晶体光纤、泵浦激光器、隔离器II、环形器、滤波器、光谱仪、衰减器和FP干涉计；所述保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计；
所述宽谱光源、隔离器I和耦合器I依次连接，耦合器I的分光光路上并列设置有Sagnac干涉计和FP干涉计，FP干涉计所在分光光路上还设置有耦合器III和衰减器，耦合器I分光后进入耦合器IV，耦合器IV与环形器、滤波器、光谱仪依次连接；泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接。
其中，Sagnac干涉计。
长度在0.5-5米之间保偏空芯光子晶体光纤(保偏HC-PCF)位于Saganc光纤环内，保偏空芯光子晶体光纤的两端分别与单模光纤熔接。保偏空芯光子晶体光纤的直径与单模光纤相同均为125微米，保偏HC-PCF的纤芯为空气，纤芯直径均为10-30微米。保偏空芯光子晶体光纤的侧面有多个开孔，保证其纤芯与外界相通，开孔的直径均为5-20微米，开孔的密度为10-100个/米。
当宽谱光源发出的探测光由耦合器II(分光比为50:50)进入Saganc干涉计后，探测光分成两束，两束光在Sagnac环内沿相反的方向传输，然后经耦合器II合成一束光，实现干涉，干涉后光强Isagnac可以表示为：
其中，B和L分别为保偏空芯光子晶体光纤的双折射系数和长度，λ为探测光的波长。干涉谱如图2所示。
Sagnac干涉计的干涉谱波谷满足：
其中，m1为整数，λm1为干涉谱波谷对应的波长。
Sagnac干涉计的干涉谱的自由光谱范围FSR1为：
将(2)式对L微分得干涉谱平移量与保偏空芯光子晶体光纤长度之间的关系为：
其中，ΔλSagnac为Sagnac干涉计干涉谱的平移量，ΔL为保偏空芯光子晶体光纤的长度变化量。
光热光谱技术。
泵浦激光器为窄带DFB激光器，泵浦激光器的波长与被测气体的吸收峰重合，保证被测气体对泵浦光有强烈的吸收。探测激光器为宽谱光源，由于其能量谱密度远小于泵浦光，因此探测光对其吸收可忽略不计。当泵浦光进入保偏空芯光子晶体光纤时，被测气体因吸收泵浦光而温度升高，导致保偏空芯光子晶体光纤因温度升高而长度变化。保偏空芯光子晶体光纤长度的变化量可表示为：
ΔL＝αPΔC (5)
其中，P为泵浦激光器功率，为保偏空芯光子晶体光纤的双折射系数的变化量，ΔC为被测气体浓度的变化量，α为预设常数，可根据经验值来设定。
将(5)式代入(4)式得Sagnac干涉计干涉谱的平移量随被测气体浓度的变化关系：
其中，FP干涉计。
长度在5-20毫米范围内的空芯光纤两端与单模光纤熔接形成FP干涉计，空芯的直径与单模光纤相同均为125微米，空芯光纤的纤芯为空气，纤芯直径均为10-30微米。如图3所示。
当探测光由环形器进入FP干涉计后，探测光先后依次经反射面I和反射面II反射，两束反射光形成干涉，干涉后光强IFP可以表示为：
其中I1和I2分别为探测光经反射面I和反射面II反射后的光强，d为空芯光纤的长度，λ为探测光的波长。干涉谱如图4所示。
FP干涉计的干涉谱波谷满足：
其中，m2为整数，λm2为干涉谱波谷对应的波长。
由(8)式可得Sagnac干涉计的干涉谱的自由光谱范围FSR2为：
游标效应原理：
衰减器的作用：调节FP干涉计的干涉光强，使其与Sagnac干涉计的干涉光强接近。耦合器I、耦合器II、耦合器II和耦合器IV的分光比均为50:50。滤波器作用：滤掉泵浦激光器发出的泵浦光，使其不能被光谱仪接收到。隔离器I对宽谱光源起保护作用，使探测光和泵浦光不能进入宽谱光源；隔离器II对泵浦光源起保护作用，使探测光和泵浦光不能进入泵浦光源。
当FP干涉计和Sagnac干涉计的自由光谱范围接近时，宽谱光源发出的探测光经分别FP干涉计和Sagnac干涉计后再次相遇时就会产生游标效应，Sagnac干涉计的干涉谱受到FP干涉计的调制，调制后的干涉谱就会产生如图5所示干涉谱包络。干涉谱包络的自由光谱范围FSREnvelope与FP腔自由光谱范围FSR2和Sagnac环自由光谱范围FSR1的关系为：
FSREnvelope＝M·FSR1 (10)
由于被测气体浓度的变化，当Sagnac干涉计的干涉谱平移ΔλSagnac时，干涉谱包络的平移量ΔλEnvelope为：
ΔλEnvelope＝M·ΔλSagnac (12)
将(6)式代入(12)式得：
上式表明：当Sagnac干涉计干涉谱随被测气体浓度变化而频移时，干涉谱包络随之频移，且频移量是Sagnac环频移量的M倍，因此，M被称为灵敏度增大因子。由公式(11)可知通过设定Sagnac干涉计和FP干涉计的自由光谱范围得到希望的M值，通常情况下M的范围为5-50。
实施例中基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器具有如下优点：
1)相对于单个Sagnac干涉计气体传感器，基于Saganc干涉计和FP干涉计并联结构的气体传感器，其测量灵敏度提高了1-2个数量级。
2)该结构对外界振动具有极高的抗干扰能力。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，其特征在于：包括宽谱光源、隔离器I、耦合器I、耦合器II、耦合器III、耦合器IV、保偏空芯光子晶体光纤、泵浦激光器、隔离器II、环形器、滤波器、光谱仪、衰减器和FP干涉计；所述保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计；
所述宽谱光源、隔离器I和耦合器I依次连接，耦合器I的分光光路上并列设置有Sagnac干涉计和FP干涉计，FP干涉计所在分光光路上还设置有耦合器III和衰减器，耦合器I分光后进入耦合器IV，耦合器IV与环形器、滤波器、光谱仪依次连接；泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接；
探测光的光学路径为：探测光由宽谱光源发出，经过隔离器I，进入耦合器I分成两束光；一束光经耦合器II进入保偏空芯光子晶体光纤，再经耦合器II进入耦合器IV，另一束光依次进入耦合器III、FP干涉计、耦合器III、衰减器后进入耦合器IV；两束光于耦合器IV合成一束光后依次进入环形器、滤波器和光谱仪；
泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦激光器发出，依次经过隔离器II、环形器、耦合器VI，然后进入Sagnac干涉计。
2.根据权利要求1所述的基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，其特征在于：所述保偏空芯光子晶体光纤的长度为0.5-5米，保偏空芯光子晶体光纤的两端分别与单模光纤熔接，保偏空芯光子晶体光纤的直径与单模光纤相同均为125微米。
3.根据权利要求2所述的基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，其特征在于：保偏空芯光子晶体光纤的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米；保偏空芯光子晶体光纤的侧面有多个开孔，开孔的直径为5-20微米，开孔的密度为10-100个/米。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，其特征在于：所述耦合器I、耦合器II、耦合器III、耦合器IV的分光比为50：50，光束由耦合器II进入Saganc干涉计后，探测光分成两束光，两束光在Sagnac环内沿相反的方向传输，然后经耦合器II合成一束光，实现干涉。
5.根据权利要求4所述的基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，其特征在于：所述泵浦激光器为窄带DFB激光器，泵浦激光器的波长与被测气体的吸收峰重合，宽谱光源作为探测激光器。
6.根据权利要求5所述的基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，其特征在于：长度在5-20毫米范围内的空芯光纤两端与单模光纤熔接形成FP干涉计。
7.根据权利要求6所述的基于大气室Sagnac干涉计与FP干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器，其特征在于：所述空芯光纤的空芯的直径与单模光纤相同均为125微米，空芯光纤的纤芯为空气，纤芯直径均为10-30微米。
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