專利名稱：一種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法，屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前世界上很多國家都將環(huán)境保護(hù)作為ー項(xiàng)基本國策，并建立相應(yīng)的組織對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行檢測和控制。而對(duì)氣體濃度和組分的檢測與控制更是當(dāng)今傳感技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的重要前沿課題(文獻(xiàn)1.王琳琳，北京大氣污染特征研究[D]，山東大學(xué)，2011)。在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是對(duì)低濃度有毒氣體的快速、實(shí)時(shí)、高靈敏度、高精度遠(yuǎn)程檢測，是眾多科學(xué)研究者所追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的氣體檢測技術(shù)通常是基于非光學(xué)的檢測，容易受到其他氣體成分的交叉敏感和敏感膜表面污染等不利因素的影響，而且其響應(yīng)比較遲鈍，可重復(fù)利用率低，使用壽命較短，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)在線檢測。因此，發(fā)展高靈敏度而且有效的氣體檢測手段成為傳感技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)特別重要的課題。光譜吸收型光纖氣體傳感器是光譜分析技術(shù)與現(xiàn)代光纖技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。每ー種氣體都有固有的吸收譜(文獻(xiàn)2.L.S.Rothman, 1.E.Gordon, A.Barbe， et al.The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database[J].Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer, 2009， 110:533-572.)，當(dāng)光源的發(fā)射光波長與氣體的吸收光波長相吻合時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振吸收，其吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過測量光的吸收強(qiáng)度即可反演待測氣體的濃度。由于其測量信號(hào)的載體是光波，對(duì)被測環(huán)境干擾小，特別是其傳感探頭不帶電、本質(zhì)防爆的特點(diǎn)，可適用于易燃易爆氣體的エ業(yè)在線檢測。目前，光譜吸收型光纖氣體傳感器是研究的最多并接近于實(shí)用化的一種氣體傳感器(文獻(xiàn)3.吳兵兵，呂垚，戴基智等，光纖氣體傳感檢測技術(shù)研究[J]，激光與紅外，2009，39(7):707-712.)。然而在實(shí)際測量中，為了提高傳感器測量的靈敏度，尤其是氣體濃度較小時(shí)，應(yīng)盡可能的増加吸收路徑的長度，但是隨著吸收路徑長度的増加，光纖準(zhǔn)直器的制造エ藝變得復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)，光功率損耗也變得比較嚴(yán)重，所以不能無限制的增加氣室的長度(文獻(xiàn)4.Y.Zhao, L.Bai, Y.N.Zhang, et al.Reviewon structures and principles of gas cells in the absorption spectrum-basedoptical fiber gas sensor systems [J].1nstrument Science & Technology, 2012,40(5): 381-401.)。為了實(shí)現(xiàn)微型化且易于實(shí)現(xiàn)的高靈敏度氣體濃度實(shí)時(shí)在線測量方法，2007年丹麥學(xué)者提出利用光子晶體作為氣室進(jìn)行氣體濃度測量的方法(文獻(xiàn)5.N.A.Mortensen, S.b.Xiao, blow-light enhancement of Beer-Lambert-Bouguer absorption [J].AppliedPhysics Letters, 2007, 90: 141108.)。由于光子晶體自身的結(jié)構(gòu)色散特性，光在光子晶體中以慢光(即傳播速度遠(yuǎn)小于真空中的光速c)的形式往前傳播，理論仿真結(jié)果表明，通過引入光子晶體慢光可以增加光與待測氣體之間的吸收作用，從而極大的提高氣體檢測的靈敏度，實(shí)現(xiàn)微型化、高靈敏度的氣體濃度測量(文獻(xiàn)6.D.Pergande, T.M.Geppert, A.von Rhein, et al.Miniature infrared gas sensors using photonic crystals [J].Journal of Applied Physics, 2011, 109: 083117.)。但是在常規(guī)的光子晶體中，光能量一般都局域在高介電常數(shù)的介質(zhì)中，這就極大的限制了光與低折射率被測介質(zhì)的相互作用，很大程度上限制了光子晶體在氣體傳感器中的應(yīng)用。此外，在普通的光子晶體慢光器件中，群折射率隨波長的變化會(huì)非常迅速，嚴(yán)重影響了傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且ー個(gè)光子晶體慢光器件往往只能用于對(duì)某種特定待測氣體進(jìn)行探測。此外，在光子晶體的制備過程中普通存在空氣孔半徑制備誤差的問題，這將嚴(yán)重影響光子晶體的慢光特性(文獻(xiàn)7.ff.W.bong, R.A.丄nteglia， ff.Jiang, blow light loss due to roughness m photoniccrystal waveguides: An analytic approach [J].Physical Review B, 2010, 82(3):235306.)，進(jìn)而影響光子晶體在氣體傳感系統(tǒng)中的使用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足之處，提出ー種結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、且能對(duì)多組分氣體濃度進(jìn)行測量的方法。(ニ)技術(shù)方案
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法，包括傳感單元、信號(hào)處理單元以及連接它們的光纖鏈路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述的傳感單元包括激光器、氣室、電流控制系統(tǒng)以及信號(hào)發(fā)生器，其特征在干:所述的氣室是由光子晶體槽波導(dǎo)構(gòu)成的，光子晶體槽波導(dǎo)能在多種待測氣體的吸收波長處產(chǎn)生具有高群折射率、寬帶寬、性能穩(wěn)定的慢光現(xiàn)象；所述的信號(hào)處理單元包括一個(gè)探測器和一個(gè)鎖相放大器；電流控制系統(tǒng)受到信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦電信號(hào)的控制，輸出的正弦調(diào)制電流將加載在激光器的直流驅(qū)動(dòng)電流上，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出波長的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)將被發(fā)送至由光子晶體槽波導(dǎo)構(gòu)成的氣室，部分光信號(hào)會(huì)被光子晶體槽波導(dǎo)中的待測氣體吸收，其余未被吸收的光經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸送給鎖相放大器作為測量信號(hào)，而鎖相放大器同時(shí)還受到信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的與電流控制系統(tǒng)接收到的調(diào)制頻率相同的正弦電信號(hào)并將其作為參考信號(hào)，最后，鎖相放大器輸出的電信號(hào)由串ロ傳送至與其相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理以及顯示。上述方案中，所述的激光器，其工作波長為1565nm至1575nm,可輸出功率最大為IOmff的光信號(hào)；所述的電流控制系統(tǒng)，其輸出電流可從20mV變化到125mV ;所述的信號(hào)發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)雙通道任意波形輸出，其中正弦波最高輸出頻率為20MHz，輸出電壓峰峰值為2mV至10V ;所述的光電探測器工作波長為IlOOnm至1650nm，響應(yīng)度為0.95A/W ;所述的鎖相放大器型號(hào)為SR830，其工作頻率范圍為ImHz至102.4kHz ;所述的光纖鏈路2和4為普通單模光纖，芯徑為9 ii m,包層直徑為125 u m,并將其與光子晶體槽波導(dǎo)氣室連接處的光纖端ロ進(jìn)行剝離拉錐エ藝制作成為光纖透鏡，其錐形角度為30°至40°，曲率半徑為4至6iim，剝纖長度為12至13mm，起到對(duì)光束的準(zhǔn)直和聚焦的作用。上述方案中，所述的光子晶體槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是先在普通的硅介質(zhì)背景上刻蝕等邊三角形排列的空氣孔形成ニ維三角晶格光子晶體，再將中間ー排沿X方向的空氣孔替換為ー個(gè)寬度為 ,=0.32a的空氣槽而構(gòu)成的，空氣孔的半徑r=0.30a (其中a=447nm為光子晶體的晶格常數(shù)，即相鄰空氣孔之間的間距)，背景介質(zhì)硅厚度A=220nm，有效折射率為/7=2.87。在光子晶體槽波導(dǎo)中最靠近空氣槽的第一排空氣孔內(nèi)填充ー種折射率的液體，并在最靠近空氣槽的第二排空氣孔內(nèi)填充另一種折射率的液體，通過調(diào)節(jié)兩種填充液體的折射率大小，從而有效地改善光子晶體槽波導(dǎo)的色散曲線，以實(shí)現(xiàn)高群折射率、寬帶寬、波長可調(diào)、性能穩(wěn)定、不受空氣孔半徑制備誤差影響的慢光特性。所填充的液體折射率隨液體種類的不同，可以在1.33到2.0之間變化，將填充有液體的光子晶體槽波導(dǎo)放在裝有甲苯的容器中浸泡5分鐘左右后取出，即可將液體移除，并可繼續(xù)填充其它不同折射率的液體。(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
1)本發(fā)明提出的這種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法，將光子晶體槽波導(dǎo)作為氣室，利用其慢光特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的高靈敏度、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)減小了傳感氣室的體積；
2)利用液體填充光子晶體槽波導(dǎo)中最靠近空氣槽的兩排空氣孔可以實(shí)現(xiàn)高群折射率、寬帶寬、性能穩(wěn)定、不受空氣孔半徑制備誤差影響的慢光特性，提高了氣體濃度測量的穩(wěn)定性。此外，通過選擇填充不同折射率的液體來調(diào)諧慢光的工作波長，使其對(duì)應(yīng)不同種類氣體的吸收波長，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分氣體的高靈敏度檢測；
3)信號(hào)處理采用的是諧波檢測方法，利用互相關(guān)原理，使輸入的周期性測量信號(hào)與頻率相同的參考信號(hào)在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，將深埋在噪聲中的周期信號(hào)攜帯的幅值信息檢測出來，可以消除雜散光的干擾，克服エ頻干擾的影響，避開I//低頻噪聲。本發(fā)明將提取出的一次諧波信號(hào)和二次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出，可以消除由于光源波動(dòng)、光纖傳輸損耗等造成的測量誤差，進(jìn)ー步提高了測量精度。


圖1為本發(fā)明提供的基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量系統(tǒng)示意 圖2為本發(fā)明提供的光子晶體槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 圖3為本發(fā)明提供的光子晶體槽波導(dǎo)色散曲線；
圖4為本發(fā)明提供的光子晶體槽波導(dǎo)在不同折射率的填充液體下的群折射率曲線；
圖5為本發(fā)明提供的光子晶體槽波導(dǎo)在yz橫截面上的模場分布 圖6為光子晶體槽波導(dǎo)的空氣孔半徑為0.29a,0.30a和0.31a時(shí)的群折射率曲線，其工作波長為1567nm，對(duì)應(yīng)CO吸收峰波長。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及性能優(yōu)化過程作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明提供的基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。激光器的注入電流受到信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的頻率為IKHZ的正弦電信號(hào)的調(diào)制，所以，從激光器發(fā)出的將為頻率為IKHz的正弦光信號(hào)，該正弦光信號(hào)由光纖透鏡耦合進(jìn)入充有待測氣體的光子晶體槽波導(dǎo)氣室，部分光信號(hào)將被吸收，未被吸收的光信號(hào)又經(jīng)光線透鏡被送至光電探測器，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，送至鎖相放大器的測量信號(hào)端ロ。需要說明的是，信號(hào)發(fā)生器同樣還發(fā)出ー個(gè)頻率為IKHz的正弦電信號(hào)送至鎖相放大器的參考信號(hào)端ロ。最后，鎖相放大器輸出的電信號(hào)經(jīng)串ロ送至與其相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和
顯不o由朗伯-比爾定律，當(dāng)一束光強(qiáng)為10的平行光通過充有氣體的氣室時(shí)，如果光源覆蓋待測氣體的吸收峰，光通過氣體時(shí)就會(huì)發(fā)生衰減。輸出光強(qiáng)_|，輸入光強(qiáng)- 和氣體濃度之間的關(guān)系可用朗伯-比爾定律表示為:
權(quán)利要求
1.一種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法，包括傳感單元、信號(hào)處理單元以及連接它們的光纖鏈路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述的傳感器單元包括激光器1、氣室3、電流控制系統(tǒng)13以及信號(hào)發(fā)生器11，其特征在于:所述的氣室3是由光子晶體槽波導(dǎo)構(gòu)成的；所述的信號(hào)處理單元包括一個(gè)探測器5和一個(gè)鎖相放大器7 ;電流控制系統(tǒng)13受到信號(hào)發(fā)生器11發(fā)出的正弦電信號(hào)的控制，輸出的正弦調(diào)制電流將加載在激光器I的直流驅(qū)動(dòng)電流上，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過傳輸光纖2送至氣室3，部分光信號(hào)會(huì)被氣室3中的待測氣體吸收，其余未被吸收的光經(jīng)過光電探測器5轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸送給鎖相放大器7作為測量信號(hào)，而鎖相放大器7同時(shí)還受到信號(hào)發(fā)生器11發(fā)出的與電流控制系統(tǒng)13接收到的調(diào)制頻率相同的正弦電信號(hào)并將其作為參考信號(hào)，最后，鎖相放大器7輸出的電信號(hào)由串ロ傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)9進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理以及顯示。
2.按權(quán)利要求1所述的ー種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法，其特征在于:所述的激光器I，其工作波長為1565nm至1575nm，可輸出功率最大為IOmW的光信號(hào)；所述的信號(hào)發(fā)生器11可實(shí)現(xiàn)雙通道任意波形輸出，其中正弦波最高輸出頻率為20MHz ;所述的光電探測器工作波長為IlOOnm至1650nm，響應(yīng)度為0.95A/W ;所述的鎖相放大器7型號(hào)為SR830，其工作頻率范圍為ImHz至102.4kHz ;所述的光纖鏈路2和4為普通單模光纖，芯徑為9mm,包層直徑為125mm。
3.按權(quán)利要求1所述的ー種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法，其特征在于:所述的氣室3中，光子晶體槽波導(dǎo)的晶格常數(shù)a=447nm，空氣孔的半徑r=0.30a，空氣槽寬度外=0.32a，背景介質(zhì)硅厚度A=220nm，通過在最靠近空氣槽的第一排和第二排空氣孔中分別填充不同折射率的液體來優(yōu)化光子晶體槽波導(dǎo)的慢光特性，實(shí)現(xiàn)了群折射率最高可達(dá)150的寬帶慢光，根據(jù)填充液體的不同，慢光的工作波長可在1564nm至1574nm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且慢光特性不受空氣孔半徑制備誤差的影響。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于光子晶體槽波導(dǎo)的多組分氣體濃度測量方法。由激光器1、氣室3、探測器5、鎖相放大器7、信號(hào)發(fā)生器11、電流控制系統(tǒng)13和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)9組成。其特點(diǎn)是氣室3由光子晶體槽波導(dǎo)構(gòu)成，利用其慢光特性增加光與待測氣體之間的接觸作用，通過在光子晶體槽波導(dǎo)兩側(cè)的空氣槽中填充不同折射率的液體，獲得高群折射率、寬帶寬、波長可調(diào)且不受空氣孔半徑制備誤差影響的慢光特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分氣體濃度的高靈敏度測量，并結(jié)合諧波檢測信號(hào)處理方法，避免了噪聲干擾、光源波動(dòng)、光纖傳輸損耗等引入的測量誤差，提高了測量精度。
文檔編號(hào)G01N21/31GK103091268SQ20131001063
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月12日
發(fā)明者趙勇, 張亞男 申請(qǐng)人:東北大學(xué)