一種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法

2023-05-27 05:35:26 2

專利名稱：一種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法，屬於光電檢測技術領域。
背景技術：
目前世界上很多國家都將環境保護作為ー項基本國策，並建立相應的組織對環境汙染進行檢測和控制。而對氣體濃度和組分的檢測與控制更是當今傳感技術發展領域的重要前沿課題(文獻1.王琳琳，北京大氣汙染特徵研究[D]，山東大學，2011)。在實際應用中，尤其是對低濃度有毒氣體的快速、實時、高靈敏度、高精度遠程檢測，是眾多科學研究者所追求的目標。傳統的氣體檢測技術通常是基於非光學的檢測，容易受到其他氣體成分的交叉敏感和敏感膜表面汙染等不利因素的影響，而且其響應比較遲鈍，可重複利用率低，使用壽命較短，難以實現連續實時在線檢測。因此，發展高靈敏度而且有效的氣體檢測手段成為傳感技術領域中一個特別重要的課題。光譜吸收型光纖氣體傳感器是光譜分析技術與現代光纖技術相結合的產物。每ー種氣體都有固有的吸收譜(文獻2.L.S.Rothman, 1.E.Gordon, A.Barbe， et al.The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database[J].Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer, 2009， 110:533-572.)，當光源的發射光波長與氣體的吸收光波長相吻合時，就會發生共振吸收，其吸收強度與該氣體的濃度有關，通過測量光的吸收強度即可反演待測氣體的濃度。由於其測量信號的載體是光波，對被測環境幹擾小，特別是其傳感探頭不帶電、本質防爆的特點，可適用於易燃易爆氣體的エ業在線檢測。目前，光譜吸收型光纖氣體傳感器是研究的最多並接近於實用化的一種氣體傳感器(文獻3.吳兵兵，呂垚，戴基智等，光纖氣體傳感檢測技術研究[J]，雷射與紅外，2009，39(7):707-712.)。然而在實際測量中，為了提高傳感器測量的靈敏度，尤其是氣體濃度較小時，應儘可能的増加吸收路徑的長度，但是隨著吸收路徑長度的増加，光纖準直器的製造エ藝變得複雜而難以實現，光功率損耗也變得比較嚴重，所以不能無限制的增加氣室的長度(文獻4.Y.Zhao, L.Bai, Y.N.Zhang, et al.Reviewon structures and principles of gas cells in the absorption spectrum-basedoptical fiber gas sensor systems [J].1nstrument Science & Technology, 2012,40(5): 381-401.)。為了實現微型化且易於實現的高靈敏度氣體濃度實時在線測量方法，2007年丹麥學者提出利用光子晶體作為氣室進行氣體濃度測量的方法(文獻5.N.A.Mortensen, S.b.Xiao, blow-light enhancement of Beer-Lambert-Bouguer absorption [J].AppliedPhysics Letters, 2007, 90: 141108.)。由於光子晶體自身的結構色散特性，光在光子晶體中以慢光(即傳播速度遠小於真空中的光速c)的形式往前傳播，理論仿真結果表明，通過引入光子晶體慢光可以增加光與待測氣體之間的吸收作用，從而極大的提高氣體檢測的靈敏度，實現微型化、高靈敏度的氣體濃度測量(文獻6.D.Pergande, T.M.Geppert, A.von Rhein, et al.Miniature infrared gas sensors using photonic crystals [J].Journal of Applied Physics, 2011, 109: 083117.)。但是在常規的光子晶體中，光能量一般都局域在高介電常數的介質中，這就極大的限制了光與低折射率被測介質的相互作用，很大程度上限制了光子晶體在氣體傳感器中的應用。此外，在普通的光子晶體慢光器件中，群折射率隨波長的變化會非常迅速，嚴重影響了傳感系統的穩定性，而且ー個光子晶體慢光器件往往只能用於對某種特定待測氣體進行探測。此外，在光子晶體的製備過程中普通存在空氣孔半徑製備誤差的問題，這將嚴重影響光子晶體的慢光特性(文獻7.ff.W.bong, R.A.丄nteglia， ff.Jiang, blow light loss due to roughness m photoniccrystal waveguides: An analytic approach [J].Physical Review B, 2010, 82(3):235306.)，進而影響光子晶體在氣體傳感系統中的使用。

發明內容
(一)要解決的技術問題
本發明的目的在於克服已有技術的不足之處，提出ー種結構簡單、易於實現、靈敏度高、體積小、穩定性好、且能對多組分氣體濃度進行測量的方法。(ニ)技術方案
為了達到上述目的，本發明提出一種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法，包括傳感單元、信號處理單元以及連接它們的光纖鏈路和計算機系統，所述的傳感單元包括雷射器、氣室、電流控制系統以及信號發生器，其特徵在幹:所述的氣室是由光子晶體槽波導構成的，光子晶體槽波導能在多種待測氣體的吸收波長處產生具有高群折射率、寬帶寬、性能穩定的慢光現象；所述的信號處理單元包括一個探測器和一個鎖相放大器；電流控制系統受到信號發生器發出的正弦電信號的控制，輸出的正弦調製電流將加載在雷射器的直流驅動電流上，實現對雷射器輸出波長的調製，調製後的光信號將被發送至由光子晶體槽波導構成的氣室，部分光信號會被光子晶體槽波導中的待測氣體吸收，其餘未被吸收的光經過光電探測器轉換為電信號後輸送給鎖相放大器作為測量信號，而鎖相放大器同時還受到信號發生器發出的與電流控制系統接收到的調製頻率相同的正弦電信號並將其作為參考信號，最後，鎖相放大器輸出的電信號由串ロ傳送至與其相連的計算機系統進行數據的採集、處理以及顯示。上述方案中，所述的雷射器，其工作波長為1565nm至1575nm,可輸出功率最大為IOmff的光信號；所述的電流控制系統，其輸出電流可從20mV變化到125mV ;所述的信號發生器可實現雙通道任意波形輸出，其中正弦波最高輸出頻率為20MHz，輸出電壓峰峰值為2mV至10V ;所述的光電探測器工作波長為IlOOnm至1650nm，響應度為0.95A/W ;所述的鎖相放大器型號為SR830，其工作頻率範圍為ImHz至102.4kHz ;所述的光纖鏈路2和4為普通單模光纖，芯徑為9 ii m,包層直徑為125 u m,並將其與光子晶體槽波導氣室連接處的光纖端ロ進行剝離拉錐エ藝製作成為光纖透鏡，其錐形角度為30°至40°，曲率半徑為4至6iim，剝纖長度為12至13mm，起到對光束的準直和聚焦的作用。上述方案中，所述的光子晶體槽波導結構是先在普通的矽介質背景上刻蝕等邊三角形排列的空氣孔形成ニ維三角晶格光子晶體，再將中間ー排沿X方向的空氣孔替換為ー個寬度為 ,=0.32a的空氣槽而構成的，空氣孔的半徑r=0.30a (其中a=447nm為光子晶體的晶格常數，即相鄰空氣孔之間的間距)，背景介質矽厚度A=220nm，有效折射率為/7=2.87。在光子晶體槽波導中最靠近空氣槽的第一排空氣孔內填充ー種折射率的液體，並在最靠近空氣槽的第二排空氣孔內填充另一種折射率的液體，通過調節兩種填充液體的折射率大小，從而有效地改善光子晶體槽波導的色散曲線，以實現高群折射率、寬帶寬、波長可調、性能穩定、不受空氣孔半徑製備誤差影響的慢光特性。所填充的液體折射率隨液體種類的不同，可以在1.33到2.0之間變化，將填充有液體的光子晶體槽波導放在裝有甲苯的容器中浸泡5分鐘左右後取出，即可將液體移除，並可繼續填充其它不同折射率的液體。(三)有益效果
從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
1)本發明提出的這種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法，將光子晶體槽波導作為氣室，利用其慢光特性可實現對氣體濃度的高靈敏度、遠程實時檢測，同時減小了傳感氣室的體積；
2)利用液體填充光子晶體槽波導中最靠近空氣槽的兩排空氣孔可以實現高群折射率、寬帶寬、性能穩定、不受空氣孔半徑製備誤差影響的慢光特性，提高了氣體濃度測量的穩定性。此外，通過選擇填充不同折射率的液體來調諧慢光的工作波長，使其對應不同種類氣體的吸收波長，可以實現對多組分氣體的高靈敏度檢測；
3)信號處理採用的是諧波檢測方法，利用互相關原理，使輸入的周期性測量信號與頻率相同的參考信號在相關器中實現互相關，將深埋在噪聲中的周期信號攜帯的幅值信息檢測出來，可以消除雜散光的幹擾，克服エ頻幹擾的影響，避開I//低頻噪聲。本發明將提取出的一次諧波信號和二次諧波的比值作為系統的輸出，可以消除由於光源波動、光纖傳輸損耗等造成的測量誤差，進ー步提高了測量精度。


圖1為本發明提供的基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量系統示意 圖2為本發明提供的光子晶體槽波導結構 圖3為本發明提供的光子晶體槽波導色散曲線；
圖4為本發明提供的光子晶體槽波導在不同折射率的填充液體下的群折射率曲線；
圖5為本發明提供的光子晶體槽波導在yz橫截面上的模場分布 圖6為光子晶體槽波導的空氣孔半徑為0.29a,0.30a和0.31a時的群折射率曲線，其工作波長為1567nm，對應CO吸收峰波長。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明的具體結構、原理以及性能優化過程作進ー步的詳細說明。圖1為本發明提供的基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量系統整體結構示意圖。雷射器的注入電流受到信號發生器發出的頻率為IKHZ的正弦電信號的調製，所以，從雷射器發出的將為頻率為IKHz的正弦光信號，該正弦光信號由光纖透鏡耦合進入充有待測氣體的光子晶體槽波導氣室，部分光信號將被吸收，未被吸收的光信號又經光線透鏡被送至光電探測器，經過光電轉換後，送至鎖相放大器的測量信號端ロ。需要說明的是，信號發生器同樣還發出ー個頻率為IKHz的正弦電信號送至鎖相放大器的參考信號端ロ。最後，鎖相放大器輸出的電信號經串ロ送至與其相連的計算機系統進行數據採集、處理和
顯不o由朗伯-比爾定律，當一束光強為10的平行光通過充有氣體的氣室時，如果光源覆蓋待測氣體的吸收峰，光通過氣體時就會發生衰減。輸出光強_|，輸入光強- 和氣體濃度之間的關係可用朗伯-比爾定律表示為:
權利要求
1.一種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法，包括傳感單元、信號處理單元以及連接它們的光纖鏈路和計算機系統，所述的傳感器單元包括雷射器1、氣室3、電流控制系統13以及信號發生器11，其特徵在於:所述的氣室3是由光子晶體槽波導構成的；所述的信號處理單元包括一個探測器5和一個鎖相放大器7 ;電流控制系統13受到信號發生器11發出的正弦電信號的控制，輸出的正弦調製電流將加載在雷射器I的直流驅動電流上，調製後的光信號經過傳輸光纖2送至氣室3，部分光信號會被氣室3中的待測氣體吸收，其餘未被吸收的光經過光電探測器5轉換為電信號後輸送給鎖相放大器7作為測量信號，而鎖相放大器7同時還受到信號發生器11發出的與電流控制系統13接收到的調製頻率相同的正弦電信號並將其作為參考信號，最後，鎖相放大器7輸出的電信號由串ロ傳送至計算機系統9進行數據的採集、處理以及顯示。
2.按權利要求1所述的ー種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法，其特徵在於:所述的雷射器I，其工作波長為1565nm至1575nm，可輸出功率最大為IOmW的光信號；所述的信號發生器11可實現雙通道任意波形輸出，其中正弦波最高輸出頻率為20MHz ;所述的光電探測器工作波長為IlOOnm至1650nm，響應度為0.95A/W ;所述的鎖相放大器7型號為SR830，其工作頻率範圍為ImHz至102.4kHz ;所述的光纖鏈路2和4為普通單模光纖，芯徑為9mm,包層直徑為125mm。
3.按權利要求1所述的ー種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法，其特徵在於:所述的氣室3中，光子晶體槽波導的晶格常數a=447nm，空氣孔的半徑r=0.30a，空氣槽寬度外=0.32a，背景介質矽厚度A=220nm，通過在最靠近空氣槽的第一排和第二排空氣孔中分別填充不同折射率的液體來優化光子晶體槽波導的慢光特性，實現了群折射率最高可達150的寬帶慢光，根據填充液體的不同，慢光的工作波長可在1564nm至1574nm範圍內調節，而且慢光特性不受空氣孔半徑製備誤差的影響。
全文摘要
本發明提出了一種基於光子晶體槽波導的多組分氣體濃度測量方法。由雷射器1、氣室3、探測器5、鎖相放大器7、信號發生器11、電流控制系統13和計算機系統9組成。其特點是氣室3由光子晶體槽波導構成，利用其慢光特性增加光與待測氣體之間的接觸作用，通過在光子晶體槽波導兩側的空氣槽中填充不同折射率的液體，獲得高群折射率、寬帶寬、波長可調且不受空氣孔半徑製備誤差影響的慢光特性，實現對多組分氣體濃度的高靈敏度測量，並結合諧波檢測信號處理方法，避免了噪聲幹擾、光源波動、光纖傳輸損耗等引入的測量誤差，提高了測量精度。
文檔編號G01N21/31GK103091268SQ20131001063
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月12日 優先權日2013年1月12日
發明者趙勇, 張亞男 申請人:東北大學