基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，包括傳感光源、激發(fā)光源、第一耦合器、光聲腔體及信號(hào)處理電路單元，傳感光源、激發(fā)光源出射激光經(jīng)第一耦合器由光纖導(dǎo)入光聲腔體內(nèi)；光聲腔體包括陶瓷套管及高靈敏度膜片；激發(fā)光源出射激光激發(fā)氣體分子產(chǎn)生光聲信號(hào)，并引起高靈敏度膜片振動(dòng)；傳感光源作為檢測(cè)光信號(hào)入射到高靈敏度膜片表面，被反射回光纖端面，經(jīng)光纖輸出至傳感光源的腔內(nèi)產(chǎn)生自混合光聲光譜信號(hào)；自混合光聲光譜信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路單元處理，獲得高靈敏度膜片振動(dòng)頻率和幅度，進(jìn)而獲得氣體的濃度、壓力信息。本發(fā)明采用自混合干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，光路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，分布式氣體檢測(cè)。
【專利說明】基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光聲光譜測(cè)量系統(tǒng)，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(shù)】
[0002]光聲光譜檢測(cè)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過程控制以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)是基于氣體光聲效應(yīng)的一種光譜檢測(cè)方法，它的基本原理是利用待測(cè)氣體分子受外界光源激發(fā)，吸收特定波長光子的能量，氣體分子躍遷到激發(fā)態(tài)，再通過熱釋放吸收的能量，從而引起氣體溫度變化產(chǎn)生了壓強(qiáng)變化。當(dāng)激發(fā)光源以一定頻率的信號(hào)調(diào)制，氣體會(huì)產(chǎn)生與調(diào)制信號(hào)頻率相同的聲頻信號(hào)，利用傳感器檢測(cè)出該光聲信號(hào)，即可獲得待檢測(cè)氣體的信息。在光譜分析技術(shù)中，光聲光譜氣體檢測(cè)方法作為一種理想的無背景噪聲光譜檢測(cè)技術(shù)，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(cè)靈敏度極高等優(yōu)點(diǎn)，在氣體檢測(cè)領(lǐng)域中優(yōu)勢(shì)突出，相關(guān)檢測(cè)原理和方法得到了迅速發(fā)展。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)高性能的光聲光譜系統(tǒng)，人們提出采用二氧化碳等氣體激光器作為激發(fā)光源，雖然效率高、光束質(zhì)量好，但體積龐大，價(jià)格昂貴，難以便攜和移動(dòng)。而半導(dǎo)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(zhì)量差。量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)仍不成熟，且價(jià)格昂貴，功率低，難以調(diào)諧。而光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)的另外兩個(gè)重要部分，即光聲池結(jié)構(gòu)和壓力傳感器的性能也對(duì)光聲檢測(cè)系統(tǒng)性能起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有大多數(shù)光聲光譜系統(tǒng)的光聲池為實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)的增強(qiáng)，大多采用共振式結(jié)構(gòu)，但這將導(dǎo)致光聲池尺寸大，光聲信號(hào)在傳遞過程中存在復(fù)雜影響因素，且一般激發(fā)光路采用空間耦合，光學(xué)窗口也會(huì)引入額外噪聲。另一方面，光聲信號(hào)的拾取大多米用商用電容式麥克風(fēng)，聲頻信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)過放大輸出，其檢測(cè)靈敏度受限于麥克風(fēng)性能；而音叉拾音方案，雖可較好抑制環(huán)境噪聲，但由于音叉開口小(0.2_)，實(shí)際應(yīng)用過程中光路對(duì)準(zhǔn)難度極大，且容易產(chǎn)生噪聲，音叉所產(chǎn)生壓電信號(hào)非常微弱，需性能優(yōu)異前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大，這也影響了系統(tǒng)性能的提高。此外，現(xiàn)有光聲腔結(jié)構(gòu)大多采用麥克風(fēng)進(jìn)行聲頻信號(hào)拾取，在檢測(cè)過程中光聲腔內(nèi)有電信號(hào)存在，因而這限制了此類系統(tǒng)在易燃/易爆的氣體或特種環(huán)境中的氣體檢測(cè)的應(yīng)用。
[0004]光學(xué)干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)有抗電磁干擾、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、易復(fù)用、可應(yīng)用于高溫高壓、易燃易爆等惡劣環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，可充分解決麥克風(fēng)進(jìn)行聲頻信號(hào)拾取所存在的主要問題。光學(xué)干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)中較為常見的外差光學(xué)干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)包含有分光單元、匯聚單元，并且各單元中的光學(xué)器件之間需要精密準(zhǔn)直。激光自混合技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)外差型干涉測(cè)量技術(shù)具有易于準(zhǔn)直，結(jié)構(gòu)緊湊、靈巧等特點(diǎn)。同時(shí)基于光纖激光器的自混合干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，更是具有光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢(shì)以及散熱快、損耗低、較高的上轉(zhuǎn)換效率和低激光閾值的特點(diǎn)，適用于復(fù)雜環(huán)境以及需多點(diǎn)測(cè)量的場(chǎng)合。
[0005]激光自混合測(cè)距原理如圖1所示，干涉系統(tǒng)由光纖激光器和外部反射物體組成。反饋光存在的時(shí)候可以通過改變激光器腔內(nèi)的光子密度進(jìn)而調(diào)制激光器本身的頻率和強(qiáng)度，形成了自混合干涉。
[0006]令激光器前端面17與激光器后端面18之間的長度為Lci,前端面17和后端面18的反射系數(shù)分別為和r2，后端面18到目標(biāo)物體散射端面19之間的外腔長度為Lrait，外腔反射系數(shù)為r3，激光介質(zhì)的折射率為n，初始的光場(chǎng)為Etl,自混合干涉后的光場(chǎng)為E(t)，則有:
【權(quán)利要求】
1.一種基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，其特征是:包括傳感光源(I)、激發(fā)光源(2)、第一耦合器(3)、光聲腔體(4)及信號(hào)處理電路單元(5)，所述傳感光源(I)、所述激發(fā)光源(2)出射激光經(jīng)所述第一耦合器(3)由光纖導(dǎo)入所述光聲腔體(4)內(nèi)；所述光聲腔體(4)包括陶瓷套管(8)，所述陶瓷套管(8)上開有氣體窗口(7)，所述陶瓷套管(8)的一端設(shè)置有高靈敏度膜片(6)，其另一端設(shè)置有陶瓷插芯(9)，被檢測(cè)氣體通過所述氣體窗口( 7 )流入所述陶瓷套管(8 )內(nèi)與所述高靈敏度膜片(6 )形成光聲池；所述激發(fā)光源(2 )出射激光激發(fā)氣體分子產(chǎn)生光聲信號(hào)，并引起所述高靈敏度膜片(6 )振動(dòng)；所述傳感光源(I)作為檢測(cè)光信號(hào)入射到所述高靈敏度膜片(6)表面，被反射回光纖端面，經(jīng)光纖輸出至所述傳感光源(I)的腔內(nèi)產(chǎn)生自混合光聲光譜信號(hào)；所述自混合光聲光譜信號(hào)經(jīng)所述信號(hào)處理電路單元(5)處理，獲得所述高靈敏度膜片(6)振動(dòng)頻率和幅度，進(jìn)而獲得氣體的濃度、壓力信息。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，其特征是:所述傳感光源(I)包括順序相連的波分復(fù)用器(11)、光纖光柵(12)、增益介質(zhì)(13)及第二耦合器(16)，所述波分復(fù)用器(11)的另一輸入端口與泵浦單元(10)相連；所述泵浦單元(10)出射的泵浦激光通過所述波分復(fù)用器(11)引入所述增益介質(zhì)(13)使增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；所述光纖光柵(12)與所述第二耦合器(16)構(gòu)成激光器的線性諧振腔，并選擇與所述光纖光柵(12)波長匹配的激光并由所述第二I禹合器(16)的輸出端口輸出。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，其特征是:所述傳感光源(I)包括順序相連的波分復(fù)用器(11 )、兩個(gè)中心波長匹配的光纖光柵(12)構(gòu)成的光纖光柵對(duì)以及位于所述光纖光柵對(duì)之間的增益介質(zhì)(13)，所述波分復(fù)用器(11)的另一輸入端口與泵浦單元(10)相連；所述泵浦單元(10)出射的泵浦激光通過所述波分復(fù)用器(11)引入所述增益介質(zhì)(13)使增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；所述光纖光柵對(duì)構(gòu)成激光器的線性諧振腔，并選擇與所述光纖光柵對(duì)波長匹配的激光并由所述波分復(fù)用器(11)的輸出端口輸出。
4.按照權(quán)利要求 1所述的基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，其特征是:所述傳感光源(I)包括順序相連的光纖光柵(12 )及第二耦合器(16 )，所述第二耦合器(16 )的兩個(gè)端口之間呈環(huán)形依次連接有波分復(fù)用器(11)、增益介質(zhì)(13)及單向隔離器(14)，所述波分復(fù)用器(11)的另一輸入端口與泵浦單元(10)相連；所述泵浦單元(10)出射的泵浦激光通過所述波分復(fù)用器(11)引入所述增益介質(zhì)(13)使增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；所述光纖光柵(12)與所述第二耦合器(16)構(gòu)成環(huán)形腔并選擇與所述光纖光柵波長匹配的激光并由所述第二I禹合器(16)的輸出端口輸出。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，其特征是:所述傳感光源(I)包括順序相連的光纖光柵(12)及環(huán)形器(15)，所述環(huán)形器(15)的兩個(gè)端口之間呈環(huán)形依次連接有波分復(fù)用器(11)、增益介質(zhì)(13)及第二耦合器(16)，所述波分復(fù)用器(11)的另一輸入端口與泵浦單元(10)相連；所述泵浦單元(10)出射的泵浦激光通過所述波分復(fù)用器(11)引入所述增益介質(zhì)(13)使增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；所述光纖光柵(12)與所述環(huán)形器(15)構(gòu)成環(huán)形腔并選擇與所述光纖光柵(12)波長匹配的激光并由所述第二率禹合器(16)的輸出端口輸出。
6.按照權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，其特征是:所述光纖光柵(12)采用可調(diào)諧光纖光柵。
7.按照權(quán)利要求1所述的基于自混合的高靈敏度膜片式光聲光譜傳感器，其特征是:所述高靈敏度膜片(6) 為非金屬介質(zhì)膜或者金屬介質(zhì)膜。
【文檔編號(hào)】G01N21/01GK103439268SQ201310398870
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】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(qǐng)人:安徽大學(xué)