[發(fā)明專利]激光環(huán)路光子晶體氣室式痕量氣體分子濃度測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210013888.3
• 申請日: 2012-01-17
• 公開（公告）號: CN102608043A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李志全;童凱;王志斌;牛立勇;李文超;孫宇超
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 石家莊一誠知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 13116
• 代理人: 李合印

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明為一種氣體濃度測量方法，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量方法，可以實現(xiàn)所處環(huán)境的復(fù)雜氣體濃度的高靈敏度、高精度測量及組分的分析。

背景技術(shù)

目前用于測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，但是對于超低濃度痕量氣體的高靈敏度、高精度在線測量和組分分析，這些方法則難以勝任。由于氣體的吸收帶離散會產(chǎn)生氣體吸收譜線相互交疊，很難準(zhǔn)確識別其成分。此外，環(huán)境溫度和壓力的變化也會使系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定，使其在現(xiàn)場應(yīng)用中，測量精度降低。

2011年由Wei-Cheng?Lai，Swapnajit?Chakravarty等人采用硅光子晶體波導(dǎo)用于測量甲烷氣體吸收光譜，通過高強度電場實現(xiàn)慢光來增大有效光學(xué)吸收長度，可以實現(xiàn)0.03ppm靈敏度的氣體濃度測量。《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)的方法來實現(xiàn)氣體濃度的測量，此方法雖較新穎，但是由于測量過程的高強度電場技術(shù)較復(fù)雜，實現(xiàn)較繁瑣，對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量方法，其步驟是：

采用大功率固定波長的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折射率通過外加交流電實現(xiàn)調(diào)制，以實現(xiàn)禁帶數(shù)量的增加或減少，使被測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晶體中進行差分，調(diào)制成1400—1600nm的可調(diào)諧激光，使其通過準(zhǔn)直透鏡進入光子晶體衰蕩腔氣室，當(dāng)腔內(nèi)光能量滿足條件時，即在足夠長的衰蕩時間內(nèi)光強度衰減至初始光腔的????????????????????????????????????????????????時，觸發(fā)控制器通過EOM關(guān)斷Nd:YAG光源，計算機開始記錄衰蕩時間，計算機接收波長計與觸發(fā)控制器的信號，驅(qū)動PZT調(diào)整衰蕩腔長度，為鎖相放大器提供參考信號調(diào)制TDL，而Nd:YAG的輸出由CM進行調(diào)制。從而形成適當(dāng)方位的Nd:YAG與TDL的準(zhǔn)確差分，由計算機分別記錄空腔衰蕩時間和充滿氣體時的衰蕩時間，由此得出被測氣體濃度。

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)境粉塵污染問題。

所述腔內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡的作用是為了保證光傳輸過程中具有良好的平行性，其設(shè)計長度為50cm、半徑為20cm、反射系數(shù)為0.999、曲率半徑為1m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現(xiàn)禁帶和導(dǎo)帶數(shù)量的增加或減少，即：通過氣室的光波長范圍可調(diào)。因此對峰值相近的波長可以實現(xiàn)濾波，并通過吸收峰的準(zhǔn)確捕獲實現(xiàn)組分的分析；

3）該微腔氣室具有微型化、精度高等優(yōu)點；

4)通過調(diào)整參數(shù)使測量分辨率可高達1ppb。

本發(fā)明實現(xiàn)了超低濃度痕量氣體的高靈敏度、高精度在線測量，克服譜線交疊和輸出不穩(wěn)定等不足，可以實現(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。

附圖說明

圖1是連續(xù)波激光光腔衰蕩痕量氣體測量結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2是光子晶體微腔氣室示意圖；

圖3是?光子晶體微腔氣室橫截面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述：