[實用新型]基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器

有效

• 申請號: 201320549798.6
• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN203405406U
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 呂亮;杜正婷;俞本立;朱軍;楊波;趙云鶴;張文華;吳爽;徐峰;周博
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G01N21/01
• 代理公司: 江蘇英特東華律師事務所 32229
• 代理人: 邵鋆

技術領域

本實用新型涉及光聲光譜測量系統，具體地說是一種基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器。

背景技術

光聲光譜檢測技術在環境監測、工業過程控制以及醫學診斷等領域得到廣泛應用。光聲光譜氣體檢測技術是基于氣體光聲效應的一種光譜檢測方法，它的基本原理是利用待測氣體分子受外界光源激發，吸收特定波長光子的能量，氣體分子躍遷到激發態，再通過熱釋放吸收的能量，從而引起氣體溫度變化產生了壓強變化。當激發光源以一定頻率的信號調制，氣體會產生與調制信號頻率相同的聲頻信號，利用傳感器檢測出該光聲信號，即可獲得待檢測氣體的信息。在光譜分析技術中，光聲光譜氣體檢測方法作為一種理想的無背景噪聲光譜檢測技術，因其具有良好的選擇性，不受反射光、散射光和透射背景光的影響，檢測靈敏度極高等優點，在氣體檢測領域中優勢突出，相關檢測原理和方法得到了迅速發展。

為了實現高性能的光聲光譜系統，人們提出采用二氧化碳等氣體激光器作為激發光源，雖然效率高、光束質量好，但體積龐大，價格昂貴，難以便攜和移動。而半導體激光器雖體積小且可靠性高，但一般輸出功率較低，光束質量差。量子級聯激光器技術仍不成熟，且價格昂貴，功率低，難以調諧。而光聲光譜檢測系統的另外兩個重要部分，即光聲池結構和壓力傳感器的性能也對光聲檢測系統性能起著至關重要的作用。現有大多數光聲光譜系統的光聲池為實現光聲信號的增強，大多采用共振式結構，但這將導致光聲池尺寸大，光聲信號在傳遞過程中存在復雜影響因素，且一般激發光路采用空間耦合，光學窗口也會引入額外噪聲。另一方面，光聲信號的拾取大多采用商用電容式麥克風，聲頻信號經麥克風轉換成電信號，并經過放大輸出，其檢測靈敏度受限于麥克風性能；而音叉拾音方案，雖可較好抑制環境噪聲，但由于音叉開口小（0.2mm），實際應用過程中光路對準難度極大，且容易產生噪聲，音叉所產生壓電信號非常微弱，需性能優異前置放大器進行信號放大，這也影響了系統性能的提高。此外，現有光聲腔結構大多采用麥克風進行聲頻信號拾取，在檢測過程中光聲腔內有電信號存在，因而這限制了此類系統在易燃/易爆的氣體或特種環境中的氣體檢測的應用。

光學干涉傳感技術有抗電磁干擾、高靈敏度、大動態范圍、易復用、可應用于高溫高壓、易燃易爆等惡劣環境等優勢，可充分解決麥克風進行聲頻信號拾取所存在的主要問題。光學干涉傳感技術中較為常見的外差光學干涉傳感技術包含有分光單元、匯聚單元，并且各單元中的光學器件之間需要精密準直。激光自混合技術相對于傳統外差型干涉測量技術具有易于準直，結構緊湊、靈巧等特點。同時基于光纖激光器的自混合干涉傳感技術，更是具有光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優勢以及散熱快、損耗低、較高的上轉換效率和低激光閾值的特點，適用于復雜環境以及需多點測量的場合。

激光自混合測距原理如圖1所示，干涉系統由光纖激光器和外部反射物體組成。反饋光存在的時候可以通過改變激光器腔內的光子密度進而調制激光器本身的頻率和強度，形成了自混合干涉。

令激光器前端面17與激光器后端面18之間的長度為L₀，前端面17和后端面18的反射系數分別為r₁和r₂，后端面18到目標物體散射端面19之間的外腔長度為L_ext，外腔反射系數為r₃，激光介質的折射率為n，初始的光場為E₀，自混合干涉后的光場為E(t)，則有：

???????????????????????????????????????????????????????????????（1）

式（1）中g為激光腔內單位長度引起的線性增益，g為激光腔內單位長度的損耗，n為激光的振蕩頻率。由于激光器閾值增益被反饋光調制，激光輸出功率比例于激光閾值增益，因此，激光的輸出功率被反饋光調制，輸出的光功率如式（2）所表達：

?????????????????????????????????（2）

這里調制系數m在工作電流一定時為比例于反饋強度的常數。為激光在內外腔傳播一周的延遲時間，I₀為激光器沒有外腔反饋時的激光強度。

式（2）中，激光器的輸出強度與激光器外腔長度的變化相關。

但是，迄今為止，光纖激光器作為光源的激光自混合干涉原理并沒有在光聲光譜傳感裝置中進行應用。

實用新型內容

本實用新型針對上述問題，提供一種基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，該傳感器可實現光聲光譜檢測系統的微型化、低成本、高可靠性檢測。