基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，包括：将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内；将探测激光和周期性调制后的泵浦激光输入空芯光纤中；待测气体吸收泵浦激光后产生光热激发效应导致探测激光相位的周期性调制；解调探测激光的相位调制信息，得到待测气体浓度；其中周期性调制为泵浦激光的波长及/或强度的调制。本发明专利技术采用泵浦和探测双激光方案进行检测，方法简单而实用，可以实现极小的光斑面积，大大提高了光功率密度，从而使光热信号强度得到增强；本发明专利技术可实现有选择性的ppb量级的气体浓度测量，对在近红外波段具有吸收的气体具有普适性。

【技术实现步骤摘要】
基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统
本专利技术属于气体测量
，具体涉及一种基于空芯光纤光热效应的气体浓度探测方法和系统。
技术介绍
现有对于气体浓度检测方法中，最主要的是基于光吸收的光谱检测技术。该方法中最简单的是采用直接吸收光谱法(DAS)，根据朗伯比尔定律，特定波长的光通过待测气体时一部分光能量被待测气体吸收，从而使得透射光功率降低，来分析被测气体浓度。该方法虽然简单有效，但是在实际检测的过程中受到光吸收长度(气室长度)和各种噪声的干扰，造成检测的结果中常常因为干扰因素导致结果不准，使得该方法灵敏度较低。另外一种常用的方法就是可调二极管激光吸收光谱法(TDLAS)，其利用激光波长扫过气体吸收线时的吸收强度变化来检测目标气体浓度，结合强度调制(AM)和波长调制(WM)等技术，该方法可通过调制激光的强度/波长有效地降低激光器噪声和其他背景噪声的影响，从而实现较高的气体测量灵敏度。但是该方法依然受到吸收长度的限制，各种增加吸收长度的方法使得系统变得复杂、庞大和对光路精密性要求的提高。空芯光纤可以将光学模式和气体同时束缚在纤芯中，而其具有长距离传输、损耗小、轻便等优点，在光纤中传输的基模光场与气体相互作用，其吸收光谱或激光功率衰减与气体浓度成比例关系，从而可以确定气体浓度的大小。应用光纤作为气室，很容易实现较长的吸收长度，可以提高检测灵敏度；光纤可以弯曲至很小的直径，可实现较小的气室。因此，近来越来越倾向于应用空芯光纤来进行气体浓度的检测。然而，目前的空芯光纤除了支持基模外还支持一些高阶模式，光纤模式之间的干涉噪声影响测量的灵敏度。另外一种基于光谱吸收的气体探测方法就是光热/光声(PTS/PAS)方法。区别于上述直接吸收测量方法，光热/光声法间接测量气体吸收光后产生的温度变化或声波变化，从而得出气体的浓度信息。相对于直接吸收法，该方法产生的信号直接正比于吸收的大小，不受背景光噪声的影响。检测中应用高功率激光器和高灵敏度声波或温度探测器结合，可实现极高的气体浓度探测极限(ppb甚至ppt)。但是使用该方法测量需要与电探测器结合，且只能实现单点测量，无法满足在测量过程中的各种多点和远程测量的需求。
技术实现思路
本专利技术实施的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够实现高灵敏度、大动态范围的一种基于空芯光纤光热效应的气体探测方法及系统。为了实现上述专利技术目的，本专利技术实施例的技术方案如下：一种基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，包括如下步骤：将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内；将探测激光和周期性调制后的泵浦激光输入空芯光纤中；待测气体吸收泵浦激光后产生光热激发效应导致探测激光相位的周期性调制；解调探测激光的相位调制信息，得到待测气体浓度；其中，所述周期性调制为泵浦激光的波长及/或强度的调制。本专利技术的检测方法测量步骤采用泵浦激光激发光热效应产生相位调制，应用探测激光进行相位探测。当气体与特定波长光束发生相互作用时，部分光能量被吸收，气体被激发到高能级态，进而通过分子碰撞等非辐射过程回到基态并产生局域热沉积，从而引起介质温度的变化；周期性的光吸收产生周期性的温度变化，从而周期性的改变了探测光在光纤中传播的有效折射率以及光纤长度，进而周期性的改变了探测光的相位。该相位变化可以通过马赫-泽德，法布里-珀罗，萨格纳克或其他光干涉仪解调，其输出和气体浓度成正比的电信号，即可获得待测气体浓度结果。本专利技术进一步还提出一种基于空芯光纤，进行分布式气体浓度检测的方法，包括如下步骤：将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内；将泵浦激光耦合入空芯光纤中对待测气体进行光热激发；对泵浦激光的波长及/或强度进行周期性调制；如上所述，周期性调制的泵浦激光对探测激光的相位产生周期性调制，探测光沿着光纤长度的相位调制大小反映着沿着光纤长度分布的气体浓度。本专利技术利用一种基于外差检测的技术测量探测光沿着光纤长度分布的相位调制大小。其结合了传统的光时域反射技术和相干外差检测技术测量光沿着光纤长度分布的相位调制大小。将探测激光分为两部分，一部分探测光经过声光调制器产生脉冲信号并且产生频移，其入射到待测空芯光纤里会发生后向散射，沿着光纤长度分布的后向散射光与另一部分探测光相干检测，通过拍频产生的信号反映着沿着光纤长度分布的相位变化，进而得到沿着光纤长度分布的气体浓度信息。其分布测量的空间分辨率由声光调制器产生的脉冲宽度决定，而浓度的测量下限则由相干检测的相位灵敏度决定。本专利技术还提出一种实现上述光热气体浓度检测方法的系统，包括：光源组件、光纤激发探测组件、用于对光纤激发探测组件输出的干涉光进行解调的信号检测组件；其中，所述光源组件包括激光发射装置，该激光发射装置具有发射泵浦激光的泵浦发射端和发射探测激光的探测发射端；所述光纤激发探测组件包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、空芯光纤、参考光纤、光滤波器；其中，所述第一耦合器的光输入端与泵浦发射端连接、耦合输出端经空芯光纤至连接第三耦合器的光输入端；所述第二耦合器的光输入端与探测发射端连接、耦合输出端分为两路；其中第一路经参考光纤与第三耦合器的输入端连接，第二路连接至第一耦合器的输入端；所述第三耦合器的耦合输出端与光滤波器的输入端连接；所述光滤波器的输出端与信号检测组件的输入端连接。本专利技术实施例的系统针对上述检测方法步骤，大大提高测量过程中的泵浦光的光功率密度，从而使光热光声信号强度进一步得到提高；还可以有效地降低干扰因素造成的影响，而且对近红外吸收波段的气体具有普适性。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例空芯光子带隙光纤的结构示意图；图2为本专利技术实施例基于空芯光纤进行分布式气体检测的示意图；图3为本专利技术实施例光热气体检测系统的示意图；图4为图3中反馈控制单元的结构示意图；图5为图3中传感光纤与光路衔接的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实例采用一种用光热效应检测替代现有直接吸收导致的损耗来进行气体检测。参见图1-3。本专利技术中采用的空芯光纤的结构如图1所示，该空芯光纤1呈管状，包括环形包层2和位于环形包层2内的纤芯3；其中，纤芯3包括沿光纤轴向贯穿空芯光子带隙光纤1的孔芯部3a，以及分布于孔芯部3a周围的若干轴向方向贯穿空芯光子带隙光纤1的微孔部3b；上述环形包层2和微孔部3b本身材质选用石英。上述空芯光纤1中孔芯部3a的直径为5-20μm，并且微孔部3b根据检测的需求，其分布环绕于孔芯部3a周围，也可以呈环形形状分布，且其环形外径为10μm级；测量过程中纤芯3用于填充待测气体；环形包层2至少保证整体空芯光纤1的强度和韧性，整体光纤直径约为120μm。该空芯光纤的结构设计，使特定波长的光束耦合进入空芯光纤1，并由光子带隙特性束缚在低折射率纤芯中传播，因此绝大部分的光能量位于孔芯部3a和微孔部3b中。相比其他消逝场耦合的光纤类型，该空芯光子带隙光纤能够提供极大的光-气体作用效率，从而提高气体检测的信号大小，提升了气体检测的灵敏度。基于上述空芯光纤1，采用光热效应气体检测方法进行测量时，以该空芯光纤作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤：将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内；将探测激光和周期性调制后的泵浦激光输入空芯光纤中；待测气体吸收泵浦激光后产生光热激发效应导致探测激光相位的周期性调制；解调探测激光的相位调制信息，得到待测气体浓度；其中，所述周期性调制为泵浦激光的波长及/或强度的调制。

【技术特征摘要】
1.一种基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤：将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内；将探测激光和周期性调制后的泵浦激光输入空芯光纤中；待测气体吸收泵浦激光后产生光热激发效应导致探测激光相位的周期性调制；解调探测激光的相位调制信息，得到待测气体浓度；其中，所述周期性调制为泵浦激光的波长及/或强度的调制。2.如权利要求1所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，所述探测激光为脉冲光；所述得到待测气体浓度为沿着空芯光纤长度的分布式浓度；解调所述探测激光的相位调制信息为解调脉冲探测激光在空芯光纤中的后向散射光的相位调制信息。3.如权利要求2所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，解调脉冲探测激光在空芯光纤中的后向散射光的相位调制信息，步骤包括：将相位调制后的后向散射光与相位未调制的探测激光干涉，得到干涉光；通过解调干涉光拍频产生的信号，获取沿着光纤长度分布的后向散射光相位变化，进而得到待测气体沿着光纤长度分布的分布式浓度信息。4.如权利要求3所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，所述探测激光包括两部分；其中，第一部分为经过声光调制器产生频移的所述脉冲光；第二部分作为相位未调制的探测激光用于与相位调制后的后向散射光干涉。5.如权利要求1至4任一所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，所述将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内的步骤包括：用飞秒激光束聚焦至空芯光纤表面对空芯光纤进行烧蚀处理，形成从空芯光纤表面贯穿至纤芯内的微通道；通过该微通道将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内。6.一种基于空芯光纤光热效应的气体检测系统，其特征在于，包括：光源组件、光纤激发探测组件、用于对光纤激发探测组件输出的干涉光进行解调的信号检测组件；其中，所述光源组件包括激光发射装置，该激光发射装置具有发射泵浦激光的泵浦发射端和发射探测激光的探测发射端；所述光纤激发探测组件包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、空芯光纤、参考光纤、光滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳伟，曹迎春，杨帆，何海律，
申请(专利权)人：香港理工大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44