[发明专利]基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统

权利要求书

1.一种基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

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，所述周期性调制为泵浦激光的波长及/或强度的调制。

2.如权利要求1所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，所述探测激光为脉冲光；所述得到待测气体浓度为沿着空芯光纤长度的分布式浓度；

解调所述探测激光的相位调制信息为解调脉冲探测激光在空芯光纤中的后向散射光的相位调制信息。

3.如权利要求2所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，解调脉冲探测激光在空芯光纤中的后向散射光的相位调制信息，步骤包括：

将相位调制后的后向散射光与相位未调制的探测激光干涉，得到干涉光；

通过解调干涉光拍频产生的信号，获取沿着光纤长度分布的后向散射光相位变化，进而得到待测气体沿着光纤长度分布的分布式浓度信息。

4.如权利要求3所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，所述探测激光包括两部分；其中，

第一部分为经过声光调制器产生频移的所述脉冲光；

第二部分作为相位未调制的探测激光用于与相位调制后的后向散射光干涉。

5.如权利要求1至4任一所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测方法，其特征在于，所述将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内的步骤包括：

用飞秒激光束聚焦至空芯光纤表面对空芯光纤进行烧蚀处理，形成从空芯光纤表面贯穿至纤芯内的微通道；

通过该微通道将待测气体填充至空芯光纤的纤芯内。

6.一种基于空芯光纤光热效应的气体检测系统，其特征在于，包括：光源组件、光纤激发探测组件、用于对光纤激发探测组件输出的干涉光进行解调的信号检测组件；其中，

所述光源组件包括激光发射装置，该激光发射装置具有发射泵浦激光的泵浦发射端和发射探测激光的探测发射端；

所述光纤激发探测组件包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、空芯光纤、参考光纤、光滤波器；其中，

所述第一耦合器的光输入端与泵浦发射端连接，其耦合输出端经空芯光纤连接至第三耦合器的光输入端；

所述第二耦合器的光输入端与探测发射端连接，其耦合输出端分为两路；其中第一路经参考光纤与第三耦合器的输入端连接，第二路连接至第一耦合器的输入端；

所述第三耦合器的耦合输出端与光滤波器的输入端连接；所述光滤波器的输出端与信号检测组件的输入端连接。

7.如权利要求6所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测系统，其特征在于，所述信号检测组件包括用于光电转换的光电探测器、用于低频滤除的带通滤波器、用于谐波检测的锁相放大器、和用于数据存储的数据采集卡；

所述光电探测器的输入端与光滤波器的输出端连接；

所述低通滤波器的输入端与光电探测器的输出端连接，输出端与锁相放大器的输入端连接；

所述锁相放大器的输出端与数据采集卡连接。

8.如权利要求7所述的基于空芯光纤光热效应的气体检测系统，其特征在于，所述基于空芯光纤光热效应的气体检测系统还包括相位平衡稳定装置，该相位平衡稳定装置包括相位补偿器和根据光纤激发探测组件输出的干涉光强度对相位补偿器补偿幅度进行调节反馈控制单元，所述相位补偿器具有接收端，反馈控制单元具有接收端和控制端；其中，

所述相位补偿器用于保持和稳定探测光纤和参考光纤的相位差接收端与反馈控制单元连接；

所述反馈控制单元的接收端与光电探测器的输出端连接、控制端与相位补偿器的接收端连接；

所述反馈控制单元包括根据光纤激发探测组件输出的干涉光强度计算所需补偿相位的代数运算器、将代数运算器计算的补偿相位信息转换为相位误差值信息的低通滤波器、根据相位误差值信息对相位补偿器发出反馈电压信号的比例积分微分电路、将反馈电压信号与预设的交流信号叠加后发送至相位补偿器的信号叠加器；

所述代数运算器的输入端与光电探测器的输出端连接、输出端与低通滤波器的输入端连接；所述低通滤波器的输出端与比例积分微分电路的输入端连接；所述比例积分微分电路的输出端与信号叠加器的输入端连接；所述信号叠加器的输出端与相位补偿器的接收端连接。