一種光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器及氣體測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光傳感器領(lǐng)域，涉及一種全光纖倏逝波型石英增強光聲光譜微量氣體傳感器及氣體測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微量氣體傳感器技術(shù)可對氣體的組分、濃度進行檢測，在大氣化學、燃燒學以及醫(yī)學等領(lǐng)域有著重要的用途。石英增強光聲光譜氣體傳感器是一種常見的氣體傳感器，在石英增強光聲光譜氣體傳感器中，激光束的空間傳輸(準直、傳輸及聚焦)是此技術(shù)中的難點之一，同時也是影響探測系統(tǒng)性能的重要因素之一。
[0003]光纖倏逝波型氣體傳感器也是目前一種應(yīng)用廣泛的氣體傳感器技術(shù)。光在光纖中傳輸時，會在兩種介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生全反射，從幾何光學的角度分析此時光疏介質(zhì)中沒有折射光，但實際從電磁理論的角度分析，在光疏介質(zhì)中，光將會傳播一段距離后才返回光密介質(zhì)中，這種滲入光疏介質(zhì)中迅速衰減的電磁波，稱為倏逝波。光纖倏逝波型氣體傳感技術(shù)就是利用倏逝波與待測氣體發(fā)生作用，導(dǎo)致倏逝波穿透深度/能量發(fā)生改變，根據(jù)傳感器輸出的光信號變化來測量氣體濃度。但此種類型的傳感器需要采用價格昂貴的光電探測器或光譜測量儀器。
[0004]如果將石英增強光聲光譜氣體傳感器技術(shù)和光纖倏逝波型氣體傳感器技術(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)建新穎的全光纖倏逝波型石英增強光聲光譜氣體傳感器，將會使得這兩種技術(shù)的優(yōu)點得到結(jié)合，相比光纖倏逝波型傳感器或者石英增強光聲光譜傳感器，這種新型全光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器具有探測靈敏度高、體積小、價格便宜等特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是將傳統(tǒng)的光纖倏逝波型傳感器和石英增強光聲光譜傳感器結(jié)合在一起，充分利用這兩種方法的優(yōu)點，提供一種新型的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器及氣體測量方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，由半導(dǎo)體激光源、前單模光纖、錐形光纖、石英音叉、后單模光纖構(gòu)成，所述半導(dǎo)體激光源、前單模光纖、錐形光纖、后單模光纖沿光束傳播方向依次設(shè)置，錐形光纖穿過石英音叉的叉股。
[0007]本發(fā)明中，所述的錐形光纖由單模光纖拉制而成，束腰直徑小于10 μ m,束腰長度I?1mm0
[0008]本發(fā)明中，所述石英音叉的叉股間隙不大于300μπι。
[0009]本發(fā)明中，所述錐形光纖距離石英音叉的頂部距離為0.
[0010]本發(fā)明中，所述石英音叉的共振頻率不大于10kHz。
[0011]利用上述光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器測量實現(xiàn)微量氣體傳感測量的方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一、半導(dǎo)體激光源發(fā)射出的激光經(jīng)前單模光纖傳輸至錐形光纖處，產(chǎn)生倏逝波場；
步驟二、待測目標氣體吸收倏逝波場能量，產(chǎn)生聲波場，石英音叉探測聲波信號，反演氣體濃度。
[0012]本發(fā)明針對微量氣體傳感探測，構(gòu)建了一種新型全光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，其中在石英增強光譜傳感器中利用了錐形結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)，它相對于傳統(tǒng)的鏡片傳輸系統(tǒng)來說，具有極低的插入損耗，并且極大的提高了傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡單，體積微小。
【附圖說明】
[0013]圖1為光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0015]如圖1所示，本發(fā)明提供的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器由半導(dǎo)體激光源1、前單模光纖2、錐形光纖3、石英音叉4、后單模光纖6構(gòu)成，所述半導(dǎo)體激光源1、前單模光纖2、錐形光纖3、后單模光纖6沿光束傳播方向依次設(shè)置，錐形光纖3穿過石英音叉4的叉股。
[0016]利用上述光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器可以實現(xiàn)微量氣體濃度測量，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一、半導(dǎo)體激光源I發(fā)射出的激光經(jīng)前單模光纖2傳輸至錐形光纖3處，產(chǎn)生倏逝波場；
步驟二、待測目標氣體5吸收倏逝波場能量，產(chǎn)生聲波場，石英音叉4探測聲波信號，反演氣體濃度。
[0017]本實施方式中，前單模光纖2、錐形光纖3和后單模光纖6均為共軸形式存在。
[0018]本實施方式中，前單模光纖2、錐形光纖3和后單模光纖6對半導(dǎo)體激光的傳輸損耗小于ldb/km。
[0019]本實施方式中，錐形光纖束腰直徑小于10 μ m,光纖折射率必須小于2。
[0020]本實施方式中，石英音叉的Q值必須大于5000 (I個大氣壓下)。
[0021]本實施方式中，石英音叉的叉股間隙不能小于ΙΟμπι。
[0022]本實施方式中，待測氣體濃度不能低于ppb量級。
[0023]本實施方式中，待測氣體成分由激光器輸出波長決定。
[0024]本實施方式中，倏逝波場能量是由錐形光纖產(chǎn)生的。
[0025]本實施方式中，后單模光纖6用來監(jiān)測激光功率的變化，以此來評價錐形光纖是否發(fā)生損壞，采用功率計便可對功率進行監(jiān)測。
【主權(quán)項】
1.一種光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，其特征在于所述傳感器由半導(dǎo)體激光源、前單模光纖、錐形光纖、石英音叉、后單模光纖構(gòu)成，所述半導(dǎo)體激光源、前單模光纖、錐形光纖、后單模光纖沿光束傳播方向依次設(shè)置，錐形光纖穿過石英音叉的叉股。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，其特征在于所述錐形光纖束腰直徑小于?ο μ m，束腰長度l~10mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，其特征在于所述石英音叉的叉股間隙不大于300 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，其特征在于所述錐形光纖距離石英音叉的頂部距離為0.
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，其特征在于所述石英音叉的共振頻率不大于10kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，其特征在于所述石英音叉的Q值大于5000。
7.一種利用權(quán)利要求1所述的光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器實現(xiàn)微量氣體傳感測量的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 步驟一、半導(dǎo)體激光源發(fā)射出的激光經(jīng)前單模光纖傳輸至錐形光纖處，產(chǎn)生倏逝波場； 步驟二、待測目標氣體吸收倏逝波場能量，產(chǎn)生聲波場，石英音叉探測聲波信號，反演氣體濃度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器及氣體測量方法。所述傳感器由半導(dǎo)體激光源、前單模光纖、錐形光纖、石英音叉、后單模光纖構(gòu)成，所述半導(dǎo)體激光源、前單模光纖、錐形光纖、后單模光纖沿光束傳播方向依次設(shè)置，錐形光纖穿過石英音叉的叉股。半導(dǎo)體激光通過前單模光纖傳輸至錐形光纖處，在錐形光纖處產(chǎn)生較強能量的倏逝波場，通過待測氣體吸收倏逝波場的能量而產(chǎn)生聲波，石英音叉接受聲波信號，反演氣體濃度。發(fā)明針對微量氣體傳感探測，構(gòu)建了一種新型全光纖倏逝波型石英增強光聲光譜傳感器，它相對于傳統(tǒng)的鏡片傳輸系統(tǒng)來說，具有極低的插入損耗，并且極大的提高了傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡單，體積微小。
【IPC分類】G01N21-25, G01N21-17
【公開號】CN104568764
【申請?zhí)枴緾N201510041662
【發(fā)明人】馬欲飛, 于欣, 于光, 張靜波, 李旭東, 彭江波, 閆仁鵬, 樊榮偉, 陳德應(yīng), 楊超波, 楊振
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月28日