[實用新型]超小型微腔氣體傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220248116.3
• 申請日: 2012-05-30
• 公開（公告）號: CN202614675U
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮國英;馮琛;周壽桓;鮮佩
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 成都科海專利事務(wù)有限責(zé)任公司 51202
• 代理人: 劉雙蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種氣體傳感器，特別涉及一種基于寬度拋物線型和漸變孔徑的一維光子晶體超小型微腔的氣體傳感器，屬于氣體傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，氣體傳感器在環(huán)境質(zhì)量檢測、工業(yè)生產(chǎn)過程和衛(wèi)生安全等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。氣體傳感器作為檢測氣體參數(shù)的關(guān)鍵部件，其檢測的原理主要是通過感知環(huán)境中某種氣體，將與該種氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成相關(guān)的物理參量，從而進(jìn)行氣體的檢測、監(jiān)控、分析、報警等。

氣體的純度、含水量等都與氣體的介電常數(shù)有關(guān)，而氣體的介電常數(shù)又與其折射率有關(guān)，因此，只要能夠精確地測量出氣體的折射率就可以實現(xiàn)對氣體的純度、含水量等參數(shù)的精確測量。目前，使用氣體傳感器測量氣體的折射率，大多是通過干涉法來實現(xiàn)，主要是利用邁克爾遜干涉法和馬赫—曾德爾干涉法來實現(xiàn)氣體折射率的測量。但利用這兩種測量方法的氣體傳感器均存在體積大、不易集成、不能自動檢測和遠(yuǎn)程傳輸?shù)木窒蕖?/p>

當(dāng)今，氣體傳感器引起了測量氣體折射率或者傳輸變化的廣泛關(guān)注。而在氣體傳感器中使用引入缺陷形成的光子晶體腔作為氣體傳感器的窄帶濾波器件是很有優(yōu)勢的，由于光子晶體腔的高品質(zhì)因子保證了窄帶濾波器輸出譜線的窄頻寬，所以當(dāng)外界環(huán)境條件改變即待測氣體的折射率改變時，窄帶濾波器所對應(yīng)的腔長也會變化。由于其頻寬超窄，氣體傳感器能探測到的相應(yīng)譜線也變得較為容易，這為設(shè)計氣體傳感器提供了新的平臺。由于光子晶體微腔結(jié)構(gòu)具有較高的微腔諧振品質(zhì)因素和較小的模式體積，因而它已經(jīng)被用于氣體傳感器領(lǐng)域，但是，目前大部分所用于氣體傳感器的光子晶體微腔都是基于平板光子晶體腔。E.Chow等人提出一種基于二維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的氣體傳感器，該氣體傳感器的光子晶體微腔模塊為一個三角晶格光子晶體，在該光子晶體微腔模塊上設(shè)置一系列的氣孔，與位于該光子晶體模塊上的第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)形成一個“申”字型的結(jié)構(gòu)。該氣體傳感器用于探測氣體折射率的變化，但是，光能在上述氣體傳感器的光子晶體模塊中透過率很低且這種傳感器所探測到的折射率變化只有0.002。因此，提出一種具有高的靈敏度和分辨率的氣體傳感器，具有重要的意義，也是本實用新型的任務(wù)所在。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型的目的就是在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷和不足，而設(shè)計一種新型的基于一維光子晶體納米線腔的超小型微腔氣體傳感器。該氣體傳感器具有測量準(zhǔn)確，高靈敏度和低損耗的特點。

本實用新型的基本設(shè)計思想是：設(shè)計一種基于寬度拋物線型和漸變孔徑的一維光子晶體納米線腔的超小型微腔氣體傳感器。它包括光源、光耦合模塊、微腔模塊和光譜探測器；該光耦合模塊進(jìn)一步包括全反射鏡，在全反射鏡的反射面設(shè)置起偏器，透鏡，還在起偏器的透射面，透鏡的前面或后面設(shè)置耦合光纖；微腔模塊進(jìn)一步包括納米線腔，設(shè)置于該納米線腔上的氣孔和固定該納米線腔的腔體測試盒；所述光源發(fā)出的光經(jīng)全反射鏡反射后進(jìn)入起偏器，由透鏡聚焦耦合至耦合光纖后進(jìn)入微腔模塊。由于所述光子晶體納米線腔的光學(xué)模式的緊約束性對外界環(huán)境變化即氣體折射率變化具有高靈敏度；當(dāng)環(huán)境中所要測量的氣體折射率對比度提高時，納米線腔的光子帶隙加寬且諧振波長發(fā)生偏移，利用光譜探測器接收納米線腔的輸出光場變化，進(jìn)而得到待測氣體的折射率大小。

為實現(xiàn)本實用新型的上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

本實用新型提出的一種超小型微腔氣體傳感器，其特征在于包括光源、光耦合模塊、耦合光纖、微腔模塊、耦合連接光纖和光譜探測器；所述光耦合模塊進(jìn)一步包括全反射鏡、起偏器和透鏡；所述微腔模塊進(jìn)一步包括納米線腔和腔體測試盒；所述光源發(fā)出的光經(jīng)光耦合模塊中的全反射鏡反射后進(jìn)入起偏器，再由透鏡聚焦耦合至耦合光纖后進(jìn)入微腔模塊，所述耦合光纖設(shè)置于透鏡的后面，然后發(fā)出的光經(jīng)過微腔模塊再進(jìn)入耦合連接光纖，并由放置于該微腔模塊另一端的光譜探測器接收納米線腔的輸出光場變化，進(jìn)而得到待測氣體的折射率大小。

上述技術(shù)方案中，所述起偏器和透鏡設(shè)置于全反射鏡的反射面。

上述技術(shù)方案中，所述的納米線腔的腔型是基于寬度拋物線型和漸變孔徑組成的自由懸浮式結(jié)構(gòu)的一維光子晶體微腔；所述納米線腔包括缺陷區(qū)，漸變區(qū)和反射鏡區(qū)，其上設(shè)置有氣孔，納米線腔由腔體測試盒固定。

上述技術(shù)方案中，所述的納米線腔上設(shè)置的氣孔為與其呈中心對稱分布的漸變區(qū)空氣孔和反射鏡區(qū)空氣孔。

上述技術(shù)方案中，所述的耦合光纖和耦合連接光纖用作光進(jìn)入和連接的部分，其形狀均為錐形光纖。

上述技術(shù)方案中，所述的光源為LED光源，或激光光源。