一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统的制作方法

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统。

背景技术：

光照到物质上时会发生散射，而光的散射又分为弹性散射和非弹性散射；对于弹性散射来说，散射光频率等于入射光频率，对于非弹性散射来说，散射光频率与入射光频率是不相等的，对于散射光频率大于入射光频率的称为反斯托克斯光，对于散射光频率小于入射光频率的称为斯托克斯光，这两者统称为拉曼散射。

通过测量气体的拉曼光谱能对气体的成分和浓度进行检测，现有技术通过拉曼光谱对气体进行检测的系统中，气体介质没有理想的载体，只是用一个气体池装着气体介质，这样的装置使得光与气体作用的横截面积受限于光斑的束腰直径影响，而且光与气体的作用长度非常短，并且光在该大容器中传播时损耗非常大，要将气体注入容器中需要气体量非常大，而且需要泵浦光功率非常高，只有泵浦光功率密度足够大才能使气体产生拉曼散射，以用来对气体的成分和浓度进行检测，这样的实验装置要产生拉曼散射需要的泵浦光功率很高，只能对高浓度，大量的气体进行检测，而且气体拉曼阈值也非常高，很难产生拉曼散射。

因此，现有技术中通过拉曼光谱检测气体成分、浓度的系统，都存在光损耗大、作用长度短、需要气体量大，且对泵浦光功率非常高的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统，解决了现有技术中气体检测系统光损耗大、作用长度短、需要气体量大、泵浦光功率非常高的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种气体检测系统，包括激光器、第一气体腔、空芯反谐振光纤、第二气体腔、光谱仪和数据处理装置；所述空芯反谐振光纤的两端分别与所述第一气体腔、第二气体腔连通；所述第一气体腔、第二气体腔用于向空芯反谐振光纤中注入待检测气体；所述激光器用于向空芯反谐振光纤中输入检测用激光；所述光谱仪用于测量待检测气体产生的拉曼散射光，所述数据处理装置用于对拉曼光谱进行处理，分析待检测气体的成分和浓度。

作为优选的，所述激光器的输出光路上依次设有第一透镜、第二透镜和第一反射镜，所述第一反射镜的反射光路上依次设有第一聚焦透镜和所述第一气体腔。

作为优选的，所述第一透镜和所述第二透镜构成望远镜系统，所述第一透镜、第二透镜与激光器同轴安装，且所述第一透镜、第二透镜的位置、间距可调。

作为优选的，所述第一反射镜、第二反射镜及第一聚焦透镜同轴，且所述第一反射镜、第二反射镜的位置、角度可调。

作为优选的，所述空芯反谐振光纤的两端通过夹具分别固定在所述第一气体腔和第二气体腔内，所述第一气体腔、空芯反谐振光纤、第二气体腔和第一聚焦透镜的轴线重合。

作为优选的，所述第一气体腔靠近第一聚焦透镜的一端设有第一光学窗口，另一端与空芯反谐振光纤间密封；所述第二气体腔输出激光的一端设有第二光学窗口，另一端与空芯反谐振光纤间密封。

作为优选的，所述第一气体腔上部与所述第二气体腔上部通过排气管道连通，所述排气管道上设有气体收集装置，所述气体收集装置用于收集检测后的气体，且所述气体收集装置通往第一气体腔的排气管道上设有第一气体阀、第一压力表，气体收集装置通往第二气体腔的排气管道上第二气体阀、第二压力表。

作为优选的，所述第一气体腔下部与所述第二气体腔下部通过充气管道连通，所述充气管道上连接有气体泵，所述气体泵的进气口连通待检测气体，用于将待检测气体充入充气管道；所述气体泵通往第一气体腔的充气管道上设有第三气体阀，所述气体泵通往第二气体腔的充气管道上设有第四气体阀。

作为优选的，所述气体泵与所述充气管道连通处设有第一止回阀，所述气体泵的进气口处设有第二止回阀。

作为优选的，所述第二气体腔输出激光的一侧设有第二聚焦透镜和收集光纤，所述第二聚焦透镜、收集光纤与所述空芯反谐振光纤的轴线重合。

本申请提出一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统，通过气体拉曼强度与气体浓度之间的关系，将待检测气体充入空芯反谐振光纤中，空芯反谐振光纤具有传输损耗低、传输带宽宽、弯曲损耗小、损伤阈值高和保持单模传输的特点，使得利用空芯反谐振光纤能够增强气体拉曼散射的，降低拉曼散射的阈值，可以使用较低功率的泵浦光，就能够对微量气体的成分和浓度进行检测；同时，还能够对检测后的气体进行收集，避免对环境造成污染，因此，本申请的系统能够用于微量气体的成分和浓度的检测，还可以用于多种混合气体的成分和浓度的检测，在大气污染、环境监测、油气开采和生物医疗方面有很好的应用前景。

附图说明

图1为根据本发明实施例的气体检测系统结构示意图；

图2为根据本发明实施例的空芯反谐振光纤结构示意图；

图3为根据本发明实施例的第一气体腔结构示意图。

附图标记：

激光器-1激光光束-2第一透镜-3第二透镜-4

第一反射镜-5第二反射镜-6第一聚焦透镜-7第一光学窗口-8

第一气体腔-9空芯反谐振光纤-10第二气体腔-11收集光纤-14

第二光学窗口-12第二聚焦透镜-13光谱仪-15数据处理装置-16

第二压力表-17第二气体阀-18气体收集装置-19第一气体阀-20

第一压力表-21第三气体阀-22第四气体阀-23第一止回阀-24

气体泵-25第二止回阀-26排气管道-27充气管道-28

纤芯区域-101包层区域-102管道接口-29光纤接口-30

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，图中示出了一种基于空芯反谐振光纤10的气体检测系统，包括激光器1、第一气体腔9、空芯反谐振光纤10、第二气体腔11、光谱仪15和数据处理装置16；所述空芯反谐振光纤10的两端分别与所述第一气体腔9、第二气体腔11连通；所述第一气体腔9、第二气体腔11用于向空芯反谐振光纤10中注入待检测气体；所述激光器1用于发射激光光束2，并向空芯反谐振光纤10中输入检测用激光；所述光谱仪15用于测量待检测气体产生的拉曼散射光，所述数据处理装置16用于对拉曼光谱进行处理，分析待检测气体的成分和浓度。

空芯反谐振光纤10是利用反谐振理论(anti-resonantreflectingopticalwaveguide，arrow)进行导光的，即在空芯反谐振光纤10中，当石英壁厚度t确定时，波长满足式(n为石英折射率，m为正整数)的光会在石英中发生谐振，泄漏到包层外，而其余波长的光由于反谐振会反射回纤芯从而进行传输，所以有很宽的导光通带(200-800thz)，而且损耗很小，为气体拉曼散射研究提供了一个比较好的载体，空芯反谐振光纤10的纤芯一般在微米量级，这就能使光的横截面积变得很小，使光斑密度增大，而且空芯光纤损耗比较小，可以使用非常长的光纤，这极大地增加了光与气体的相互作用距离，能够大大降低气体拉曼阈值，所需的激光器1的功率可以很低，只要微量的气体就能产生拉曼散射，这就能够用来检测微量气体的成分和浓度，还可以用来检测多种混合气体的成分和浓度。

如图2所示，在本实施例中采用的空芯反谐振光纤10包括具有低折射率的纤芯区域101和高折射率的包层区域102，高折射率的包层区域102由内包层区和外包层区共同组成。其中，低折射率的纤芯区域101为空气；内包层区由多个微毛细管排列而成，且最内侧(离纤芯最近)一圈微毛细管之间不接触，无节点，具有负曲率结构；外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成，这里使用的固体材料与内包层区的材料相同，均为二氧化硅。

通过激光器1泵浦由第一气体腔9充入空芯反谐振光纤10中的气体产生的拉曼散射，通过空芯反谐振光纤10能够增强拉曼散射的强度，不同的气体所对应的拉曼频移量不同，所以产生的拉曼散射光也不同，根据不同的拉曼散射光可以对气体的成分进行检测，而拉曼散射强度与气体浓度之间的关系遵循以下方程：

其中i0指激光器1的光强，ir指拉曼散射的强度，n测量气体分子密度，η实验装置的效率，(dσ)/(dω)拉曼散射截面的绝对微分，ω信号采集光的立体角，αl光纤对于泵浦激光的损耗，αr光纤对于气体产生的拉曼散射光的损耗。

通过不同气体拉曼光谱的不同，气体拉曼强度与气体浓度之间的关系来对气体的成分和浓度进行检测，与以前基于拉曼散射效应的气体检测系统相比该系统所用的空芯反谐振光纤10具有传输损耗低，传输带宽宽，弯曲损耗小，损伤阈值高和保持单模传输的特点，利用这种空芯反谐振光纤10能够增强气体拉曼散射，使得拉曼散射阈值低，所需的泵浦光功率可以很小。

在本实施例中，所述激光器1输出的激光光路上依次设有第一透镜3、第二透镜4和第一反射镜5，所述第一反射镜5的反射光路上依次设有第一聚焦透镜7和所述第一气体腔9。

具体的，所述第一透镜3和所述第二透镜4构成望远镜系统，所述第一透镜3、第二透镜4与激光器1同轴安装，且所述第一透镜3、第二透镜4的位置、间距可调。通过调第一透镜3、第二透镜4以改变激光的光斑直径，以使激光与所述的空芯反谐振光纤10的模场匹配，提高耦合效率，通过调节第一反射镜5、第二反射镜6可以使激光准直传输至所述的第一聚焦透镜7，在本实施例中，所述第一聚焦透镜7为聚焦凸透镜。

具体的，所述第一反射镜5、第二反射镜6及第一聚焦透镜7同轴，且所述第一反射镜5、第二反射镜6的位置、角度可调。

在本实施例中，所述空芯反谐振光纤10的两端通过夹具分别固定在所述第一气体腔9和第二气体腔11内，所述第一气体腔9、空芯反谐振光纤10、第二气体腔11和第一聚焦透镜7的轴线重合。所述第一气体腔9、第二气体腔11为圆柱形，所述空芯反谐振光纤10的两端通过夹具固定在第一气体腔9、第二气体腔11内。

在本实施例中，所述第一气体腔9靠近第一聚焦透镜7的一端设有第一光学窗口8，另一端与空芯反谐振光纤10间密封，所述空芯反谐振光纤10处于第一气体腔9内部的一端延伸至靠近第一光学窗口8处；所述第二气体腔11输出激光的一端设有第二光学窗口12，另一端与空芯反谐振光纤10间密封，所述空芯反谐振光纤10处于第二气体腔11内部的一端延伸至靠近第二光学窗口12处。光学窗口是光学系统中直接暴露在环境中的光学元件，可以降低环境、温度对激光传输的影响。

在本实施例中，所述第一气体腔9上部与所述第二气体腔11上部通过排气管道27连通，所述排气管道27上设有气体收集装置19，所述气体收集装置19用于收集检测后的气体，且所述气体收集装置19通往第一气体腔9的排气管道27上设有第一气体阀20、第一压力表21，气体收集装置19通往第二气体腔11的排气管道27上第二气体阀18、第二压力表17。

第一压力表21和第二压力表17用于对充入空芯反谐振光纤10中气体的压强进行测量，第一气体阀20、第二气体阀18用于控制气体的输出，而气体收集装置19则可以对检测过的气体进行收集。

在本实施例中，所述第一气体腔9下部与所述第二气体腔11下部通过充气管道28连通，所述充气管道28上连接有气体泵25，所述气体泵25的进气口连通待检测气体，用于将待检测气体充入充气管道28；所述气体泵25通往第一气体腔9的充气管道28上设有第三气体阀22，所述气体泵25通往第二气体腔11的充气管道28上设有第四气体阀23。所述气体泵25连通待检测气体，将待检测气体通过充气管道28充入第一气体腔9或第二气体腔11，且所述气体泵25与所述充气管道28连通处设有第一止回阀24，所述气体泵25的进气口处设有第二止回阀26，可以防止气体回流。

具体的，在本实施例中，可以通过气体泵25向充气管道28中充入待检测气体，第三气体阀22和第四气体阀23可只开启一个，另一个关闭，使得待检测气体在第一气体腔9、第二气体腔11之间流通，进而使待检测气体进入空芯反谐振光纤10，进行气体成分、浓度的测量；如将第三气体阀22开启，第四气体阀23关闭，待检测气体通过第三气体阀22进入第一气体腔9，此时第一气体阀20、第二气体阀18关闭，并通过空芯反谐振光纤10进入第二气体腔11，同时第一压力表21、第二压力表17同时可检测第一气体腔9、第二气体腔11内的气压，只有在第一气体腔9、第二气体腔11的气压相同时，才进行检测，以免待检测气体未完全流通到空芯反谐振光纤10，导致检测结果不准确；且若充入气体过多，导致气压过高或者第一气体腔9、第二气体腔11气压差异大，则可通过排气管道27进行排气降压，具体的，若是先向第一气体腔9内充入待检测气体，则优先通过第二气体阀18放气，同时气体收集装置19收集气体，若是先向第二气体腔11内充入待检测气体，则优先通过第一气体阀20放气，同时气体收集装置19收集气体，以免因排气造成环境污染；若第一气体腔9、第二气体腔11气压相同，则可同时开启第一气体阀20、第二气体阀18同时进行放气降压。

如图3所示，为第一气体腔9的结构框图，图中，第一气体腔9相对的上下两端设有两个管道接口29，分别用于连通充气管道28和排气管道27；第一气体腔9靠近第一聚焦透镜7的一端设有第一光学窗口8，与第一光学窗口8正对的另一端则设有光纤接口30，用于连接空芯反谐振光纤10。

在本实施例中，所述第二气体腔11输出激光的一侧设有第二聚焦透镜13和收集光纤14，所述第二聚焦透镜13、收集光纤14与所述空芯反谐振光纤10的轴线重合，通过第二聚焦透镜13将气体产生的拉曼散射光聚集进入收集光纤14，收集光纤14再将拉曼散射光输入光谱仪15，光谱仪15对拉曼散射光进行光谱测量，将测量的拉曼光谱传输至数据处理装置16，数据处理装置16根据而拉曼散射强度与气体浓度之间的关系检测出气体的成分和浓度。

本申请提出一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统，通过气体拉曼强度与气体浓度之间的关系，将待检测气体充入空芯反谐振光纤中，空芯反谐振光纤具有传输损耗低、传输带宽宽、弯曲损耗小、损伤阈值高和保持单模传输的特点，使得利用空芯反谐振光纤能够增强气体拉曼散射的，降低拉曼散射的阈值，可以使用较低功率的泵浦光，就能够对微量气体的成分和浓度进行检测；同时，还能够对检测后的气体进行收集，避免对环境造成污染，因此，本申请的系统能够用于微量气体的成分和浓度的检测，还可以用于多种混合气体的成分和浓度的检测，在大气污染、环境监测、油气开采和生物医疗方面有很好的应用前景。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。