[发明专利]激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法

说明书

技术领域

本发明为一种气体浓度测量方法，特别涉及一种激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，可以实现所处环境的复杂气体浓度的高灵敏度、高精度测量及组分的分析。

背景技术

目前用于测量痕量气体浓度的系统，多数采用电化方法、频谱法、电磁法等，但是对于超低浓度痕量气体的高灵敏度、高精度在线测量和组分分析，这些方法则难以胜任。由于气体的吸收带离散会产生气体吸收谱线相互交叠，很难准确识别其成分。此外，环境温度和压力的变化也会使系统输出不稳定，使其在现场应用中，测量精度降低。

2011年由Wei-Cheng Lai，Swapnajit Chakravarty等人采用硅光子晶体波导用于测量甲烷气体吸收光谱，通过高强度电场实现慢光来增大有效光学吸收长度，可以实现0.03ppm灵敏度的气体浓度测量。《On-chip methane sensing by near-IR absorption signatures in a photonic crystal slot waveguide》, Optics Letters, Vol. 36, Issue 6, pp. 984-986(2011)

该方法是采用光子晶体波导的方法来实现气体浓度的测量，此方法虽较新颖，但是由于测量过程的高强度电场技术较复杂，实现较繁琐，对于分析吸收谱线重叠较严重的气体组分而言，灵敏度和精确度相对较低。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术中的不足，提供一种激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，其步骤是：

采用大功率固定波长的Nd:YAG激光器作为光源，采用光子晶体微腔作为循环回路中的气室，以被测气体作为光子晶体介质柱内的介质，光子晶体中心介质KTP折射率通过外加交流电实现调制，以实现禁带数量的增加或减少，使被测气体吸收峰值谱线在光子晶体气室输出的导带范围之内；利用可调谐二极管激光器TDL与光源发出的光在PPLN晶体中进行差分，调制成1400—1600nm的可调谐激光，使其通过准直透镜进入光子晶体衰荡腔气室，当腔内光能量满足条件时，即在足够长的衰荡时间内光强度衰减至初始光腔的                                                时，触发控制器通过EOM关断Nd:YAG光源，计算机开始记录衰荡时间，计算机接收波长计与触发控制器的信号，驱动PZT调整衰荡腔长度，为锁相放大器提供参考信号调制TDL，而Nd:YAG的输出由CM进行调制。从而形成适当方位的Nd:YAG与TDL的准确差分，由计算机分别记录空腔衰荡时间和充满气体时的衰荡时间，由此得出被测气体浓度。

所述的光子晶体微腔气室，是利用硅橡胶和镀膜以及气室的尘埃过滤技术解决微腔气室的环境温度敏感及环境粉尘污染问题。

所述腔内的准直透镜的作用是为了保证光传输过程中具有良好的平行性，其设计长度为50cm、半径为20cm、反射系数为0.999、曲率半径为1m的柱形光学气体微腔。

由于采用上述技术方案，本发明提供的激光环路光子晶体气室式痕量气体分子浓度测量方法，与现有技术相比，具有这样的有益效果：   

1)基于光子晶体的极窄带宽特性，使得光源输出的不平坦性得到了很好的解决；

2)本发明KTP晶体为中心的光子晶体可实现禁带和导带数量的增加或减少，即：通过气室的光波长范围可调。因此对峰值相近的波长可以实现滤波，并通过吸收峰的准确捕获实现组分的分析；

3）该微腔气室具有微型化、精度高等优点；

4)通过调整参数使测量分辨率可高达1ppb。

本发明实现了超低浓度痕量气体的高灵敏度、高精度在线测量，克服谱线交叠和输出不稳定等不足，可以实现复杂环境气体组分分析及高分辨率的光子晶体微腔气室。

附图说明

图1是连续波激光光腔衰荡痕量气体测量结构原理图；

图2是光子晶体微腔气室示意图；

图3是 光子晶体微腔气室横截面。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：