一種基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光傳感器領域，涉及一種基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器及氣體測量方法。
【背景技術】
[0002]微量氣體傳感器技術可對氣體的組分、濃度進行檢測，在環境監測、大氣物理以及危險氣體監測等領域有著重要的用途。石英增強光聲光譜傳感器是一種常見的氣體傳感器，在這種傳感器當中，傳感器的探測靈敏度與石英音叉處的激光功率成正比，因此，為了提高傳感器的探測靈敏度，一般均需要采用輸出功率較高的激光器，但到目前為止，常見的半導體激光器的輸出功率均小于50mW。
[0003]如果激光束在環形封閉光纖中進行循環傳輸，采用相位調制器，便可使得此種光纖構成光學諧振腔，光纖中的激光功率便可進行累積(多次通過石英音叉)，相當于光纖中存在增益，激光功率會一直增大，直至光纖中的損耗與增益相等時，激光功率便不再增長。這種光纖諧振腔會使得注入激光功率得到幾十倍，甚至幾百倍的放大。如果將石英音叉放入光纖合束器構成的光纖諧振腔中，那么光聲光譜氣體傳感器的探測靈敏度將會得到非常明顯的提尚。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種新型基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器及測量方法，利用光纖合束器構建光纖光學諧振腔，增大傳感器系統的有效激光功率，進而提高光聲光譜傳感器的探測靈敏度。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，由半導體激光源、光纖合束器、錐形光纖、石英音叉、相位調制器構成，其中:半導體激光源發射出的激光通過光纖合束器傳輸至錐形光纖處，錐形光纖穿過石英音叉的叉股，光纖合束器和相位調制器構成光纖諧振腔。
[0006]利用上述基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜氣體傳感器實現微量氣體傳感測量的方法，由以下步驟實現:
步驟一、半導體激光源發射出的激光輸入光纖合束器，經相位調制器后使得光纖合束器構成光學諧振腔，光纖內的激光功率得到放大增強，繼而使得錐形光纖處產生較強的光學倏逝場；
步驟二、待測目標氣體吸收錐形光纖處的倏逝波場能量，產生聲波場，石英音叉探測聲波信號，反演氣體濃度。
[0007]本發明針對微量氣體傳感探測，構建了一種新型基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其中光纖合束器和相位調制器構成了光纖諧振腔，光纖中的激光功率可進行累積(多次通過石英音叉)，有效地提高了激光激發功率，進而極大地改進了光聲光譜氣體傳感器的探測靈敏度。
【附圖說明】
[0008]圖1為基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0010]【具體實施方式】一:如圖1所示，本實施方式提供的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器由半導體激光源1、光纖合束器2、錐形光纖3、石英音叉4、相位調制器5構成，所述錐形光纖3穿過石英音叉4的叉股，半導體激光源I發射出的激光通過光纖合束器2傳輸至錐形光纖3處，在錐形光纖3處產生較強能量的倏逝波場，同時相位調制器5使得光纖合束器2構成光學諧振腔，用以進一步增強倏逝波場能量，待測氣體吸收倏逝波場的能量而產生聲波，石英音叉4接受聲波信號，反演氣體濃度。
[0011]本實施方式中，所述光纖合束器2為2束合I束結構。
[0012]本實施方式中，所述光纖合束器2為單模光纖。
[0013]本實施方式中，所述錐形光纖3對半導體激光的傳輸損耗小于ldb/km。
[0014]本實施方式中，所述錐形光纖3由單模光纖拉制而成，束腰直徑小于ΙΟμπι，束腰長度I?10mm，光纖折射率必須小于2。
[0015]本實施方式中，所述石英音叉4的叉股間隙不大于300μπι，且不能小于ΙΟμπι。
[0016]本實施方式中，所述石英音叉4的共振頻率不大于50kHz。
[0017]本實施方式中，所述石英音叉4的Q值必須大于5000(I個大氣壓下)。
[0018]本實施方式中，所述相位調制器5的調制頻率不低于10MHz，損傷閾值不低于500mffo
[0019]【具體實施方式】二:本實施方式提供了一種利用基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器實現微量氣體濃度測量的方法，由以下步驟實現:
步驟一、半導體激光源I發射出的激光輸入光纖合束器2，經相位調制器5后使得光纖合束器構成光學諧振腔，光纖內的激光功率得到放大增強，繼而使得錐形光纖3處產生較強的光學倏逝場；
步驟二、待測目標氣體吸收錐形光纖處的倏逝波場能量，產生聲波場，石英音叉4探測聲波信號，反演氣體濃度。
[0020]本實施方式中，待測目標氣體濃度不能低于ppb量級。
[0021 ]本實施方式中，待測目標氣體成分由激光器輸出波長決定。
[0022]本實施方式中，倏逝波場的能量放大倍數是由光纖合束器的增益、損耗及錐形光纖的損耗共同決定的。
【主權項】
1.一種基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器由半導體激光源、光纖合束器、錐形光纖、石英音叉、相位調制器構成，其中:半導體激光源發射出的激光通過光纖合束器傳輸至錐形光纖處，錐形光纖穿過石英音叉的叉股，光纖合束器和相位調制器構成光纖諧振腔。2.根據權利要求1所述的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述光纖合束器為2束合I束結構。3.根據權利要求1所述的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述光纖合束器為單模光纖。4.根據權利要求1所述的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述錐形光纖對半導體激光的傳輸損耗小于ldb/km。5.根據權利要求1所述的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述錐形光纖由單模光纖拉制而成，束腰直徑小于ΙΟμπι，束腰長度I?10mm，光纖折射率小于2。6.根據權利要求1所述的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述石英音叉的叉股間隙不大于300μπι，且不能小于ΙΟμπι。7.根據權利要求1所述的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述石英音叉的共振頻率不大于50kHz，Q值大于5000。8.根據權利要求1所述的基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器，其特征在于所述相位調制器的調制頻率不低于100MHz，損傷閾值不低于500mW。9.一種利用權利要求1-8任一權利要求所述基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜氣體傳感器實現微量氣體傳感測量的方法，其特征在于所述方法由以下步驟實現: 步驟一、半導體激光源發射出的激光輸入光纖合束器，經相位調制器后使得光纖合束器構成光學諧振腔，光纖內的激光功率得到放大增強，繼而使得錐形光纖處產生較強的光學倏逝場； 步驟二、待測目標氣體吸收錐形光纖處的倏逝波場能量，產生聲波場，石英音叉探測聲波信號，反演氣體濃度。10.根據權利要求9所述的利用基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜氣體傳感器實現微量氣體傳感測量的方法，其特征在于所述待測目標氣體濃度不能低于PPb量級。
【專利摘要】本發明公開了一種基于光纖諧振腔的倏逝波型光聲光譜微量氣體傳感器及測量方法，所述傳感器由半導體激光源、光纖合束器、錐形光纖、石英音叉、相位調制器構成，其測量方法如下：步驟一、半導體激光源發射出的激光輸入光纖合束器，經相位調制器后使得光纖合束器構成光學諧振腔，光纖內的激光功率得到放大增強，繼而使得錐形光纖處產生較強的光學倏逝場；步驟二、待測目標氣體吸收錐形光纖處的倏逝波場能量，產生聲波場，石英音叉探測聲波信號，反演氣體濃度。本發明有效地提高了激光激發功率，進而極大地改進了光聲光譜氣體傳感器的探測靈敏度。
【IPC分類】G01N21/17
【公開號】CN105548023
【申請號】CN201510990762
【發明人】馬欲飛, 于欣, 陳默然, 李旭東, 彭江波, 何應, 閆仁鵬, 樊榮偉, 董志偉, 李曉暉, 陳德應
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月28日