基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器制造技术

基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，属于气体浓度测量技术领域。本发明专利技术解决了现有光纤气体传感器的灵敏度有待提升的问题。创新点：探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器。本发明专利技术将两光纤FP腔级联，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度，使被测气体测量灵敏度提高1‑2个数量级。

Gas Sensor Based on Optical Fiber Double Cavity Structure Sensitization and Photothermal Technology

The gas sensor based on optical fiber double cavity structure sensitization and photothermal technology belongs to the field of gas concentration measurement technology. The invention solves the problem that the sensitivity of the existing optical fiber gas sensor needs to be improved. Innovations: detection laser, isolator I, coupler II are connected sequentially, auxiliary laser, isolator III and coupler II are connected sequentially, coupler II is connected with annulus, pump light source, isolator II, coupler I and FP dual-cavity structure are connected sequentially, coupler I is also connected with annulus, annulus, filter and coupler III are connected, coupler III is connected with photodetector respectively. The oscilloscope is connected with the spectrometer and the photoelectric detector. The invention cascades two optical fiber FP cavities to produce vernier effect, improves the gas measurement sensitivity by using the sensitization characteristic of the vernier effect, and increases the gas measurement sensitivity by 1 2 orders of magnitude.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器
本专利技术涉及一种气体传感器，具体涉及一种基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，属于气体浓度测量

技术介绍
对于气体浓度的测量，通常采用空间光谱吸收法进行测量，为了提高灵敏度需要大体积气室，导致仪器体积庞大，难以实现在线检测。光纤气体传感技术在气体检测技术中属于后起之秀，在20世纪70年代才走进人们的视野。光纤气体传感器传输功率损耗小，适合长距离测量，在高温、高压等恶劣环境下有较强优势，结构简单，灵敏度高，稳定可靠。鉴于以上种种独特的优势得到了众多科研工作者的青睐，在实际应用中的地位也逐渐提升，但是现有光纤气体传感器的灵敏度还有待提升。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术为了解决现有光纤气体传感器的灵敏度有待提升的问题，进而提供一种基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器。将光纤FP腔级联结构，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度。与单个的FP干涉计相比，光纤FP双腔级联结构可以使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级。方案：基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，包括探测激光器、隔离器I、隔离器II、隔离器III、泵浦光源、辅助激光器、耦合器I、耦合器II、耦合器III、环形器、滤波器、光电探测器、示波器、光谱仪和FP双腔结构；所述探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器；探测光的光学路径为：探测光由探测激光器发出，经过隔离器I、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进入光电探测器，光电探测器将接收的探测光能量转化为电压输出给示波器；辅助光的光学路径为：辅助光有辅助激光器发出，经过隔离器III、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进光谱仪；泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦光源发出，依次经过隔离器II、耦合器I进入FP双腔结构。进一步地：光纤FP双腔级联结构(FP双腔结构)，长度在5-20毫米范围内的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)两端分别与单模光纤I和单模光纤II熔接形成光纤FP腔I，单模光纤II的另一端被切割，形成光纤FP腔II。HC-PCF的直径与单模光纤相同均为125微米。进一步地：所述空芯光子晶体光纤的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米；空芯光子晶体光纤的侧面有多个开孔，保证其纤芯与外界相通，开孔的直径为5-20微米，开孔的密度为4-20个/厘米。进一步地：所述泵浦光源和探测激光器均为窄带DFB激光器，泵浦光源的波长与被测气体的吸收峰重合，保证被测气体对泵浦光有强烈的吸收；辅助激光器为宽谱光源，由于其能量谱密度远小于泵浦光，因此辅助光对其吸收可忽略不计；探测激光器为窄带DFB激光器，其波长位于气体吸收谷附近，且位于两FP腔并联干涉谱主峰(最强峰)的边带上。当泵浦光进入FP干涉计I中，空芯光子晶体光纤中的被测气体因吸收泵浦光而温度升高，导致空芯光子晶体光纤因温度升高而发生长度变化。本专利技术所达到的效果为：本专利技术将将光纤FP双腔级联结构，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度。与单个的FP干涉计相比，光纤FP双腔级联结构可以使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级，该结构对外界振动具有极高的抗干扰能力。附图说明图1为本专利技术基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器结构图；图2为光纤FP腔级联结构的结构图；图3为光纤FP双腔I的干涉谱图；图4为光纤FP腔II的干涉谱图；图5为干涉谱包络图。具体实施方式为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本专利技术公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在申请文件中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。实施例1：参见图1至图5，本实施方式的基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，包括探测激光器、隔离器I、隔离器II、隔离器III、泵浦光源、辅助激光器、耦合器I、耦合器II、耦合器III、环形器、滤波器、光电探测器、示波器、光谱仪和FP双腔结构；所述探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器。其中，光纤FP双腔级联结构：光纤FP双腔级联结构如图2所示，长度在5-20毫米范围内的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)两端分别与单模光纤I和单模光纤II熔接形成光纤FP腔I，单模光纤II的另一端被切割，形成光纤FP腔II。HC-PCF的直径与单模光纤相同均为125微米，HC-PCF的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米，HC-PCF的侧面有多个开孔，保证其纤芯与外界相通，开孔的直径均为5-20微米，开孔的密度为4-20个/厘米。当光由耦合器I进入光纤FP腔I后，光先后依次经反射面I和反射面II反射，两束反射光形成干涉，干涉后光强IFP1可以表示为：其中I11和I12分别为探测光经反射面I和反射面II反射后的光强，L1为空芯光纤的长度，λ为信号光的波长。干涉谱如图3所示。光纤FP腔I的干涉谱波谷满足：其中，m1为整数，λm1为干涉谱波谷对应的波长。由(2)式可得光纤FP腔I的干涉谱的自由光谱范围FSRFP1为：将(2)式对L1微分得光纤FP腔I的干涉谱平移量与FP1腔长度之间的关系为：其中，ΔλFP1为光纤FP腔I干涉谱的平移量，ΔL1为HC-PCF光纤的长度变化量。当光由环形腔进入光纤FP腔II后，光先后依次经反射面II和反射面III反射，两束反射光形成干涉，干涉后光强IFP2可以表示为:其中I21和I22分别为探测光经反射面II和反射面III反射后的光强，L2为空芯光纤的长度。干涉谱如图4所示。光纤FP腔II的干涉谱波谷满足:其中，m2为整数，λm2为干涉谱波谷对应的波长。由(6)式可得光纤FP腔II的干涉谱的自由光谱范围FSRFP2为：游标效应原理：耦合器I、耦合器II、耦合器III的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，其特征在于：包括探测激光器、隔离器I、隔离器II、隔离器III、泵浦光源、辅助激光器、耦合器I、耦合器II、耦合器III、环形器、滤波器、光电探测器、示波器、光谱仪和FP双腔结构；所述探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器；探测光的光学路径为：探测光由探测激光器发出，经过隔离器I、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进入光电探测器，光电探测器将接收的探测光能量转化为电压输出给示波器；辅助光的光学路径为：辅助光有辅助激光器发出，经过隔离器III、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进光谱仪；泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦光源发出，依次经过隔离器II、耦合器I进入FP双腔结构。

【技术特征摘要】
1.基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器，其特征在于：包括探测激光器、隔离器I、隔离器II、隔离器III、泵浦光源、辅助激光器、耦合器I、耦合器II、耦合器III、环形器、滤波器、光电探测器、示波器、光谱仪和FP双腔结构；所述探测激光器、隔离器I、耦合器II依次连接，辅助激光器、隔离器III、耦合器II依次连接，耦合器II与环形器连接，泵浦光源、隔离器II、耦合器I与FP双腔结构依次连接，耦合器I还与环形器连接，环形器、滤波器和耦合器III连接，耦合器III分别连接光电探测器和光谱仪，光电探测器连接示波器；探测光的光学路径为：探测光由探测激光器发出，经过隔离器I、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后经耦合器I、环形器、滤波器、耦合器III进入光电探测器，光电探测器将接收的探测光能量转化为电压输出给示波器；辅助光的光学路径为：辅助光有辅助激光器发出，经过隔离器III、耦合器II进入环形器，再经耦合器I进入FP双腔结构，然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉强，姜久兴，李林军，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23