一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件制造技术

本实用新型专利技术公开一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，包括：延时光纤和输入光纤，延时光纤和输入光纤均用于连接检测光源，探测光在经过延时光纤和输入光纤后延时不同；光纤环形通路，包括空芯光纤气室，空芯光纤气室相对立的两端分别连接延时光纤的输出端和输入光纤的输出端，探测光在光纤环形通路中传播并循环经过空芯光纤气室；空芯光纤气室内填充有待检测的带有碳同位素的气体，空芯光纤气室用于通入泵浦光，气体通过泵浦光作用而对探测光进行相位改变；光电探测器，用于接收延时光纤和输入光纤中所传回的探测光。解决空间光学谐振腔因光学气室大而导致耗气量大、成本高、体积大的问题。体积大的问题。体积大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件


[0001]本技术涉及气体浓度检测
，尤其涉及的是一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件。

技术介绍

[0002]碳同位素检测在大气科学、能源勘探、医疗检测等领域具有重要作用。在大气科学领域，碳同位素检测是理解全球碳循环、明确碳源汇变化的重要方法；在能源勘探领域，碳同位检测是推演油气煤藏特征、识别定位矿源的重要手段；在医疗领域，人体呼出气中碳同位素检测已经成为幽门螺旋杆菌感染无创诊断的金标准。
[0003]自然界中碳同位素含量变化极小，通常以相对于参考基准的偏离来表征同位素丰度比值的相对变化，样品相对参考物质的碳同位素比值变化可以表示为：
[0004][0005]其中(
13
C/
12
C)
Sample
和(
13
C/
12
C)
Reference
分别为待测样本和参考标准物质的碳同位素比值。同位素比值质谱仪(Isotope Ratio Mass Spectroscopy,IRMS)是最为常用的碳同位素检测仪器，其典型检测精度可以达到0.01
‑
0.1
‰
，但是体积大、操作复杂、价格昂贵、检测速度慢，需要复杂的样气预处理，不适合原位检测应用。另外例如CN113109292公开了一种基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)的碳同位素检测系统及方法，通过优化的算法该系统能够在常压下工作，但其检测器的调制器件部分由于长光程空间光学气室导致耗气量大，且难以用于高浓度气体环境下的检测。
[0006]目前已有的碳同位素检测装置中调制器部分普遍存在空间光学谐振腔的光学气室大而导致耗气量大、成本高、体积大的问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0007]鉴于上述现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，解决当下的碳同位素检测装置的空间光学谐振腔因光学气室大而导致耗气量大、成本高、体积大的问题。
[0008]本技术的技术方案如下：
[0009]一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，包括：
[0010]延时光纤和输入光纤，延时光纤和输入光纤均用于连接检测光源，其中，所述探测光在经过所述延时光纤和所述输入光纤后延时不同；
[0011]光纤环形通路，其包括空芯光纤气室，空芯光纤气室相对立的两端分别连接延时光纤的输出端和输入光纤的输出端，探测光在光纤环形通路中传播并循环经过空芯光纤气室；空芯光纤气室内填充有待检测的带有碳同位素的气体，空芯光纤气室用于通入泵浦光，气体通过泵浦光作用而对探测光进行相位改变；
[0012]光电探测器，用于接收延时光纤和输入光纤中所传回的相位改变后的探测光。
[0013]可选地，光纤环形通路还包括：第一光纤耦合器，第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口以及第一公共端口，第一端口与延时光纤连接，第一公共端口与空芯光纤气室的一端连接；
[0014]第二光纤耦合器，第二光纤耦合器具有第三端口、第四端口以及第二公共端口，第三端口与输入光纤连接，第二公共端口与空芯光纤气室的另一端连接；
[0015]第二端口与第四端口连接，从而使探测光在第一光纤耦合器、第二光纤耦合器与空芯光纤气室内传播并多次经过空芯光纤气室。
[0016]可选地，在分光比中，第二端口大于第一端口，第四端口大于第三端口。
[0017]可选地，第一光纤耦合器的第二端口和第一端口的分光比不小于7：3；
[0018]第二光纤耦合器的第四端口和第三端口的分光比不小于7：3。
[0019]可选地，第一端口的分光比为2％，第二端口的分光比为98％；
[0020]第三端口的分光比为2％，第四端口的分光比为98％。
[0021]可选地，第二公共端口与空芯光纤气室的另一端通过波分复用器连接，波分复用器用于连接泵浦光源，且用于泵浦光源发出的泵浦光和探测光进行合波。
[0022]可选地，延时光纤和输入光纤通过光纤耦合器连接检测光源；
[0023]光纤耦合器包括至少三个输入端口和二个输出端口；
[0024]光纤耦合器的一个输入端口与检测光源连接，另外两个输入端口分别连接光电探测器；
[0025]光纤耦合器的一个输出端口与延时光纤连接，另一个输出端口与输入光纤连接。
[0026]可选地，空芯光纤气室包括空芯光纤本体和实芯单模光纤尾纤，实芯单模光纤尾纤分别固定在空芯光纤本体的两端。
[0027]可选地，空芯光纤本体包括空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤、空芯波导的其中一种或多种。
[0028]可选地，全光纤化环形腔传感器件还包括温度控制模组，温度控制模组用于对空芯光纤气室进行制冷和加热。
[0029]可选地，光电探测器为具有两个光学输入端口的平衡光电探测器，平衡光电探测器的共模噪声抑制比不小于20dB。
[0030]有益效果：与现有技术相比，本技术提出的一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，其中采用光纤环形通路的方式，使探测光可以循环进入到空芯光纤气室，从而能够实现对探测光的相位信号的有效放大，在满足检测精度的同时可以减小气室体积，而环形通光的方式优化结构，使校准和检测所用的耗气量小，可以适用于呼气检测、深海溶解气检测等样气量少的应用场景中，并且小气室能够在保证温控精度的同时显著降低温控系统功耗；而且采用全光纤结构，可以使本全光纤化环形腔传感器件的结构更紧凑、无需复杂的空间光路对准且使用维护方便；另外，充分利用空芯光纤中光功率密度高的特点，进一步可以缩短有效光程，即便在高的气体浓度下仍能够正常工作，可以检测的气体浓度范围更大。
附图说明
[0031]图1为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件的结构原理
框图；
[0032]图2为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件的空芯光纤气室的结构原理框图；
[0033]图3为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件的空芯反谐振光纤的截面示意图；
[0034]图4为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件所采用泵浦光的波长可调范围内的二氧化碳同位素吸收谱线；
[0035]图5为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件在应用时所测自然同位素丰度5％浓度CO2的二次谐波信号；
[0036]图6为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件在应用时所测6小时内碳同位素吸收峰值变化图；
[0037]图7为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件在应用时所测6小时内碳同位素比值相对变化图；
[0038]图8为本技术一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件在应用时在不同CO2浓度下碳同位素检测精确度图。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，其特征在于，包括：延时光纤和输入光纤，所述延时光纤和所述输入光纤均用于连接检测光源，其中，所述检测光源发出探测光，所述探测光在经过所述延时光纤和所述输入光纤后延时不同；光纤环形通路，其包括空芯光纤气室，所述空芯光纤气室相对立的两端分别连接所述延时光纤的输出端和所述输入光纤的输出端，所述探测光在所述光纤环形通路中传播并循环经过所述空芯光纤气室；所述空芯光纤气室内填充有待检测的带有碳同位素的气体，所述空芯光纤气室用于通入泵浦光，所述气体通过所述泵浦光作用而对所述探测光进行相位改变；光电探测器，用于接收所述延时光纤和所述输入光纤中所传回的相位改变后的探测光。2.根据权利要求1所述的用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，其特征在于，所述光纤环形通路还包括：第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器具有第一端口、第二端口以及第一公共端口，所述第一端口与所述延时光纤连接，所述第一公共端口与所述空芯光纤气室的一端连接；第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器具有第三端口、第四端口以及第二公共端口，所述第三端口与所述输入光纤连接，所述第二公共端口与所述空芯光纤气室的另一端连接；所述第二端口与所述第四端口连接，从而使所述探测光在第一光纤耦合器、第二光纤耦合器与所述空芯光纤气室内传播并多次经过所述空芯光纤气室。3.根据权利要求2所述的用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，其特征在于，在分光比中，所述第二端口大于所述第一端口，所述第四端口大于所述第三端口。4.根据权利要求3所述的用于碳同位素检测的全光纤化环形腔传感器件，其特征在于，所述第一光纤耦合器的所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳伟，姜寿林，赵双祥，郑凯元，何海律，
申请(专利权)人：香港理工大学深圳研究院，
类型：新型
国别省市：