CN109781637A - 基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器 - Google Patents

Abstract

基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，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。创新点：探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器。本发明将两光纤FP腔级联，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

基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，具体涉及一种基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，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，进而提供一种基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器。将光纤FP腔级联结构，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FP干涉计相比，光纤FP双腔级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：基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，包括探测激光器、隔离器I、隔离器II、隔离器III、泵浦光源、辅助激光器、耦合器I、耦合器II、耦合器III、环形器、滤波器、光电探测器、示波器、光谱仪和FP双腔结构；

所述探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器；

探测光的光学路径为：探测光由探测激光器发出，经过隔离器I、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进入光电探测器，光电探测器将接收的探测光能量转化为电压输出给示波器；

辅助光的光学路径为：辅助光有辅助激光器发出，经过隔离器III、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进光谱仪；

泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦光源发出，依次经过隔离器II、耦合器I进入FP双腔结构。

进一步地：光纤FP双腔级联结构(FP双腔结构)，长度在5-20毫米范围内的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)两端分别与单模光纤I和单模光纤II熔接形成光纤FP腔I，单模光纤II的另一端被切割，形成光纤FP腔II。HC-PCF的直径与单模光纤相同均为125微米。

进一步地：所述空芯光子晶体光纤的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米；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4-20个/厘米。

进一步地：所述泵浦光源和探测激光器均为窄带DFB激光器，泵浦光源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；辅助激光器为宽谱光源，由于其能量谱密度远小于泵浦光，因此辅助光对其吸收可忽略不计；探测激光器为窄带DFB激光器，其波长位于气体吸收谷附近，且位于两FP腔并联干涉谱主峰(最强峰)的边带上。当泵浦光进入FP干涉计I中，空芯光子晶体光纤中的被测气体因吸收泵浦光而温度升高，导致空芯光子晶体光纤因温度升高而发生长度变化。

本发明所达到的效果为：

本发明将将光纤FP双腔级联结构，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FP干涉计相比，光纤FP双腔级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为本发明基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器结构图；

图2为光纤FP腔级联结构的结构图；

图3为光纤FP双腔I的干涉谱图；

图4为光纤FP腔II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，本实施方式的基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，

包括探测激光器、隔离器I、隔离器II、隔离器III、泵浦光源、辅助激光器、耦合器I、耦合器II、耦合器III、环形器、滤波器、光电探测器、示波器、光谱仪和FP双腔结构；

所述探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器。

其中，光纤FP双腔级联结构：

光纤FP双腔级联结构如图2所示，长度在5-20毫米范围内的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)两端分别与单模光纤I和单模光纤II熔接形成光纤FP腔I，单模光纤II的另一端被切割，形成光纤FP腔II。HC-PCF的直径与单模光纤相同均为125微米，HC-PCF的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米，HC-PCF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4-20个/厘米。

当光由耦合器I进入光纤FP腔I后，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I_FP1可以表示为：

其中I₁₁和I₁₂分别为探测光经反射面I和反射面II反射后的光强，L₁为空芯光纤的长度，λ为信号光的波长。干涉谱如图3所示。

光纤FP腔I的干涉谱波谷满足：

其中，m₁为整数，λ_m1为干涉谱波谷对应的波长。

由(2)式可得光纤FP腔I的干涉谱的自由光谱范围FSR_FP1为：

将(2)式对L₁微分得光纤FP腔I的干涉谱平移量与FP1腔长度之间的关系为：

其中，Δλ_FP1为光纤FP腔I干涉谱的平移量，ΔL₁为HC-PCF光纤的长度变化量。

当光由环形腔进入光纤FP腔II后，光先后依次经反射面II和反射面III反射，两束反射光形成干涉，干涉后光强I_FP2可以表示为:

其中I₂₁和I₂₂分别为探测光经反射面II和反射面III反射后的光强，L₂为空芯光纤的长度。干涉谱如图4所示。

光纤FP腔II的干涉谱波谷满足:

其中，m₂为整数，λ_m2为干涉谱波谷对应的波长。

由(6)式可得光纤FP腔II的干涉谱的自由光谱范围FSR_FP2为：

游标效应原理：

耦合器I、耦合器II、耦合器III的分光均比为50:50。滤波器作用：滤掉泵浦激光器发出的泵浦光，使其不能被光电探测器和光谱仪接收到。隔离器I对探测激光器起保护作用，使探测光、辅助光和泵浦光不能进入探测激光器；隔离器II对泵浦光源起保护作用，使探测光、辅助光和泵浦光不能进入泵浦光源；隔离器III对辅助激光器起保护作用，使探测光和泵浦光不能进入辅助激光器。探测激光器的波长处于干涉谱包络主峰的边带上。

当光纤FP腔I和光纤FP腔II的自由光谱范围接近时，信号光经依次经光纤FP双腔级联结构调制，产生游标效应，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FSR_Envelope与光纤FP腔I自由光谱范围FSR_FP1和光纤FP腔II自由光谱范围FSR_FP2的关系为：

FSR_Envelope＝M·FSR_FP1 (8)

由于被测气体浓度的变化，当光纤FP腔I的干涉谱平移Δλ_FP1时，干涉谱包络的平移量Δλ_Envelope为：

Δλ_Envelope＝M·Δλ_FP1 (10)

上式表明：当光纤FP腔I的干涉谱频移时，干涉谱包络随之频移，且频移量是光纤FP腔I的干涉谱频移量的M倍，因此，M被称为灵敏度增大因子。由公式(10)可知通过设定光纤FP腔I和光纤FP腔II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。

光热光谱技术。

泵浦光源为窄带DFB激光器，泵浦光源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。辅助激光器为宽谱光源，由于其能量谱密度远小于泵浦光，因此辅助光对其吸收可忽略不计。探测激光器为窄带DFB激光器，其波长位于气体吸收谷重合，且位于FP双腔级联干涉谱主峰(最强峰)的边带上。当泵浦光进入光纤FP腔I中，HC-PCF光纤中的被测气体因吸收泵浦光而温度升高，导致HC-PCF光纤因温度升高而长度变化。HC-PCF光纤长度的变化量可表示为：

ΔL₁＝αPΔC (II)

其中，P为泵浦光源功率，ΔL₁为偏振HC-PCF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(11)式代入(4)式得光纤FP腔I干涉谱的平移量随被测气体浓度的变化关系：

强度探测:

光电探测器将接收的探测光能量转化为电压，其电压变化量随浓度变化量之间的关系可表示为：

ΔV＝(k₁+k₂)βΔC (13)

其中，ΔV为光电探测器输出电压的变化，k₁为干涉谱包络主峰的边带斜率，k₂为干涉谱包络的边带斜率，β为光电探测其性能参数。

实施例中基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器具有如下优点：

1)相对于单个FP干涉计气体传感器，将光纤FP双腔级联结构，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，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 (4)

1.基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，其特征在于：包括探测激光器、隔离器I、隔离器II、隔离器III、泵浦光源、辅助激光器、耦合器I、耦合器II、耦合器III、环形器、滤波器、光电探测器、示波器、光谱仪和FP双腔结构；

所述探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器；

探测光的光学路径为：探测光由探测激光器发出，经过隔离器I、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进入光电探测器，光电探测器将接收的探测光能量转化为电压输出给示波器；

辅助光的光学路径为：辅助光有辅助激光器发出，经过隔离器III、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进光谱仪；

泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦光源发出，依次经过隔离器II、耦合器I进入FP双腔结构。

2.根据权利要求1所述的基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，其特征在于：光纤FP双腔级联结构，包括长度在5-20毫米范围内的空芯光子晶体光纤两端分别与单模光纤I和单模光纤II熔接形成光纤FP腔I，单模光纤II的另一端被切割，形成光纤FP腔II；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所述的基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，其特征在于：所述空芯光子晶体光纤的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米；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4-20个/厘米。

4.根据权利要求3所述的基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，其特征在于：所述泵浦光源和探测激光器均为窄带DFB激光器，泵浦光源的波长与被测气体的吸收峰重合。