专利名称：基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法及探测器的制作方法
技术领域：
本发明属于微量气体检测领域，涉及一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体 探测方法及探测器。
背景技术：
气体检测装置是可以识别气体成分并定量地测量出气体浓度的设备，在大气质量 监测，工业废气和机动车尾气排放检测，有毒有害气体泄露的预防等领域有广泛的应用。微 量有毒有害气体在石油化工，冶金，煤炭，玻璃，水泥，微电子，垃圾焚化等工业领域大量产 生，因而需要实时监控并加以处理。据估计，仅在工业废气检测和环境污染检测这两个领 域，每年所需的气体检测装置高达170万台，产值约68亿元。被检测气体对象一般包含多 种微量气体，如硫化物，氮化物，氟化氢，一氧化碳，二氧化碳，氧气，水蒸气等，需要快速并 高灵敏度地检测出各种气体成分的浓度。现有的气体检测技术主要有湿化学法，色谱或质 谱法，微机电传感技术，燃料电池技术，电化学传感技术，及光学技术等。湿化学法⑴利用 气体与液体发生化学反应后物质量的变化来计算气体的浓度，具有灵敏度低，测量速度慢 的缺点。色谱法2常采用热导池检测器或氢火焰检测器，虽然这两种检测器技术都比较成 熟，但都存在测量仪器体积大，成本高，灵敏度低，反应时间长的缺点。质谱法3也有类似 的缺点。微机电传感技术4虽然具有反应时间短和体积小等特点，但其灵敏度也比较低， 只能达到PPM(Parts Per Million，百万分之一)级别。燃料电池技术5则因为电池具有 累积效应，所以使用时间越长，误差越大。电化学传感技术6是目前大部分气体检测器所 使用的主要方法，但其灵敏度仍不足以检测出PPB (Parts Per Billion，十亿分之一)量 级的微量气体如氟化氢等。光学方法具有灵敏度高，速度快，选择性好，且能同时测量多种 气体的优点。光学方法已成为今后气体检测技术的主要发展方向。目前基于光学方法的 气体检测技术有多种，如非色散红外技术(Non-dispersive infrared)7，但是该种方法 需比对两个光谱区气体吸收区和不吸收区，因而只适用于测量宽带吸收气体；傅立叶变 换红外技术(FTIR)8的测量精度目前只能达到PPM级，而某些有毒气体如氟化氢的浓度 超过几个PPM便可以对环境造成很大破坏，并使人感到窒息，甚至死亡，所以检测出超低 浓度即低于PPM级的有毒有害气体至关重要；可调二极管激光器吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)9利用可调二极管激光器与光探测器，光 谱仪的结合实现较高灵敏度的测量，但是该种方法一次只能测量一种气体。光声光谱技术 (Photoacoustic spectroscopy)1°的检测灵敏度可达PPB级，但是该种方法容易受背景噪 声的影响。在对含有多种气体成分的样品测量时，分光技术显得尤为重要。以往人们大多 采用分光仪加一系列繁琐的分立的几何光学元器件进行分光，这样导致系统运行起来很不 稳定，携带和安装也很不方便。参考文献l.M.Fleisher and H. Meixner，“改进的氧化钙传感器用于气体控制，”传感 器与控制器 B13，259-263(1993). [M. Fleisher and H. Meixner, "Improvements inGa203_sensors for reducinggases,，，Sensors and Actuators B 13,259-263(1993).]2. J. Duinker, D. Schulz, and G. Petrick，“利用电子捕获探测的多维气体色谱 技术用于测量多氯联苯混合物中的有毒物，”分析化学60,478-482(1988). [J. Duinker, D.Schulz, and G. Petrick，“Multidimensional gas chromatography with electron capture detection for thedetermination of toxic congeners in polychlorinated biphenyl mixtures, "Analytical Chemistry 60,478-482 (1988).]3. J. Gouw, C. Warneke, T. Karl，G. Eerdekens，C. Veen，and R. Fall，“测量大气中微 量气体的质子_传输-反应质谱法的灵敏度和针对性，”国际质谱杂志223，365-382 (2003). [J.Gouw, C.Warneke, T. Karl, G.Eerdekens, C.Veen, and R. Fall,"Sensitivity and specificity of atmospherictrace gas detection by proton-transfer-reaction mass spectrometry,，，International J. Mass. Spectrometry 223，365-382 (2003).]4. D. Meier, C. Taylor, R. Cavicchi, M. Ellzy, K. Sumpter，and S. Semancik，“利 用微机电技术兼容的微传感器阵列探测化学武器成分，”国际电子电器工程期刊传感 器杂志 5，712-725(2005). [D. Meier, C. Taylor, R. Cavicchi, Μ. Ellzy, K. Sumpter, and S. Semancik, "Chemicalwarfare agent detection using MEMS-compatible microsensor arrays, "IEEE J. Sensors 5，712—725 (2005).]5. W. Liu, and D. Zucherbrod，“临场检测PEM燃料电池中的过氧化氢，”电化学 学会会刊 152，A1165-A1170(2005). [W. Liu，and D. Zucherbrod, "In situ detection of hydrogen peroxidein PEM fuel cells, "J. Electrochem.Soc. 152,A1165-A1170(2005).]6. W. W印pner，“固态电化学气体传感器，”传感器与控制器12,107-119(1987). [W. ffeppner,"Sol id-state electrochemical gas sensors,"Sensors and Actuators 12, 107-119(1987).]7. R. Rubiο, J. Santander, L. Fonseca, N. Sabate, I. Gracia, C. Cane, S. Udina, md S. Marco, “非选择性非色散红外阵列用于气体探测，”传感器与控制器B 化学127， 69-73 (2007). [R. Rubio, J. Santander, L Fonseca, N. Sabate, I. Gracia, C. Cane, S. Udina, and S. Marco,"Non-selective NDIR array for gas detection,"Sensors and Actuators B !Chemical 127，69-73 (2007)·]8. D. Griffith，“气相傅立叶变换红外光谱的合成校验与量化分析，”应用光谱50， 59-70 (1996). [D. Griffith，"Synthetic calibration and quantitative analysis of gas-phase FT-IR spectra，，，Applied Spectroscopy 50，59-70 (1996) ·]9. I. Linnerud，P. Kaspersen，and T. Jaeger，“利用二极管激光光谱监测处理工 业中的气体，”应用物理B 激光器与光学67，297-305 (1998) · [I. Linnerud, P. Kaspersen， and Τ.Jaeger,"Gasmonitoring in the process industry using diode laser spectroscopy，，，Applied Physics B :Lasers andOptics 67，297-305 (1998) ·]10.M.Sigrist，“利用激光光 声光谱技术监测微量气体，”红外物理与技术 36，415-425 (1995). [M· Sigrist，"Trace gas monitoring by laser-photoacoustic spectroscopy，，，Infrared Physics&Technology 36，415-425 (1995) ·]
发明内容
本发明的目的是提出一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法及探 测器。本发明的技术解决方案如下一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法，具体步骤为将宽谱光源或连续可调激光器发出的红外激光通过一个用于充入待测气体的气 体室，气体室外设有由多个圆环形或跑道形的微谐振环组成的微谐振环阵列，由于上述不 同的微谐振环因具有不同的周长或折射率而具有不同的共振波长，因此，通过气体室后的 红外激光中的共振波长光会被相应的微谐振环的下载波导耦合输出，再由光探测器检测耦
合输出光的光强，每一个微谐振环的下载波导对应一个光探测器；再由公式P = - +
aL 10
计算出某一种待测气体的气压p，式中I为由光探测器检测得到的光波通过气体后的光强， Io为由光探测器检测得到的光波通过气体之前的光强，L为红外激光在气体室中穿过待测 气体的长度，a为该种待测气体的吸收系数，a为已知常数，最后根据待测气体的气压P与 待测气体浓度的对应关系最终得到待测气体浓度。这里说的宽谱光源是指一般包含几种气体的特征波长，光谱范围为几十纳米至几 百纳米不等；
Mk众所周知，气体压强与浓度的关系为^^-！^；^！^/？卩！^，其中！！为单位体积
V M
内气体分子数目，通过n再换算成浓度(为公知技术)，k为波尔兹曼常数，T为气体环境的 开尔文温度，P为气体密度，M为气体摩尔质量。由于气体的温度和气体容器的体积可以用 常规方法准确测定，因此根据上式便可得到气体体积浓度(以PPM，RRB等为单位)或质量 浓度(以单位体积气体所含气体质量来表示)。所述的微谐振环阵列由2-20个不同周长的微谐振环组成。一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测器，用于发出红外激光的光源通 过光路或光纤与气体室的光输入端相接，气体室上设置有抽取或灌注气体装置，气体室的 光输出端通过光纤_波导耦合装置与上载波导相接，多个光探测器与多个下载波导分别连 接，在上载波导和下载波导之间设有由多个微谐振环组成的微谐振环阵列。所述的微谐振环为圆环形或跑道形，多个微谐振环呈一行依次排列。光源采用红外激光器，输出功率为2-150mW，红外激光的波长为700nm 3000nm， 微谐振环波导的有效折射率为2. 3836，上载波导和微谐振环以及下载波导和微谐振环之间 的距离为耦合间隔，光探测器采用掺锗光探测器。本发明的技术构思为本发明主要通过测量多种气体特征吸收光谱的光波在通过气体前后的光强变化 来测量出气体的浓度。我们知道，在气体分子内，原子的振动会激发或吸收一定的光子能 量，这种光子能量不足以激发原子中的电子。原子振动所具有的能量与之吸收或激发光子 的能量相对应，这一系列激发或吸收的不同能量的光子所对应的光谱即为该气体的吸收或 发射光谱，统称为特征光谱。气体的特征光谱一般在红外区域，其中近红外区域指波长范围 在800nm-5000nm的区域，而大部分气体的特征光谱位于近红外区域。本发明中研究的对象为气体，而被检测气体的特征吸收光谱将是重点分析的内容。由于每种气体的吸收谱线不 同，即便有多种气体混合在一起，也可以根据吸收谱特征把每种气体识别出来。气体的特征 吸收光谱可以利用光谱计算的理论公式或实验测定的方法获得，而科研人员已获得了大部 分常见气体的吸收光谱。当符合气体吸收光谱特征频率的光波通过待检测气体时，由于气体的选择性吸收，光波的光强会在吸收光谱区受到衰减。根据博格-兰伯特(Bouguer-Lambert)法则，光 探测器探测到的光通过气体后的光强为I = Ioe_aLP(1)其中，I为探测光通过气体后的光强，I0为光波通过气体之前的光强，α为该气体 的吸收系数，L为光波通过的气体长度，P为该气体的气压。由于气体的吸收系数为一常数 并且可以预先测定，气体的长度L可以直接测量出，因此测出了光波通过该气体前后的光 强值，就可以利用公式(1)计算出气体的气压，从而知道该气体的浓度。吸收光谱测量技术 具有测量结果精度高，测量速度快，灵敏度高，可靠性好，无材料损耗，维护简单的优点，而 且，光波之间不存在互相干扰，不受周围电磁环境的影响，对环境气候的要求很低。从(1)式分析可知，气体浓度的测量精度由光探测器的灵敏度、气体光路的长度 以及该气体吸收系数的大小决定。为了提高系统检测的精度，可以提高光探测器的光强探 测精度及延长气体探测距离。例如，对于浓度特别低的气体，可以采用延长气体光路的方法 加强吸收。按现行光探测仪器的测量精度为纳瓦，气体探测距离为米数量级，可以估算出该 种方法的测量精度可达PPB。有益效果本发明公开了一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法及探测器，首 先，宽谱光源或连续可调激光器发出的红外激光通过一个微型室，该微型室可以被抽为真 空或充满微量气体，其中微量气体作为待检测对象。接着，通过微型室后的红外激光被耦合 进由多个波导圆环型或跑道型微谐振环组成的微谐振环阵列。由于每个波导圆环或跑道型 微谐振环的周长不同，因此它们的共振波长会不同。通过设计，可以使阵列中每个微谐振环 的共振波长只对应待检测微量气体中的指定气体成分的特征吸收波长。宽谱激光光束进入 这些微谐振环阵列后会产生一系列的共振，其中微谐振环阵列的共振波长光会被相应的下 载波导耦合输出。最后，每个下载波导将光传输到相应的光探测器，通过比对光探测器在气 体通过真空和待检测微量气体后两者的光强差便可确定并计算出该气体的种类和含量。本发明的优点主要体现在以下方面1.可以同时筛选出待检测气体的多个特征波长的光。由于本发明首次采用微谐振 环阵列，不同气体或同一气体的不同特征波长的光可以通过微谐振环阵列分别从各自共振 的微谐振环下载波导耦合输出到各自的光探测器，因此，该种结构可以一次检测多种气体 或精确地分析同一气体的不同特征谱吸收情况。目前能够同时测量多种气体的微量气体检 测技术如光谱技术等需要用到庞大，昂贵的光谱分析仪，使系统无法便携化。2.可以提高气体检测的精度。通过控制微谐振环的周长能精确地选择微谐振环的 共振波长，并通过制作工艺的辅助，可以使微谐振环选择性输出的频谱宽度在pm-nm级别。 由于输出光频谱如此陡窄，气体在该共振波长处的轻微吸收也很容易被探测到，探测精度 达PPB级，因此可以解决目前常用气体检测器难以检测极低含量(小于PPM)的高毒性，强腐蚀性气体如氟化氢的难题。3.提高系统的集成度和便携度。微谐振环阵列可以利用目前常用的大规模半导体 制作工艺如CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor，互补型金属-氧化物半导 体)工艺方便地制作出来，制作中还能够利用与大规模制作工艺兼容的光探测器集成，整 个系统可以集成于一个微小的芯片上，因此，系统具 有小巧，轻便，价廉的特点。
图1是基于微谐振环阵列用于多种气体检测的示意图；图2是气体室的结构图(其中箭头方向为气体流动方向，虚线方向为光传播路径)；图3是微谐振环截面示意；图4为检测多种微量气体的系统结构框。标号说明1 激光器，2 传输光路或光纤，3 气体室，4 抽取或灌注气体装置，5 光纤-波导耦合装置，6 共用输入波导或上载波导，7 波导圆环形或跑道形微谐振环，8 下 载波导，9:光探测器；10 气体流入导管，11 气体阀门及抽真空装置，12 光路接口，13 密封装置；14 基底，15 绝缘层，16 覆盖层。
具体实施例方式以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。采用光波导微谐振环阵列作为分光仪器，单个光波导微谐振环系统是由一个封闭 的圆环型或跑道型微谐振环和两根直波导组成，其中一根直波导为光输入或上载波导，另 一根直波导为光下载波导。直波导与微谐振环之间的垂直距离为耦合间隙。在光波导微谐 振环系统中，直波导及构成微谐振环的弯波导都具有相同的截面尺寸和介质结构。当光沿 上载波导前进并到达波导与圆环相邻的区域时，光会耦合到圆环波导，即微谐振环。光在圆 环里循环传输时会形成驻波即共振波长，只有共振波长光才能通过下载波导输出。微谐振 环的共振波长由下式决定neffL = m λ(2)其中，nrff为光波导的有效折射率，L为谐振环的周长，m为谐振级次，λ为共振波 长。每个微谐振环可以有多个共振波长，相邻的第m级和第m+1级共振波长的间距为自由 光谱宽度(Free Spectral Range，FSR)。通过选择微谐振环的周长，可以使微谐振环共振 光谱中的一个共振波长与待检气体吸收光谱中的一个特征吸收波长相同，(见(2)式，通过 调节周长L，可以使微谐振环的共振波长与待检测的气体某个吸收波长相同)，并且通过控 制微谐振环的制作工艺，可以使下载端口输出的共振波长光的波谱宽度小到只有几十个皮 米。因此，利用一个微谐振环可以十分准确地把一种待测气体的某个特征吸收波长的光波 过滤出来。为了分离多种气体的特征吸收光波，需要采用多个微谐振环组成阵列，使每个微 谐振环分离出一种气体的特征吸收波长的光。首先，光从光源发出后进入气体室，一部分波 长的光波(对应于该气体的特征光谱)被气体强烈吸收，吸收后的激光被传输到共用上载 波导。共用上载波导里的光会与微谐振环阵列发生耦合，其中与第一个微谐振环对应的共振光会通过第一个微谐振环的下载波导耦合下载，余下的光波会继续沿着上载波导传输。 当光传输到第二个微谐振环时，与该微谐振环对应的共振光会被耦合下载。依次类推，n个 微谐振环可以对应n种待测气体。据此，每个微谐振环对应输出一种气体的特征波长的光， 因而微谐振环阵列可以分离出多种混合气体中每种气体的相应的特征吸收波长的光，从而 达到分光的目的。为了使微谐振环的共振波长与气体的特征吸收波长对应，微谐振环的周 长或谐振环波导的有效折射率须严格控制。(见(2)式，通过调节周长L或有效折射率nrff， 可以使微谐振环的共振波长与待检测气体的某个吸收波长相同，其中有效折射率与波导的 结构及介质折射率有关。)通过设计和微制作工艺，可以使每个微谐振环的共振波长只包 含一种气体的特征吸收波长。如图1为从多波长输入光中分离出所需要的一系列波长光并 被探测的装置示意图。图2为气体室示意图。气体室由气体容器，气体抽取和灌注装置，密 封装置，光输入和光输出接口组成。图3为微谐振环阵列中一个微谐振环及其耦合波导的 截面示意图。微谐振环截面的最底层为基底，一般由晶体硅组成，基底之上为绝缘层，一般 为二氧化硅，用于阻止波导层的光向基底泄露。绝缘层之上为波导层，由晶体硅组成，如图3 显示为上载波导，谐振环，及下载波导的截面，其中上载波导和下载波导分别与微谐振环的 距离均为耦合间距。波导层由覆盖层如二氧化硅所覆盖。需要指出的是，微谐振环阵列也 可以由其它波导材料系统如polymer，III-V族等组成。整个气体检测系统主要由如下的设备组成宽谱激光光源或连续可调激光光源及 控制电路，传输光路，气体室，耦合及传输光路，分光装置和光探测器等。目前，半导体可调二极管激光光源可以提供近红外单一波长激光或近红外某一波 段的激光，其波长可调范围为700nm 3000nm，而一般所研究的大部分气体如02，N02, HF， HBr, H20, C2H2，NH3, CO, C02, H2S，CH4，HC1等的吸收谱均处于近红外。同时，二极管激光器是 全固体器件，体积小，在室温下运行，可靠性超过5年，且功率可至几百毫瓦。导光光路采用 单模光纤来传输光束，这样激光光束不受外部环境的干扰，移动或改变光路比较方便。激光 探测装置选用半导体光探测器，它具有灵敏度高，反应速度快，小巧轻便，价格低廉，容易集 成的优点。微谐振环阵列和光探测器可以基于S0I材料系统并利用标准的CMOS工艺制作， 或选用其它材料如polymer或sol-gel等制作。有了精准的波长分光装置，便可以利用宽 谱激光光源或连续可调激光光源输入激光，使激光束通过气体室，并利用微谐振环阵列将 需测量的光谱分离出来。接着，光束通过波导或光纤连接到一系列的光探测器上。当气体室 为真空时各个光探测器的光强读数设为初始光强。通过待测气体后光探测器上的读数为气 体吸收后的光强。由于在设计中每种气体与微谐振环阵列中的一个微谐振环的输出对应， 即微谐振环预定共振波长与某种气体的特征吸收光波长一致，若光束通过气体前后的光探 测器读数差大于设定的阈值，说明气体在此波长处强烈吸收，该微谐振环的共振波长即为 气体的特征吸收光波长，因此可以确定气体室中含有该种气体成分。微谐振环的结构确定 后，它所对应的共振波长也即确定了，因此，在微谐振环的设计与制作中可以使每一个微谐 振环与气体的一个吸收波长对应，从而使该微谐振环的输出对应一种气体的吸收。根据公 式(1)，知道了每种特征光波长对应的光通过和未通过气体前后光探测器的光强读数差，便 可以计算出该种气体的浓度。整个测量系统的框图如图4所示.实施例1 下面为一个具体的实施例激光器选用T0PICA公司的DL-DFB 二极管激光器，其波长可调范围为760nm-3000nm，输出功率为2_150mW，光束输出后通过单模光纤连接到气 体室，气体室集成有光纤输入和输出接口，两个接口分别在气体室的两侧，其距离为气体室 的长度，在本实例中为100mm。气体室充满气体后的压强为一个大气压。由于光纤中的光 从气体室光纤输入端口进入气体室后会发散，输出端口连接的光纤所接收的光强大小将与 光纤纤芯大小，纤芯端面形状，气体室长度，及气体所造成的衰减有关。假设气体室由CO2, CO, NH3, H2S, HF等气体组成。它们在近红外的共振波长分别是1. 4 μ m，1. 58 μ m, 1· 512 μ m， 1. 577μπι，1. 31μπι。微谐振环阵列由SOI (Silicon-On-Insulator)材料系统构成，其基 底为单晶硅，厚度约为750 μ m,绝缘层是二氧化硅，厚度为3 μ m,波导层是单晶硅，厚度为 200nm，波导的截面尺寸为500nmX 200nm，其有效折射率为2. 3836，顶层为覆盖层，材料仍 是二氧化硅，厚度为3 μ m。上载波导和下载波导分别与微谐振环的耦合间隔均为300nm。微 谐振环阵列由5个微谐振环系统组成，它们的半径分别为29. 27 μ m, 29. 18 μ m, 29. 40 μ m， 29. 46 μ m, 29. 22 μ m,分别对应上述五种气体的共振波长。微谐振环 阵列可以通过现有的 大规模半导体制作工艺如CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor，互补型金 属-氧化物半导体)制作工艺来制作。通过控制制作工艺，上述微谐振环的输出共振波长 的带宽均可以控制在0. 5nm以内。需要指出的是，由于一种气体具有多个共振波长，且不同 气体的共振波长有可能互相重叠，因此，在选择微谐振环半径时，尽可能使一个微谐振环只 输出一种气体的吸收波长。但是，若不同气体的特征光谱在测量光谱区有重叠且无法避开， 可以利用两个或以上的谐振环来输出不同种气体的共振特征波长，从而达到准确地识别不 同气体的目的。从气体室出射的光纤与微谐振环系统的上载波导通过光纤_波导耦合器耦 合。光探测器由掺锗(Ge-On-Silicon)光探测器或InGaAs PIN光电二极管实现，探测波长 范围为 0. 9-1. 6 μ m。掺锗(Ge-On-Silicon)光探测器可以利用CMOS技术与SOI微谐振 环阵列集成。当可调激光器输出的光束进入气体室并传输到微谐振环阵列时，由于每个微 谐振环对应一种待测气体的共振波长，与该微谐振环连接的光探测器将会探测到该波长处 光的强度变化。在测量时，首先让气体室为真空，分别记下各个微谐振环对应的光强值，然 后让气体室充满待测气体，再分别记下各个微谐振环对应的光强值，根据公式(1)便可分 别获得各个微谐振环所对应气体的浓度。
权利要求
一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法，其特征在于，具体步骤为将宽谱光源或连续可调激光器发出的红外激光通过一个用于充入待测气体的气体室，气体室外设有由多个圆环形或跑道形的微谐振环组成的微谐振环阵列，由于上述不同的微谐振环因具有不同的周长或折射率而具有不同的共振波长，因此，通过气体室后的红外激光中的共振波长光会被相应的微谐振环的下载波导耦合输出，再由光探测器检测耦合输出光的光强，每一个微谐振环的下载波导对应一个光探测器；再由公式计算出某一种待测气体的气压P，式中I为由光探测器检测得到的光波通过气体后的光强，I0为由光探测器检测得到的光波通过气体之前的光强，L为红外激光在气体室中穿过待测气体的长度，α为该种待测气体的吸收系数，α为已知常数，最后根据待测气体的气压P与待测气体浓度的对应关系最终得到待测气体浓度。FDA0000023403430000011.tif
2.根据权利要求1所述的基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法，其特征在 于，所述的微谐振环阵列由2-20个不同周长的微谐振环组成。
3.一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测器，其特征在于，用于发出红外激 光的光源通过光路或光纤与气体室的光输入端相接，气体室上设置有抽取或灌注气体装 置，气体室的光输出端通过光纤-波导耦合装置与上载波导相接，多个光探测器与多个下 载波导分别连接，在上载波导和下载波导之间设有由多个微谐振环组成的微谐振环阵列。
4.根据权利要求3所述的基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测器，其特征在 于，所述的微谐振环为圆环形或跑道形，多个微谐振环呈一行依次排列。
5.根据权利要求4所述的基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测器，其特征在 于，光源采用红外激光器，输出功率为2-150mW，红外激光的波长为700nm 3000nm，微谐振 环波导的有效折射率为2. 3836，上载波导和微谐振环以及下载波导和微谐振环之间的距离 为耦合间隔，光探测器采用掺锗光探测器。
全文摘要
本发明提出一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法及探测器，该方法为红外激光先通过气体室，再进入设有由多个圆环形或跑道形的微谐振环组成的微谐振环阵列进行耦合分光，通过气体室后的红外激光中的共振波长光会被相应的微谐振环的下载波导耦合输出，再由光探测器检测耦合输出光的光强，根据光强的变化检测出待测气体的成分和浓度。探测器的结构为光源通过光路或光纤与气体室相接，气体室的光输出端通过光纤-波导耦合装置与上载波导相接，多个光探测器与多个下载波导分别连接，上载波导和下载波导之间设有微谐振环阵列。本发明构思巧妙，可以同时检测多种气体，检测精度高，可实现探测器的集成化与便携化。
文档编号G01J1/00GK101871879SQ201010228839
公开日2010年10月27日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者丁家峰, 杨兵初, 许雪梅, 邓宏贵, 陶少华 申请人:中南大学