基于雙路光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于雙路光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置，屬于氣體檢測【技術領域】。該痕量氣體檢測裝置包括光源單元、光衰蕩單元以及信號接收與處理單元，所述光源單元包括相互連接的光源、光分束器，所述光衰蕩模塊包括兩個相同的光衰蕩腔，所述信號接收與處理單元包括兩個光探測器以及與兩個光探測器分別連接的計算模塊，所述兩個光衰蕩腔的光輸入端與光分束器的兩個輸出端分別連接，兩個光衰蕩腔的衰蕩光信號輸出端與兩個光探測器分別連接。相比現有技術，本實用新型利用雙路光衰蕩腔同時獲取兩條衰蕩曲線，從而可方便快捷地獲得待測氣體的濃度。
【專利說明】基于雙路光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種基于光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置，尤其涉及一種基于雙路 光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置，屬于氣體檢測【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 隨著石油、煤炭、化工、汽車工業的不斷發展，人類生產活動過程中產生了大量污 染環境、有毒有害、易燃易爆的廢氣。這些氣體雖然濃度很低，但是對人類的健康、大氣環 境等方面有不同程度的影響，所以痕量氣體分析檢測技術在諸多領域存在廣泛的應用需 求。
[0003] 光腔衰蕩光譜技術（CavityRingDownSpectroscopy,CRDS)是近20年來迅速 發展起來的一種高靈敏度的吸收光譜檢測技術，具有極高的靈敏度和分辨率，且不受光源 光強波動的影響，適用于微弱吸收光譜的測量。自1998年0'Keefe等人提出脈沖光腔衰 蕩光譜技術后，光腔衰蕩技術在光譜測量方面的研究日益廣泛。
[0004] 最初，CRDS建立在兩個高反射鏡形成的光學諧振腔之上，通過測量諧振腔內的光 強衰減速率來獲得腔內的損耗信息。由于必須保證諧振腔的高反射低損耗特性，即要求對 兩個反射鏡進行高反射率涂覆并保證腔鏡精確對準，CRDS在某些特定環境條件下的應用 發展受到了限制。2001年之后相繼出現了光纖環衰蕩腔、纖端涂覆衰蕩腔和光纖布喇格光 柵對衰蕩腔，這些光纖型衰蕩腔不僅改善了上述傳統衰蕩腔的局限性，而且各具有獨特的 優越性，已用于各種氣體液體的吸收探測、傳感領域。2001年，Stewart等人首次提出了一 種有源光纖環腔衰蕩光譜技術，系統采用DFB激光器作光源，激發用耦合器連接光纖所形 成的光纖環獲得衰蕩信號，在光纖環內引入氣體吸收池來對示蹤氣體進行檢測。由于吸收 池的插入損耗很大（約ldB)，導致腔內的衰蕩時間很小（約100ns)，因此在光纖環內增加 了一段980nm激光泵浦的摻鉺增益光纖對環內過度損耗的光信號進行補償，得到了微米量 級的衰蕩時間。但其缺陷是在提高檢測精度的同時增加了系統的復雜性，且很難控制并實 現波長1550nm附近穩定的增益補償。2002年，Brown等人提出一種無源光纖環衰蕩腔，將 一段多模光纖彎曲成環并用光纖連接器進行連接，通過照射光纖的彎曲處將光脈沖耦合入 光纖環，用光電倍增管接收另一彎曲處的透射信號，得到了雙指數衰蕩信號，分別對應環 內光脈沖在光纖包層和纖芯中的衰減，該裝置直接將光纖彎曲成環，在對準的光纖端面間 或微腔中引入有機染料進行傳感，系統總損耗較低，衰蕩時間大，結構簡單，可實現對光 纖通信系統損耗機理的分析和對微量流體的高精度感測。但其缺陷是衰蕩時間不夠長，因 而檢測范圍較小。2004年，Tarsa和Lehmann等人在光纖環衰蕩腔中引入一段雙錐形光纖 作為傳感單元，通過檢測光纖雙錐所泄漏倏逝場的吸收來測辛炔溶液的濃度，獲得結果優 于其他倏逝波吸收探測方法。他們還將其應用于彎曲、軸向應變測量，將一段單模雙錐型 光纖接入2. 2Km的單模光纖環，通過步進電機控制的轉換平臺施加軸向應變。由于光纖雙 錐設計不合理，衰蕩時間相對軸向位移呈現非線性響應，而且靈敏度也不夠高，需要進一 步優化設計。2007年，Andachi等人利用可調諧皮秒脈沖激光分別激勵布喇格光柵衰蕩腔 和光纖環衰蕩腔，在光纖環內開一個100μm的微隙用于引入亞甲基藍燃料進行吸收檢測， 得到了較低的最小檢測限。
[0005] 以上所述的現有基于CRDS的痕量氣體檢測裝置各有其優缺點，然而，現有的這些 檢測裝置都是使用單個衰蕩腔先后測量出兩次衰蕩時間，當測完無待測氣體的衰蕩時間 后，引入被測氣體不易操作，容易引入摻雜氣體，降低檢測精度，無法方便快捷的同時測出 兩次衰蕩曲線。 實用新型內容
[0006]本實用新型所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種基于雙路光衰 蕩腔的痕量氣體檢測裝置，利用雙路光衰蕩腔同時獲取兩條衰蕩曲線，從而可方便快捷地 獲得待測氣體的濃度。
[0007]本實用新型具體采用以下技術方案解決上述技術問題：
[0008]基于雙路光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置，包括光源單元、光衰蕩單元以及信號接 收
[0009] 與處理單元，所述光源單元包括相互連接的光源、光分束器，所述光衰蕩模塊包括 兩個相同的光衰蕩腔，所述信號接收與處理單元包括兩個光探測器以及與兩個光探測器分 別連接的計算模塊，所述兩個光衰蕩腔的光輸入端與光分束器的兩個輸出端分別連接，兩 個光衰蕩腔的衰蕩光信號輸出端與兩個光探測器分別連接。
[0010] 上述技術方案中的光衰蕩腔可采用兩個高反射鏡形成的光學諧振腔，或者光纖衰 蕩腔等現有或將有技術，考慮到光纖衰蕩腔所具有的各種優點，優選地，所述光衰蕩腔為光 纖衰蕩腔。
[0011] 相比現有技術，本實用新型具有以下有益效果：
[0012] 本實用新型利用兩路并聯的光衰蕩腔可同時獲取兩條衰蕩曲線，從而可方便快捷 地對待側氣體進行測量；本實用新型進一步采用光纖衰蕩腔，解決了傳統的高反射鏡式衰 蕩腔由于來回反射的光程不夠大，衰蕩時間小的問題，測量精度更高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本實用新型一個優選實施例的結構示意圖；圖中各標號含義如下：
[0014] 1、光源；2、1x2光纖稱合器(分光比為50:50);3和4、隔離器；5、6、9和10、光纖布 拉格光柵；7和8、光子晶體光纖；11和12、聚焦透鏡；13和14、光電探測器；15和16、數據 采集卡；17、計算機。

【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細說明：
[0016]本實用新型基于雙路光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置，包括光源單元、光衰蕩單元 以及信號接收與處理單元，所述光源單元包括相互連接的光源、光分束器，所述光衰蕩模塊 包括兩個相同的光衰蕩腔，所述信號接收與處理單元包括兩個光探測器以及與兩個光探測 器分別連接的計算模塊，所述兩個光衰蕩腔的光輸入端與光分束器的兩個輸出端分別連 接，兩個光衰蕩腔的衰蕩光信號輸出端與兩個光探測器分別連接。
[0017] 本實用新型中的光衰蕩腔可采用各種現有或將有技術，本實用新型優選采用光纖 衰蕩腔，尤其是其中的光纖環衰蕩腔、纖端涂覆衰蕩腔或光纖光柵衰蕩腔。
[0018] 為了防止光衰蕩腔中的光對光源及光分束器產生影響，本實用新型進一步在每個 光衰蕩腔與所述光分束器的連接光路中均設置有一個可使光由光分束器向光衰蕩腔傳輸 的光隔離器，從而可有效防止光衰蕩腔中的光進入光分束器及光源。
[0019] 本實用新型中的光源優選光纖脈沖激光器，光分束器優選50 :50光分束器。
[0020] 圖1顯示了本實用新型的一個優選實施例，該測量裝置包括光源單元、光衰蕩單 元以及信號接收與處理單元。如圖1所示，光源單元包括光源1和1x2光纖耦合器(或稱光 分束器）2 ;光衰蕩單元包括一對由光子晶體光纖7連接的光纖布拉格光柵（FBG) 5、9,和一 對由光子晶體光纖8連接的光纖布拉格光柵6、10,光子晶體光纖可以在很寬的帶寬范圍內 只支持一個模式傳輸，具有高的非線性系數，有利于減少光源在光纖中傳輸時的散色損耗， 并且有孔徑較大的光子晶體光纖，作為氣室能夠增加反射次數，有效的提高測量精度；如圖 所示，1x2光纖耦合器2的兩個輸出端分別經由光隔離器3、光隔離器4與光纖布拉格光柵 5、布拉格光柵6連接；信號接收與處理單兀包括分別設置于光纖布拉格光柵9、光纖布拉格 光柵10之后的光電探測器13、光電探測器14,分別與光電探測器13、光電探測器14連接的 數據采集卡15、數據采集卡16,以及與數據采集卡15、數據采集卡16連接的計算機17 ;為 了增強光信號米集，本實施例中在光纖布拉格光柵9與電探測器13之間以及光纖布拉格光 柵10與探測器14之間還分別設置有聚焦透鏡11和聚焦透鏡12。
[0021] 光纖布拉格光柵5、光子晶體光纖7、光纖布拉格光柵9構成一路光纖光柵衰蕩腔， 光纖布拉格光柵6、光子晶體光纖8、光纖布拉格光柵10構成另一路光纖光柵衰蕩腔。兩個 光纖光柵衰蕩腔的各構成部件的材料、長度、直徑等參數完全相同。
[0022] 光源1發出的光經1x2光纖耦合器2等分為兩路，分別經由光隔離器3、光隔離器 4進入兩個光纖光柵衰蕩腔并在其中形成振蕩，光電探測器13、光電探測器14分別接收經 由聚焦透鏡11和聚焦透鏡12匯聚后的衰蕩光信號并將其轉換為電信號，經由數據采集卡 15、數據采集卡16采集后輸入計算機17,計算機17根據所采集的信號可繪制出兩個光纖光 柵衰蕩腔中的衰蕩曲線，進而反演出待測氣體的濃度信息。
[0023] 根據光腔衰蕩光譜技術的基本原理和吸收光譜的比爾定律，隨著光波的衰蕩，在 腔外可以探測到隨指數衰減的光強信號4為：
[0024]

【權利要求】
1. 基于雙路光衰蕩腔的痕量氣體檢測裝置，包括光源單元、光衰蕩單元以及信號接收 與處理單元，其特征在于，所述光源單元包括相互連接的光源、光分束器，所述光衰蕩模塊 包括兩個相同的光衰蕩腔，所述信號接收與處理單元包括兩個光探測器以及與兩個光探測 器分別連接的計算模塊，所述兩個光衰蕩腔的光輸入端與光分束器的兩個輸出端分別連 接，兩個光衰蕩腔的衰蕩光信號輸出端與兩個光探測器分別連接。
2. 如權利要求1所述痕量氣體檢測裝置，其特征在于，所述光衰蕩腔為光纖衰蕩腔。
3. 如權利要求2所述痕量氣體檢測裝置，其特征在于，所述光纖衰蕩腔為光纖環衰蕩 腔、纖端涂覆衰蕩腔或光纖光柵衰蕩腔。
4. 如權利要求3所述痕量氣體檢測裝置，其特征在于，所述光纖衰蕩腔為光纖光柵衰 蕩腔，包括一對通過光子晶體光纖連接的光纖布拉格光柵。
5. 如權利要求1所述痕量氣體檢測裝置，其特征在于，所述光分束器為50 :50光分束 器。
6. 如權利要求1所述痕量氣體檢測裝置，其特征在于，所述光源為光纖脈沖激光器。
7. 如權利要求1所述痕量氣體檢測裝置，其特征在于，在每個光衰蕩腔與所述光分束 器的連接光路中均設置有一個可使光由光分束器向光衰蕩腔傳輸的光隔離器。
【文檔編號】G01N21/31GK204177736SQ201420656737
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】常建華, 郭躍, 王志丹, 朱成剛, 桂詩信 申請人:南京信息工程大學