專(zhuān)利名稱(chēng)：激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種氣體濃度測(cè)量方法，特別涉及一種激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)所處環(huán)境的復(fù)雜氣體濃度的高靈敏度、高精度測(cè)量及組分的分析。
背景技術(shù)：
目前用于測(cè)量痕量氣體濃度的系統(tǒng)，多數(shù)采用電化方法、頻譜法、電磁法等，但是對(duì)于超低濃度痕量氣體的高靈敏度、高精度在線測(cè)量和組分分析，這些方法則難以勝任。由于氣體的吸收帶離散會(huì)產(chǎn)生氣體吸收譜線相互交疊，很難準(zhǔn)確識(shí)別其成分。此外，環(huán)境溫度和壓力的變化也會(huì)使系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定，使其在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，測(cè)量精度降低。2011 年由 Wei-Cheng Lai, Swapnajit Chakravarty 等人采用娃光子晶體波導(dǎo)用于測(cè)量甲烷氣體吸收光譜，通過(guò)高強(qiáng)度電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)慢光來(lái)增大有效光學(xué)吸收長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)
O.03ppm靈敏度的氣體濃度測(cè)量。《On-chip methane sensing by near-IR absorption signatures in a photonic crystal slot waveguide》，Optics Letters, Vol. 36, Issue 6, pp. 984-986(2011)
該方法是采用光子晶體波導(dǎo)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體濃度的測(cè)量，此方法雖較新穎，但是由于測(cè)量過(guò)程的高強(qiáng)度電場(chǎng)技術(shù)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較繁瑣，對(duì)于分析吸收譜線重疊較嚴(yán)重的氣體組分而言，靈敏度和精確度相對(duì)較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法，其步驟是
采用大功率固定波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器作為光源，采用光子晶體微腔作為循環(huán)回路中的氣室，以被測(cè)氣體作為光子晶體介質(zhì)柱內(nèi)的介質(zhì)，光子晶體中心介質(zhì)KTP折射率通過(guò)外加交流電實(shí)現(xiàn)調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)禁帶數(shù)量的增加或減少，使被測(cè)氣體吸收峰值譜線在光子晶體氣室輸出的導(dǎo)帶范圍之內(nèi)；利用可調(diào)諧二極管激光器TDL與光源發(fā)出的光在PPLN晶體中進(jìn)行差分，調(diào)制成1400— 1600nm的可調(diào)諧激光，使其通過(guò)準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光子晶體衰蕩腔氣室，當(dāng)腔內(nèi)光能量滿(mǎn)足條件時(shí)，即在足夠長(zhǎng)的衰蕩時(shí)間內(nèi)光強(qiáng)度衰減至初始光腔的時(shí)，觸發(fā)控制器通過(guò)EOM關(guān)
斷Nd: YAG光源，計(jì)算機(jī)開(kāi)始記錄衰蕩時(shí)間τ汁算機(jī)接收波長(zhǎng)計(jì)與觸發(fā)控制器的信號(hào)，驅(qū)動(dòng) PZT調(diào)整衰蕩腔長(zhǎng)度，為鎖相放大器提供參考信號(hào)調(diào)制TDL，而Nd = YAG的輸出由CM進(jìn)行調(diào)制。從而形成適當(dāng)方位的Nd: YAG與TDL的準(zhǔn)確差分，由計(jì)算機(jī)分別記錄空腔衰蕩時(shí)間
和充滿(mǎn)氣體時(shí)的衰蕩時(shí)間W(V),由此得出被測(cè)氣體濃度。所述的光子晶體微腔氣室，是利用硅橡膠和鍍膜以及氣室的塵埃過(guò)濾技術(shù)解決微腔氣室的環(huán)境溫度敏感及環(huán)境粉塵污染問(wèn)題。
所述腔內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡的作用是為了保證光傳輸過(guò)程中具有良好的平行性，其設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50cm、半徑為20cm、反射系數(shù)為O. 999、曲率半徑為Im的柱形光學(xué)氣體微腔。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有這樣的有益效果
1)基于光子晶體的極窄帶寬特性，使得光源輸出的不平坦性得到了很好的解決；
2)本發(fā)明KTP晶體為中心的光子晶體可實(shí)現(xiàn)禁帶和導(dǎo)帶數(shù)量的增加或減少，即通過(guò)氣室的光波長(zhǎng)范圍可調(diào)。因此對(duì)峰值相近的波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)濾波，并通過(guò)吸收峰的準(zhǔn)確捕獲實(shí)現(xiàn)組分的分析；
3)該微腔氣室具有微型化、精度高等優(yōu)點(diǎn)；
4)通過(guò)調(diào)整參數(shù)使測(cè)量分辨率可高達(dá)Ippb。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了超低濃度痕量氣體的高靈敏度、高精度在線測(cè)量，克服譜線交疊和輸出不穩(wěn)定等不足，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境氣體組分分析及高分辨率的光子晶體微腔氣室。


圖I是連續(xù)波激光光腔衰蕩痕量氣體測(cè)量結(jié)構(gòu)原理圖2是光子晶體微腔氣室示意圖3是光子晶體微腔氣室橫截面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
如圖2所示，本發(fā)明所采用的光子晶體氣室，硅橡膠I置于氣室6兩端，在氣室6兩端的間隙處開(kāi)四個(gè)氣孔2，保證氣室6內(nèi)部氣體流通，避免阻塞光子晶體。氣室6主框架3采用金屬結(jié)構(gòu)，在硅橡膠I與光子晶體5之間加入準(zhǔn)直透鏡4，保證輸入光平行通過(guò)光子晶體。 如圖3所示，在氣室6端口處開(kāi)氣孔1，保證被測(cè)氣體為所處環(huán)境氣體。氣室6內(nèi)部光子晶體介質(zhì)柱3內(nèi)沖入被測(cè)氣體2，光子晶體利用硅4作為基底，中心采用KTP晶體5，與周?chē)橘|(zhì)的折射率差較大且半徑大于介質(zhì)柱。開(kāi)始測(cè)量，如圖I所示，大功率固定波長(zhǎng)的激光器Nd:YAG(l)和可調(diào)諧二極管激光器(12)經(jīng)單模光纖(15)在PPLN晶體(3)中差分，調(diào)制成1400nm — 1600nm范圍的可調(diào)諧激光，通過(guò)透鏡(4)進(jìn)入光子晶體氣室進(jìn)行衰蕩。氣室內(nèi)的氣體由氣孔(5)與環(huán)境氣體進(jìn)行流通。探測(cè)器(7)將透鏡(4)輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大器(8)進(jìn)行放大。當(dāng)氣室(6)內(nèi)的能量積累到足夠完成衰蕩的強(qiáng)度，由觸發(fā)控制器(10)觸發(fā)EOM(2)以20MHz頻率輪流接通、關(guān)斷Nd: YAG激光源(I)。PC(13)中的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始記錄衰蕩的諧振光信號(hào)的衰蕩時(shí)間，當(dāng)光信號(hào)衰減到Z時(shí)，一個(gè)測(cè)量過(guò)程結(jié)束，此時(shí)的測(cè)量時(shí)間正比于衰蕩時(shí)間。PC機(jī)
(13)接收波長(zhǎng)計(jì)(11)和觸發(fā)控制器(10)的信號(hào)，并根據(jù)程序通過(guò)驅(qū)動(dòng)器(9)驅(qū)動(dòng)PZT(6) 微調(diào)衰蕩腔的長(zhǎng)度，通過(guò)鎖入環(huán)節(jié)(15)為鎖相放大器(17)提供參考信號(hào)。Nd:YAG激光器 ⑴輸出由電流調(diào)制器(16)調(diào)制，最后所得結(jié)果通過(guò)PC (13)實(shí)現(xiàn)輸出(14)。圖3所示的結(jié)構(gòu)中，突出特點(diǎn)是使用一個(gè)寬范圍連續(xù)可調(diào)的差分激光源和自由頻譜范圍和精細(xì)度與之匹配的光子晶體衰蕩腔，以式-Vaes =--—作為基本測(cè)
量模型(N—為被測(cè)氣體濃度)，Ttur1和T(V)-1分別是激光在空腔和全充滿(mǎn)氣體的腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間，吣值由HITRAN數(shù)據(jù)在固定溫度下可以查到。通過(guò)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服控制
與調(diào)制，把痕量氣體的濃度與循環(huán)衰蕩速率的關(guān)系建立起來(lái)，避免了光強(qiáng)測(cè)量時(shí)由于環(huán)境和光源本身的波動(dòng)帶來(lái)的對(duì)測(cè)量精度的影響。
權(quán)利要求
1.一種激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法，其特征在于它的步驟是:采用大功率固定波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器作為光源，采用光子晶體微腔作為循環(huán)回路中的氣室，以被測(cè)氣體作為光子晶體介質(zhì)柱內(nèi)的介質(zhì)，光子晶體中心介質(zhì)KTP折射率通過(guò)外加交流電實(shí)現(xiàn)調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)禁帶數(shù)量的增加或減少，使被測(cè)氣體吸收峰值譜線在光子晶體氣室輸出的導(dǎo)帶范圍之內(nèi)；利用可調(diào)諧二極管激光器TDL與光源發(fā)出的光在PPLN晶體中進(jìn)行差分，調(diào)制成1400— 1600nm的可調(diào)諧激光，使其通過(guò)準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光子晶體衰蕩腔氣室，當(dāng)腔內(nèi)光能量滿(mǎn)足條件時(shí)，即在足夠長(zhǎng)的衰蕩時(shí)間內(nèi)光強(qiáng)度衰減至初始光腔的 - '1時(shí)，觸發(fā)控制器通過(guò)EOM關(guān)斷Nd:YAG光源，計(jì)算機(jī)開(kāi)始記錄衰蕩時(shí)間τ，計(jì)算機(jī)接收波長(zhǎng)計(jì)與觸發(fā)控制器的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)PZT調(diào)整衰蕩腔長(zhǎng)度，為鎖相放大器提供參考信號(hào)調(diào)制 TDL,而Nd: YAG的輸出由CM進(jìn)行調(diào)制，從而形成適當(dāng)方位的Nd: YAG與TDL的準(zhǔn)確差分，由計(jì)算機(jī)分別記錄空腔衰蕩時(shí)間和充滿(mǎn)氣體時(shí)的衰蕩時(shí)間，由此得出被測(cè)氣體濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法，其特征在于所述的所述的光子晶體微腔氣室，是利用硅橡膠和鍍膜以及氣室的塵埃過(guò)濾技術(shù)解決微腔氣室的環(huán)境溫度敏感及環(huán)境粉塵污染問(wèn)題。
3.根據(jù)權(quán)利要求I激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法，其特征在于所述腔內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡的作用是為了保證光傳輸過(guò)程中具有良好的平行性，其設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50cm、半徑為20cm、反射系數(shù)為O. 999、曲率半徑為Im的柱形光學(xué)氣體微腔。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測(cè)量方法，其步驟是利用可調(diào)諧二極管激光器TDL與光源發(fā)出的光在PPLN晶體中進(jìn)行差分，調(diào)制成1400—1600nm的可調(diào)諧激光，使其通過(guò)準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光子晶體衰蕩腔氣室，當(dāng)腔內(nèi)光能量滿(mǎn)足條件時(shí)，即在足夠長(zhǎng)的衰蕩時(shí)間內(nèi)光強(qiáng)度衰減至初始光腔的時(shí)，觸發(fā)控制器通過(guò)EOM關(guān)斷Nd:YAG光源，計(jì)算機(jī)開(kāi)始記錄衰蕩時(shí)間，由計(jì)算機(jī)分別記錄空腔衰蕩時(shí)間和充滿(mǎn)氣體時(shí)的衰蕩時(shí)間，由此得出被測(cè)氣體濃度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了超低濃度痕量氣體的高靈敏度、高精度在線測(cè)量，克服譜線交疊和輸出不穩(wěn)定等不足，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境氣體組分分析及高分辨率的光子晶體微腔氣室。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102608043SQ201210013888
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者孫宇超, 李志全, 李文超, 牛立勇, 王志斌, 童凱 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)