[发明专利]一种基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及分析设备领域。具体涉及一种采用了开放式微结构光纤的气体拉曼检 测装置。可应用于对单一气体样本或混合气体样本的定性、定量分析。

背景技术

当使用波长比待测样本粒径小得多的单色光照射气体，液体样本时，部分光会按 不同的角度发生散射。散射光中除含有与照射光频率相同的瑞利散射光以外，还含有一系列 对称分布于照射光频率两侧的有一定频移的谱线，该现象是拉曼散射现象。由于拉曼谱线的 数目与频移直接与待测样本的分子结构、分子振动、转动能级以及浓度有关，因此通过分析 拉曼光谱，就可以定性的分析待测样本的组分。

基于拉曼散射效应的气体样本检测方法，具有易于实现、无需前处理、抗干扰等 优点。但是微弱的拉曼散射系数是制约其广泛应用的缺陷，为了提高信号强度，需要提高光 场与分析物质的重叠度。而采用微结构光纤(MOF)的气体拉曼检测装置更兼具集成化、光场 -气体分布场的重叠度高、作用距离长、分布式传感、抗电磁干扰等优点。本发明即是一种采 用了微结构光纤的拉曼气体检测装置。

衡量基于微结构光纤的拉曼气体检测装置的性能主要从两方面进行分析：灵敏度 和响应时间。目前基于微结构光纤的气体拉曼检测装置主要基于两种结构：光子带隙型微结 构光纤(PBG-MOF)^【1】和全内反射性微结构光纤(TIR-MOF)^【2】。PBG-MOF的优点是光场与气 体分布的场重叠度高，高重叠度有助于增强产生的拉曼信号光，但局限于光子带隙的要求， 光子带隙型微结构光纤的侧面无法实现开放，气体仅能从光纤端面进入，使得扩散时间过长， 无法实现实时检测；TIR-MOF的优点在于通过侧面剖光、等离子束、化学腐蚀等方法可使微结 构光纤的侧面开放，实现实时传感。在TIR-MOF光纤类型中，纤芯悬浮光纤(suspended core  fiber，简称：SCF)具有非常大的空气孔/基底材料比，而且通过压缩芯径至几百甚至几十纳 米，可以使得相当高的激发光能量分布在纤芯周围的气孔区域，提高光场与气体的场重叠度， 进而增强拉曼信号光的强度。但在目前的SCF气体传感器中，仅有单一气孔开放，光场仅与该 开放的气孔内的气体发生作用，这种情况下，光场与气体分布场重叠度反而不及密闭型的SCF 气体传感器，进而影响最终产生的拉曼信号光的强度，未能有效挖掘SCF提高拉曼信号强度的 潜力。

在本发明提出的基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置设计中，通过光纤侧 面开气体进口和在悬臂上加入阵列式气体扩散孔结构，使得待测气体可以快速的扩散至所有 气孔区域，本发明可在具备快速响应特性的同时，提高了激发光的模场与气体的重叠度，进 而提高了拉曼信号光的强度。并且通过优化微结构光纤纤芯芯径，悬臂厚度，光纤基底材料， 可进一步提高产生的拉曼信号光的强度。

【1】M.P.Buric，K.P.Chen，J.Falk，S.D.Woodruff，“Enhanced spontaneous  Raman scattering and gas composition analysis using a photonic bandgap fibre”， Applied Optics，47，4255(2008.)

【2】Isabelle Dicaire，Jean-Charles Beugnot，Luc Thévenaz，“Suspended-core  fibres as optical gas sensing cells：study and implementation”，Proc.of SPIE Vol. 735773570U-1(2009)

发明内容

本发明是一种采用了开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置。其检测原理如图1 所示。

待测气体按照图中箭头9所指方向从侧面进入开放式微结构光纤5中，并扩散至 开放式微结构光纤5内部的三个气孔中。激光器1发射的激发光按图1中的虚线光路2经半 透半反镜3、透镜4进入开放式微结构光纤5。此时，激发光的模场与开放式微结构光纤5内 的待测气体相互作用，激励待测气体发出拉曼散射信号光，该信号光按图1中的实线光路6 经透镜4，半透半反镜3和透镜7进入拉曼光谱分析仪8中。通过该分析仪对拉曼信号光的 光谱与强度的分析，进而测得待测气体的分子种类与浓度。