[發(fā)明專利]微量氣體光纖光熱受激拉曼光譜檢測方法和系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112683876B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 萬福;胡錦;陳偉根;王建新;毛航銀;胡熙茜;黃正勇;譚亞雄;杜林;王有元;周湶;朱承治;李劍;王飛鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué);國網(wǎng)浙江省電力有限公司
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 北京智繪未來專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11689
• 代理人: 肖繼軍

微量氣體光纖光熱受激拉曼光譜檢測方法和系統(tǒng)。將待測氣體通過側(cè)面鉆孔方式填充到空芯光纖；調(diào)制泵浦光與第一探測光，通過耦合透鏡進(jìn)入空芯光纖；調(diào)節(jié)泵浦光波長，使泵浦光和第一探測光兩者的激光波長能量差等于待測氣體的躍遷能量差；第一探測光作為受激拉曼觸發(fā)激光，與周期性調(diào)制的泵浦光共同激發(fā)氣體產(chǎn)生受激拉曼過程影響第二探測光的相位發(fā)生變化；第二探測光在FP腔內(nèi)形成多光束干涉光，通過解調(diào)儀解調(diào)干涉光相位信號，并獲取氣體濃度。本發(fā)明利用干涉法檢測相位變化，具備很高的靈敏度，可以實現(xiàn)痕量氣體的檢測，利用光纖代替自由空間光路，系統(tǒng)尺寸等帶來的限制，進(jìn)一步推動該系統(tǒng)的應(yīng)用，促進(jìn)了光熱光譜氣體檢測傳感技術(shù)的發(fā)展。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及微量氣體光纖光熱受激拉曼光譜檢測方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

同核雙原子分子是由相同原子核的原子組合而成的雙原子分子，包括常見的空氣中的氮氣、氧氣、氫氣和氯氣等。同核雙原子分子在很多領(lǐng)域具備巨大的應(yīng)用潛力，包括冶金，化學(xué)，陶瓷、燃料電池、高溫超導(dǎo)和電子行業(yè)等，其中氫氣和氯氣用途特別廣泛，超過一定濃度值后會帶來一些不利的影響。目前，同核雙原子分子檢測主要采用一些氣敏傳感器法，色譜法和質(zhì)譜法，氣敏傳感器法易老化和存在交叉敏感，穩(wěn)定性較差，色譜法和質(zhì)譜法體積較大，價格很貴，而色譜柱易老化，不利于長期可靠分析?；谖招?yīng)的光學(xué)檢測方法是一種無損的，靈敏度高的光譜技術(shù)，但由于同核雙原子分子不具備永遠(yuǎn)的偶極矩，吸收效應(yīng)極其微弱，因此無法實現(xiàn)基于吸收效應(yīng)的同核雙原子分子高靈敏度檢測。拉曼光譜是一種基于拉曼散射效應(yīng)的光譜技術(shù)，可以實現(xiàn)除單原子分子外的所有氣體檢測，但由于氣體散射截面小，檢測靈敏度很低。迫切需要一種新的技術(shù)來實現(xiàn)高靈敏，高選擇性的無損檢測同核雙原子分子。

樣品分子在兩束激光的共同作用下，當(dāng)兩束激光頻率差等于分子的某一拉曼活性的振動頻率時，就會發(fā)生受激拉曼散射過程，使分子從基態(tài)躍遷到振動激發(fā)態(tài)，處于振動激發(fā)態(tài)上的分子將主要通過碰撞能量轉(zhuǎn)移方式回到基態(tài)，并釋放出平動能，造成體系內(nèi)局部溫度的增加，氣體分子有效折射率發(fā)生改變，結(jié)合法布里珀羅干涉檢測可以實現(xiàn)相位的高靈敏度解調(diào)，進(jìn)而實現(xiàn)氣體濃度的高靈敏檢測。光纖傳感技術(shù)具有長距離傳輸，損耗小，輕便的優(yōu)點，通過將光束束縛在空芯光纖內(nèi)部，不僅可以提高光束與分子的相互作用，而且可以降低光束的發(fā)散。氣體光纖傳感可應(yīng)用于多種環(huán)境，具備良好的工程意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供了一種微量氣體光纖光熱受激拉曼光譜檢測方法和系統(tǒng)，其優(yōu)勢是可以實現(xiàn)氣體分子(包含同核雙原子分子)的高靈敏度和高選擇性檢測，通過將受激拉曼和光熱光譜結(jié)合，實現(xiàn)氣體的全光纖檢測。

本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

微量氣體光纖光熱受激拉曼光譜檢測方法，所述檢測方法包括如下步驟：

步驟1：將待測氣體通過側(cè)面鉆孔方式填充到空芯光纖；

步驟2：調(diào)制泵浦光與第一探測光，通過耦合透鏡進(jìn)入空芯光纖；

步驟3：調(diào)節(jié)泵浦光波長，使泵浦光和第一探測光兩者的激光波長能量差等于待測氣體的躍遷能量差；

步驟4：第一探測光作為受激拉曼觸發(fā)激光，與周期性調(diào)制的泵浦光共同激發(fā)氣體產(chǎn)生受激拉曼過程，待測氣體分子因發(fā)生受激拉曼過程提升為振動激發(fā)態(tài)，通過分子碰撞造成局部加熱，引起溫度的增加，溫度變化值與氣體濃度有關(guān)，且將引起纖芯內(nèi)待測氣體有效折射率的改變，進(jìn)而影響第二探測光的相位發(fā)生變化；

步驟5：第二探測光在FP腔內(nèi)形成多光束干涉光，通過解調(diào)儀解調(diào)干涉光相位信號，并獲取氣體濃度，

其中，F(xiàn)P腔為法布里珀羅干涉儀。

在步驟1中，所述的空芯光纖為空芯光子帶隙光纖或反諧振光纖，其傳輸波段覆蓋可見光波段和近紅外。

所述的空芯光纖表面有微米級別的孔洞，其通過飛秒激光燒蝕而成，從涂覆層貫穿到纖芯，用于氣體進(jìn)入光纖空芯區(qū)。