CN112683876B - 微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法和系统。将待测气体通过侧面钻孔方式填充到空芯光纤；调制泵浦光与第一探测光，通过耦合透镜进入空芯光纤；调节泵浦光波长，使泵浦光和第一探测光两者的激光波长能量差等于待测气体的跃迁能量差；第一探测光作为受激拉曼触发激光，与周期性调制的泵浦光共同激发气体产生受激拉曼过程影响第二探测光的相位发生变化；第二探测光在FP腔内形成多光束干涉光，通过解调仪解调干涉光相位信号，并获取气体浓度。本发明利用干涉法检测相位变化，具备很高的灵敏度，可以实现痕量气体的检测，利用光纤代替自由空间光路，系统尺寸等带来的限制，进一步推动该系统的应用，促进了光热光谱气体检测传感技术的发展。

Description

微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法和系统

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，涉及微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法和系统。

背景技术

同核双原子分子是由相同原子核的原子组合而成的双原子分子，包括常见的空气中的氮气、氧气、氢气和氯气等。同核双原子分子在很多领域具备巨大的应用潜力，包括冶金，化学，陶瓷、燃料电池、高温超导和电子行业等，其中氢气和氯气用途特别广泛，超过一定浓度值后会带来一些不利的影响。目前，同核双原子分子检测主要采用一些气敏传感器法，色谱法和质谱法，气敏传感器法易老化和存在交叉敏感，稳定性较差，色谱法和质谱法体积较大，价格很贵，而色谱柱易老化，不利于长期可靠分析。基于吸收效应的光学检测方法是一种无损的，灵敏度高的光谱技术，但由于同核双原子分子不具备永远的偶极矩，吸收效应极其微弱，因此无法实现基于吸收效应的同核双原子分子高灵敏度检测。拉曼光谱是一种基于拉曼散射效应的光谱技术，可以实现除单原子分子外的所有气体检测，但由于气体散射截面小，检测灵敏度很低。迫切需要一种新的技术来实现高灵敏，高选择性的无损检测同核双原子分子。

样品分子在两束激光的共同作用下，当两束激光频率差等于分子的某一拉曼活性的振动频率时，就会发生受激拉曼散射过程，使分子从基态跃迁到振动激发态，处于振动激发态上的分子将主要通过碰撞能量转移方式回到基态，并释放出平动能，造成体系内局部温度的增加，气体分子有效折射率发生改变，结合法布里珀罗干涉检测可以实现相位的高灵敏度解调，进而实现气体浓度的高灵敏检测。光纤传感技术具有长距离传输，损耗小，轻便的优点，通过将光束束缚在空芯光纤内部，不仅可以提高光束与分子的相互作用，而且可以降低光束的发散。气体光纤传感可应用于多种环境，具备良好的工程意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了一种微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法和系统，其优势是可以实现气体分子(包含同核双原子分子)的高灵敏度和高选择性检测，通过将受激拉曼和光热光谱结合，实现气体的全光纤检测。

本发明采用如下的技术方案：

微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，所述检测方法包括如下步骤：

步骤1：将待测气体通过侧面钻孔方式填充到空芯光纤；

步骤2：调制泵浦光与第一探测光，通过耦合透镜进入空芯光纤；

步骤3：调节泵浦光波长，使泵浦光和第一探测光两者的激光波长能量差等于待测气体的跃迁能量差；

步骤4：第一探测光作为受激拉曼触发激光，与周期性调制的泵浦光共同激发气体产生受激拉曼过程，待测气体分子因发生受激拉曼过程提升为振动激发态，通过分子碰撞造成局部加热，引起温度的增加，温度变化值与气体浓度有关，且将引起纤芯内待测气体有效折射率的改变，进而影响第二探测光的相位发生变化；

步骤5：第二探测光在FP腔内形成多光束干涉光，通过解调仪解调干涉光相位信号，并获取气体浓度，

其中，FP腔为法布里珀罗干涉仪。

在步骤1中，所述的空芯光纤为空芯光子带隙光纤或反谐振光纤，其传输波段覆盖可见光波段和近红外。

所述的空芯光纤表面有微米级别的孔洞，其通过飞秒激光烧蚀而成，从涂覆层贯穿到纤芯，用于气体进入光纤空芯区。

空芯光纤表面孔洞钻孔方式包括平行钻孔、螺旋式钻孔或者上下异位钻孔。

在步骤5中，所述解调方式包括偏振解调、棱镜偏转解调、衍射解调或干涉解调。

所述解调方式干涉解调。

微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法的检测系统，检测系统包括泵浦光、第一探测光、第二探测光、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、解调仪和反馈电路，

泵浦光和第一探测光通过耦合透镜与第一光纤耦合器输入端相连，第一光纤耦合器输出端与第二光纤耦合器的输入端相连，第二探测光与第二光纤耦合器的输入端相连，第二光纤耦合器的输出端与FP腔一端相连，FP腔的另一端与第三光纤耦合器输入端相连，第三光纤耦合器的输出端与解调仪组件和反馈电路相连；

所述泵浦光用于使气体分子从低能级跃迁到激发态能级的光源；

所述耦合透镜用于将激光束通过镜片准直聚焦到光纤内；

所述光纤耦合器用于光信号分路和合路的器件；

所述FP腔用于提供正反馈和控制腔内振荡光束。

所述的反馈回路主要包括伺服回路和压电陶瓷，伺服回路将误差信号生成电压信号反馈，控制压电陶瓷运动，将FP腔锁定在第二探测光工作的正交点上，此时相位变化与输出光强度呈线性关系；

所述解调仪用于解调干涉信号。

所述耦合透镜包括第一耦合透镜和第二耦合透镜，其中，第一耦合透镜和第二耦合透镜为聚焦透镜，用于将脉冲光耦合至单模光纤。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明为了能够实现同核双原子气体的检测，充分利用受激拉曼过程产生的热效应引起纤芯待测气体有效折射率的变化，进而改变探测光束的相位，通过FP腔干涉仪来解调相位信号，进一步推测出气体浓度。

附图说明

图1为微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法流程图；

图2为本发明实施例中一种空芯光纤结构示意图；

图3为本发明实施例中空芯FP结构示意图；

图4为本发明实施例中系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，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，都属于本发明的保护范围。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，本发明将以同核双原子分子氢气为例，更加详细的介绍系统中各个元器件的作用，此描述仅仅用于解释本发明，并不限定与本发明。

图1为微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法流程图。

微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，检测方法包括如下步骤：

步骤1：将待测气体通过侧面钻孔方式填充到空芯光纤；

步骤2：调制泵浦光与第一探测光，通过耦合透镜进入空芯光纤；

步骤3：调节泵浦光波长，使泵浦光和第一探测光两者的激光波长能量差等于待测气体的跃迁能量差；

步骤4：第一探测光作为受激拉曼触发激光，与周期性调制的泵浦光共同激发气体产生受激拉曼过程，待测气体分子因发生受激拉曼过程提升为振动激发态，通过分子碰撞造成局部加热，引起温度的增加，温度变化值与气体浓度有关，且将引起纤芯内待测气体有效折射率的改变，进而影响第二探测光的相位发生变化；

步骤5：第二探测光在FP腔内形成多光束干涉光，通过解调仪解调干涉光相位信号，并获取气体浓度，

其中，FP腔为法布里珀罗干涉仪。

本发明实例采用受激拉曼效应代替吸收效应来产生光热过程，使同核双原子分子在受激拉曼过程中释放出热量引起温度变化，实现同核双原子分子的光热受激拉曼光谱高灵敏检测。本发明采用的空芯光纤为空芯反谐振光纤，其结构如图2所示，该空芯光纤包层由六个无接触的环构成，其材质为石英，包层厚度可以通过公式1控制光纤的传输带宽，其中公式1为

t为包层厚度，m为正整数，n₁为硅的折射率，n₀为空气的折射率。本次实例中包层厚度为210nm。采用飞秒激光在空芯光纤侧面进行钻孔，通过显微物镜先聚焦到光纤涂覆层表面，然后将焦点移到纤芯，钻孔完成冷加工式的钻孔，钻孔布局为异位钻孔，方向为一上一下，间隔为2cm，钻孔直径为2um。

泵浦光系统采用波长532nm脉冲激光器，单一频率单模横模(TEM₀₀)，探测光1系统采用波长为683nm脉冲激光器，是由532nm激光器与高浓度H₂移相而来，输出功率为18mJ,重复频率为10Hz。探测光2系统采用的红外激光器，波长在1200nm。

采用近似全光纤的系统。通过耦合透镜将自有空间光路的光聚焦到单模光纤，单模光纤通过光纤耦合器与空芯光纤连接，空芯光纤作为待测气体的气室，不仅可以提高光热的激发效率，而且具有良好的抗弯曲能力，便于系统小型化和轻便化。光在光纤内部传播不仅可以降低光束的发散，而且光路会实现自由，不再受空间光路的限制。

FP腔干涉仪是通过单模光纤，反射镜，折射率渐变的实芯光纤和反谐振光纤组成，其结构图如图3所示，折射率渐变的实芯光纤是便于石英光纤和空芯光纤的模场匹配，进一步提高激光的传输效率，干涉腔的长度约为50cm，通过扫频的方式调整各个部件的相对位置，进一步提高干涉腔的精细度。

进气方式采用自由扩散的方式，实现气体的平衡。

泵浦光需要进行周期性的调制，通过受激拉曼过程产生光热激发，激发态的分子通过非辐射跃迁的方式回到基态，释放出热能，引起待测气体介质温度变化，从而改变气体的有效折射率。

激发组件包括激光器，光纤耦合器，空芯光纤和透镜等，其中光纤耦合器包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，波长为532nm和684nm的泵浦光和第一探测光通过耦合透镜与第一光纤耦合器输入端相连，第一光纤耦合器输出端与第二光纤耦合器的输入端相连，第二探测光与第二光纤耦合器的输入端相连，第二光纤耦合器的输出端与FP腔一端相连，FP腔的另一端与第三光纤耦合器输入端相连，第三光纤耦合器的输出端与解调仪组件和反馈电路相连，光纤耦合器的输出端与反馈单元和解调仪相连；透镜为两个聚焦透镜，便于将脉冲光耦合至单模光纤，实现自由空间光路到光纤光路的转变，便于全光纤系统的实现。

泵浦光用于使气体分子从低能级跃迁到激发态能级的光源；

耦合透镜用于将激光束通过镜片准直聚焦到光纤内；

光纤耦合器用于光信号分路和合路的器件；

FP腔用于提供正反馈和控制腔内振荡光束。

检测组件主要由解调仪构成，通过解调仪获取FP腔干涉仪的干涉信号，解调得到相位信息，进而反推出气体浓度。反馈单元主要由低通滤波器，伺服回路，压电陶瓷组成，低通滤波器得到相位的误差信号，伺服回路将生成的误差信号生成反馈电压信号，压电陶瓷可以根据反馈电压信号去控制腔长，使其稳定工作在正交点。

图4为实施例中系统结构示意图。

微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法的检测系统，检测系统包括检测系统包括泵浦光、第一探测光、第二探测光、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、解调仪和反馈电路，

反馈回路主要包括伺服回路和压电陶瓷，伺服回路将误差信号生成电压信号反馈，控制压电陶瓷运动，将FP腔锁定在探测光2工作的正交点上，此时相位变化与输出光强度呈线性关系；

解调仪用于解调干涉信号。

耦合透镜包括第一耦合透镜和第二耦合透镜，其中，第一耦合透镜和第二耦合透镜为聚焦透镜，用于将脉冲光耦合至单模光纤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

步骤1：将待测气体通过侧面钻孔方式填充到空芯光纤；

步骤2：调制泵浦光与第一探测光(1)，通过耦合透镜进入空芯光纤，其中，采用泵浦光和待测气体移相产生第一探测光；

步骤3：调节泵浦光波长，使泵浦光和第一探测光(1)两者的激光波长能量差等于待测气体的跃迁能量差；

步骤4：第一探测光(1)作为受激拉曼触发激光，与周期性调制的泵浦光共同激发气体产生受激拉曼过程，待测气体分子因发生受激拉曼过程提升为振动激发态，通过分子碰撞造成局部加热，引起温度的增加，温度变化值与气体浓度有关，且将引起纤芯内待测气体有效折射率的改变，进而影响第二探测光(2)的相位发生变化；

步骤5：第二探测光(2)在FP腔内形成多光束干涉光，通过解调仪解调干涉光相位信号，并获取气体浓度，

其中，FP腔为法布里珀罗干涉仪。

2.根据权利要求1所述的微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，其特征在于，

在步骤1中，所述的空芯光纤为空芯光子带隙光纤或反谐振光纤，其传输波段覆盖可见光波段和近红外。

3.根据权利要求2所述的微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，其特征在于，

所述的空芯光纤表面有微米级别的孔洞，其通过飞秒激光烧蚀而成，从涂覆层贯穿到纤芯，用于气体进入光纤空芯区。

4.根据权利要求3所述的微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，其特征在于，

空芯光纤表面孔洞钻孔方式包括平行钻孔、螺旋式钻孔或者上下异位钻孔。

5.根据权利要求1所述的微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，其特征在于，

在步骤5中，所述解调方式包括偏振解调、棱镜偏转解调、衍射解调或干涉解调。

6.根据权利要求5所述的微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法，其特征在于，

所述解调方式为干涉解调。

7.一种利用权利要求1-6中任一权利要求的所述微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测方法的检测系统，所述检测系统包括泵浦光、第一探测光(1)、第二探测光(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、解调仪和反馈电路，其特征在于，

泵浦光和第一探测光(1)通过耦合透镜与第一光纤耦合器(3)输入端相连，第一光纤耦合器(3)输出端与第二光纤耦合器(4)的输入端相连，第二探测光(2)与第二光纤耦合器(4)的输入端相连，第二光纤耦合器(4)的输出端与FP腔一端相连，FP腔的另一端与第三光纤耦合器(5)输入端相连，第三光纤耦合器(5)的输出端与解调仪组件和反馈电路相连；

所述泵浦光为脉冲光，用于使气体分子从低能级跃迁到激发态能级的光源；

所述耦合透镜用于将激光束通过镜片准直聚焦到光纤内；

所述光纤耦合器用于光信号分路和合路的器件；

所述FP腔包括：单模光纤，反射镜，折射率渐变的实芯光纤和反谐振光纤，用于提供正反馈和控制腔内振荡光束。

8.根据权利要求7所述的微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测系统，其特征在于，

所述的反馈回路包括伺服回路和压电陶瓷，伺服回路将误差信号生成电压信号反馈，控制压电陶瓷运动，将FP腔锁定在第二探测光(2)工作的正交点上，此时相位变化与输出光强度呈线性关系；

所述解调仪用于解调干涉信号。

9.根据权利要求7所述的微量气体光纤光热受激拉曼光谱检测系统，其特征在于，

所述耦合透镜包括第一耦合透镜和第二耦合透镜，其中，第一耦合透镜和第二耦合透镜为聚焦透镜，用于将脉冲光耦合至单模光纤。

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