[发明专利]基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置及检测方法

权利要求书

1.一种基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，包括激光器、第一连接头、锥形光纤、光学微腔、微腔封装盒、第二连接头、光电探测器和内置有气体检测软件的上位机，所述激光器通过第一连接头连接于锥形光纤的输入端，所述光电探测器通过第二连接头连接于锥形光纤的输出端，所述光电探测器通过数据线与上位机之间数据传输连接，所述微腔封装盒内设有光学微腔，所述微腔封装盒设于激光器和光电探测器之间且锥形光纤自光学微腔穿过，所述微腔封装盒的盒壁上设有进气口和排气口。

2.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述激光器采用分布反馈式半导体激光器，其出射功率5-10mW，所述激光器发出的激光工作波长选用被检测有害气体吸收波长。

3.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述第一连接头和第二连接头均采用FC/APC连接头。

4.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述锥形光纤采用康宁单模光纤在光纤拉锥机上拉制而成。

5.根据权利要求1或4所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述锥形光纤的制备过程包括如下步骤：

(1-1)将光纤中间部分包层去除，用光纤夹具将其固定；

(1-2)将火焰头靠近光纤去除包层位置，预热后开启步进电机使其拉动光纤背向运动，光纤中间部分拉伸过程中会不断变细，在锥腰满足条件后关闭步进电机和火焰；

(1-3)使用光固胶将拉伸后的光纤固定在一个定制的石英片上，完成锥形光纤的制备。

6.根据权利要求5所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述锥形光纤的制作要求为：直径小于2.2μm，波导光透过率大于90％。

7.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述微腔封装盒内设有两个相等的光学微腔，其中一个光学微腔用于测量外界环境的变化，与被检测有害气体隔绝；另一个光学微腔与被检测有害气体接触，两个所述光学微腔形成环境补偿式测量结构。

8.根据权利要求1或7所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述光学微腔为准柱形光学微腔，所述准柱形光学微腔采用康宁单模光纤经光纤熔接机的电弧放电加工而成，其加工过程包括如下步骤：

(2-1)将剥去涂覆层的光纤清洁干净后放入光纤熔接机的V型槽夹持器中；

(2-2)通过光纤熔接机控制电极的放电来使光纤局部软化，放电时间大约为1s，多次放电，最终形成准柱形光学微腔。

9.根据权利要求1所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置，其特征在于，所述光电探测器采用光栅+光电传感器式结构；

所述上位机采用计算机，其内安装有数据采集卡。

10.一种采用如权利要求1-9中任一项所述的基于回音壁模式光学微腔的有害气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、打开检测装置的电源开关，开启激光器、光电探测器和上位机；

S2、根据被检测有害气体的种类选取激光器的发射激光波长；

S3、激光器发射的激光经过第一连接头依次进入锥形光纤、微腔封装盒中，并通过倏逝波作用进入两个准柱形光学微腔中；

S4、进入两个准柱形光学微腔的激光经过回音壁模式传播后，从第二连接头射出，并被光电探测器所探测；

S5、通过上位机内安装有气体检测软件，记录此时无有害气体时的激光光谱A；

S6、将被检测有害气体通过进气口导入微腔封装盒中，排出的有害气体则通过排气口和导管导入气体回收池中；

S7、由进气口进入微腔封装盒内的被检测有害气体和其中一准柱形光学微腔的表面介质发生化学反应，此时准柱形光学微腔的有效折射率发生变化，其折射率变化值由待检测有害气体以及外界环境决定；另外一准柱形光学微腔与待检测有害气体隔绝，其折射率变化值由外界环境决定；

S8、重复步骤S3-S5，得到通入被检测有害气体后的激光光谱B；

S9、根据激光光谱B相对于激光光谱A的光谱波段及光谱偏移量来获取被检测有害气体的种类和浓度信息，其中，光谱峰高对应气体浓度，光谱峰波长对应气体种类。