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原文传递一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统和方法

专利名称：	一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统和方法
摘要：	本发明公开了一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统和方法，波长可调谐中红外量子级联激光器作为光源，一段中红外单模光纤作为激光输出尾纤，一段中红外空芯光纤作为气室，空芯光纤的输入输出端的侧向钻有通气微孔以供被测气体通过，激光信号通过气室后进入一段中红外单模光纤。测量气室内真空时和充满被测气体时的光腔衰荡时间差，计算被测气体特征吸收波长的单波长气体吸收系数；通过调谐激光器波长，测得被测气体在波段范围内的吸收光谱系数与波长的关系；通过处理数据定性定量地确定被测痕量气体的成分和浓度。本发明灵敏度高、抗干扰能力强，使复杂光路耦合变得简单易行，系统结构紧凑、体积小、易便携。
专利类型：	发明专利
申请人：	江苏师范大学
发明人：	冯宪;施进丹
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T21:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T05:00:00+0805
申请号：	CN202010069158.X
公开号：	CN111103260A
代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：	罗运红
分类号：	G01N21/39;G01N21/01;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/39;G01N21/01
申请人地址：	221116 江苏省徐州市铜山新区上海路101号
主权项：	1.一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统，其特征在于：所述检测系统包括：波长可调谐中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、第一中红外光纤布拉格光栅、中红外空芯光纤、第一三通阀门、第一气体管道、第一微箱、第二微箱、第二气体管道、第二三通阀门、真空泵、压力泵、第二中红外光纤布拉格光栅、第二中红外单模光纤、中红外光电探头、导线、示波器、计算机；所述中红外量子级联激光器与第一中红外光纤布拉格光栅的入射端通过第一中红外单模光纤熔接，第一中红外光纤布拉格光栅的出射端与第一微箱连接，中红外空芯光纤两端分别连接第一、第二微箱，第二微箱连接第二中红外光纤布拉格光栅的入射端，第二中红外光纤布拉格光栅的出射端与中红外光电探头通过第二中红外单模光纤熔接，中红外光电探头通过导线与示波器连接；所述第一中红外光纤布拉格光栅与第二中红外光纤布拉格光栅在空芯光纤气室两端构成全光纤衰荡腔；所述计算机用于处理所有测试数据并控制中红外量子级联激光器、第一、第二三通阀门、真空泵、压力泵的开关；第一微箱通过第一气体管道与第一三通阀门一端连接，第一三通阀门另外两端分别连接被测气体入口端以及压力泵；第二微箱通过第二气体管道与第二三通阀门一端连接，第二三通阀门另一端连接真空泵；被测气体通过第一三通阀门和第一气体管道到达气密封闭的第一微箱；中红外空芯光纤输入端钻有一个直径d微米的微孔，微孔从空芯光纤表面深入到光纤的空芯，微孔内壁表面粗糙度低于a微米；被测气体通过微孔进入空芯光纤，并充满整个空芯光纤纤芯；中红外空芯光纤输出端钻有一个直径d微米的微孔，微孔从空芯光纤表面深入到光纤的空芯，微孔内壁表面粗糙度低于a微米；被测气体通过微孔离开空芯光纤，并进入气密封闭的第二微箱；被测气体经过第二微箱并通过第二气体管道和第二三通阀门排出检测系统。 2.根据权利要求1所述的一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统，其特征在于：所述第一中红外光纤布拉格光栅、第二中红外光纤布拉格光栅是同中心波长、同高反射率的一对中红外光纤布拉格光栅。 3.根据权利要求1或2所述的一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统，其特征在于：所述微孔直径d的取值范围为20-500微米。 4.根据权利要求1或2所述的一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统，其特征在于：所述微孔内壁表面粗糙度低于1微米。 5.基于权利要求1所述系统实现的一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： S1、关闭第一三通阀门，关闭第二三通阀门的空闲阀门，打开真空泵，对整个气室通道抽真空，真空度达到p个大气压；关闭真空泵，第一三通阀门对压力泵开放，清洗氮气进入气室；关闭第一三通阀门，关闭第二三通阀门的空闲阀门，打开真空泵，对整个气室通道抽真空，真空度达到p个大气压，关闭真空泵； S2、打开中红外量子级联激光器，设定工作波长为λ1，激光信号通过第一中红外单模光纤和第一中红外光纤布拉格光栅，进入空芯光纤气室；激光信号在由第一、第二光纤布拉格光栅构成的衰荡腔内振荡后，进入第二中红外单模光纤，信号由中红外光电探头接收，并由导线连接到示波器上，从而测得在真空状态下全光纤衰荡腔在波长λ1处的背景衰荡时间常数τ(λ1,bkg)； S3、在中红外量子级联激光器的工作波段范围内调谐输出波长λi，重复步骤S2，测得全光纤衰荡腔真空状态下中红外量子级联激光器在整个工作波长范围内背景衰荡时间常数与波长的关系τ(λi,bkg)； S4、关闭第二三通阀门，气室保持真空负压；打开第一三通阀门对被测气体入口，注入被测气体；被测气体充满整个气室通道，关闭第一三通阀门，气室通道保持全封闭状态； S5、打开中红外量子级联激光器，设定工作波长为λ1，激光信号通过第一中红外单模光纤和第一中红外光纤布拉格光栅，进入空芯光纤气室；激光信号在由第一、第二光纤布拉格光栅构成的衰荡腔内振荡后，进入第二中红外单模光纤，信号由中红外光电探头接收，并由导线连接到示波器上，从而测得被测气体在波长为λ1的衰荡时间常数τ(λ1)；计算机根据τ(λ1)和τ(λ1,bkg)的差值计算获得被测气体在波长为λ1的吸收系数α(λ1)； S6、在中红外量子级联激光器的工作波段范围内调谐输出波长λi，重复步骤S5，测得被测气体在整个工作波长范围内衰荡时间常数与波长的关系τ(λi)；计算机根据τ(λi)和τ(λi,bkg)的差值计算获得被测气体在整个工作波段范围内波长λi的吸收系数α(λi)； S7、计算机将被测气体在整个工作波段范围内吸收系数α，与国际通用的HITRAN气体数据库中气体吸收系数光谱进行对比，从而定性、定量地确定被测痕量气体的成分和浓度。 6.根据权利要求5所述的一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测方法，其特征在于：对整个气室通道抽真空时，真空度达到0.01个大气压。
所属类别：	发明专利