[发明专利]一种基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感装置及检测方法

说明书

本发明提供了一种基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感装置，包括近红外激光器、光纤准直器、第一近红外透镜、气室、第一窗口片、基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感器、第二窗口片、中红外透镜、中红外激光器、第二近红外透镜、二次谐波信号提取模块、温度控制模块、电流控制模块和探针台。本发明中的基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感器的体积小，具有便携性，同时在近红外波段和中红外波段产生慢光效应，增强分析物对中红外抽运光的吸收，增强近红外探测光的相位变化，并且使用悬浮结构的光子晶体波导增强光与分析物的作用效果，提高传感器的灵敏度。

技术领域

本发明属于红外分析物检测技术领域，具体涉及一种基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感装置及检测方法。

背景技术

光热干涉光谱技术通过对光热干涉信号进行探测，避免了光路中的散射和反射产生的热噪声影响，可以显著提高传感器的性能。目前，分立式光热干涉光谱的传感系统体积庞大，不具有便携性。片上光波导传感系统具有体积小的优势，可以有效提高系统的便携性。基于二阶光子带隙的光子晶体波导具有两个慢光效应波段，且在慢光效应波段的群折射率较大，可以增强分析物对抽运光的吸收，增强探测光的相位变化，从而有效提高光热干涉光谱的灵敏度。

中红外波段气体分析物的吸收系数是近红外气体分析物的吸收系数的100到1000倍，所以使用中红外波长的抽运光可以增强气体的吸收。与中红外系统(光源、探测器)相比，近红外系统(光源、探测器)的成本更低，性能更好，所以使用近红外波长的探测光可以降低成本和系统噪声。采用悬浮波导结构可以有效提高传感器的外限制因子，从而增强光与分析物的作用效果，提高传感器的灵敏度。

发明内容

针对现有分立式光热干涉光谱传感系统体积庞大、光纤式光热干涉光谱传感系统不具有慢光效应的特点，本发明公开了一种基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感器，传感器的体积小，具有便携性，同时在近红外波段和中红外波段产生慢光效应，增强分析物对中红外抽运光的吸收，增强近红外探测光的相位变化，并且使用悬浮结构的光子晶体波导增强光与分析物的作用效果，提高传感器的灵敏度。

本发明采用的技术方案为：

一种基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感装置，包括近红外激光器、光纤准直器、第一近红外透镜、气室、第一窗口片、基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感器、第二窗口片、中红外透镜、中红外激光器、第二近红外透镜、二次谐波信号提取模块、温度控制模块、电流控制模块和探针台；

所述近红外激光器、光纤准直器、第一近红外透镜、第一窗口片依次相连，所述第一窗口片的输出端与基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感器的第一端口连接，所述基于二阶光子带隙慢光波导的光热干涉光谱气体传感器的第二端口和第三端口分别与第二窗口片的第一端口和探针台相连，所述第二窗口片的第二端口和第三端口分别与中红外透镜的输出端和第二近红外透镜的输入端相连，所述第二近红外透镜的输出端与二次谐波信号提取模块相连；

所述中红外激光器的输出端与中红外透镜的输入端相连。

优选的，所述二次谐波信号提取模块包括近红外探测器、锁相放大器、数据采集卡和电脑，所述第二近红外透镜的输出端与近红外探测器的输入端相连，所述近红外探测器的输出端和锁相放大器的输入端相连，所述锁相放大器的输出端和数据采集卡的第一端口相连，所述数据采集卡的第二端口和电脑相连。

优选的，还包括第一电流控制器、第一温度控制器、第二电流控制器和第二温度控制器，所述数据采集卡的第三端口和第四端口分别与第一电流控制器和第二电流控制器的输入端相连，所述第一电流控制器和第一温度控制器的输出端与中红外激光器的输入端相连，所述第二电流控制器和第二温度控制器的输出端与近红外激光器的输入端相连。