一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置及方法

本发明属于光学气体检测领域，具体涉及一种基于微纳光纤阵列的气体检测装置及方法。

背景技术：

1、光热光谱(photothermal spectroscopy,pts)技术因其超高的检测灵敏度等优势受到了研究者们的广泛关注。其采用“泵浦光-探测光”双光源配置，泵浦光被气体吸收从而加热了传感介质并导致了探测光的相位调制，这一过程被称为“光热效应”。而从探测光的相位中可以解调出谐波信号并用其反演待测气体的浓度。目前的传感介质多基于自由空间光束和空芯光纤，前者对工业强振动环境的抵抗力较差，后者会造成较长的响应时间，且二者皆体积较大，成本较高，不利于大规模生产。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置及方法，其可以实现高灵敏、快速响应的气体传感，并且可以进行较低成本的大规模生产。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置，包括：

4、光发射组件、第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光学移频模块、光转换组件；

5、所述光发射组件与所述光学移频模块和所述光转换组件连接；

6、所述光发射组件与第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光转换组件依次连接；

7、其中，所述微纳光纤阵列气室中包括微纳光纤传感阵列结构。

8、进一步的，所述光发射组件包括泵浦光发射模块、探测光发射模块和第二单模光纤耦合器；

9、所述第二单模光纤耦合器用于将所述探测光模块发出的探测光分成两束；

10、所述泵浦光发射模块7和所述探测光发射模块11同侧设置；

11、进一步的，所述光转换组件包括：第三单模光纤耦合器、光电探测器、信号解调分析模块；

12、所述第三单模光纤耦合器、光电探测器、信号解调分析模块依次连接。

13、进一步的，所述信号处理模块中包括示波器、频谱仪、锁相放大器，用于将拍频电信号解调成二次谐波信号。

14、进一步的，所述微纳光纤阵列气室包括：气口、筛网、玻璃板、u型玻璃槽、锥形微纳光纤、标准单模光纤；其中，被固定于所述玻璃板上的多个u型玻璃槽以及其内部封装的微纳光纤构成了微纳光纤传感阵列结构。

15、进一步的，所述微纳光纤传感阵列结构的制备流程为：

16、取适当长度的标准单模光纤，用剥线钳去除其表面的涂覆层约4-5cm长度，随后用无尘纸蘸取高浓度酒精将光纤表面擦拭干净；使用氢氧焰熔融拉锥机对剥去涂覆层的单模光纤进行拉锥处理，设置合适的参数拉制出锥腰直径约1μm，过渡区长度为3-4cm，锥腰长度约1cm的微纳光纤；用紫外胶水将拉制完成的微纳光纤固定于u型玻璃槽内，并将玻璃槽用双面胶固定于玻璃板上；重复上述操作即可在单个玻璃板上制成s型的微纳光纤阵列。

17、本发明还提供了一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测方法包括：

18、将探测光与泵浦光输入到微纳光纤阵列气室内；

19、待测气体选择性吸收泵浦光导致的局部折射率调制会相应地调制探测光的相位，取得探测光相位的变化并将其解调成二次谐波信号；

20、最终通过二次谐波信号的幅值可以反演推算出待测气体的浓度。

21、进一步的，通过单模光纤耦合器将探测光和泵浦光进行合束后输入到微纳光纤阵列气室内。

22、本发明的技术效果：

23、1.利用亚波长直径的锥形微纳光纤代替传统的空间光束和空芯光纤，极大地减小了传感气室的体积与系统的响应恢复时间。微纳光纤稳定的结构也增强了传感器系统的稳定性，其较为简易的制备也大幅度降低了工艺成本。

24、2.采用s型级联的方式将数根锥形微纳光纤封装并固定在统一的基座上，制成微纳光纤阵列传感气室。这在一定程度上增大了有效传感长度，进一步地增加了系统的传感灵敏度。

25、3.采取了“泵浦光-探测光同向传输”的结构，规避了“双光源相对传输”结构中高功率泵浦光和探测光损坏激光器元件的风险。“同向传输”结构可以取消隔光学隔离器、光学环形器等无源器件，降低了系统成本并使其更加紧凑。

26、4.利用光学移频器搭建光学外差干涉结构，对气体吸收造成的传感信号进行提取并用谐波信号表征气体浓度信息。取消了零差干涉仪中用来稳定正交工作点的主动控制元件(例如基于pzt的伺服控制回路)，通过减少系统机械结构而增加了系统的稳定性。

技术特征：

1.一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述光发射组件包括泵浦光发射模块(7)、探测光发射模块(11)和第二单模光纤耦合器(82)；

3.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述光转换组件包括：第三单模光纤耦合器(83)、光电探测器(13)、信号解调分析模块(14)；

4.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述信号处理模块(14)中包括示波器、频谱仪、锁相放大器，用于将拍频电信号解调成二次谐波信号。

5.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述微纳光纤阵列气室(9)包括：气口(1)、筛网(2)、玻璃板(3)、u型玻璃槽(4)、锥形微纳光纤(5)、标准单模光纤(6)；其中，被固定于所述玻璃板(3)上的多个u型玻璃槽(4)以及其内部封装的微纳光纤(5)构成了微纳光纤传感阵列结构。

6.根据权利要求1所述的光谱气体检测装置，其特征在于，所述微纳光纤传感阵列结构的制备流程为：

7.一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求1所述的气体检测方法，其特征在于，通过单模光纤耦合器将探测光和泵浦光进行合束后输入到微纳光纤阵列气室内。

技术总结
本发明提供一种基于微纳光纤阵列的光热光谱气体检测装置及方法，所述装置包括：光发射组件、第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光学移频模块、光转换组件；所述光发射组件与所述光学移频模块和所述光转换组件连接；所述光发射组件与第一单模光纤耦合器、微纳光纤阵列气室、光学窄带滤波器、光转换组件依次连接；其中，所述微纳光纤阵列气室中包括微纳光纤传感阵列结构。本发明使用微纳光纤用作核心传感元件，其可以实现高灵敏、快速响应的气体传感，并且可以进行较低成本的大规模生产。

技术研发人员：曾祥龙,邾毅
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14