[发明专利]表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测方法及装置

权利要求书

1.一种表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测方法，其特征在于，所述方法是让从可调谐激光器发出的脉冲激光通过被检测气体，脉冲激光被吸收后入射到反射物体上，经过反射物体后反射到凹面镜上，用凹面镜把接收到的光能量聚焦到表面微结构硅悬臂梁上，由表面微结构硅悬臂梁吸收光能量后发生谐振，同时通过基于光纤端面和悬臂梁的金属表面组成的可调谐的光纤法珀解调系统拾取该表面微结构硅悬臂梁的振动信号，即当悬臂梁发生谐振时，法珀腔的腔长发生变化，从而导致反射干涉光强度发生周期性变化，通过对该光信号的强度解调得到悬臂梁的谐振信号，最后采用信号处理系统反演出被探测气体的浓度；

所述表面微结构硅悬臂梁（3）为双层结构，上层为表面微结构硅，下层为金属，当脉冲激光照射到悬臂梁硅表面时发生弹性热膨胀，由于两层材料的热膨胀系数不同，表面微结构硅悬臂梁发生周期性光热偏转；

所述可调谐激光器（1）的调制频率为表面微结构硅悬臂梁谐振频率的1/2，其中心波长与被检测气体吸收峰一致；

所述法珀腔的腔长为连续激光器发出波长的1~10倍。

2.根据权利要求1所述的表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测方法，其特征在于，所述表面微结构硅悬臂梁（3）厚度为3-30微米，其上层的表面微结构硅包含多个微锥体结构，厚度为2.5-28微米；

所述表面微结构硅悬臂梁的上层是通过以下方法获得：在气体压强在60Kpa到80Kpa之间的六氟化硫气体环境中，在绝缘层上硅的上层表面，用飞秒激光刻蚀出多个微锥体结构，然后用氢氟酸腐蚀掉绝缘层上硅的中间层，最后将最上层表面剥离下来，即得到超薄的表面微结构硅。

3.一种实现权利要求1或2所述方法的表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测装置，其特征在于，包括可调谐激光器（1）、反射物体（2）、表面微结构硅悬臂梁（3）、凹面镜（4）、光纤（5）、光纤耦合器（6）、连续激光器（7）、光电探测器（8）、信号处理系统（9）、光纤（10）、光纤（11）和激光控制器（12）；

所述表面微结构硅悬臂梁（3）为双层结构，上层为表面微结构硅，下层为金属，当激光照射到悬臂梁硅表面时发生弹性热膨胀，由于两层材料的热膨胀系数不同，表面微结构硅悬臂梁发生周期性光热偏转；

所述可调谐激光器（1）与反射物体（2）和凹面镜（4）设置在同一光路上，表面微结构硅悬臂梁（3）放置在凹面镜（4）的焦点处，表面微结构硅悬臂梁（3）的表面微结构硅面向凹面镜（4），金属表面（311）与光纤（5）的端面（51）形成法珀腔，连续激光器（7）与光纤耦合器（6）通过光纤（10）相连接，光纤耦合器（6）与光纤（5）相连接，光电探测器（8）与光纤耦合器（6）之间由光纤（11）相连接，光电探测器接收光信号并将之转换成电信号，光电探测器（8）的输出端与信号处理系统（9）的输入端电连接，信号处理系统（9）对电信号进行滤波、去噪、数据处理，激光控制器（12）的输出端与可调谐激光器（1）输入端电连接，对激光器进行波长扫描和脉冲频率调制；

所述可调谐激光器（1）的调制频率为表面微结构硅悬臂梁谐振频率的1/2，其中心波长与被检测气体吸收峰一致；

所述法珀腔的腔长为连续激光器发出波长的1~10倍。

4.根据权利要求3所述的表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测装置，其特征在于，所述表面微结构硅悬臂梁（3）厚度为3-30微米，上层表面微结构硅包含多个微锥体结构，厚度为2.5-28微米。

5.根据权利要求3所述的表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测装置，其特征在于，所述微锥体结构为微米及纳米尺寸，呈金字塔型，锥体高度与底面直径的比值在2到4之间。

6.根据权利要求3所述的表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测装置，其特征在于，所述上层表面微结构硅是通过以下方法获得：在气体压强在60Kpa到80Kpa之间的六氟化硫气体环境中，在绝缘层上硅的上层表面，用飞秒激光刻蚀出多个微锥体结构，然后用氢氟酸腐蚀掉绝缘层上硅的中间层，最后将最上层表面剥离下来，即得到超薄的表面微结构硅。

7.根据权利要求3所述的表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测装置，其特征在于，所述可调谐激光器采用分布反馈式激光器、量子级联激光器或垂直腔面发射激光器。