[發明專利]表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法及裝置

有效

• 申請號: 201210026195.8
• 申請日: 2012-02-07
• 公開（公告）號: CN102590112A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 韋瑋;朱永;林成;王寧;張潔
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

1.一種表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法，其特征在于，所述方法是讓從可調諧激光器發出的脈沖激光通過被檢測氣體，脈沖激光被吸收后入射到反射物體上，經過反射物體后反射到凹面鏡上，用凹面鏡把接收到的光能量聚焦到表面微結構硅懸臂梁上，由表面微結構硅懸臂梁吸收光能量后發生諧振，同時通過基于光纖端面和懸臂梁的金屬表面組成的可調諧的光纖法珀解調系統拾取該表面微結構硅懸臂梁的振動信號，即當懸臂梁發生諧振時，法珀腔的腔長發生變化，從而導致反射干涉光強度發生周期性變化，通過對該光信號的強度解調得到懸臂梁的諧振信號，最后采用信號處理系統反演出被探測氣體的濃度；

所述表面微結構硅懸臂梁（3）為雙層結構，上層為表面微結構硅，下層為金屬，當脈沖激光照射到懸臂梁硅表面時發生彈性熱膨脹，由于兩層材料的熱膨脹系數不同，表面微結構硅懸臂梁發生周期性光熱偏轉；

所述可調諧激光器（1）的調制頻率為表面微結構硅懸臂梁諧振頻率的1/2，其中心波長與被檢測氣體吸收峰一致；

所述法珀腔的腔長為連續激光器發出波長的1~10倍。

2.根據權利要求1所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法，其特征在于，所述表面微結構硅懸臂梁（3）厚度為3-30微米，其上層的表面微結構硅包含多個微錐體結構，厚度為2.5-28微米；

所述表面微結構硅懸臂梁的上層是通過以下方法獲得：在氣體壓強在60Kpa到80Kpa之間的六氟化硫氣體環境中，在絕緣層上硅的上層表面，用飛秒激光刻蝕出多個微錐體結構，然后用氫氟酸腐蝕掉絕緣層上硅的中間層，最后將最上層表面剝離下來，即得到超薄的表面微結構硅。

3.一種實現權利要求1或2所述方法的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，包括可調諧激光器（1）、反射物體（2）、表面微結構硅懸臂梁（3）、凹面鏡（4）、光纖（5）、光纖耦合器（6）、連續激光器（7）、光電探測器（8）、信號處理系統（9）、光纖（10）、光纖（11）和激光控制器（12）；

所述表面微結構硅懸臂梁（3）為雙層結構，上層為表面微結構硅，下層為金屬，當激光照射到懸臂梁硅表面時發生彈性熱膨脹，由于兩層材料的熱膨脹系數不同，表面微結構硅懸臂梁發生周期性光熱偏轉；

所述可調諧激光器（1）與反射物體（2）和凹面鏡（4）設置在同一光路上，表面微結構硅懸臂梁（3）放置在凹面鏡（4）的焦點處，表面微結構硅懸臂梁（3）的表面微結構硅面向凹面鏡（4），金屬表面（311）與光纖（5）的端面（51）形成法珀腔，連續激光器（7）與光纖耦合器（6）通過光纖（10）相連接，光纖耦合器（6）與光纖（5）相連接，光電探測器（8）與光纖耦合器（6）之間由光纖（11）相連接，光電探測器接收光信號并將之轉換成電信號，光電探測器（8）的輸出端與信號處理系統（9）的輸入端電連接，信號處理系統（9）對電信號進行濾波、去噪、數據處理，激光控制器（12）的輸出端與可調諧激光器（1）輸入端電連接，對激光器進行波長掃描和脈沖頻率調制；

所述可調諧激光器（1）的調制頻率為表面微結構硅懸臂梁諧振頻率的1/2，其中心波長與被檢測氣體吸收峰一致；

所述法珀腔的腔長為連續激光器發出波長的1~10倍。

4.根據權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述表面微結構硅懸臂梁（3）厚度為3-30微米，上層表面微結構硅包含多個微錐體結構，厚度為2.5-28微米。

5.根據權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述微錐體結構為微米及納米尺寸，呈金字塔型，錐體高度與底面直徑的比值在2到4之間。

6.根據權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述上層表面微結構硅是通過以下方法獲得：在氣體壓強在60Kpa到80Kpa之間的六氟化硫氣體環境中，在絕緣層上硅的上層表面，用飛秒激光刻蝕出多個微錐體結構，然后用氫氟酸腐蝕掉絕緣層上硅的中間層，最后將最上層表面剝離下來，即得到超薄的表面微結構硅。

7.根據權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述可調諧激光器采用分布反饋式激光器、量子級聯激光器或垂直腔面發射激光器。