CN113740298A - 基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，包括激光器、第一连接头、锥形光纤、光学微腔、微腔封装盒、第二连接头、光电探测器和内置有气体检测软件的上位机，激光器通过第一连接头连接于锥形光纤的输入端，光电探测器通过第二连接头连接于锥形光纤的输出端，光电探测器通过数据线与上位机之间数据传输连接，微腔封装盒内设有光学微腔，微腔封装盒设于激光器和光电探测器之间且锥形光纤自光学微腔穿过，微腔封装盒的盒壁上设有进气口和排气口。本发明具有对NH3、NO2、CH4等典型气体高灵敏度检测识别和高精度浓度测量的能力，并具有小型化、低功耗、便携式、可远程监测的特点。
Description
技术领域
本发明涉及有害气体探测领域，具体涉及一种基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置及检测方法。
背景技术
在现代工业化的社会里，各种有害气体的泄漏和排放，无时无处不在发生，它们的检测和浓度控制将对工作和生活在这种环境下的人们有重大的意义，所以，必须对有害气体进行实时有效的检测。
有害气体的检测系统，一般都要求能够在恶劣环境下高效、精确地实现实时探测，快速准确地识别气体种类，从而有效的降低虚警率。这样可以迅速找到毒源，阻止毒气的扩散以降低伤害，也可以极大的降低由误报引起的人力、物理和财力的消耗。有害气体检测分为接触式检测和非接触式检测，常见的接触式检测方法包括质谱分析法(MS)、表面声法(SAW)、离子迁移法(IMS)、表面增强拉曼散射光谱技术(SERS)等；常见的非接触式检测方法包括紫外激光器诱导荧光检测法(LIBS)、THz激光光谱探测法和红外光谱遥测法。接触式方法虽然检测精度高，但是应用场合、距离和样品制备的限制因素较多；THz方法成本太高，不易实现；红外光谱检测则可以遥测，也可以进行近距离无损检测，并且探测精度良好，在诸多场合下红外光谱技术成为化学战剂检测的首选。其中，傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术的灵敏度与分辨率都比较好，尤其在野外远距离遥测应用中，充分发挥了傅里叶红外变换光谱仪高通量、多重传输、高精度的三大优点。但由于仪器昂贵、体积大、质量重等缺点，因此不适宜于单人作业，对有害气体进行实时测量。
有害气体的高精度检测系统，一般都要求能够在恶劣环境下高效、精确地实现实时探测，快速准确地识别气体种类。现有系统，虽然能够保证检测精度，但价格昂贵，并具有体积大、质量重等缺点，不适宜于单人便携式操作。
从上述分析可知，目前迫切需要发展小型化、高灵敏度度的微量有害气体测量装置。回音壁模式的光学微腔由于具有极高的品质因子和极小的模式体积，将其应用于微量有害气体检测，能够准确快速的识别被测有害气体的类别，并计算出相应的浓度。相对于其他类型的有害气体检测系统，具有体积小、重量轻、成本低、精度高的明显优势，并能够实现混合有害气体的实时监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置及检测方法，提高气体传感器的性能，形成对NH3、NO2、CH4等有害气体高灵敏度检测识别和高精度浓度测量的能力，为用户提供一个小型化、低功耗、便携式的高灵敏度有害气体传感器。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，包括激光器、第一连接头、锥形光纤、光学微腔、微腔封装盒、第二连接头、光电探测器和内置有气体检测软件的上位机，所述激光器通过第一连接头连接于锥形光纤的输入端，所述光电探测器通过第二连接头连接于锥形光纤的输出端，所述光电探测器通过数据线与上位机之间数据传输连接，所述微腔封装盒内设有光学微腔，所述微腔封装盒设于激光器和光电探测器之间且锥形光纤自光学微腔穿过，所述微腔封装盒的盒壁上设有进气口和排气口。
其中，所述激光器采用分布反馈式半导体激光器(DFB激光器)，其出射功率5-10mW，所述激光器发出的激光工作波长选用被检测有害气体吸收波长。
优选的，所述第一连接头和第二连接头均采用FC/APC连接头。
其中，所述锥形光纤采用康宁单模光纤在光纤拉锥机上拉制而成。
其中，所述锥形光纤的制备过程包括如下步骤：
(1-1)将光纤中间部分包层去除，用光纤夹具将其固定；
(1-2)将火焰头靠近光纤去除包层位置，预热后开启步进电机使其拉动光纤背向运动，光纤中间部分拉伸过程中会不断变细，在锥腰满足条件后关闭步进电机和火焰；
(1-3)使用光固胶将拉伸后的光纤固定在一个定制的石英片上，完成锥形光纤的制备。
进一步，所述锥形光纤的制作要求为：直径小于2.2μm，波导光透过率大于90％。
其中，所述微腔封装盒内设有两个相等的光学微腔，其中一个光学微腔用于测量外界环境的变化，与被检测有害气体隔绝；另一个光学微腔与被检测有害气体接触，两个所述光学微腔形成环境补偿式测量结构。
其中，所述光学微腔为准柱形光学微腔，所述准柱形光学微腔采用康宁单模光纤经光纤熔接机的电弧放电加工而成，其加工过程包括如下步骤：
(2-1)将剥去涂覆层的光纤清洁干净后放入光纤熔接机的V型槽夹持器中；
(2-2)通过光纤熔接机控制电极的放电来使光纤局部软化，放电时间大约为1s，多次放电，最终形成准柱形光学微腔。
优选的，所述光电探测器采用光栅+光电传感器式结构；
所述上位机采用计算机，其内安装有数据采集卡。
本发明还提供一种采用上述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置的检测方法，包括如下步骤：
S1、打开检测装置的电源开关，开启激光器、光电探测器和上位机；
S2、根据被检测有害气体的种类选取激光器的发射激光波长；
S3、激光器发射的激光经过第一连接头依次进入锥形光纤、微腔封装盒中，并通过倏逝波作用进入两个准柱形光学微腔中；
S4、进入两个准柱形光学微腔的激光经过回音壁模式传播后，从第二连接头射出，并被光电探测器所探测；
S5、通过上位机内安装有气体检测软件，记录此时无有害气体时的激光光谱A；
S6、将被检测有害气体通过进气口导入微腔封装盒中，排出的有害气体则通过排气口和导管导入气体回收池中；
S7、由进气口进入微腔封装盒内的被检测有害气体和其中一准柱形光学微腔的表面介质发生化学反应，此时准柱形光学微腔的有效折射率发生变化，其折射率变化值由待检测有害气体以及外界环境决定；另外一准柱形光学微腔与待检测有害气体隔绝，其折射率变化值由外界环境决定；
S8、重复步骤S3-S5，得到通入被检测有害气体后的激光光谱B；
S9、根据激光光谱B相对于激光光谱A的光谱波段及光谱偏移量来获取被检测有害气体的种类和浓度信息，其中，光谱峰高对应气体浓度，光谱峰波长对应气体种类。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、本发明提供的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置实际上是一个利用回音壁模式光学微腔的气体传感器，能够实现小型化和轻量化。
2、通过本发明中提高光学微腔的品质因子、微腔直径，优化光学耦合的方法，可以大大提高气体传感器的性能，形成对NH3、NO2、CH4等有害气体高灵敏度检测识别和高精度浓度测量的能力，为用户提供一个小型化、低功耗、便携式的高灵敏度有害气体传感器。
附图说明
图1为本发明的结构简图；
图2为本发明中光学微腔的谐振谱图及有害气体引发的光谱漂移示意图；
图3为本发明中准柱形光学微腔的加工装置示意图。
附图标记说明：
1、激光器；2、第一连接头；3、锥形光纤；4、第一准柱形光学微腔；5、第二准柱形光学微腔；6、微腔封装盒；7、进气口；8、排气口；9、第二连接头；10、光电探测器；11、数据线；12、上位机。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明提供一种基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，包括激光器1、第一连接头2、锥形光纤3、光学微腔、微腔封装盒6、第二连接头9、光电探测器10和内置有气体检测软件的上位机12，所述激光器1通过第一连接头2连接于锥形光纤3的输入端，所述光电探测器10通过第二连接头9连接于锥形光纤3的输出端，所述第一连接头2和第二连接头9均采用FC/APC连接头，蝶形封装，并采用信号发生器的三角波电压信号对激光波长进行调制。
所述光电探测器10通过数据线11与上位机12之间数据传输连接，所述微腔封装盒6内设有两个光学微腔，两所述光学微腔分别为第一准柱形光学微腔4和第二准柱形光学微腔5。
所述微腔封装盒6设于激光器1和光电探测器10之间且锥形光纤3自光学微腔穿过，所述微腔封装盒6的盒壁上设有进气口7和排气口8。
所述激光器1采用分布反馈式半导体激光器(DFB激光器)，其出射功率5-10mW，所述激光器发出的激光工作波长选用被检测有害气体吸收波长(如CH4为1653.7nm、NH3为1512nm、H2S为1578nm)，单模光纤输出。
所述锥形光纤3采用康宁单模光纤在光纤拉锥机上拉制而成。由于光纤锥波导需要满足绝热近似条件，要求波导锥度足够小，制备过程中光纤拉制平台需要控制好拉制速度和时间，以及火焰大小，所述锥形光纤的制备过程包括如下步骤：
(1-1)将光纤中间部分包层去除，用光纤夹具将其固定；
(1-2)将火焰头靠近光纤去除包层位置，预热后开启步进电机使其拉动光纤背向运动，光纤中间部分拉伸过程中会不断变细，在锥腰满足条件后关闭步进电机和火焰；
(1-3)由于拉制完波导在锥腰处很细，不方便取放，使用光固胶将拉伸后的光纤固定在一个定制的石英片上，完成锥形光纤的制备。
本实施例中，所述锥形光纤的制作要求为：直径小于2.2μm，波导光透过率大于90％。
为了消除测量过程中，诸如水汽/温度漂移等外界环境对微腔谐振状态的影响，所述微腔封装盒内设有两个相等的光学微腔，其中一个光学微腔用于测量外界环境的变化，与被检测有害气体隔绝；另一个光学微腔与被检测有害气体接触，两个所述光学微腔形成环境补偿式测量结构，消除了外界环境对气体测量精度的影响。
如上所述，两所述光学微腔分别为第一准柱形光学微腔4和第二准柱形光学微腔5，且第一准柱形光学微腔4和第二准柱形光学微腔5的结构和材料完全一致，采用康宁单模光纤经光纤熔接机的电弧放电加工而成，其加工装置示意图如图3所示，加工过程包括如下步骤：
(2-1)将剥去涂覆层的光纤清洁干净后放入光纤熔接机的V型槽夹持器中；
(2-2)通过光纤熔接机控制电极的放电来使光纤局部软化，放电时间大约为1s，多次放电，最终形成准柱形光学微腔。
光学微腔的表面涂覆有介质层，该介质层根据被检测有害气体的种类来选取，其折射率对探测的有害气体非常敏感。
所述光电探测器10采用光栅+光电传感器式结构，其指标要求为：能够测量1300nm-1700nm的激光光谱，光谱分辨率优于0.1nm，末端光纤通过FC/APC连接头同锥形光纤的出口相连接。该探测器用于获取有害气体导致的微腔谐振波长的变化。
所述上位机12采用普通商用电脑，该电脑上安装有一块美国NI公司的USB-6009数据采集卡，并安装有气体检测软件，该软件为LABVIEW程序编写。
本发明还提供一种采用上述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置的检测方法，包括如下步骤：
S1、打开检测装置的电源开关，开启激光器、光电探测器和上位机；
S2、根据被检测有害气体的种类选取激光器的发射激光波长；
S3、激光器发射的激光经过第一连接头依次进入锥形光纤、微腔封装盒中，并通过倏逝波作用进入两个准柱形光学微腔中；
S4、进入两个准柱形光学微腔的激光经过回音壁模式传播后，从第二连接头射出，并被光电探测器所探测；
S5、通过上位机内安装有气体检测软件，记录此时无有害气体时的激光光谱A；
S6、将被检测有害气体通过进气口导入微腔封装盒中，排出的有害气体则通过排气口和导管导入气体回收池中；
S7、由进气口进入微腔封装盒内的被检测有害气体和其中一准柱形光学微腔的表面介质发生化学反应，此时准柱形光学微腔的有效折射率发生变化，其折射率变化值由待检测有害气体以及外界环境(温度、湿度等变化)决定；另外一准柱形光学微腔与待检测有害气体隔绝，其折射率变化值由外界环境(温度、湿度等变化)决定；
S8、重复步骤S3-S5，得到通入被检测有害气体后的激光光谱B；
S9、根据激光光谱B相对于激光光谱A的光谱波段及光谱偏移量来获取被检测有害气体的种类和浓度信息，其中，光谱峰高对应气体浓度，光谱峰波长对应气体种类。如图2所示，其中，图2(a)为谐振谱图，图2(b)为光谱漂移示意图。
本发明的理论依据为：
WGM微腔具有和其他光学传感器普遍的一些优点，比如安全可靠，结构简单，响应速度快等。同时，高Q值的WGM微腔具有极强的选频效果，也就是透射谱谐振峰具有很窄的谱线宽度，每一个回音壁模式对应一个谐振峰，光在全反射条件下沿着微腔内壁循环传播，最终形成一个稳定的电磁场，即稳态的模式场。观察模式场分布，可以看到，一部分电场在腔内，一部分电场以倏逝波的形式分布在腔外，与外界物质发生作用。微腔的几何尺寸及材料折射率决定着每一个模式对应的谐振波长，这里的材料包括微腔系统和外界环境的所有材料。因此，当微腔的尺寸或者材料折射率等参数发生变化时，系统的谐振波长也会发生移动，通过观测谐振峰的移动量可以进行多种参数的探测。
WGM微腔折射率传感原理为：当光波在微腔内形成回音壁模式时，满足周期性谐振条件，即谐振波长与光波在微腔内传播的有效光程呈整数倍的关系。
其中，neff是微腔系统的有效折射率，R是光学微腔的半径，fres，λres分别为谐振频率和谐振波长，c0是真空中的光速，l是角向模式数。有效折射率是其组成材料的折射率系数和谐振腔几何结构的函数neff＝neff(ncore,nupper,nlower)；其中，ncore,nupper,nlower分别表示微腔中心、表面以及底层的折射率。任何一个参数改变都会导致有效折射率的改变，所以折射率传感也就是腔外气体折射率变化带来的有效折射率的改变Δneff，进而导致谐振波长发生相应的改变，因此可以得到：
待测气体折射率变化导致的微腔谐振波长的变化值为：
为此，通过探测微腔谐振波长的改变量，即可检测出有害气体的浓度。
本发明的工作原理为：
首先将微腔传感器放置于有害气体环境中，并根据被检测有害气体种类选取光学微腔中的激光器工作波长。而后，激光器发射激光进入锥形光纤入口端；锥形光纤中的激光在锥腰处与光学微腔的倏逝场重叠，通过近场耦合作用进入光学微腔；进入光学微腔中的激光在光学微腔中以回音壁模式不断旋转，并与微腔壁材料不断发生作用。此时，由于有害气体会导致光学微腔表面材料的折射率发生变化，从而引发光学微腔有效折射率的改变，进而导致激光在光学微腔内的谐振波长发生改变。然后在出口端利用光电探测器，测量出有害气体导致的微腔谐振波长的变化，从而获取到有害气体的浓度信息。
本发明针对公共安全检测需求，利用回音壁模式光学微腔对气体导致介质折射率变化的放大作用，设计了一种新型有害气体检测系统，该发明可具有对NH3、NO2、CH4等典型气体高灵敏度检测识别和高精度浓度测量的能力，并具有小型化、低功耗、便携式、可远程监测的特点。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，包括激光器、第一连接头、锥形光纤、光学微腔、微腔封装盒、第二连接头、光电探测器和内置有气体检测软件的上位机，所述激光器通过第一连接头连接于锥形光纤的输入端，所述光电探测器通过第二连接头连接于锥形光纤的输出端，所述光电探测器通过数据线与上位机之间数据传输连接，所述微腔封装盒内设有光学微腔，所述微腔封装盒设于激光器和光电探测器之间且锥形光纤自光学微腔穿过，所述微腔封装盒的盒壁上设有进气口和排气口。
2.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述激光器采用分布反馈式半导体激光器，其出射功率5-10mW，所述激光器发出的激光工作波长选用被检测有害气体吸收波长。
3.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述第一连接头和第二连接头均采用FC/APC连接头。
4.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述锥形光纤采用康宁单模光纤在光纤拉锥机上拉制而成。
5.根据权利要求1或4所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述锥形光纤的制备过程包括如下步骤：
(1-1)将光纤中间部分包层去除，用光纤夹具将其固定；
(1-2)将火焰头靠近光纤去除包层位置，预热后开启步进电机使其拉动光纤背向运动，光纤中间部分拉伸过程中会不断变细，在锥腰满足条件后关闭步进电机和火焰；
(1-3)使用光固胶将拉伸后的光纤固定在一个定制的石英片上，完成锥形光纤的制备。
6.根据权利要求5所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述锥形光纤的制作要求为：直径小于2.2μm，波导光透过率大于90％。
7.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述微腔封装盒内设有两个相等的光学微腔，其中一个光学微腔用于测量外界环境的变化，与被检测有害气体隔绝；另一个光学微腔与被检测有害气体接触，两个所述光学微腔形成环境补偿式测量结构。
8.根据权利要求1或7所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述光学微腔为准柱形光学微腔，所述准柱形光学微腔采用康宁单模光纤经光纤熔接机的电弧放电加工而成，其加工过程包括如下步骤：
(2-1)将剥去涂覆层的光纤清洁干净后放入光纤熔接机的V型槽夹持器中；
(2-2)通过光纤熔接机控制电极的放电来使光纤局部软化，放电时间大约为1s，多次放电，最终形成准柱形光学微腔。
9.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述光电探测器采用光栅+光电传感器式结构；
所述上位机采用计算机，其内安装有数据采集卡。
10.一种采用如权利要求1-9中任一项所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、打开检测装置的电源开关，开启激光器、光电探测器和上位机；
S2、根据被检测有害气体的种类选取激光器的发射激光波长；
S3、激光器发射的激光经过第一连接头依次进入锥形光纤、微腔封装盒中，并通过倏逝波作用进入两个准柱形光学微腔中；
S4、进入两个准柱形光学微腔的激光经过回音壁模式传播后，从第二连接头射出，并被光电探测器所探测；
S5、通过上位机内安装有气体检测软件，记录此时无有害气体时的激光光谱A；
S6、将被检测有害气体通过进气口导入微腔封装盒中，排出的有害气体则通过排气口和导管导入气体回收池中；
S7、由进气口进入微腔封装盒内的被检测有害气体和其中一准柱形光学微腔的表面介质发生化学反应，此时准柱形光学微腔的有效折射率发生变化，其折射率变化值由待检测有害气体以及外界环境决定；另外一准柱形光学微腔与待检测有害气体隔绝，其折射率变化值由外界环境决定；
S8、重复步骤S3-S5，得到通入被检测有害气体后的激光光谱B；
S9、根据激光光谱B相对于激光光谱A的光谱波段及光谱偏移量来获取被检测有害气体的种类和浓度信息，其中，光谱峰高对应气体浓度，光谱峰波长对应气体种类。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110939535.5A CN113740298A (zh) | 2021-08-16 | 2021-08-16 | 基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置及检测方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN113740298A true CN113740298A (zh) | 2021-12-03 |
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ID=78731323
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|---|---|
| CN (1) | CN113740298A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110554211A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-12-10 | 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 | 一种基于光微流微腔的流速计及测量方法 |
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2021
- 2021-08-16 CN CN202110939535.5A patent/CN113740298A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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