基于侧面开孔空芯反谐振光纤的气体探测装置

1.本发明涉及气体探测技术领域，涉及一种基于侧面开孔空芯反谐振光纤的气体探测装置。


背景技术：

2.一方面，随着国家大力推进生态环境建设，应对环境污染和气候变化成为生态文明的重要事项，以激光作为基本探测介质的气体探测技术成为人们监测工业生产过程排放的有害气体污染和导致气候变化的温室气体的重要手段。另一方面，近年来发展了通过气体探测实现食品安全监测、人体疾病诊断的重要技术，使得气体探测技术的应用领域得到极大拓展。
3.激光光谱技术是实现高精度气体探测的重要技术，具有精度高、探测精度高、探测极限低、气体识别性能强等突出优势，通常采用窄线宽激光器、光气作用介质和光电探头等关键部件构成探测系统。近年来出现了采用空芯反谐振光纤作为光气作用介质的激光光谱气体探测技术。空芯反谐振光纤的导光原理是反谐振导光机理，即通过增强入射光在遇到包层薄壁时的反射，将光尽可能地束缚在纤芯中。与早期光子带隙空芯光纤相比，反谐振空芯光纤的模场直径一般比较大，因而传导模场中99.99％的光强会与空气重叠(光子带隙空芯光纤中约为99.8％)，提升了激光与气体作用效率。此外，反谐振空芯光纤的单模传输性能也得到较大的提高，这有利于对空芯光纤中光与气体的相互作用的稳定控制。
4.低损耗空芯反谐振光纤的使用可以在有限的空间内极大地增大激光和气体的作用距离，从而提高了气体探测灵敏。然而，基于空芯反谐振光纤在实现气体探测过程中存在很大的挑战：首先，由于空芯反谐振光纤的纤芯直径比较小(几微米到几十微米)，光纤的长度又比较长(几米到几百米)，气体从光纤的输入端到达输出端时，会受到比较大的阻力，气体从光纤外部进入光纤内部往往需要很长的时间才能达到一个平衡状态，从而极大的限制了气体探测的时间探测精度，导致气体探测响应时间延长到几分钟甚至几小时。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于侧面开孔空芯反谐振光纤的气体探测装置。
6.本发明包括侧面开孔空芯反谐振光纤、光纤绕芯、气体池、激光器、驱动器、光电探头和电路处理单元。
7.侧面开孔空芯反谐振光纤缠绕在光纤绕芯上，保持相邻每圈光纤不接触；所述光纤绕芯固定在气体池中，待测气体从气体池进气口进入，从气体池出气口出去；驱动器与激光器导线连接，实现对激光器的温控和电流驱动；激光器输出激光注入气体池，通过第一透镜耦合进入侧面开孔空芯反谐振光纤；从侧面开孔空芯反谐振光纤输出的激光通过第二透镜耦合进入光电探头；光电探头的输出端与电路处理单元导线连接，电路处理单元采集光电信号并进行处理；电路处理单元与驱动器导线连接，通过驱动器对激光器进行激光波长
调制；
8.所述的侧面开孔空芯反谐振光纤是在空芯反谐振光纤侧面进行周期性的开孔加工后得到，加工后的空芯反谐振光纤芯层和外界气体连通，能缩短纤芯内气体与环境气体的扩散平衡时间。
9.本发明的有益效果：
10.1、采用缠绕的空芯反谐振光纤作为激光和气体作用介质，实现了在有限的空间内实现尽可能大的激光和气体作用长度；由于空芯反谐振光纤的工作原理，空芯反谐振光纤侧面开孔及弯曲不会对激光传输产生过大的损耗，从而可以采用较长的光纤长度实现对气体探测探测精度、探测极限等指标的提升。
11.2、采用空芯反谐振光纤侧面开孔基于气体扩散原理实现了环境气体和纤芯气体的快速平衡，使得光纤长度不影响气体探测响应时间，从而同时保证气体探测系统的响应时间、探测精度、探测极限等指标。
12.3、通过激光加工实现空芯反谐振光纤侧面开孔，扩大了纤芯和环境气体的连通，缩短纤芯内气体与环境气体的扩散平衡时间，保障了采用较长距离空芯反谐振光纤的气体探测系统在响应时间、探测精度、探测极限方面的高水平指标。
附图说明
13.图1是一种空芯反谐振光纤的示意图；
14.图2是一种空芯反谐振光纤的横截面结构图；
15.图3是一种侧面开孔空芯反谐振光纤的示意图；
16.图4是一种侧面开孔空芯反谐振光纤的横截面结构图；
17.图5是侧面开孔空芯反谐振光纤的激光加工示意图；
18.图6是基于侧面开孔空芯反谐振光纤的气体探测装置图。
具体实施方式
19.结合图例说明本发明的具体实施方式。
20.以实现二氧化碳气体探测为例，对本发明作进一步说明：
21.首先本发明需要制作侧面开孔空芯反谐振光纤，其由一段空芯反谐振光纤加工得到，如图1所示，空芯反谐振光纤的工作波段为1.5-1.7微米，长度为100米，覆盖气体探测所需的激光波长1.572微米，其芯层为空气，约束包层为能够确保反谐振机制的6个横截面为圆环嵌套的微管(如图2所示)，外包层和芯层有空气连通区域，约束包层和外包层介质为石英玻璃。
22.如图5所示，将一段空芯反谐振光纤1放置在激光加工系统5-5中，两端由夹具5-3固定，夹具位于可移动平台5-4上，根据设定的程序对空芯反谐振光纤5-1侧面进行周期性的开孔加工，加工后空芯反谐振光纤1芯层和外界气体连通；将侧面开孔空芯反谐振光纤1放入光纤清洗系统清洗，去除激光加工中附着在空芯反谐振光纤上的残渣。加工后的侧面开孔空芯反谐振光纤如图3所示，其侧面开孔处的横截面结构如图4所示。
23.所述的一套激光加工系统为成熟商用激光加工系统，通常采用飞秒激光器5-2作为加工光源，能够对石英玻璃、聚合物等进行微纳加工；配置光纤夹具、旋转、移动等控制系
统；配置显微镜观测系统用于观测。
24.所述的一套光纤清洗系统为能用于光纤清洗的商用超声波清洗系统。
25.实现基于侧面开孔空芯反谐振光纤的气体探测装置，如图6所示，包括：一段侧面开孔空芯反谐振光纤6-4、一个光纤绕芯6-5、一个气体池6-3、一套激光器6-1、一套驱动器6-2、一个光电探头6-6、一个电路处理单元6-7。
26.侧面开孔空芯反谐振光纤6-4缠绕在光纤绕芯6-5上，保持相邻每圈光纤不接触；缠绕侧面开孔空芯反谐振光纤6-4的光纤绕芯6-5固定在气体池6-3中，待测气体从气体池3进气口6-10进入，从气体池3出气口6-11出去；驱动器6-2与激光器6-1导线连接，实现对激光器1的温控和电流驱动；激光器6-1输出激光注入气体池6-3通过第一透镜耦合6-8进入侧面开孔空芯反谐振光纤6-4，从侧面开孔空芯反谐振光纤4输出的激光通过第二透镜耦合6-9进入光电探头6-6；光电探头6-6的输出端与电路处理单元6-7导线连接，电路处理单元6-7采集光电信号并进行处理；电路处理单元6-7与驱动器6-2导线连接，通过驱动器6-2对激光器6-1进行激光波长调制。
27.所述的光纤绕芯主体为圆柱体结构，横截面为锯齿结构，使得光纤缠绕时尽量减少接触面积。
28.所述的激光器的激光波长在待测气体的特征吸收峰附近(1.572微米)，在电流驱动情况下能够在气体吸收峰附近波长扫描。
29.所述的气体池有进气口、出气口、激光入口和激光出口，激光入口和激光入口都配置透镜，使得激光输入能耦合到侧面开孔空芯反谐振光纤的输入端、从侧面开孔空芯反谐振光纤6-4输出端出来的激光能耦合到光电探头6-6中。
30.所述的电路处理单元集成高速采集、信号发生、锁相、数据处理及输出等电路功能。
31.开启激光器6-1，通过由电路处理单元6-7产生频率为10hz的三角波并叠加1khz的正弦波通过驱动器6-2实现激光器6-1输出波长调制，基于光电探测器6-6获取光信号，在电路处理单元6-7实现信号处理和数据处理，基于波长调制光谱技术成熟的算法获得待测二氧化碳气体的浓度为412ppm，系统响应时间优于3s，探测精度可达0.5ppm、探测极限优于0.2ppm。
32.综上，本发明提出了一种基于侧面开孔空芯反谐振光纤，通过激光加工实现空芯反谐振光纤侧面开孔，扩大了纤芯和环境气体的连同，缩短纤芯内气体与环境气体的扩散平衡时间。本发明的装置采用缠绕的空芯反谐振光纤作为激光和气体作用介质，实现了在有限的空间内实现尽可能大的激光和气体作用长度，采用较长距离空芯反谐振光纤的气体探测系统在方面的高水平指标。本发明具有响应时间短、探测精度高、探测极限水平高等优点，在温室气体探测、污染气体探测及人体呼出气体探测等领域具有重要的应用价值。