一种光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器及气体测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光传感器领域，涉及一种全光纤倏逝波型石英增强光声光谱微量气体传感器及气体测量方法。
【背景技术】
[0002]微量气体传感器技术可对气体的组分、浓度进行检测，在大气化学、燃烧学以及医学等领域有着重要的用途。石英增强光声光谱气体传感器是一种常见的气体传感器，在石英增强光声光谱气体传感器中，激光束的空间传输(准直、传输及聚焦)是此技术中的难点之一，同时也是影响探测系统性能的重要因素之一。
[0003]光纤倏逝波型气体传感器也是目前一种应用广泛的气体传感器技术。光在光纤中传输时，会在两种介质的分界面上产生全反射，从几何光学的角度分析此时光疏介质中没有折射光，但实际从电磁理论的角度分析，在光疏介质中，光将会传播一段距离后才返回光密介质中，这种渗入光疏介质中迅速衰减的电磁波，称为倏逝波。光纤倏逝波型气体传感技术就是利用倏逝波与待测气体发生作用，导致倏逝波穿透深度/能量发生改变，根据传感器输出的光信号变化来测量气体浓度。但此种类型的传感器需要采用价格昂贵的光电探测器或光谱测量仪器。
[0004]如果将石英增强光声光谱气体传感器技术和光纤倏逝波型气体传感器技术结合在一起，构建新颖的全光纤倏逝波型石英增强光声光谱气体传感器，将会使得这两种技术的优点得到结合，相比光纤倏逝波型传感器或者石英增强光声光谱传感器，这种新型全光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器具有探测灵敏度高、体积小、价格便宜等特点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是将传统的光纤倏逝波型传感器和石英增强光声光谱传感器结合在一起，充分利用这两种方法的优点，提供一种新型的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器及气体测量方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，由半导体激光源、前单模光纤、锥形光纤、石英音叉、后单模光纤构成，所述半导体激光源、前单模光纤、锥形光纤、后单模光纤沿光束传播方向依次设置，锥形光纤穿过石英音叉的叉股。
[0007]本发明中，所述的锥形光纤由单模光纤拉制而成，束腰直径小于10 μ m,束腰长度I?1mm0
[0008]本发明中，所述石英音叉的叉股间隙不大于300μπι。
[0009]本发明中，所述锥形光纤距离石英音叉的顶部距离为0.
[0010]本发明中，所述石英音叉的共振频率不大于10kHz。
[0011]利用上述光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器测量实现微量气体传感测量的方法，由以下步骤实现:
步骤一、半导体激光源发射出的激光经前单模光纤传输至锥形光纤处，产生倏逝波场；
步骤二、待测目标气体吸收倏逝波场能量，产生声波场，石英音叉探测声波信号，反演气体浓度。
[0012]本发明针对微量气体传感探测，构建了一种新型全光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，其中在石英增强光谱传感器中利用了锥形结构光纤结构，它相对于传统的镜片传输系统来说，具有极低的插入损耗，并且极大的提高了传感器系统的稳定性，结构简单，体积微小。
【附图说明】
[0013]图1为光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0015]如图1所示，本发明提供的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器由半导体激光源1、前单模光纤2、锥形光纤3、石英音叉4、后单模光纤6构成，所述半导体激光源1、前单模光纤2、锥形光纤3、后单模光纤6沿光束传播方向依次设置，锥形光纤3穿过石英音叉4的叉股。
[0016]利用上述光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器可以实现微量气体浓度测量，由以下步骤实现:
步骤一、半导体激光源I发射出的激光经前单模光纤2传输至锥形光纤3处，产生倏逝波场；
步骤二、待测目标气体5吸收倏逝波场能量，产生声波场，石英音叉4探测声波信号，反演气体浓度。
[0017]本实施方式中，前单模光纤2、锥形光纤3和后单模光纤6均为共轴形式存在。
[0018]本实施方式中，前单模光纤2、锥形光纤3和后单模光纤6对半导体激光的传输损耗小于ldb/km。
[0019]本实施方式中，锥形光纤束腰直径小于10 μ m,光纤折射率必须小于2。
[0020]本实施方式中，石英音叉的Q值必须大于5000 (I个大气压下)。
[0021]本实施方式中，石英音叉的叉股间隙不能小于ΙΟμπι。
[0022]本实施方式中，待测气体浓度不能低于ppb量级。
[0023]本实施方式中，待测气体成分由激光器输出波长决定。
[0024]本实施方式中，倏逝波场能量是由锥形光纤产生的。
[0025]本实施方式中，后单模光纤6用来监测激光功率的变化，以此来评价锥形光纤是否发生损坏，采用功率计便可对功率进行监测。
【主权项】
1.一种光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，其特征在于所述传感器由半导体激光源、前单模光纤、锥形光纤、石英音叉、后单模光纤构成，所述半导体激光源、前单模光纤、锥形光纤、后单模光纤沿光束传播方向依次设置，锥形光纤穿过石英音叉的叉股。
2.根据权利要求1所述的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，其特征在于所述锥形光纤束腰直径小于?ο μ m，束腰长度l~10mm。
3.根据权利要求1所述的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，其特征在于所述石英音叉的叉股间隙不大于300 μ m。
4.根据权利要求1所述的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，其特征在于所述锥形光纤距离石英音叉的顶部距离为0.
5.根据权利要求1、3或4所述的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，其特征在于所述石英音叉的共振频率不大于10kHz。
6.根据权利要求5所述的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，其特征在于所述石英音叉的Q值大于5000。
7.一种利用权利要求1所述的光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器实现微量气体传感测量的方法，其特征在于所述方法步骤如下: 步骤一、半导体激光源发射出的激光经前单模光纤传输至锥形光纤处，产生倏逝波场； 步骤二、待测目标气体吸收倏逝波场能量，产生声波场，石英音叉探测声波信号，反演气体浓度。
【专利摘要】本发明公开了一种光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器及气体测量方法。所述传感器由半导体激光源、前单模光纤、锥形光纤、石英音叉、后单模光纤构成，所述半导体激光源、前单模光纤、锥形光纤、后单模光纤沿光束传播方向依次设置，锥形光纤穿过石英音叉的叉股。半导体激光通过前单模光纤传输至锥形光纤处，在锥形光纤处产生较强能量的倏逝波场，通过待测气体吸收倏逝波场的能量而产生声波，石英音叉接受声波信号，反演气体浓度。发明针对微量气体传感探测，构建了一种新型全光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器，它相对于传统的镜片传输系统来说，具有极低的插入损耗，并且极大的提高了传感器系统的稳定性，结构简单，体积微小。
【IPC分类】G01N21-25, G01N21-17
【公开号】CN104568764
【申请号】CN201510041662
【发明人】马欲飞, 于欣, 于光, 张静波, 李旭东, 彭江波, 闫仁鹏, 樊荣伟, 陈德应, 杨超波, 杨振
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月28日