[发明专利]一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器

说明书

本发明提供了一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，包括第一段微光纤和第二段微光纤，第一段微光纤与第二段微光纤间级联；第一段微光纤设置于某气室内，第一段微光纤两端通过契合的钻孔穿出所述某气室，与所述某气室密封连接，其中所述某气室内的气体为目标探测气体，利用所述某气室内的目标探测气体吸收从第一段微光纤输入端输入的中红外光；第二段微光纤用于三次谐波产生，以将剩余的中红外光转换为近红外光；由近红外探测器探测输出的近红外光功率，由功率变化得到目标探测气体的浓度。本发明的有益效果是：传感结构简单，具有更短的气体吸收长度和更高的气体探测灵敏度，检测成本低，检测速度快，检测精度高，利于集成。

技术领域

本发明涉及光纤领域与激光光电子技术领域，尤其涉及一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器。

背景技术

气体传感一直在环境检测和工业检测领域起着重要作用。由于大气中很多气体(CO,CO₂,NO,NO₂,CH₄等)在中红外光谱(2.5-20μm)有强烈的吸收峰，使得中红外光在气体传感领域一直备受青睐。现在大部分遥感技术都是基于光学探测的，其利用光吸收测量来对确定样品的化学组成。可调谐激光吸收光谱技术已被证明对实时原位微量气体传感具有高灵敏度和良好选择性，商用室温中红外激光器的开发也确实提高了微量气体检测的灵敏度。然而，在中红外吸收光谱中，激光信号通常由汞碲化镉或锑化铟制成的探测器探测，与硅或砷化镓相比，在近红外和可见波长范围内存在一些缺点。例如，由于能带隙较小，中红外探测器的灵敏度受到热噪声的严重限制，必须进行冷却才能获得更好的性能，而且，中红外探测器也不具有成本效益。与中红外探测器相比，近红外探测器可以轻松克服这些缺点。然而，该波长范围的气体吸收效率远低于中红外，因此也限制了整体传感性能。例如，近红外的甲烷吸收系数比中红外的吸收系数低约100倍。

非线性参量上转换为气体传感提供了一种很有发展前景的方案，不仅可以利用目标气体对中红外光的高吸收，而且可以将中红外信号转换为近红外信号并利用近红外的高性能检测。因此，充分获得了中红外吸收和近红外检测的优点。在光上转换的非线性效应中，三次谐波产生具有大波长间隔、三阶指数的功率缩放、灵活的平台选择等优点，使其成为非线性气体传感的潜在方法。

光纤是气体传感和三次谐波产生的有效介质。然而在大于3μm的波长范围，传统的硅基光纤传播损耗大。相反，软玻璃在中红外波段具有优异的透射性。特别是硫族化物玻璃在1-16μm的宽带范围内具有很好的透射性能，并具有高达10^-17m²/W的非线性折射率，这有利于传感和非线性光学。微光纤作为一种超细光纤具有优异的光学特性和力学特性，广泛应用于光栅、有源光学器件、量子及原子光学、非线性光学等。虽然微光纤对光场的束缚性很强，但还是有很大一部分光场以倏逝场的形式在真空或气体介质包层中传输，并且微光纤的倏逝场极易与周围环境发生相互作用，从而反映外界环境的变化情况。因此微光纤在高灵敏度光学传感具有巨大的应用潜力。同时，微光纤具有高弯曲韧性，能够承受很小的弯曲半径。而且常用的微光纤保留了标准光纤作为第二尾纤，便于与各类光纤元器件进行连接，利用标准的光纤连接技术能实现较低的插入损耗。此外，过渡区的存在保证了标准光纤中的光场模式绝热地转换为微光纤中的光场模式，避免了模式不匹配造成的能量损失。由于微光纤质量小，直径小，将微光纤用于传感，有利于集成。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，包括第一锥形光纤和第二锥形光纤，第一锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第一段微光纤、第二过渡区和第二尾纤，第二锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第二段微光纤、第二过渡区和第二尾纤；第一锥形光纤与第二锥形光纤间级联，即第一锥形光纤的第二尾纤与第二锥形光纤的第一尾纤对接在一起；第一段微光纤设置于某气室内，第一段微光纤两端通过契合的钻孔穿出所述某气室，与所述某气室密封连接，其中所述某气室内的气体为目标探测气体，利用所述某气室内的目标探测气体吸收从第一段微光纤输入端输入的中红外光；第二段微光纤用于三次谐波产生，以将剩余的中红外光转换为近红外光；