基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，包括传感光源、激发光源、第一耦合器、光声腔体及信号处理电路单元，传感光源、激发光源出射激光经第一耦合器由光纤导入光声腔体内；光声腔体包括陶瓷套管及高灵敏度膜片；激发光源出射激光激发气体分子产生光声信号，并引起高灵敏度膜片振动；传感光源作为检测光信号入射到高灵敏度膜片表面，被反射回光纤端面，经光纤输出至传感光源的腔内产生自混合光声光谱信号；自混合光声光谱信号经信号处理电路单元处理，获得高灵敏度膜片振动频率和幅度，进而获得气体的浓度、压力信息。本实用新型采用自混合干涉传感技术，光路结构更加简单可靠，可实现远距离，分布式气体检测。
【专利说明】基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光声光谱测量系统，具体地说是一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器。
【背景技术】
[0002]光声光谱检测技术在环境监测、工业过程控制以及医学诊断等领域得到广泛应用。光声光谱气体检测技术是基于气体光声效应的一种光谱检测方法，它的基本原理是利用待测气体分子受外界光源激发，吸收特定波长光子的能量，气体分子跃迁到激发态，再通过热释放吸收的能量，从而引起气体温度变化产生了压强变化。当激发光源以一定频率的信号调制，气体会产生与调制信号频率相同的声频信号，利用传感器检测出该光声信号，即可获得待检测气体的信息。在光谱分析技术中，光声光谱气体检测方法作为一种理想的无背景噪声光谱检测技术，因其具有良好的选择性，不受反射光、散射光和透射背景光的影响，检测灵敏度极高等优点，在气体检测领域中优势突出，相关检测原理和方法得到了迅速发展。
[0003]为了实现高性能的光声光谱系统，人们提出采用二氧化碳等气体激光器作为激发光源，虽然效率高、光束质量好，但体积庞大，价格昂贵，难以便携和移动。而半导体激光器虽体积小且可靠性高，但一般输出功率较低，光束质量差。量子级联激光器技术仍不成熟，且价格昂贵，功率低，难以调谐。而光声光谱检测系统的另外两个重要部分，即光声池结构和压力传感器的性能也对光声检测系统性能起着至关重要的作用。现有大多数光声光谱系统的光声池为实现光声信号的增强，大多采用共振式结构，但这将导致光声池尺寸大，光声信号在传递过程中存在复杂影响因素，且一般激发光路采用空间耦合，光学窗口也会引入额外噪声。另一方面，光声信号的拾取大多米用商用电容式麦克风，声频信号经麦克风转换成电信号，并经过放大输出，其检测灵敏度受限于麦克风性能；而音叉拾音方案，虽可较好抑制环境噪声，但由于音叉开口小(0.2_)，实际应用过程中光路对准难度极大，且容易产生噪声，音叉所产生压电信号非常微弱，需性能优异前置放大器进行信号放大，这也影响了系统性能的提高。此外，现有光声腔结构大多采用麦克风进行声频信号拾取，在检测过程中光声腔内有电信号存在，因而这限制了此类系统在易燃/易爆的气体或特种环境中的气体检测的应用。
[0004]光学干涉传感技术有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、易复用、可应用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境等优势，可充分解决麦克风进行声频信号拾取所存在的主要问题。光学干涉传感技术中较为常见的外差光学干涉传感技术包含有分光单元、汇聚单元，并且各单元中的光学器件之间需要精密准直。激光自混合技术相对于传统外差型干涉测量技术具有易于准直，结构紧凑、灵巧等特点。同时基于光纤激光器的自混合干涉传感技术，更是具有光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势以及散热快、损耗低、较高的上转换效率和低激光阈值的特点，适用于复杂环境以及需多点测量的场合。
[0005]激光自混合测距原理如图1所示，干涉系统由光纤激光器和外部反射物体组成。反馈光存在的时候可以通过改变激光器腔内的光子密度进而调制激光器本身的频率和强度，形成了自混合干涉。
[0006]令激光器前端面17与激光器后端面18之间的长度为Lci,前端面17和后端面18的反射系数分别为^和r2，后端面18到目标物体散射端面19之间的外腔长度为Lrait，外腔反射系数为r3，激光介质的折射率为n，初始的光场为Etl,自混合干涉后的光场为E(t)，则有:
[0007]
【权利要求】
1.一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是:包括传感光源(I)、激发光源(2)、第一耦合器(3)、光声腔体(4)及信号处理电路单元(5)，所述传感光源(I)、所述激发光源(2)出射激光经所述第一耦合器(3)由光纤导入所述光声腔体(4)内；所述光声腔体(4)包括陶瓷套管(8)，所述陶瓷套管(8)上开有气体窗口(7)，所述陶瓷套管(8)的一端设置有高灵敏度膜片(6)，其另一端设置有陶瓷插芯(9)，被检测气体通过所述气体窗口( 7 )流入所述陶瓷套管(8 )内与所述高灵敏度膜片(6 )形成光声池；所述激发光源(2 )出射激光激发气体分子产生光声信号，并引起所述高灵敏度膜片(6 )振动；所述传感光源(I)作为检测光信号入射到所述高灵敏度膜片(6)表面，被反射回光纤端面，经光纤输出至所述传感光源(I)的腔内产生自混合光声光谱信号；所述自混合光声光谱信号经所述信号处理电路单元(5)处理，获得所述高灵敏度膜片(6)振动频率和幅度，进而获得气体的浓度、压力信息。
2.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是:所述传感光源(I)包括顺序相连的波分复用器(11)、光纤光栅(12)、增益介质(13)及第二耦合器(16)，所述波分复用器(11)的另一输入端口与泵浦单元(10)相连；所述泵浦单元(10)出射的泵浦激光通过所述波分复用器(11)引入所述增益介质(13)使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅(12)与所述第二耦合器(16)构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述光纤光栅(12)波长匹配的激光并由所述第二I禹合器(16)的输出端口输出。
3.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是:所述传感光源(I)包括顺序相连的波分复用器(11 )、两个中心波长匹配的光纤光栅(12)构成的光纤光栅对以及位于所 述光纤光栅对之间的增益介质(13)，所述波分复用器(11)的另一输入端口与泵浦单元(10)相连；所述泵浦单元(10)出射的泵浦激光通过所述波分复用器(11)引入所述增益介质(13)使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅对构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述光纤光栅对波长匹配的激光并由所述波分复用器(11)的输出端口输出。
4.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是:所述传感光源(I)包括顺序相连的光纤光栅(12 )及第二耦合器(16 )，所述第二耦合器(16 )的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器(11)、增益介质(13)及单向隔离器(14)，所述波分复用器(11)的另一输入端口与泵浦单元(10)相连；所述泵浦单元(10)出射的泵浦激光通过所述波分复用器(11)引入所述增益介质(13)使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅(12)与所述第二耦合器(16)构成环形腔并选择与所述光纤光栅波长匹配的激光并由所述第二I禹合器(16)的输出端口输出。
5.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是:所述传感光源(I)包括顺序相连的光纤光栅(12)及环形器(15)，所述环形器(15)的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器(11)、增益介质(13)及第二耦合器(16)，所述波分复用器(11)的另一输入端口与泵浦单元(10)相连；所述泵浦单元(10)出射的泵浦激光通过所述波分复用器(11)引入所述增益介质(13)使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅(12)与所述环形器(15)构成环形腔并选择与所述光纤光栅(12)波长匹配的激光并由所述第二率禹合器(16)的输出端口输出。
6.按照权利要求2至5中任一项所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是:所述光纤光栅(12)采用可调谐光纤光栅。
7.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是:所述高灵敏度膜片(6)为非金`属介质膜或者金属介质膜。
【文档编号】G01N21/01GK203405406SQ201320549798
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】吕亮, 杜正婷, 俞本立, 朱军, 杨波, 赵云鹤, 张文华, 吴爽, 徐峰, 周博 申请人:安徽大学