本实用新型专利技术公开了一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置。该装置主要由充有危险气体的人工表面等离子体波导和透射式太赫兹时域谱装置构成。甲烷、乙烷以及苯类挥发物等危险气体在太赫兹波段具有独特的指纹吸收谱，该装置利用人工表面等离子体波导对太赫兹波的局域增强作用，有效提高危险气体太赫兹吸收谱的检测灵敏度，同时具有检测时间短、可在室温下工作等特点，可广泛应用于危化品生产、应用、输送、装卸和储藏保管过程对特定危险气体的监测及预警。
A high sensitivity terahertz spectrum detection device for dangerous gases
The utility model discloses a high sensitivity terahertz spectrum detection device for dangerous gases. The device is mainly composed of an artificial surface plasma waveguide filled with dangerous gases and a transmission terahertz time domain spectrometer. Methane, ethane, benzene volatiles and other dangerous gases have unique fingerprint absorption spectra in terahertz band. The device can effectively improve the detection sensitivity of Terahertz Absorption Spectra of dangerous gases by using the local enhancement effect of artificial surface plasmon waveguide on terahertz wave, and has the advantages of short detection time and working at room temperature. It can be widely used in the monitoring and warning of specific dangerous gases during the production, application, transportation, loading, unloading and storage of dangerous chemicals.
【技术实现步骤摘要】
一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置
本技术属于太赫兹波技术应用领域，特别涉及利用太赫兹波对气体的透射特性进行不同物质特征分析检测。
技术介绍
太赫兹波(terahertzwave)是指频率为0.1～10.0THz(1THz＝1012Hz)的电磁波，此波段下临微波波段上临红外波段，具有其二者的优点，空间分辨率比微波更好，穿透性也比红外线更强。太赫兹波有光子能量低的特点(1THz约为4.1meV)，不会产生电离效应破坏有机体和生物组织。物质本身的太赫兹谱具有丰富的信息，由于分子间或分子内部的氢键、范德华力以及偶极子转动等化学分子的振动和转动能级对应太赫兹频段，尤其是很多有机分子能级位于该波段，使得其分子在太赫兹波段具有独特指纹(吸收)谱。对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烷烃类危险气体的THz吸收谱的相关研究证明这些危险气体在THz波段有明显的指纹(吸收)谱，对定性和定量研究相关技术奠定了坚实的基础。目前可用于气体危化品物质结构分析方法气相色谱-质谱联用、中子活化探测法、核磁共振法、等离子谱检测法等，其中光谱法的应用最为广泛，常见的光谱法有X射线谱、拉曼光谱法、红外光谱法、紫外光谱法和太赫兹波谱法等。气相色谱-质谱联用具有精度高的特点，但是检测时间长，仪器和耗材非常昂贵。中子活化是通过γ射线照射待测物产生化学反应来检测的，精度高、稳定性好，但其设备结构复杂且具有一定的放射性，不适合现场检测。核磁共振法是通过被测物中氢核的共振特性反演化学品的种类和浓度，但检测时间也较长。等离子谱检测法是通过检测由离子跃迁产生的特定波长的物质识别方法，虽然其识别能力强，但易受被测物纯度影响。光谱法具有简单、准确、快速的特点，可实现在线快速检测，但仍存在一些缺点，红外光谱分析法通过被测物的光谱吸收特性分析物质的成分和含量，但不够稳定。其中FTIR识别技术具备多组分同时检出的能力，但受样品色散作用和热辐射影响，且红外谱区干扰物多，定量测量难度高。紫外谱的电离作用较强，应用受到限制。表面等离子体在光波段受到了非常广泛的研究，其在生物传感、辐射波导、光学天线、超分辨率成像、光学超材料等方面具有巨大的应用前景与价值。然而在光学能直接支持表面等离子体波的金属材料在太赫兹波段的相对介电常数趋向于负无穷大，导致光波段中的表面等离子体应用不能方便的推广到该波段。研究表明已在金属表面加工一维槽阵列或二维孔阵列的结构来支持人工表面等离子体激元(SSPPs)，是光波段中表面等离子体激元在微波和太赫兹波段的推广，本质上是一种被金属表面周期性凹槽或者孔约束和传播的表面电磁模式。这些亚波长的周期性结构对太赫兹具有很强的约束能力，为太赫兹波与物质的相互作用增强提供了可能性，特别是为研制相关太赫兹传感器提供了巨大的潜力。
技术实现思路
本技术为克服现有危险气体检测方法的不足，提出一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置，满足高安全性、高灵敏度、检测时间短、可在室温下工作等要求。本技术技术方案如下：一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置，包括飞秒激光器、斩波器、分束器、光电导天线、第一抛面镜、第一聚四氟乙烯透镜、用于装待测危险气体的太赫兹人工表面等离子体波导结构、第二聚四氟乙烯透镜、第二抛面镜、延时线、第一反射镜、第二反射镜、薄膜分束镜、ZnTe晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电平衡探测器、锁相放大器和计算机；所述的太赫兹人工表面等离子体波导结构从下向上依次包括聚乙烯衬底、金属材质太赫兹人工表面等离子体波导壁和聚乙烯盖板，所述的金属材质太赫兹人工表面等离子体波导壁包括第一太赫兹人工表面等离子体波导壁和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁，第一太赫兹人工表面等离子体波导壁和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁并列排布且留有空隙形成长方体空腔，第一太赫兹人工表面等离子体波导壁和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁相对的一侧分别均匀开设有“凸”字型开槽空腔，且第一太赫兹人工表面等离子体波导壁上的“凸”字型开槽空腔顶部面对第二太赫兹人工表面等离子体波导壁上的“凸”字型开槽空腔顶部；“凸”字型开槽空腔和长方体空腔连通，用于存放待测危险气体；两波导壁与气体层形成三层结构；此结构与上附的聚乙烯盖板，下附的聚乙烯衬底形成三明治结构；所述聚乙烯盖板上设置有圆柱形通孔；所述长方体空腔两端依次设置有第一硅透镜和第二硅透镜；此种波导结构可增强在太赫兹区域中对所检测气体的感测效果，有效提高危险气体太赫兹吸收谱的检测灵敏度。飞秒激光器产生的激光光路上顺次设有斩波器和分束器，分束器将飞秒激光器产生的激光分为较强的泵浦光和较弱的探测光；泵浦光光路上设有光电导天线，泵浦光经光电导天线激发太赫兹脉冲，太赫兹脉冲顺次通过第一抛面镜准直和第一聚四氟乙烯透镜聚焦后，经第一硅透镜耦合入射到装有待测危险气体的太赫兹人工表面等离子体波导结构内，再经第二硅透镜耦合出射，出射的太赫兹脉冲顺次经过第二聚四氟乙烯透镜准直、第二抛面镜聚焦后，透过薄膜分束镜到达ZnTe晶体；探测光光路上顺次设有延时线、第一反射镜、第二反射镜和薄膜分束镜；太赫兹脉冲到达ZnTe晶体后，与被薄膜分束镜反射的探测光汇合，再顺次透过ZnTe晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜后被光电平衡探测器探测；光电平衡探测器锁相放大器和计算机顺次连接。优选的，所述的圆柱形通孔贯穿聚乙烯盖板，连通长方体空腔，用于长方体空腔中待测气体的通放。优选的，所述的圆柱形通孔有两个。优选的，所述长方体空腔两侧的第一硅透镜和第二硅透镜封闭长方体空腔。本技术具有如下优点：1)由于太赫兹本身光子能量低，不会产生电离效应，所以使用安全，不会对人体造成伤害。2)太赫兹人工表面等离子体波导壁有“凸”字型开槽空腔结构，可实现人工表面等离子体波导对太赫兹波的局域增强作用，有效提高危险气体太赫兹吸收谱的检测灵敏度。3)电磁波传播速度为光速，系统检测等待时间大部分为计算机对信号的处理时间，具有检测时间短的优点。4)危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置可在室温下产生电磁波对气体样品进行检测，无需液氮制冷，具有设备简单可常温检测的优点。本技术可广泛应用于对特定危险气体浓度有严格限制的区域，如医院、工厂、仓库等，也可用于对特定危险气体的生产、应用、输送、装卸和储藏保管，实现对其监测及预警。附图说明图1为本技术危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置结构图；图2为本技术太赫兹人工表面等离子体波导结构的结构图；图3为本技术两太赫兹人工表面等离子体波导壁与气体层形成的三层结构示意图；图4中(a)、(b)、(c)和(d)分别为甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷的THz吸收谱。图中：飞秒激光器1、斩波器2、分束器3、光电导天线4、第一抛面镜5、第一聚四氟乙烯透镜6、用于装待测危险气体的太赫兹人工表面等离子体波导结构7、第二聚四氟乙烯透镜8、第二抛面镜9、延时线10、第一反射镜11、第二反射镜12、薄膜分束镜13、ZnTe晶体14、四分之一波片15、沃拉斯顿棱镜16、光电平衡探测器17、锁相放大器18、计算机19、聚乙烯盖板20、第一硅透镜21、第一太赫兹人工表面等离子体波导壁22、聚乙烯衬底23、圆柱形通孔24、长方体空腔25、“凸”字型开槽空腔26、第二硅透镜27、第二太赫兹人工表面等离子体波导壁28。具本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置，其特征在于包括飞秒激光器(1)、斩波器(2)、分束器(3)、光电导天线(4)、第一抛面镜(5)、第一聚四氟乙烯透镜(6)、用于装待测危险气体的太赫兹人工表面等离子体波导结构(7)、第二聚四氟乙烯透镜(8)、第二抛面镜(9)、延时线(10)、第一反射镜(11)、第二反射镜(12)、薄膜分束镜(13)、ZnTe晶体(14)、四分之一波片(15)、沃拉斯顿棱镜(16)、光电平衡探测器(17)、锁相放大器(18)和计算机(19)；所述的太赫兹人工表面等离子体波导结构(7)从下向上依次包括聚乙烯衬底(23)、金属材质太赫兹人工表面等离子体波导壁和聚乙烯盖板(20)，所述的金属材质太赫兹人工表面等离子体波导壁包括第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)，第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)并列排布且留有空隙形成长方体空腔(25)，第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)相对的一侧分别均匀开设有“凸”字型开槽空腔(26)，且第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)上的“凸”字型开槽空腔(26)顶部面对第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)上的“凸”字型开槽空腔(26)顶部；“凸”字型开槽空腔(26)和长方体空腔(25)连通，用于存放待测危险气体；所述聚乙烯盖板(20)上设置有圆柱形通孔(24)；所述长方体空腔(25)两端依次设置有第一硅透镜(21)和第二硅透镜(27)；飞秒激光器(1)产生的激光光路上顺次设有斩波器(2)和分束器(3)，分束器(3)将飞秒激光器(1)产生的激光分为较强的泵浦光和较弱的探测光；泵浦光光路上设有光电导天线(4)，泵浦光经光电导天线(4)激发太赫兹脉冲，太赫兹脉冲顺次通过第一抛面镜(5)准直和第一聚四氟乙烯透镜(6)聚焦后，经第一硅透镜(21)耦合入射到装有待测危险气体的太赫兹人工表面等离子体波导结构(7)内，再经第二硅透镜(27)耦合出射，出射的太赫兹脉冲顺次经过第二聚四氟乙烯透镜(8)准直、第二抛面镜(9)聚焦后，透过薄膜分束镜(13)到达ZnTe晶体(14)；探测光光路上顺次设有延时线(10)、第一反射镜(11)、第二反射镜(12)和薄膜分束镜(13)；太赫兹脉冲到达ZnTe晶体(14)后，与被薄膜分束镜(13)反射的探测光汇合，再顺次透过ZnTe晶体(14)、四分之一波片(15)、沃拉斯顿棱镜(16)后被光电平衡探测器(17)探测；光电平衡探测器(17)锁相放大器(18)和计算机(19)顺次连接。...
【技术特征摘要】
1.一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置，其特征在于包括飞秒激光器(1)、斩波器(2)、分束器(3)、光电导天线(4)、第一抛面镜(5)、第一聚四氟乙烯透镜(6)、用于装待测危险气体的太赫兹人工表面等离子体波导结构(7)、第二聚四氟乙烯透镜(8)、第二抛面镜(9)、延时线(10)、第一反射镜(11)、第二反射镜(12)、薄膜分束镜(13)、ZnTe晶体(14)、四分之一波片(15)、沃拉斯顿棱镜(16)、光电平衡探测器(17)、锁相放大器(18)和计算机(19)；所述的太赫兹人工表面等离子体波导结构(7)从下向上依次包括聚乙烯衬底(23)、金属材质太赫兹人工表面等离子体波导壁和聚乙烯盖板(20)，所述的金属材质太赫兹人工表面等离子体波导壁包括第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)，第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)并列排布且留有空隙形成长方体空腔(25)，第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)和第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)相对的一侧分别均匀开设有“凸”字型开槽空腔(26)，且第一太赫兹人工表面等离子体波导壁(22)上的“凸”字型开槽空腔(26)顶部面对第二太赫兹人工表面等离子体波导壁(28)上的“凸”字型开槽空腔(26)顶部；“凸”字型开槽空腔(26)和长方体空腔(25)连通，用于存放待测危险气体；所述聚乙烯盖板(20)上设置有圆柱形通孔(24)；所述长方体空腔(25)两端依次设置有第一硅透镜(21)和...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘子豪，李向军，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33
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