一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置及方法

1.本发明属于光学气体检测领域，具体涉及一种基于微纳光纤阵列的气体检测装置及方法。


背景技术：

2.光热光谱(photothermal spectroscopy,pts)技术因其超高的检测灵敏度等优势受到了研究者们的广泛关注。其采用“泵浦光-探测光”双光源配置，泵浦光被气体吸收从而加热了传感介质并导致了探测光的相位调制，这一过程被称为“光热效应”。而从探测光的相位中可以解调出谐波信号并用其反演待测气体的浓度。目前的传感介质多基于自由空间光束和空芯光纤，前者对工业强振动环境的抵抗力较差，后者会造成较长的响应时间，且二者皆体积较大，成本较高，不利于大规模生产。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置及方法，其可以实现高灵敏、快速响应的气体传感，并且可以进行较低成本的大规模生产。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置，包括：
6.光发射组件、第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光学移频模块、光转换组件；
7.所述光发射组件与所述光学移频模块和所述光转换组件连接；
8.所述光发射组件与第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光转换组件依次连接；
9.其中，所述微纳光纤阵列气室中包括微纳光纤传感阵列结构。
10.进一步的，所述光发射组件包括泵浦光发射模块、探测光发射模块和第二单模光纤耦合器；
11.所述第二单模光纤耦合器用于将所述探测光模块发出的探测光分成两束；
12.所述泵浦光发射模块7和所述探测光发射模块11同侧设置；
13.进一步的，所述光转换组件包括：第三单模光纤耦合器、光电探测器、信号解调分析模块；
14.所述第三单模光纤耦合器、光电探测器、信号解调分析模块依次连接。
15.进一步的，所述信号处理模块中包括示波器、频谱仪、锁相放大器，用于将拍频电信号解调成二次谐波信号。
16.进一步的，所述微纳光纤阵列气室包括：气口、筛网、玻璃板、u型玻璃槽、锥形微纳光纤、标准单模光纤；其中，被固定于所述玻璃板上的多个u型玻璃槽以及其内部封装的微纳光纤构成了微纳光纤传感阵列结构。
17.进一步的，所述微纳光纤传感阵列结构的制备流程为：
18.取适当长度的标准单模光纤，用剥线钳去除其表面的涂覆层约4-5cm长度，随后用无尘纸蘸取高浓度酒精将光纤表面擦拭干净；使用氢氧焰熔融拉锥机对剥去涂覆层的单模光纤进行拉锥处理，设置合适的参数拉制出锥腰直径约1μm，过渡区长度为3-4cm，锥腰长度约1cm的微纳光纤；用紫外胶水将拉制完成的微纳光纤固定于u型玻璃槽内，并将玻璃槽用双面胶固定于玻璃板上；重复上述操作即可在单个玻璃板上制成s型的微纳光纤阵列。
19.本发明还提供了一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测方法包括：
20.将探测光与泵浦光输入到微纳光纤阵列气室内；
21.待测气体选择性吸收泵浦光导致的局部折射率调制会相应地调制探测光的相位，取得探测光相位的变化并将其解调成二次谐波信号；
22.最终通过二次谐波信号的幅值可以反演推算出待测气体的浓度。
23.进一步的，通过单模光纤耦合器将探测光和泵浦光进行合束后输入到微纳光纤阵列气室内。
24.本发明的技术效果：
25.1.利用亚波长直径的锥形微纳光纤代替传统的空间光束和空芯光纤，极大地减小了传感气室的体积与系统的响应恢复时间。微纳光纤稳定的结构也增强了传感器系统的稳定性，其较为简易的制备也大幅度降低了工艺成本。
26.2.采用s型级联的方式将数根锥形微纳光纤封装并固定在统一的基座上，制成微纳光纤阵列传感气室。这在一定程度上增大了有效传感长度，进一步地增加了系统的传感灵敏度。
27.3.采取了“泵浦光-探测光同向传输”的结构，规避了“双光源相对传输”结构中高功率泵浦光和探测光损坏激光器元件的风险。“同向传输”结构可以取消隔光学隔离器、光学环形器等无源器件，降低了系统成本并使其更加紧凑。
28.4.利用光学移频器搭建光学外差干涉结构，对气体吸收造成的传感信号进行提取并用谐波信号表征气体浓度信息。取消了零差干涉仪中用来稳定正交工作点的主动控制元件(例如基于pzt的伺服控制回路)，通过减少系统机械结构而增加了系统的稳定性。
附图说明
29.附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
30.图1示出了本发明的微纳光纤引导“光热相位调制”原理示意图；
31.图2示出了本发明的微纳光纤阵列传感气室结构图；
32.图3示出了本发明的基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置结构图；
33.图4示出了不同浓度待测气体对应的二次谐波信号。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置，包括：
36.光发射组件、第一单模光纤耦合器81、微纳光纤阵列气室9、光学窄带滤波器10、光学移频模块12、光转换组件；
37.所述光发射组件与所述光学移频模块12和所述光转换组件连接；
38.所述光发射组件与第一单模光纤耦合器81、微纳光纤阵列气室9、光学窄带滤波器10、光转换组件依次连接；
39.其中，所述微纳光纤阵列气室9中包括微纳光纤传感阵列结构。
40.所述光发射组件包括泵浦光发射模块7、探测光发射模块11和第二单模光纤耦合器82；
41.所述第二单模光纤耦合器82用于将所述探测光模块11发出的探测光分成两束；
42.所述泵浦光发射模块7和所述探测光发射模块11同侧设置；
43.所述光转换组件包括：第三单模光纤耦合器83、光电探测器13、信号解调分析模块14；
44.所述第三单模光纤耦合器83、光电探测器13、信号解调分析模块14依次连接。
45.所述信号处理模块14中包括示波器、频谱仪、锁相放大器，用于将拍频电信号解调成二次谐波信号。
46.所述微纳光纤阵列气室9包括：气口1、筛网2、玻璃板3、u型玻璃槽4、锥形微纳光纤5、标准单模光纤6；其中，被固定于所述玻璃板3上的多个u型玻璃槽4以及其内部封装的微纳光纤5构成了微纳光纤传感阵列结构。
47.本发明提出了使用微纳光纤用作核心传感元件，其可以实现高灵敏、快速响应的气体传感，并且可以进行较低成本的大规模生产。如图1所示，一根亚波长直径的双锥体微纳光纤可以分成锥形过渡区和锥腰两部分。锥形过渡区长度约为3
–
4cm，其直径从125μm缓变到1μm，锥腰直径约为1μm。如图中，泵浦光和探测光同时入射进微纳光纤，受调制的泵浦光在锥腰区域产生倏逝场，其大约占到泵浦光总功率的25％。微纳光纤表面的倏逝场被其周围的气体分子吸收产生热弛豫并通过热传导效应将热量周期性地传递给微纳光纤，由此造成了局部传感介质的折射率调制，即微纳光纤引导的“光热效应”。此时经过微纳光纤的探测光即携带了“光热相位调制”，其可以被表示为：
[0048][0049]
其中α为待测气体的吸收系数，c和l分别为待测气体浓度和有效传感长度，p
pump
、d
pump
(r)和m(t)分别为泵浦光的平均光强、归一化强度分布和随时间变化的调制波形。其中泵浦光归一化强度分布d
pump
(r)可以进一步表示为：
[0050][0051]
其中，r
pump
为泵浦光的有效模场半径(功率下降到峰值的1/e2)，由上面两式中可知相位调制强度与有效模场半径的平方呈反比关系。由于泵浦光在自由空间、空芯光纤、微纳光纤中传输形成的有效模场直径分别为mm、10μm、1μm量级，因此在相同的泵浦光平均功率和单位有效传感长度内微纳光纤提供的探测光相位调制强度能够相较自由空间光束和空芯光纤有2到6个数量级的提升。因此由一根锥腰长度厘米级别的微纳光纤制成的超紧凑传
感器即可以达到具有米级光程的空间光气室的效果，而由其制成的微纳光纤阵列可以进一步增大有效传感长度并提升检测灵敏度。
[0052]
本发明提供的一种微纳光纤阵列传感气室。如图2所示，其中包括：进气(出气)口1、筛网2、玻璃板3、u型玻璃槽4、锥形微纳光纤5、标准单模光纤6。其中，气室附带有两个进气(出气)口1，罐体两边由橡胶塞密封保证气密性，置于每个进气(出气)口的筛网2被用来防止空气中的大颗粒灰尘进入气室从而损坏到微纳光纤。被固定于玻璃板3上的多个u型玻璃槽4以及其内部封装的微纳光纤5构成了微纳光纤传感阵列结构。该气室两端留出的标准单模光纤6用来与气体传感系统中的其他模块进行连接。
[0053]
微纳光纤阵列结构的详细制备流程如下：取适当长度的标准单模光纤，用剥线钳去除其表面的涂覆层约4-5cm长度，随后用无尘纸蘸取高浓度酒精将光纤表面擦拭干净。使用氢氧焰熔融拉锥机对剥去涂覆层的单模光纤进行拉锥处理，设置合适的参数拉制出锥腰直径约1μm，过渡区长度约3-4cm，锥腰直径约1μm的微纳光纤。用紫外胶水将拉制完成的微纳光纤固定于u型玻璃槽内，并将玻璃槽用双面胶固定于玻璃板上。重复上述操作即可在单个玻璃板上制成s型的微纳光纤阵列，将该阵列结构置于一个玻璃罐中即制成微纳光纤阵列气室。
[0054]
一种基于微纳光纤阵列的型光热光谱气体检测装置。如图3所示，其中包括：泵浦光发射模块(dfb激光器)7、单模光纤耦合器8(包括8-1、8-2、8-3)、微纳光纤阵列气室9、光学窄带滤波器10、探测光发射模块(窄线宽激光器)11、光学移频模块(声光调制器aom)12、光电探测器(pd)13、信号解调分析模块14。其中，第一单模光纤耦合器8-1、第二单模光纤耦合器8-2、第三单模光纤耦合器8-3包含a、b、c三个端口，光从a口进b、c两口出，或从b、c两口进a口出。
[0055]
第二单模光纤耦合器8-2的作用在于将探测光模块11发出的探测光分成两束，其中一束进入光学移频模块(声光调制器aom)12，另一束进入第一单模光纤耦合器8-1与泵浦光汇合。第一单模光纤耦合器8-1的作用在于将探测光与泵浦光发射模块7中发出的泵浦光合束并引入微纳光纤阵列气室9中，而阵列中每一段微纳光纤的锥腰区域引导的倏逝场都可以与待测气体相互作用。光学窄带滤波器10被用来将气室中输出的泵浦光截止，而探测光由于其波长在滤波器的带通范围内因此得以被放行。第三单模光纤耦合器8-3的作用在于将两路探测光进行合束得到混频光，随后在光电探测器13中被转换成拍频电信号。信号处理模块14中包括示波器、频谱仪、锁相放大器的功能，其将光电探测器13输出的拍频电信号解调成二次谐波信号。不同浓度的待测气体对应的解调出的二次谐波信号如图4所示。
[0056]
一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测方法，包括：
[0057]
将待测气体充入到微纳光纤阵列气室内；
[0058]
将探测光与泵浦光输入到微纳光纤阵列气室内；
[0059]
待测气体选择性吸收泵浦光导致的局部折射率调制会相应地调制探测光的相位，取得探测光相位的变化并将其解调成二次谐波信号；
[0060]
最终通过二次谐波信号的幅值可以反演推算出待测气体的浓度。
[0061]
以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置，其特征在于，包括：光发射组件、第一单模光纤耦合器(81)、微纳光纤阵列气室(9)、光学窄带滤波器(10)、光学移频模块(12)、光转换组件；所述光发射组件与所述光学移频模块(12)和所述光转换组件连接；所述光发射组件与第一单模光纤耦合器(81)、微纳光纤阵列气室(9)、光学窄带滤波器(10)、光转换组件依次连接；其中，所述微纳光纤阵列气室(9)中包括微纳光纤传感阵列结构。2.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述光发射组件包括泵浦光发射模块(7)、探测光发射模块(11)和第二单模光纤耦合器(82)；所述第二单模光纤耦合器(82)用于将所述探测光模块(11)发出的探测光分成两束；所述泵浦光发射模块(7)和所述探测光发射模块(11)同侧设置。3.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述光转换组件包括：第三单模光纤耦合器(83)、光电探测器(13)、信号解调分析模块(14)；所述第三单模光纤耦合器(83)、光电探测器(13)、信号解调分析模块(14)依次连接。4.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述信号处理模块(14)中包括示波器、频谱仪、锁相放大器，用于将拍频电信号解调成二次谐波信号。5.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述微纳光纤阵列气室(9)包括：气口(1)、筛网(2)、玻璃板(3)、u型玻璃槽(4)、锥形微纳光纤(5)、标准单模光纤(6)；其中，被固定于所述玻璃板(3)上的多个u型玻璃槽(4)以及其内部封装的微纳光纤(5)构成了微纳光纤传感阵列结构。6.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述微纳光纤传感阵列结构的制备流程为：取适当长度的标准单模光纤，用剥线钳去除其表面的涂覆层约4-5cm长度，随后用无尘纸蘸取高浓度酒精将光纤表面擦拭干净；使用氢氧焰熔融拉锥机对剥去涂覆层的单模光纤进行拉锥处理，设置合适的参数拉制出锥腰直径约1μm的微纳光纤；用紫外胶水将拉制完成的微纳光纤固定于u型玻璃槽内，并将玻璃槽固定于玻璃板上；重复上述操作即可在单个玻璃板上制成s型的微纳光纤阵列。7.一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测方法，其特征在于，包括：将探测光与泵浦光输入到微纳光纤阵列气室内；待测气体选择性吸收泵浦光导致的局部折射率调制会相应地调制探测光的相位，取得探测光相位的变化并将其解调成二次谐波信号；最终通过二次谐波信号的幅值可以反演推算出待测气体的浓度。8.根据权利要求1所述的气体检测方法，其特征在于，通过单模光纤耦合器将探测光和泵浦光进行合束后输入到微纳光纤阵列气室内。

技术总结
本发明提供一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置及方法，所述装置包括：光发射组件、第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光学移频模块、光转换组件；所述光发射组件与所述光学移频模块和所述光转换组件连接；所述光发射组件与第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光转换组件依次连接；其中，所述微纳光纤阵列气室中包括微纳光纤传感阵列结构。本发明使用微纳光纤用作核心传感元件，其可以实现高灵敏、快速响应的气体传感，并且可以进行较低成本的大规模生产。本的大规模生产。本的大规模生产。


技术研发人员：曾祥龙 邾毅
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/28