专利名称：一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，属于光电检测技术领域。
背景技术：
目前世界上很多国家都将环境保护作为ー项基本国策，并建立相应的组织对环境污染进行检测和控制。而对气体浓度和组分的检测与控制更是当今传感技术发展领域的重要前沿课题(文献1.王琳琳，北京大气污染特征研究[D]，山东大学，2011)。在实际应用中，尤其是对低浓度有毒气体的快速、实时、高灵敏度、高精度远程检测，是众多科学研究者所追求的目标。传统的气体检测技术通常是基于非光学的检测，容易受到其他气体成分的交叉敏感和敏感膜表面污染等不利因素的影响，而且其响应比较迟钝，可重复利用率低，使用寿命较短，难以实现连续实时在线检測。因此，发展高灵敏度而且有效的气体检测手段成为传感技术领域中一个特别重要的课题。光谱吸收型光纤气体传感器是光谱分析技术与现代光纤技术相结合的产物。每ー种气体都有固有的吸收谱(文献2.L.S.Rothman, 1.E.Gordon, A.Barbe， et al.The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database[J].Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer, 2009， 110:533-572.)，当光源的发射光波长与气体的吸收光波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度即可反演待测气体的浓度。由于其测量信号的载体是光波，对被测环境干扰小，特别是其传感探头不带电、本质防爆的特点，可适用于易燃易爆气体的エ业在线检測。目前，光谱吸收型光纤气体传感器是研究的最多并接近于实用化的一种气体传感器(文献3.吴兵兵，吕垚，戴基智等，光纤气体传感检测技术研究[J]，激光与红外，2009，39(7):707-712.)。然而在实际测量中，为了提高传感器測量的灵敏度，尤其是气体浓度较小时，应尽可能的増加吸收路径的长度，但是随着吸收路径长度的増加，光纤准直器的制造エ艺变得复杂而难以实现，光功率损耗也变得比较严重，所以不能无限制的增加气室的长度(文献4.Y.Zhao, L.Bai, Y.N.Zhang, et al.Reviewon structures and principles of gas cells in the absorption spectrum-basedoptical fiber gas sensor systems [J].1nstrument Science & Technology, 2012,40(5): 381-401.)。为了实现微型化且易于实现的高灵敏度气体浓度实时在线测量方法，2007年丹麦学者提出利用光子晶体作为气室进行气体浓度测量的方法(文献5.N.A.Mortensen, S.b.Xiao, blow-light enhancement of Beer-Lambert-Bouguer absorption [J].AppliedPhysics Letters, 2007, 90: 141108.)。由于光子晶体自身的结构色散特性，光在光子晶体中以慢光(即传播速度远小于真空中的光速c)的形式往前传播，理论仿真结果表明，通过引入光子晶体慢光可以增加光与待测气体之间的吸收作用，从而极大的提高气体检测的灵敏度，实现微型化、高灵敏度的气体浓度測量(文献6.D.Pergande, T.M.Geppert, A.von Rhein, et al.Miniature infrared gas sensors using photonic crystals [J].Journal of Applied Physics, 2011, 109: 083117.)。但是在常规的光子晶体中，光能量一般都局域在高介电常数的介质中，这就极大的限制了光与低折射率被测介质的相互作用，很大程度上限制了光子晶体在气体传感器中的应用。此外，在普通的光子晶体慢光器件中，群折射率随波长的变化会非常迅速，严重影响了传感系统的稳定性，而且ー个光子晶体慢光器件往往只能用于对某种特定待测气体进行探測。此外，在光子晶体的制备过程中普通存在空气孔半径制备误差的问题，这将严重影响光子晶体的慢光特性(文献7.ff.W.bong, R.A.丄nteglia， ff.Jiang, blow light loss due to roughness m photoniccrystal waveguides: An analytic approach [J].Physical Review B, 2010, 82(3):235306.)，进而影响光子晶体在气体传感系统中的使用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出ー种结构简单、易于实现、灵敏度高、体积小、稳定性好、且能对多组分气体浓度进行测量的方法。(ニ)技术方案
为了达到上述目的，本发明提出一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，包括传感单元、信号处理单元以及连接它们的光纤链路和计算机系统，所述的传感单元包括激光器、气室、电流控制系统以及信号发生器，其特征在干:所述的气室是由光子晶体槽波导构成的，光子晶体槽波导能在多种待测气体的吸收波长处产生具有高群折射率、宽带宽、性能稳定的慢光现象；所述的信号处理单元包括一个探测器和一个锁相放大器；电流控制系统受到信号发生器发出的正弦电信号的控制，输出的正弦调制电流将加载在激光器的直流驱动电流上，实现对激光器输出波长的调制，调制后的光信号将被发送至由光子晶体槽波导构成的气室，部分光信号会被光子晶体槽波导中的待测气体吸收，其余未被吸收的光经过光电探测器转换为电信号后输送给锁相放大器作为测量信号，而锁相放大器同时还受到信号发生器发出的与电流控制系统接收到的调制频率相同的正弦电信号并将其作为參考信号，最后，锁相放大器输出的电信号由串ロ传送至与其相连的计算机系统进行数据的采集、处理以及显示。上述方案中，所述的激光器，其工作波长为1565nm至1575nm,可输出功率最大为IOmff的光信号；所述的电流控制系统，其输出电流可从20mV变化到125mV ;所述的信号发生器可实现双通道任意波形输出，其中正弦波最高输出频率为20MHz，输出电压峰峰值为2mV至10V ;所述的光电探测器工作波长为IlOOnm至1650nm，响应度为0.95A/W ;所述的锁相放大器型号为SR830，其工作频率范围为ImHz至102.4kHz ;所述的光纤链路2和4为普通单模光纤，芯径为9 ii m,包层直径为125 u m,并将其与光子晶体槽波导气室连接处的光纤端ロ进行剥离拉锥エ艺制作成为光纤透镜，其锥形角度为30°至40°，曲率半径为4至6iim，剥纤长度为12至13mm，起到对光束的准直和聚焦的作用。上述方案中，所述的光子晶体槽波导结构是先在普通的硅介质背景上刻蚀等边三角形排列的空气孔形成ニ维三角晶格光子晶体，再将中间ー排沿X方向的空气孔替换为ー个宽度为 ,=0.32a的空气槽而构成的，空气孔的半径r=0.30a (其中a=447nm为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，背景介质硅厚度A=220nm，有效折射率为/7=2.87。在光子晶体槽波导中最靠近空气槽的第一排空气孔内填充ー种折射率的液体，并在最靠近空气槽的第二排空气孔内填充另一种折射率的液体，通过调节两种填充液体的折射率大小，从而有效地改善光子晶体槽波导的色散曲线，以实现高群折射率、宽带宽、波长可调、性能稳定、不受空气孔半径制备误差影响的慢光特性。所填充的液体折射率随液体种类的不同，可以在1.33到2.0之间变化，将填充有液体的光子晶体槽波导放在装有甲苯的容器中浸泡5分钟左右后取出，即可将液体移除，并可继续填充其它不同折射率的液体。(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
1)本发明提出的这种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，将光子晶体槽波导作为气室，利用其慢光特性可实现对气体浓度的高灵敏度、远程实时检测，同时减小了传感气室的体积；
2)利用液体填充光子晶体槽波导中最靠近空气槽的两排空气孔可以实现高群折射率、宽带宽、性能稳定、不受空气孔半径制备误差影响的慢光特性，提高了气体浓度测量的稳定性。此外，通过选择填充不同折射率的液体来调谐慢光的工作波长，使其对应不同种类气体的吸收波长，可以实现对多组分气体的高灵敏度检测；
3)信号处理采用的是谐波检测方法，利用互相关原理，使输入的周期性測量信号与频率相同的參考信号在相关器中实现互相关，将深埋在噪声中的周期信号携帯的幅值信息检测出来，可以消除杂散光的干扰，克服エ频干扰的影响，避开I//低频噪声。本发明将提取出的一次谐波信号和二次谐波的比值作为系统的输出，可以消除由于光源波动、光纤传输损耗等造成的测量误差，进ー步提高了測量精度。
图1为本发明提供的基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量系统示意 图2为本发明提供的光子晶体槽波导结构 图3为本发明提供的光子晶体槽波导色散曲线；
图4为本发明提供的光子晶体槽波导在不同折射率的填充液体下的群折射率曲线；
图5为本发明提供的光子晶体槽波导在yz横截面上的模场分布 图6为光子晶体槽波导的空气孔半径为0.29a,0.30a和0.31a时的群折射率曲线，其工作波长为1567nm，对应CO吸收峰波长。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明的具体结构、原理以及性能优化过程作进ー步的详细说明。图1为本发明提供的基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量系统整体结构示意图。激光器的注入电流受到信号发生器发出的频率为IKHZ的正弦电信号的调制，所以，从激光器发出的将为频率为IKHz的正弦光信号，该正弦光信号由光纤透镜耦合进入充有待测气体的光子晶体槽波导气室，部分光信号将被吸收，未被吸收的光信号又经光线透镜被送至光电探测器，经过光电转换后，送至锁相放大器的測量信号端ロ。需要说明的是，信号发生器同样还发出ー个频率为IKHz的正弦电信号送至锁相放大器的參考信号端ロ。最后，锁相放大器输出的电信号经串ロ送至与其相连的计算机系统进行数据采集、处理和
显不o由朗伯-比尔定律，当一束光强为10的平行光通过充有气体的气室时，如果光源覆盖待测气体的吸收峰，光通过气体时就会发生衰减。输出光强_|，输入光强- 和气体浓度之间的关系可用朗伯-比尔定律表示为:
权利要求
1.一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，包括传感单元、信号处理单元以及连接它们的光纤链路和计算机系统，所述的传感器单元包括激光器1、气室3、电流控制系统13以及信号发生器11，其特征在于:所述的气室3是由光子晶体槽波导构成的；所述的信号处理单元包括一个探测器5和一个锁相放大器7 ;电流控制系统13受到信号发生器11发出的正弦电信号的控制，输出的正弦调制电流将加载在激光器I的直流驱动电流上，调制后的光信号经过传输光纤2送至气室3，部分光信号会被气室3中的待测气体吸收，其余未被吸收的光经过光电探测器5转换为电信号后输送给锁相放大器7作为测量信号，而锁相放大器7同时还受到信号发生器11发出的与电流控制系统13接收到的调制频率相同的正弦电信号并将其作为參考信号，最后，锁相放大器7输出的电信号由串ロ传送至计算机系统9进行数据的采集、处理以及显示。
2.按权利要求1所述的ー种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，其特征在于:所述的激光器I，其工作波长为1565nm至1575nm，可输出功率最大为IOmW的光信号；所述的信号发生器11可实现双通道任意波形输出，其中正弦波最高输出频率为20MHz ;所述的光电探测器工作波长为IlOOnm至1650nm，响应度为0.95A/W ;所述的锁相放大器7型号为SR830，其工作频率范围为ImHz至102.4kHz ;所述的光纤链路2和4为普通单模光纤，芯径为9mm,包层直径为125mm。
3.按权利要求1所述的ー种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，其特征在于:所述的气室3中，光子晶体槽波导的晶格常数a=447nm，空气孔的半径r=0.30a，空气槽宽度外=0.32a，背景介质硅厚度A=220nm，通过在最靠近空气槽的第一排和第二排空气孔中分别填充不同折射率的液体来优化光子晶体槽波导的慢光特性，实现了群折射率最高可达150的宽带慢光，根据填充液体的不同，慢光的工作波长可在1564nm至1574nm范围内调节，而且慢光特性不受空气孔半径制备误差的影响。
全文摘要
本发明提出了一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法。由激光器1、气室3、探测器5、锁相放大器7、信号发生器11、电流控制系统13和计算机系统9组成。其特点是气室3由光子晶体槽波导构成，利用其慢光特性增加光与待测气体之间的接触作用，通过在光子晶体槽波导两侧的空气槽中填充不同折射率的液体，获得高群折射率、宽带宽、波长可调且不受空气孔半径制备误差影响的慢光特性，实现对多组分气体浓度的高灵敏度测量，并结合谐波检测信号处理方法，避免了噪声干扰、光源波动、光纤传输损耗等引入的测量误差，提高了测量精度。
文档编号G01N21/31GK103091268SQ20131001063
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月12日 优先权日2013年1月12日
发明者赵勇, 张亚男 申请人:东北大学