[实用新型]超小型微腔气体传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种气体传感器，特别涉及一种基于宽度抛物线型和渐变孔径的一维光子晶体超小型微腔的气体传感器，属于气体传感器领域。

背景技术

近年来，气体传感器在环境质量检测、工业生产过程和卫生安全等领域的应用越来越广泛。气体传感器作为检测气体参数的关键部件，其检测的原理主要是通过感知环境中某种气体，将与该种气体种类和浓度有关的信息转换成相关的物理参量，从而进行气体的检测、监控、分析、报警等。

气体的纯度、含水量等都与气体的介电常数有关，而气体的介电常数又与其折射率有关，因此，只要能够精确地测量出气体的折射率就可以实现对气体的纯度、含水量等参数的精确测量。目前，使用气体传感器测量气体的折射率，大多是通过干涉法来实现，主要是利用迈克尔逊干涉法和马赫—曾德尔干涉法来实现气体折射率的测量。但利用这两种测量方法的气体传感器均存在体积大、不易集成、不能自动检测和远程传输的局限。

当今，气体传感器引起了测量气体折射率或者传输变化的广泛关注。而在气体传感器中使用引入缺陷形成的光子晶体腔作为气体传感器的窄带滤波器件是很有优势的，由于光子晶体腔的高品质因子保证了窄带滤波器输出谱线的窄频宽，所以当外界环境条件改变即待测气体的折射率改变时，窄带滤波器所对应的腔长也会变化。由于其频宽超窄，气体传感器能探测到的相应谱线也变得较为容易，这为设计气体传感器提供了新的平台。由于光子晶体微腔结构具有较高的微腔谐振品质因素和较小的模式体积，因而它已经被用于气体传感器领域，但是，目前大部分所用于气体传感器的光子晶体微腔都是基于平板光子晶体腔。E.Chow等人提出一种基于二维光子晶体微腔结构的气体传感器，该气体传感器的光子晶体微腔模块为一个三角晶格光子晶体，在该光子晶体微腔模块上设置一系列的气孔，与位于该光子晶体模块上的第一波导和第二波导形成一个“申”字型的结构。该气体传感器用于探测气体折射率的变化，但是，光能在上述气体传感器的光子晶体模块中透过率很低且这种传感器所探测到的折射率变化只有0.002。因此，提出一种具有高的灵敏度和分辨率的气体传感器，具有重要的意义，也是本实用新型的任务所在。

发明内容

本实用新型的目的就是在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，而设计一种新型的基于一维光子晶体纳米线腔的超小型微腔气体传感器。该气体传感器具有测量准确，高灵敏度和低损耗的特点。

本实用新型的基本设计思想是：设计一种基于宽度抛物线型和渐变孔径的一维光子晶体纳米线腔的超小型微腔气体传感器。它包括光源、光耦合模块、微腔模块和光谱探测器；该光耦合模块进一步包括全反射镜，在全反射镜的反射面设置起偏器，透镜，还在起偏器的透射面，透镜的前面或后面设置耦合光纤；微腔模块进一步包括纳米线腔，设置于该纳米线腔上的气孔和固定该纳米线腔的腔体测试盒；所述光源发出的光经全反射镜反射后进入起偏器，由透镜聚焦耦合至耦合光纤后进入微腔模块。由于所述光子晶体纳米线腔的光学模式的紧约束性对外界环境变化即气体折射率变化具有高灵敏度；当环境中所要测量的气体折射率对比度提高时，纳米线腔的光子带隙加宽且谐振波长发生偏移，利用光谱探测器接收纳米线腔的输出光场变化，进而得到待测气体的折射率大小。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本实用新型提出的一种超小型微腔气体传感器，其特征在于包括光源、光耦合模块、耦合光纤、微腔模块、耦合连接光纤和光谱探测器；所述光耦合模块进一步包括全反射镜、起偏器和透镜；所述微腔模块进一步包括纳米线腔和腔体测试盒；所述光源发出的光经光耦合模块中的全反射镜反射后进入起偏器，再由透镜聚焦耦合至耦合光纤后进入微腔模块，所述耦合光纤设置于透镜的后面，然后发出的光经过微腔模块再进入耦合连接光纤，并由放置于该微腔模块另一端的光谱探测器接收纳米线腔的输出光场变化，进而得到待测气体的折射率大小。

上述技术方案中，所述起偏器和透镜设置于全反射镜的反射面。

上述技术方案中，所述的纳米线腔的腔型是基于宽度抛物线型和渐变孔径组成的自由悬浮式结构的一维光子晶体微腔；所述纳米线腔包括缺陷区，渐变区和反射镜区，其上设置有气孔，纳米线腔由腔体测试盒固定。

上述技术方案中，所述的纳米线腔上设置的气孔为与其呈中心对称分布的渐变区空气孔和反射镜区空气孔。

上述技术方案中，所述的耦合光纤和耦合连接光纤用作光进入和连接的部分，其形状均为锥形光纤。

上述技术方案中，所述的光源为LED光源，或激光光源。