[发明专利]一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法

说明书

本发明提供一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法，涉及红外检测技术领域。传感器包括，主控单元、光源模块、聚光镜、光纤、探测器、光波导微腔单元、放大滤波单元、信号采集单元。方法为光源模块产生中红外波段的光波信号，经由聚光镜、光纤，输入到光波导微腔中；光波导微腔采用双狭缝微环谐振腔结构，包括用于片上噪声感知的参考波导腔和目标气体填充狭缝的探测波导腔，两个腔的输出分别经由探测器转换为电信号，经放大滤波单元处理后，由信号采集单元转换为数字信号；主控单元对数字信号进行数字锁相处理后确定待测气体的浓度。本发明为微小型化的现场、实时、并行、原位气体的精确测量提供了解决方案。

技术领域

本发明涉及红外检测技术与应用领域，具体涉及一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法。

背景技术

作为一种重要的气体检测技术，红外吸收光谱技术具有可测气体种类多、测量范围宽、灵敏度高、响应速度快、选择性好、寿命长、适用场合广等诸多优点。在红外吸收光谱技术中，与直接吸收光谱、波长调制光谱、频率调制光谱技术相比，腔增强吸收光谱是一种更为灵敏的光谱探测技术，该技术采用光学谐振腔来增强气体分子对光的吸收作用，可将灵敏度提高3个量级以上，成为气体检测领域的研究热点。

目前，采用高反射率的光学镜片，人们大量报道了不同结构的谐振腔，如法布里-珀罗(F-P)、“V”型腔、蝶形腔，形成了基于分立光学器件的腔增强吸收光谱传感器。然而，在现场应用中，分立式腔增强传感器面临着如下问题：①谐振腔尺寸较大(几十厘米-几米)，从而导致传感器体积庞大、且对样品气体的需求量大；②对光束准直性能要求高，从而传感器的防震、抗震性能差，难以移动测量；③调谐谐振腔时需要大功率的压电陶瓷(PZT)驱动部件，增大了系统功耗。相比而言，基于红外吸收光谱原理(与光学折射率传感不同)的片上集成光学传感器可在微观尺度(微米/亚毫米量级)内完成对目标物的检测，具有高选择性、小体积、低成本、抗电磁干扰等优越特性，在片上生化/气体传感领域逐渐呈现出广阔的应用前景。

在现有报道中，人们一般采用平面条形光波导(如矩形、脊形波导来以构建微型谐振腔。然而，该类波导的光场主要分布在非中空的芯区，只能借助于目标物吸收倏逝波的方式实施测量(称为“倏逝波吸收法”)，但倏逝波很弱，导致灵敏度很低。人们也使用吸附剂及其与待测目标间的物理/化学反应实施检测，但这无疑会增加传感器的响应时间并造成非原位测量。此外，与平面波导微环/微盘谐振腔相比，尽管光子晶体波导微腔的长度更短，但其损耗很大，导致品质因数较低，不利于检测。另外，现有片上气体传感器一般采用单波导微腔结构，输出单个传感信号，无法通过参比消除光源驱动电流波动、片上传感环境参数变化、电学系统噪声等因素对检测结果的影响。

发明内容

针对现有分立式腔增强红外气体传感技术的不足，本发明公开了一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器及其使用方法。一方面，采用维纳尺度的集成波导微腔作为气体吸收池，克服了分立式腔增强吸收光谱技术及传感器存在的体积、功耗、成本、稳定性的问题。另一方面，采用狭缝波导将中红外光限制在填充待测目标气体的狭缝区域，增加了气体浓度场与光场的重叠积分因子；借助于中红外激光在微环谐振腔的谐振作用，增强了待测目标气体与中红外光的相互作用，增大了有效吸收光程；同时，利用参考波导腔感知片上环境的传感噪声，通过差分(或参比)操作消除探测波导腔中的噪声，提高了信噪比，进而提高了气体检测的精度和灵敏度。本发明为微小型化的现场、实时、并行、原位的气体精确测量提供了解决方案。

为了解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种中红外双狭缝波导微腔增强吸收光谱气体传感器，包括主控单元，其特征在于，所述中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器还包括中红外光源模块、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第三聚焦镜、光纤、第一探测器、第二探测器、光波导微腔单元、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第一信号采集单元、第二信号采集单元；