【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光波导传感器，尤其涉及基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置及检测方法。
技术介绍
1、基于光子晶体波导的激光光谱吸收法通过测量不同气体吸收谱线的位置和强度，可以检测得到气体的种类和浓度信息，但受限于波导器件的消逝场占比因子和有效光程，这一方法的检测灵敏度较低。光热干涉气体检测方法并不直接测量透射光谱的变化，而是测量光热效应产生的信号，可以避免光路中散射、反射的干扰，提升了传感装置的灵敏度，但是，目前的光热干涉气体检测方法多数检测激光单一传输模式的相位调制信号，受环境噪声影响较大，且不具有慢光增强的效应。
2、检测模式差的光热干涉气体传感方法对气体吸收敏感，对环境扰动不敏感，可实现更高的信噪比。光子晶体波导可以支持激光以多种模式传输，并且能够在室温下实现慢光效应，降低光的群速度，增加有效光程，增强光与分析物的相互作用。利用光子晶体波导的慢光效应，降低探测光以奇模和偶模两种传输模式的群速度，增大探测光的相位累积，同时慢光效应能够降低泵浦光传输的群速度，增强泵浦光和待测气体的吸收作用，增大因光热效应产生的相位差信号。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题，本专利技术旨在提供一种基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置及检测方法，同时在探测光多种传输模式和泵浦光波段产生慢光效应，增加器件的有效光程，增强待测气体对泵浦光的吸收和探测光的相位差积累，从而提高传感装置的灵敏度和响应速度。
2、为了实现上述目的，本专利技
3、基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，包括片上传感器、激光模块、模式激发模块和信号处理模块，所述激光模块包括用于产生探测光的第一近红外激光器和用于产生泵浦光的第二近红外激光器，所述第一近红外激光器和所述第二近红外激光器均通过所述模式激发模块与所述片上传感器相连，所述模式激发模块与所述信号处理模块相连。
4、进一步的，所述片上传感器包括光子晶体波导和气室，所述光子晶体波导完全覆盖在所述气室中。
5、进一步的，所述模式激发模块包括第一耦合波导、第二耦合波导、第三耦合波导和第四耦合波导，所述第一耦合波导的两个输出端分别与所述第二耦合波导和第三耦合波导的输入端相连，所述第三耦合波导的输出端与所述第二耦合波导耦合相连，所述第二耦合波导的输出端与所述光子晶体波导的输入端连接，所述光子晶体波导的输出端与所述第四耦合波导的输入端相连，所述第四耦合波导的输出端与所述信号处理模块相连。
6、进一步的，所述第二耦合波导是矩形波导，所述第三耦合波导是宽度逐渐变窄的矩形波导。
7、进一步的，所述第一近红外激光器的输出端与所述第一耦合波导的输入端之间通过第一光纤耦合器和第一聚焦镜连接；所述第四耦合波导的输出端与所述信号处理模块的输入端之间依次通过第二聚焦镜、光纤环形器和第二光纤耦合器相连。
8、进一步的，所述第二近红外激光器产生的泵浦光依次通过所述光纤环形器和第二聚焦镜耦合进入第四耦合波导，然后再进入光子晶体波导，通过热传导过程改变所述光子晶体波导的温度。
9、进一步的，所述信号处理模块包括依次连接的光电探测器、高通滤波器、锁相放大器、数据采集卡和电脑，所述第四耦合波导的输出端与所述光电探测器的输入端连接。
10、进一步的，所述激光模块还包括用于控制所述第一近红外激光器温度恒定的第一温度控制器，以及用于控制所述第一近红外激光器电流恒定的第一电流控制器。
11、进一步的，所述激光模块还包括用于控制所述第二近红外激光器温度恒定的第二温度控制器，以及用于控制所述第二近红外激光器电流恒定的第二电流控制器。
12、进一步的，本专利技术还包括基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置的检测方法，包括以下步骤，
13、步骤一：第一近红外激光器产生的探测光经过模式激发模块后，以奇模和偶模的模式在光子晶体波导中传输，然后输出至信号处理模块进行数据处理；
14、步骤二：通过光纤环形器将第二近红外激光器产生的泵浦光耦合进入第四耦合波导，并使泵浦光不能进入第二光纤耦合器，同时使探测光能耦合进入第二光纤耦合器；
15、步骤三：调节第二近红外激光器的电流，使近红外的泵浦光波长对准待测气体的吸收峰；
16、步骤四：信号处理模块采集光子晶体波导输出的探测光奇模和偶模相位差信息；
17、步骤五：分析检测得到的相位差信息与待测气体浓度之间的关系，得出待测气体的浓度信息。
18、本专利技术的有益效果是：
19、1、本专利技术中的气体传感装置基于光热干涉光谱技术和光子晶体波导的原理，整个传感装置易于片上集成；而且能够同时在探测光多种传输模式和泵浦光波段产生慢光效应，增加器件的有效光程，增强待测气体对泵浦光的吸收和探测光的相位差积累，从而提高传感装置的灵敏度和响应速度。
20、2、本专利技术中的气体传感装置基于探测光在片上传感器中以奇模和偶模两种模式的传输，通过检测奇模和偶模两种模式的相位差来对待测气体进行检测，测量模式相位差的方法对外界环境扰动不敏感，能够提高传感器的信噪比。
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1.基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：包括片上传感器(100)、激光模块(200)、模式激发模块(300)和信号处理模块(400)，所述激光模块(200)包括用于产生探测光的第一近红外激光器(015)和用于产生泵浦光的第二近红外激光器(016)，所述第一近红外激光器(015)和所述第二近红外激光器(016)均通过所述模式激发模块(300)与所述片上传感器(100)相连，所述模式激发模块(300)与所述信号处理模块(400)相连。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述片上传感器(100)包括光子晶体波导(004)和气室(005)，所述光子晶体波导(004)完全覆盖在所述气室(005)中。
3.根据权利要求2所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述模式激发模块(300)包括第一耦合波导(003)、第二耦合波导(021)、第三耦合波导(022)和第四耦合波导(006)，所述第一耦合波导(003)的两个输出端分别与所述第二
4.根据权利要求3所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述第二耦合波导(021)是矩形波导，所述第三耦合波导(022)是宽度逐渐变窄的矩形波导。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述第一近红外激光器(015)的输出端与所述第一耦合波导(003)的输入端之间通过第一光纤耦合器(001)和第一聚焦镜(002)连接；所述第四耦合波导(006)的输出端与所述信号处理模块(400)的输入端之间依次通过第二聚焦镜(007)、光纤环形器(008)和第二光纤耦合器(009)相连。
6.根据权利要求5所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述第二近红外激光器(016)产生的泵浦光依次通过所述光纤环形器(008)和第二聚焦镜(007)耦合进入第四耦合波导(006)，然后再进入光子晶体波导(004)，通过热传导过程改变所述光子晶体波导(004)的温度。
7.根据权利要求6所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述信号处理模块(400)包括依次连接的光电探测器(010)、高通滤波器(011)、锁相放大器(012)、数据采集卡(013)和电脑(014)，所述第四耦合波导(006)的输出端与所述光电探测器(010)的输入端连接。
8.根据权利要求1所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述激光模块(200)还包括用于控制所述第一近红外激光器(015)温度恒定的第一温度控制器(019)，以及用于控制所述第一近红外激光器(015)电流恒定的第一电流控制器(017)。
9.根据权利要求1所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述激光模块(200)还包括用于控制所述第二近红外激光器(016)温度恒定的第二温度控制器(020)，以及用于控制所述第二近红外激光器(016)电流恒定的第二电流控制器(018)。
10.如权利要求6-9任一项所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤，
...【技术特征摘要】
1.基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：包括片上传感器(100)、激光模块(200)、模式激发模块(300)和信号处理模块(400)，所述激光模块(200)包括用于产生探测光的第一近红外激光器(015)和用于产生泵浦光的第二近红外激光器(016)，所述第一近红外激光器(015)和所述第二近红外激光器(016)均通过所述模式激发模块(300)与所述片上传感器(100)相连，所述模式激发模块(300)与所述信号处理模块(400)相连。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述片上传感器(100)包括光子晶体波导(004)和气室(005)，所述光子晶体波导(004)完全覆盖在所述气室(005)中。
3.根据权利要求2所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述模式激发模块(300)包括第一耦合波导(003)、第二耦合波导(021)、第三耦合波导(022)和第四耦合波导(006)，所述第一耦合波导(003)的两个输出端分别与所述第二耦合波导(021)和第三耦合波导(022)的输入端相连，所述第三耦合波导(022)的输出端与所述第二耦合波导(021)耦合相连，所述第二耦合波导(021)的输出端与所述光子晶体波导(004)的输入端连接，所述光子晶体波导(004)的输出端与所述第四耦合波导(006)的输入端相连，所述第四耦合波导(006)的输出端与所述信号处理模块(400)相连。
4.根据权利要求3所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述第二耦合波导(021)是矩形波导，所述第三耦合波导(022)是宽度逐渐变窄的矩形波导。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体慢光波导和模式相位差的光热干涉光谱气体传感装置，其特征在于：所述第一...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑传涛，黄一俊，彭子航，皮明权，宋芳，杨悦，王一丁，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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