基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统【中国发明】

一、专利名称及专利号

名称：《基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统》

专利号：ZL 201510005210 .4

二、应用领域

本发明属于气体测量技术领域，具体涉及一种基于空芯光纤光热效应的气体浓度探测方法和系统。

三、专利说明

1、摘要：

本发明提供了一种基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，包括：将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内；将探测激光和周期性调制后的泵浦激光输入空芯光纤中；待测气体吸收泵浦激光后产生光热激发效应导致探测激光相位的周期性调制；解调探测激光的相位调制信息，得到待测气体浓度；其中周期性调制为泵浦激光的波长及/或强度的调制。本发明采用泵浦和探测双激光方案进行检测，方法简单而实用，可以实现极小的光斑面积，大大提高了光功率密度，从而使光热信号强度得到增强；本发明可实现有选择性的ppb量级的气体浓度测量，对在近红外波段具有吸收的气体具有普适性。

2、背景：

现有对于气体浓度检测方法中，最主要的是基于光吸收的光谱检测技术。该方法中最简单的是采用直接吸收光谱法(DAS)，根据朗伯比尔定律，特定波长的光通过待测气体时一部分光能量被待测气体吸收，从而使得透射光功率降低，来分析被测气体浓度。该方法虽然简单有效，但是在实际检测的过程中受到光吸收长度(气室长度)和各种噪声的干扰，造成检测的结果中常常因为干扰因素导致结果不准，使得该方法灵敏度较低。

另外一种常用的方法就是可调二极管激光吸收光谱法(TDLAS)，其利用激光波长扫过气体吸收线时的吸收强度变化来检测目标气体浓度，结合强度调制(AM)和波长调制(WM)等技术，该方法可通过调制激光的强度/波长有效地降低激光器噪声和其他背景噪声的影响，从而实现较高的气体测量灵敏度。但是该方法依然受到吸收长度的限制，各种增加吸收长度的方法使得系统变得复杂、庞大和对光路精密性要求的提高。

空芯光纤可以将光学模式和气体同时束缚在纤芯中，而其具有长距离传输、损耗小、轻便等优点，在光纤中传输的基模光场与气体相互作用，其吸收光谱或激光功率衰减与气体浓度成比例关系，从而可以确定气体浓度的大小。应用光纤作为气室，很容易实现较长的吸收长度，可以提高检测灵敏度；光纤可以弯曲至很小的直径，可实现较小的气室。因此，近来越来越倾向于应用空芯光纤来进行气体浓度的检测。然而，目前的空芯光纤除了支持基模外还支持一些高阶模式，光纤模式之间的干涉噪声影响测量的灵敏度。

另外一种基于光谱吸收的气体探测方法就是光热/光声(PTS/PAS)方法。区别于上述直接吸收测量方法，光热/光声法间接测量气体吸收光后产生的温度变化或声波变化，从而得出气体的浓度信息。相对于直接吸收法，该方法产生的信号直接正比于吸收的大小，不受背景光噪声的影响。检测中应用高功率激光器和高灵敏度声波或温度探测器结合，可实现极高的气体浓度探测极限(ppb甚至ppt)。但是使用该方法测量需要与电探测器结合，且只能实现单点测量，无法满足在测量过程中的各种多点和远程测量的需求。

四、相关文件下载

专利证书：/UploadFiles/20231110/2023111010170586586.pdf

专利详情：/UploadFiles/20220623/20220623152022392239.pdf