CN113588624A - 一种基于空芯光纤的真空气腔及气体检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于空芯光纤的真空气腔，包括真空腔和空芯光纤，真空腔的两端分别设置有第一通气窗口和第二通气窗口，空芯光纤的两端均与真空腔的内部相连通，空芯光纤的一端近第一通气窗口设置，空芯光纤的另一端近第二通气窗口设置；所述真空腔上对称的设置有第一光学窗口和第二光学窗口，所述第一光学窗口和第二光学窗口分别与空芯光纤的两端对应设置；一种气体检测系统，该气体监测系统包括上述真空气腔、激光器和光谱仪，所述激光器用于向真空腔内部输入激光，所述光谱仪用于测量真空腔内部气体产生的拉曼散射光。本设计中空芯光纤两端压力平衡，避免空芯光纤的微结构被破坏，且拉曼信号的产额在光纤中均匀分布，检测结果准确。

Description

一种基于空芯光纤的真空气腔及气体检测系统

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其涉及一种基于空芯光纤的真空气腔及气体检测系统，具体适用于对不同浓度、压力的单组份或多组分气体进行检测。

背景技术

拉曼光谱作为一种新型的研究手段，在多种成分气体同时进行检测的领域具有很好的应用前景，拉曼光谱可作为物质的指纹谱，光与物质相互作用产生的拉曼信号可以用作鉴别物质的重要依据。空芯光纤能够有效的将光波限制在其中传播，具有低非线性、低散射与低传输损耗等优点。通过向空芯光纤中通入气体可以有效增强光和气体的相互作用、有效增强拉曼信号的产生。近年来，将空芯光纤与拉曼光谱进行结合，使用空芯光纤作为光与物质相互作用的场所，解决了在自由空间中气体拉曼信号激发和收集困难的问题，有效增强了气体拉曼传感的性能。

真空气体腔具有低损耗、高稳定性的特点，一直是密闭气室的研究热点。将真空装置与密闭气室相结合，可以有效地控制密闭气室中气体的浓度（压强）和纯度，从而保证引入空芯光纤中的气体的浓度和纯度。在利用空芯光纤测量气体拉曼光谱的实验中，如何设计理想的气室装置进而有效的进行多组分、单组分气体的定量引入和排出至关重要。理想的气室装置应该达到能够控制待测气体向空芯光纤中的引入和排出，并且对于光纤的结构和整个光路不产生影响。

现有的空芯光纤气室系统可以达到引入和排空气体的目的，但是现有技术中光纤两端的压强无法保持一致。例如专利申请号为201710953540.5，申请公布号为CN111413321A的发明专利公开了一种光纤拉曼光谱气体分析装置，其中空芯反谐振光纤的两端分别与两个气体腔连通，这种设计无法达到光纤内部气体成分及压强均匀；同时空芯光纤通气的过程中其两端的气体压强不同，容易造成光纤中气体的贯穿，进而破坏空芯光纤的特殊包层微结构，使光纤污染并改变其导光性能，影响检测的准确性。

因此，如何设计一种真空的气腔检测系统，使得在进出气体的过程中光纤的两端的气压保持相同，整个光纤内部各处气体的浓度保持一致，并有效地保护光纤是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的空芯光纤拉曼光谱气体装置中空芯光纤两端的气体压强不同、整个光纤内各处气体的浓度无法保持一致，且容易出现气体贯穿光纤影响检测结果的问题，提供了一种在进出气体的过程中空芯光纤的两端都保持相同的气压、空芯光纤内各处气体的浓度保持一致的基于空芯光纤的真空气腔及气体检测系统。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于空芯光纤的真空气腔，所述真空气腔包括真空腔和空芯光纤，所述真空腔的一端设置有第一通气窗口，真空腔的另一端设置有第二通气窗口，所述空芯光纤的两端均与真空腔的内部相连通；

所述真空腔的光学窗口面上对称的设置有第一光学窗口和第二光学窗口，所述第一光学窗口和第二光学窗口分别与空芯光纤的两端相配合。

所述真空腔的光纤安装面上对称的设置有第一光纤插口和第二光纤插口，所述第一光纤插口近第一通气窗口设置，所述第二光纤插口近第二通气窗口设置，所述空芯光纤的一端与第一光纤插口密封配合，空芯光纤的另一端与第二光纤插口密封配合；

所述第一光学窗口与第一光纤插口对应设置，所述第二光学窗口与第一光纤插口对应设置，所述真空腔的光学窗口面与光纤安装面不在同一侧面。

所述空芯光纤可以是光子晶体空芯光纤、空芯反谐振光纤或镀金属毛细管。

所述真空腔的外部设置有通气管道，所述通气管道的一端通过第一通气窗口与真空腔相连通，通气管道的另一端通过第二通气窗口与真空腔相连通；

所述通气管道上连通有进气管道和出气管道，所述进气管道上设置有第二气体阀和流量计，所述出气管道上设置有第三气体阀。

所述通气管道上设置有气压计，所述气压计近第一通气窗口设置。

所述通气管道上连接有真空泵，所述真空泵与通气管道相连通处设置有第一气体阀。

一种气体检测系统，所述气体检测系统包括基于空芯光纤的真空气腔、激光器和光谱仪，所述激光器用于向真空腔内部输入激光，所述光谱仪用于测量真空腔内部气体产生的拉曼散射光，光谱仪的信号输出端与数据处理装置的数据信号输入端相连接。

所述激光器的输出光路上依次设置有激光衰减片、窄带滤波片和第一反射镜，所述第一反射镜的反射光路上设置有第二反射镜，所述第二反射镜的反射光路上依次设置有第一聚焦透镜和第二光学窗口。

所述光谱仪的输入光路上依次设置有第三聚焦透镜、激光截止片、第二聚焦透镜和第一光学窗口。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种基于空芯光纤的真空气腔中空芯光纤的两端均放置于真空气腔内，使得光纤两端气体的压强和成分保持一致，保证了光纤两端压力平衡，不会出现光纤中气体的贯穿进而造成光纤的污染并进一步破坏空芯光纤的特殊包层微结构；同时光纤两端气体的压强和成分保持一致还可以使空芯光纤内部气体的成分和压强分布均匀，保证了空芯光纤中拉曼信号的产额在整个光纤中均匀分布，更高效的增强了拉曼信号的产生。因此，本设计中空芯光纤的两端均放置于真空气腔内，光纤两端压力平衡，避免空芯光纤的特殊包层微结构被贯穿破坏；同时空芯光纤内部气体的成分和压强分布均匀，使检测结果更准确。

2、本发明一种基于空芯光纤的真空气腔中真空腔的光纤安装面上对称的设置有第一光纤插口和第二光纤插口，空芯光纤的两端均通过光纤插口接入真空腔的内部，便于根据不同的测试需求更换空芯光纤。因此，本设计中空芯光纤的两端通过两个光纤插口接入真空腔内部，便于更换空芯光纤。

3、本发明一种基于空芯光纤的真空气腔中真空腔的外部设置有通气管道，进气管道和出气管道均与通气管道连通设置，且通气管道的两端分别通过真空腔两端的第一通气窗口、第二通气窗口与真空腔相连通，在真空腔充气或排气的过程中，气体同时从第一通气窗口、第二通气窗口进入或排出真空腔，真空腔内各个部分的气体成分和压强在进气和出气的过程中趋于一致，保障了真空腔内部两端气压均衡、真空腔内部气体浓度均衡，进而使真空腔在充入气体或排出气体时空芯光纤两端压力均衡、空芯光纤内部气体浓度均衡。因此，本设计中真空腔两端的第一通气窗口、第二通气窗口通过通气管道相连通，进气管道和出气管道均与通气管道连通设置，最大程度保障了空芯光纤两端压力均衡、空芯光纤内部气体浓度均衡。

4、本发明一种基于空芯光纤的真空气腔中进气管道上设置有第二气体阀和流量计，出气管道上设置有第三气体阀，同时通气管道上还设置有气压计和真空泵，流量计、第二气体阀、真空泵和气压计相配合，可以实现真空腔内气体压强（浓度）的持续控制；且真空泵与各气体阀相配合可以使密闭气室达到所需的真空度，便于各种气体实验的开展，对于多种混合气体成分的浓度检测、低压气氛混合气体的检测、痕量气体的检测、环境监测等都具有潜在的应用价值。因此，本设计通过流量计、气压计、真空泵及各气阀的设置可实现真空腔内气体压强的持续控制、灵活实现真空腔中的真空氛围，便于各种气体实验的开展。

5、本发明一种基于空芯光纤的真空气腔中第一光纤插口和第二光纤插口对称设置，第一光学窗口和第二光学窗口对称设置，且第一光纤插口和第二光纤插口的位置分别与第一光学窗口和第二光学窗口相对应，整个真空气腔是对称的，在安排光路时，任意一个光学窗口可以仅接收泵浦光或释放拉曼信号，也可以由一个光学窗口同时接收泵浦光并释放拉曼信号，本装置同时适用于透射式光路和反射式光路，可按照空间需求自由布置光路。因此，本设计中整个真空气腔采取对称设计，便于自由布置光路。

6、本发明一种气体检测系统中激光器的输出光路上依次设置有激光衰减片、窄带滤波片和第一反射镜，所述第一反射镜的反射光路上设置有第二反射镜，所述第二反射镜的反射光路上依次设置有第一聚焦透镜和第二光学窗口，两个反射镜的设置能调整光路的反射方向，有效节省布置整个检测系统所需要的空间。因此，激光器的输出光路上设置两个反射镜，有效节省检测系统所需的布置空间。

附图说明

图1是基于空芯光纤的真空气腔的结构示意图。

图2是气体检测系统的结构示意图。

图中：真空腔1、第一通气窗口11、第二通气窗口12、第一光学窗口13、第二光学窗口14、第一光纤插口15、第二光纤插口16、空芯光纤2、激光器3、激光衰减片31、窄带滤波片32、第一反射镜33、第二反射镜34、第一聚焦透镜35、光谱仪4、第三聚焦透镜41、激光截止片42、第二聚焦透镜43、通气管道5、气压计51、真空泵52、进气管道53、出气管道54、第一气体阀55、第二气体阀56、流量计57、第三气体阀58、数据处理装置6。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图2，一种基于空芯光纤的真空气腔，所述真空气腔包括真空腔1和空芯光纤2，所述真空腔1的一端设置有第一通气窗口11，真空腔1的另一端设置有第二通气窗口12，所述空芯光纤2的两端均与真空腔1的内部相连通；

所述真空腔1的光学窗口面上对称的设置有第一光学窗口13和第二光学窗口14，所述第一光学窗口13和第二光学窗口14分别与空芯光纤2的两端相配合。

所述真空腔1的光纤安装面上对称的设置有第一光纤插口15和第二光纤插口16，所述第一光纤插口15近第一通气窗口11设置，所述第二光纤插口16近第二通气窗口12设置，所述空芯光纤2的一端与第一光纤插口15密封配合，空芯光纤2的另一端与第二光纤插口16密封配合；

所述第一光学窗口13与第一光纤插口15对应设置，所述第二光学窗口14与第一光纤插口16对应设置，所述真空腔1的光学窗口面与光纤安装面不在同一侧面。

所述空芯光纤2可以是光子晶体空芯光纤、空芯反谐振光纤或镀金属毛细管。

所述真空腔1的外部设置有通气管道5，所述通气管道5的一端通过第一通气窗口11与真空腔1相连通，通气管道5的另一端通过第二通气窗口12与真空腔1相连通；

所述通气管道5上连通有进气管道53和出气管道54，所述进气管道53上设置有第二气体阀56和流量计57，所述出气管道54上设置有第三气体阀58。

所述通气管道5上设置有气压计51，所述气压计51近第一通气窗口11设置。

所述通气管道5上连接有真空泵52，所述真空泵52与通气管道5相连通处设置有第一气体阀55。

一种气体检测系统，所述气体检测系统包括上述基于空芯光纤的真空气腔；

所述气体检测系统还包括激光器3和光谱仪4，所述激光器3用于向真空腔1内部输入激光，所述光谱仪4用于测量真空腔1内部气体产生的拉曼散射光，所述光谱仪4的信号输出端与数据处理装置6的信号输入端相连接。

所述激光器3的输出光路上依次设置有激光衰减片31、窄带滤波片32和第一反射镜33，所述第一反射镜33的反射光路上设置有第二反射镜34，所述第二反射镜34的反射光路上依次设置有第一聚焦透镜35和第二光学窗口14。

所述光谱仪4的输入光路上依次设置有第三聚焦透镜41、激光截止片42、第二聚焦透镜43和第一光学窗口13。

本发明的原理说明如下：

如图1、图2所示，向真空气腔中充入气体时，出气管道54上的第三气体阀58关闭，进气管道53上的第二气体阀56开启，气体自进气管道53进入通气管道5，并同时经由第一通气窗口11、第二通气窗口12充入真空腔1。

在充气的过程中，气压计51可显示通气管道5及真空腔1的压强，流量计57显示通过通气管道5充入真空腔1中的气体流量。通过气压计51、真空泵52、第三气体阀58相配合可以实现真空腔1及通气管道5内部气体密度（压强）控制及放气的功能。

具体的，在需要真空腔1提供稳定压强时，关闭第三气体阀58并打开第一气体阀55、第二气体阀56，使通气管道5与流量计57、真空泵52之间连通，通过第二气体阀56可调节通过调整流量计57内的气体流速，通过改变流量计57内的气体流速和第一气体阀55的开关大小，可连续调整进、排气速度，真空腔1内得到连续可变的气体压强。当第二气体阀56关闭且第一气体阀55开到最大时，可以使通气管道5及真空腔1内部处于近乎于真空的状态，真空的极限取决于真空泵52的性能；当第二气体阀56完全打开且第一气体阀55关闭时，通气管道5及真空腔1内部气压将超过大气压，其最终稳定气压取决于气体流量计前端进气口气压。

本设计通过将空芯光纤放入压强可调节的真空腔1中进行拉曼信号的激发，与直接将待测气体通入空芯光纤相比，本设计中的真空腔能够实现内部待测气体浓度、压强的持续控制，在持续监测时提供稳定的检测环境，可适用于气体在线监测领域；同时真空泵可以实现密闭气室达到所需的各种真空度，便于各种不同气体实验的开展。

在排气的过程中，关闭第一气体阀55、第二气体阀56，阻断通气管道5与流量计57、真空泵52之间的通路，并打开第三气体阀58，即可使通气管道5及真空腔1内的气压与大气一致。

第一光学窗口13和第二光学窗口14分别与空芯光纤2的两端对应设置，即第一光学窗口13与空芯光纤2的一端相配合，第二光学窗口14与空芯光纤2的另一端相配合，泵浦光可以经过第一光学窗口13后自空芯光纤2的一端进入，也可经过第二光学窗口14后自空芯光纤2的另一端进入；同时空芯光纤2中的拉曼信号既可从空芯光纤2的一端经由第一光学窗口13引出，也可从空芯光纤2的另一端经由第二光学窗口14引出，因此真空气腔外部光路布置的自由度高。

所述真空腔1的光学窗口面即为其安装有光学窗口的侧面，真空腔1的光纤安装面即为其安装有空芯光纤2的侧面，所述空芯光纤2可以是光子晶体空芯光纤、空芯反谐振光纤或镀金属毛细管，所述镀金属毛细管可以是内壁镀银的毛细管。

如图2所示，气体检测系统在检测过程中，所述激光器3发射激光光束，激光光束经过激光衰减片31、窄带滤波片32后被第一反射镜33反射，反射光经过第二反射镜34再次反射后，第一聚焦透镜35将激光束自第二光学窗口14引入真空腔1；由于第二光学窗口14与空芯光纤2的一端对应设置，自第二光学窗口14引入真空腔1的激光耦合入空芯光纤2进行拉曼信号的激发。所述激光衰减片31用于对入射的激发光的强度进行调整，窄带滤波片32用于滤波，对激光的单色性进行调整。

第一反射镜33、第二反射镜34对于光路中光的反射方向进行调整。同时，通过调节第一反射镜33、第二反射镜34的角度及布置的位置，也可起到改变整个输入光路的布置，便于根据测试环境条件布置气体检测系统。

光谱仪4的输入光路上依次设置有第三聚焦透镜41、激光截止片42、第二聚焦透镜43和第一光学窗口13；第一光学窗口13输出发散的气体拉曼信号光和起激发拉曼信号作用的激光，第二聚焦透镜43将接收到的信号光转化为平行光，激光截止片42将平行的信号光中的激光滤除，只保留拉曼信号，第三聚焦透镜41将拉曼信号耦合入光谱仪4，光谱仪4对拉曼散射光进行光谱测量，并将测量得到的拉曼光谱传输至数据处理装置6，数据处理装置6分析气体的成分及浓度。

所述真空腔1的光学窗口面上设置由光学窗口，真空腔1的光纤安装面上设有光纤插口，真空腔1的光学窗口面与光纤安装面不为同一侧面。

实施例1：

一种基于空芯光纤的真空气腔，所述真空气腔包括真空腔1和空芯光纤2， 所述真空腔1的一端设置有第一通气窗口11，真空腔1的另一端设置有第二通气窗口12，所述空芯光纤2的两端均与真空腔1的内部相连通；所述真空腔1的光学窗口面上对称的设置有第一光学窗口13和第二光学窗口14，所述第一光学窗口13和第二光学窗口14分别与空芯光纤2的两端相配合；所述真空腔1的光纤安装面上对称的设置有第一光纤插口15和第二光纤插口16，所述第一光纤插口15近第一通气窗口11设置，所述第二光纤插口16近第二通气窗口12设置，所述空芯光纤2的一端与第一光纤插口15密封配合，空芯光纤2的另一端与第二光纤插口16密封配合；所述第一光学窗口13与第一光纤插口15对应设置，所述第二光学窗口14与第一光纤插口16对应设置，所述真空腔1的光学窗口面与光纤安装面不在同一侧面；所述空芯光纤2可以是光子晶体空芯光纤、空芯反谐振光纤或镀金属毛细管。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

所述真空腔1的外部设置有通气管道5，所述通气管道5的一端通过第一通气窗口11与真空腔1相连通，通气管道5的另一端通过第二通气窗口12与真空腔1相连通；所述通气管道5上连通有进气管道53和出气管道54，所述进气管道53上设置有第二气体阀56和流量计57，所述出气管道54上设置有第三气体阀58。所述通气管道5上设置有气压计51，所述气压计51近第一通气窗口11设置。所述通气管道5上连接有真空泵52，所述真空泵52与通气管道5相连通处设置有第一气体阀55。

实施例3：

一种气体检测系统，包括实施例2中的真空气腔以及激光器3、光谱仪4，所述气体检测系统还包括激光器3和光谱仪4，所述激光器3用于向真空腔1内部输入激光，所述光谱仪4用于测量真空腔1内部气体产生的拉曼散射光，光谱仪4的信号输出端与数据处理装置6的信号输入端相连接；所述激光器3的输出光路上依次设置有激光衰减片31、窄带滤波片32和第一反射镜33，所述第一反射镜33的反射光路上设置有第二反射镜34，所述第二反射镜34的反射光路上依次设置有第一聚焦透镜35和第二光学窗口14；所述光谱仪4的输入光路上依次设置有第三聚焦透镜41、激光截止片42、第二聚焦透镜43和第一光学窗口13。

Claims (9)

1.一种基于空芯光纤的真空气腔，其特征在于：

所述真空气腔包括真空腔（1）和空芯光纤（2）， 所述真空腔（1）的一端设置有第一通气窗口（11），真空腔（1）的另一端设置有第二通气窗口（12），所述空芯光纤（2）的两端均与真空腔（1）的内部相连通；

所述真空腔（1）的光学窗口面上对称的设置有第一光学窗口（13）和第二光学窗口（14），所述第一光学窗口（13）和第二光学窗口（14）分别与空芯光纤（2）的两端相配合。

2.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的真空气腔，其特征在于：

所述真空腔（1）的光纤安装面上对称的设置有第一光纤插口（15）和第二光纤插口（16），所述第一光纤插口（15）近第一通气窗口（11）设置，所述第二光纤插口（16）近第二通气窗口（12）设置，所述空芯光纤（2）的一端与第一光纤插口（15）密封配合，空芯光纤（2）的另一端与第二光纤插口（16）密封配合；

所述第一光学窗口（13）与第一光纤插口（15）对应设置，所述第二光学窗口（14）与第二光纤插口（16）对应设置，所述真空腔（1）的光学窗口面与光纤安装面不在同一侧面。

3.根据权利要求2中所述的一种基于空芯光纤的真空气腔，其特征在于：

所述空芯光纤（2）可以是光子晶体空芯光纤、空芯反谐振光纤或镀金属毛细管。

4.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的真空气腔，其特征在于：

所述真空腔（1）的外部设置有通气管道（5），所述通气管道（5）的一端通过第一通气窗口（11）与真空腔（1）相连通，通气管道（5）的另一端通过第二通气窗口（12）与真空腔（1）相连通；

所述通气管道（5）上连通有进气管道（53）和出气管道（54），所述进气管道（53）上设置有第二气体阀（56）和流量计（57），所述出气管道（54）上设置有第三气体阀（58）。

5.根据权利要求4所述的一种基于空芯光纤的真空气腔，其特征在于：

所述通气管道（5）上设置有气压计（51），所述气压计（51）近第一通气窗口（11）设置。

6.根据权利要求5所述的一种基于空芯光纤的真空气腔，其特征在于：

所述通气管道（5）上连接有真空泵（52），所述真空泵（52）与通气管道（5）相连通处设置有第一气体阀（55）。

7.一种气体检测系统，其特征在于：

所述气体检测系统包括权利要求1-6任意一项所述的一种基于空芯光纤的真空气腔；

所述气体检测系统还包括激光器（3）和光谱仪（4），所述激光器（3）用于向真空腔（1）内部输入激光，所述光谱仪（4）用于测量真空腔（1）内部气体产生的拉曼散射光，光谱仪（4）的信号输出端与数据处理装置（6）的数据信号输入端相连接。

8.根据权利要求7所述的一种气体检测系统，其特征在于：

所述激光器（3）的输出光路上依次设置有激光衰减片（31）、窄带滤波片（32）和第一反射镜（33），所述第一反射镜（33）的反射光路上设置有第二反射镜（34），所述第二反射镜（34）的反射光路上依次设置有第一聚焦透镜（35）和第二光学窗口（14）。

9.根据权利要求8所述的一种气体检测系统，其特征在于：

所述光谱仪（4）的输入光路上依次设置有第三聚焦透镜（41）、激光截止片（42）、第二聚焦透镜（43）和第一光学窗口（13）。

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