一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，该方法针对某目标气体，假设这种气体的一个特征吸收频率为f0，然后设计一个光子晶体光纤结构使其在包含f0频率点的一段频率内的场得到增强，然后比较该短距离光纤结构在通入目标气体前后的透过率变化。通过该频率点处透过率有无变化来识别目标气体的有无，再通过透过率的下降数量来确定目标气体的浓度进行定量分析。通过对光子晶体光纤结构尺寸的调整，本发明专利技术中光子晶体光纤芯层区域的空气孔中的电场分布得到增强，可以灵敏地检测出特征吸收频率落在本结构的工作范围内的气体。相比于传统的气体腔检测法，既保持了太赫兹光谱的特异性检测，又能大幅度地提高了检测的灵敏度。

A toxic gas detection method based on short distance terahertz photonic crystal fiber

The invention discloses a method for detecting toxic gases based on short-range terahertz photonic crystal fibers. The method aims at a target gas, assuming that one characteristic absorption frequency of the gas is f0, and then designs a photonic crystal fiber structure to enhance the field in a frequency range containing F0 frequency points, and then compares it with the conventional method. The transmittance of the short distance optical fiber structure before and after entering the target gas is changed. The target gas can be identified by the change of transmittance at the frequency point, and then the concentration of the target gas can be quantitatively analyzed by the decrease of transmittance. By adjusting the structure size of the photonic crystal fiber, the electric field distribution in the air hole in the core area of the photonic crystal fiber is enhanced, and the gas whose characteristic absorption frequency falls within the working range of the structure can be sensitively detected. Compared with the traditional gas cavity detection method, it not only maintains the specificity of terahertz spectrum detection, but also greatly improves the detection sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法
本专利技术涉及一种气体在低浓度的情况下进行种类识别、定量分析的方法，特别涉及一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，属于太赫兹检测

技术介绍
通过折射率测量可以实现待测物质的浓度、厚度等物理量的定量检测，但不能达到实现识别该物质的功能。由于绝大多数的生物分子的集体振动，分子间或者分子内的转动都会产生谐振，它们的特征吸收频率位于太赫兹波段，因此可以通过待测物质对太赫兹波的吸收光谱指纹来实现对待测物质的种类识别，这是目前太赫兹应用中最有吸引力的地方。此外，太赫兹波具有低光子能量、较弱的辐射以及在大多数非极性介质材料中透明的特点，从而使得太赫兹在安检以及疾病诊断等方面具有很高的优势。然而，由于大多数分子结构的尺寸和吸收截面相较于太赫兹波长(30-3000μm)来说非常小，分子与太赫兹波之间能起到的相互作用非常微弱。为了获取比较明显的吸收效果，通常需要将固体样品结合成较大的体积或者将气体样品提纯到较高的浓度。传统的太赫兹气体检测有两类方法：第一种是基于气体的电化学特性，但是基于气体的电化学特性的这种检测方法通常需要将气体进行加热处理，对于易燃易爆气体气体存在安全隐患，比如煤矿、加油站等易燃易爆气体聚集场合，不宜使用(WANGCX,etall,Metaloxodegassensors:sensitivityandinfluencingfactors.Sensors,2010,10(3):2088-2106.)；第二种是基于气体的吸收光谱特性，为了获得明显的能分辨的吸收光谱，通常需要的气体浓度较高，不利于对剧毒气体进行检测，或者增加太赫兹波与物质相互作用长度，这种情况下的实验设备气体室体积较大不利于器件集成以及形成多通道气体检测(BIGOURDD,etall,Detectionandquantificationofmultiplemolecularspeciesinmainstreamcigarettesmokebycontinuous-waveterahertzspectroscopy[J].OpticsLetters,2006,31(15):2356-2358.)。2004年，T.Ritari(T.Ritari,etall,Gassensingusingair-guidingphotonicbandgapfibers.Oct.Express.Vol.12,pp.4080-4087,2004.)等人首次利用了空心光子晶体光纤实现了对气体的检测。他们利用加工成的1m长的光纤作为气室，以LED灯为点光源，对乙炔气体的吸收进行测量，并与传统气体腔吸收法做了比较。2005年，J.Henningsen(Henningsen,etall,Saturatedabsorptioninacetyleneandhydrogencyanideinholllow-corephotonicbandgapfibers,Oct.Express,Vol13,no26,pp10475-10482,2005.)等人利用空心光子带隙光纤测量了乙炔和氰化氢气体在饱和状态下的吸收光谱，由于两种气体分子的附着力不一样，在对光子晶体光纤进行气体填充和排放时所需时间不一样。2008年，N.Gayraud(N.Gayraud,etall,Mid-infraredgassensingusingaphotonicbandgapfiber,ApplyOctics,Vol47,no9,pp1269-1278,2008.)等人利用了飞秒激光参量震荡产生的闲频光作为光源，中红外光子晶体光纤为气室，红外傅里叶光谱仪作为检测器，用甲烷气体对光子晶体光纤进行填充，在中红外波段实现了1000ppm灵敏度传感。以上所提到的各种光子晶体光纤的缺点都为气室的长度偏长，气体充满光纤纤芯内的空气孔需要一段时间，不利于气体的实时分析检测。2010年，X.Li(X.Li,etall,Measurementoflowgasconcentrationsusingphotonicbandgapfibercell,IEEESENSJ,Vol10,no6,pp1156-1162,2010.)等人利用了一种快速反应的氨气光子晶体光纤传感器，利用在光子晶体光纤两端施加压力差的方式，加速了气体在光纤纤芯区域的流动，实验和理论研究均表明，利用这种方式确实比将光子晶体光纤封在气体室中再填充快了很多，但实验装置比较复杂。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的问题，提出了一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有效的有毒气体检测方法，它所要解决的技术问题是如何在光纤长度较短的情况下，提高太赫兹指纹检测的效果。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，该方法是由以下的步骤组成：步骤a：设计用于检测的光子晶体光纤结构；步骤b：将待检测气体通入0.1米长的光纤纤芯区域的空气孔中，记录待检测气体通入光纤后的透射谱；步骤c：通过对太赫兹透射谱的透过率来分析该气体是否存在和其浓度的大小。本专利技术公开了一种基于太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，该方法的步骤为：针对某目标气体，假设这种气体的一个特征吸收频率为f0，然后设计一个光子晶体光纤结构使其在包含f0频率点的一段频率内的场得到增强，然后比较该短距离光纤结构在通入目标气体前后的透过率变化。通过该频率点处透过率有无变化来识别目标气体的有无，再通过透过率的下降数量来确定目标气体的浓度进行定量分析。通过对光子晶体光纤结构尺寸的调整，本专利技术中光子晶体光纤纤芯区域的空气孔中的电场分布得到增强，可以灵敏地检测出特征吸收频率落在本结构的工作范围内的气体。相比于传统的气体腔检测法，既保持了太赫兹光谱的特异性检测，又能大幅度地提高了检测的灵敏度，最重要的是本光纤长度仅为0.1米，气体通过光纤的时间短，即可以在短时间内对不同目标气体或不同探测范围进行实时检测。本方法采用的检测装置由于其长度较短，待检测气体充满光纤内空气孔的时间相较于传统的几米长的光纤而言十分的短，所以具有实时检测的功能，结合太赫兹透射谱进行分析，可以实现百万分率容积浓度的待测气体的特征指纹检测，具有检测较好的效果以及指纹信号吸收增强明显等特点。在所述的有毒气体检测方法中，所述包层和纤芯之间存在结构的差异，因此能激发出缺陷模式，并利用缺陷模式来进行气体的检测。在所述的有毒气体检测方法中，所述纤芯与包层由相同材料构成，但由于结构尺寸不一样，两种结构之间形成了高低折射率的对比。所述步骤a中的光纤长度仅为0.1米，待测气体能够迅速充满光纤纤芯区域的空气孔，待检测气体充满光纤内空气孔的时间相较于传统的几米长的光纤而言十分的短，从而达到快速检测的目的，适用于实际应用。作为优选，所述步骤a中，首先选取的目标物质其中的一个特征吸收频率f0，再设计光子晶体光纤的结构，使该光纤结构的工作频率段包括f0，所述步骤b中的太赫兹透过率谱线为光纤结构在包括f0频率点的太赫兹透过率谱线。光子晶体光纤的工作频段要包括目标气体的这一个特征吸收频率f0，且只包括这一个特征频率点。作为优选，所述步骤a中的光子晶体光纤结构，由两部分组成，第一部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，其特征在于该方法是由以下的步骤组成：步骤a：设计用于检测的光子晶体光纤结构；步骤b：将待检测气体通入0.1米长的光纤纤芯区域的空气孔中，记录待检测气体通入光纤后的透射谱；步骤c：通过对太赫兹透射谱的透过率来分析该气体是否存在和其浓度的大小。

【技术特征摘要】
1.一种基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，其特征在于该方法是由以下的步骤组成：步骤a：设计用于检测的光子晶体光纤结构；步骤b：将待检测气体通入0.1米长的光纤纤芯区域的空气孔中，记录待检测气体通入光纤后的透射谱；步骤c：通过对太赫兹透射谱的透过率来分析该气体是否存在和其浓度的大小。2.根据权利要求1所述的基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，其特征在于：所述步骤a中，首先选取的目标物质其中的一个特征吸收频率f0，再设计光子晶体光纤的结构，使该光纤结构的工作频率段包括f0，所述步骤b中的太赫兹透过率谱线为光纤结构在包括f0频率点的太赫兹透过率谱线。3.根据权利要求1或2所述的基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，其特征在于：所述步骤a中的光子晶体光纤结构，由两部分组成，第一部分为包层，包层中的空心空气柱按照六边形排列；第二部分为纤芯，纤芯位于包层中心处，纤芯中的空气孔同样按照六边形排列。4.根据权利要求3所述的基于短距离太赫兹光子晶体光纤的有毒气体检测方法，其特征在于：所述纤芯与包层由相同材料构成，在包层与纤芯之间形成了...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦坚源，朱蓓，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33