一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法技术

本发明专利技术提供一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法，涉及红外检测技术领域。传感器包括，主控单元、光源模块、聚光镜、光纤、探测器、光波导微腔单元、放大滤波单元、信号采集单元。方法为光源模块产生中红外波段的光波信号，经由聚光镜、光纤，输入到光波导微腔中；光波导微腔采用双狭缝微环谐振腔结构，包括用于片上噪声感知的参考波导腔和目标气体填充狭缝的探测波导腔，两个腔的输出分别经由探测器转换为电信号，经放大滤波单元处理后，由信号采集单元转换为数字信号；主控单元对数字信号进行数字锁相处理后确定待测气体的浓度。本发明专利技术为微小型化的现场、实时、并行、原位气体的精确测量提供了解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法
本专利技术涉及红外检测技术与应用领域，具体涉及一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法。
技术介绍
作为一种重要的气体检测技术，红外吸收光谱技术具有可测气体种类多、测量范围宽、灵敏度高、响应速度快、选择性好、寿命长、适用场合广等诸多优点。在红外吸收光谱技术中，与直接吸收光谱、波长调制光谱、频率调制光谱技术相比，腔增强吸收光谱是一种更为灵敏的光谱探测技术，该技术采用光学谐振腔来增强气体分子对光的吸收作用，可将灵敏度提高3个量级以上，成为气体检测领域的研究热点。目前，采用高反射率的光学镜片，人们大量报道了不同结构的谐振腔，如法布里-珀罗(F-P)、“V”型腔、蝶形腔，形成了基于分立光学器件的腔增强吸收光谱传感器。然而，在现场应用中，分立式腔增强传感器面临着如下问题：①谐振腔尺寸较大(几十厘米-几米)，从而导致传感器体积庞大、且对样品气体的需求量大；②对光束准直性能要求高，从而传感器的防震、抗震性能差，难以移动测量；③调谐谐振腔时需要大功率的压电陶瓷(PZT)驱动部件，增大了系统功耗。相比而言，基于红外吸收光谱原理(与光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，包括主控单元，其特征在于，所述中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器还包括中红外光源模块、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第三聚焦镜、光纤、第一探测器、第二探测器、光波导微腔单元、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第一信号采集单元、第二信号采集单元；所述中红外光源模块用于产生中红外波段的光波信号，经由第一聚光镜汇聚后输入至光纤中；所述光波导微腔单元具有一个输入端和两个输出端，输入端用于与光纤的输出端相连，两个输出端分别用于经由第二聚光镜、第三聚光镜汇聚后，入射到第一探测器和第二探测器上，转换为电信号，然后输出；所述第一探测器和第二探测器分别用于将输出的电信号输入到...

【技术特征摘要】
1.一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，包括主控单元，其特征在于，所述中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器还包括中红外光源模块、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第三聚焦镜、光纤、第一探测器、第二探测器、光波导微腔单元、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第一信号采集单元、第二信号采集单元；所述中红外光源模块用于产生中红外波段的光波信号，经由第一聚光镜汇聚后输入至光纤中；所述光波导微腔单元具有一个输入端和两个输出端，输入端用于与光纤的输出端相连，两个输出端分别用于经由第二聚光镜、第三聚光镜汇聚后，入射到第一探测器和第二探测器上，转换为电信号，然后输出；所述第一探测器和第二探测器分别用于将输出的电信号输入到第一放大滤波单元和第二放大滤波单元，进行滤波与放大处理，然后输出；所述的第一信号采集单元和第二信号采集单元分别用于接收第一放大滤波单元和第二放大滤波单元的信号，经采样、保持和模数转换后，转换为数字信号后，然后输出；所述的主控单元用于产生中红外光源模块、光波导微腔单元的控制信号；接收第一信号采集单元和第二信号采集单元输出的数字信号进行处理，并根据处理结果确定待测气体的浓度。2.一种根据权利要求1所述的中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，其特征在于，所述的光波导微腔单元包括光波导微腔外壳、入射窗口、输入波导、波导分束器、参考波导腔、探测波导腔、分束波导、第一连接波导、第一输出波导、第一出射窗口、第二连接波导、第二输出波导、第二出射窗口、进气口、出气口、TEC、热敏电阻、第一Ω电极、第二Ω电极、热沉、电学接口；所述波导分束器的输入端通过输入波导、入射窗口和光纤的输出端相连；所述波导分束器具有两个输出端，经由分束波导分别和参考波导腔和探测波导腔的输入端相连；所述参考波导腔的输出端经由第一连接波导、第一输出波导、第一聚光镜和第一探测器相连；所述探测波导腔的输出端经由第二连接波导、第二输出波导、第三聚光镜和第二探测器相连；所述第一Ω电极、第二Ω电极均为一端接地，另一端与主控单元相连；所述光波导微腔外壳用于密封光波导微腔单元并形成传感气室，通过进气口和出气口将待测气体抽入并泵出光波导微腔单元；所述入射窗口、第一出射窗口、第二出射窗口均为透红外光的窗口，镶嵌在光波导微腔外壳上；所述热敏电阻、TEC均通过电学接口与主控单元相连，且电学接口镶嵌在光波导微腔外壳上；所述参考波导腔和探测波导腔、热敏电阻、TEC、热沉按照从上到下依次集成放置。3.一种根据权利要求2所述的中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器，其特征在于，所述参考波导腔采用微环谐振腔结构，包括第一耦合狭缝波导、第一狭缝波导微环，均采用狭缝波导结构且相互弧形耦合；所述探测波导腔采用微环谐振腔结构，包括第二耦合狭缝波导、第二狭缝波导微环，均采用狭缝波导、相互呈弧形耦合，且狭缝区填充待测的目标气体；所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导均采用条形波导结构；所述分束器采用多模波导结构；所述分束波导采用楔形波导结构且连接第一耦合狭缝波导、第二耦合狭缝波导和分束器；所述的第一连接波导为楔形波导，第一连接耦合狭缝波导和第一输出波导；所述第二连接波导为楔形波导，连接第二耦合狭缝波导和第二输出波导；所述的第一狭缝波导微环、第二狭缝波导微环上分别附着第一Ω电极和第二Ω电极；所述的探测波导腔的第二耦合狭缝波导、第二狭缝波导微环均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO2-Si，下包层材料为Ge-Sb-S，狭缝波导的高折射率材料为As-Se，狭缝波导的上包层材料为Ge-Sb-S，狭缝中填充的材料为待测的目标气体，附着的第二Ω电极为Au电极；所述的参考波导腔的第一耦合狭缝波导、第一狭缝波导微环均采用狭缝波导结构，衬底材料为SiO...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑传涛，皮明权，刘志伟，赵焕，陈晨，王一丁，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22