衰蕩腔氣體傳感設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)分析

張 臻，邸金紅，李 丹

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450046； 2.航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450046；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876； 4.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，吉林吉林 132101）

衰蕩腔氣體傳感設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)分析

張 臻1，2，邸金紅1，3，李 丹4

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450046； 2.航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450046；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876； 4.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，吉林吉林 132101）

為了進(jìn)一步改進(jìn)氣體傳感性能，文章將衰蕩腔技術(shù)應(yīng)用到氣體傳感領(lǐng)域，理論和實(shí)驗(yàn)分析表明：采用衰蕩腔技術(shù)能夠顯著地改善氣體檢測(cè)的靈敏度，氣體濃度檢測(cè)限可達(dá)10-3；所設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間方面遠(yuǎn)快于光譜儀峰值比對(duì)方法；采用的衰蕩時(shí)間信號(hào)反饋法能在提高靈敏度的同時(shí)檢測(cè)氣體峰值的變化。

衰蕩腔；氣體傳感；檢測(cè)限

0 引 言

當(dāng)前，表面等離子技術(shù)在納米量級(jí)操縱光能量方面發(fā)揮著重要作用，已成為寬帶通信系統(tǒng)、微小光子回路等領(lǐng)域的一種新型技術(shù)［1-3］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多種信號(hào)傳輸與光子器件的設(shè)計(jì)［4-7］。丹麥的Nikolajsen研究團(tuán)隊(duì)利用熱光效應(yīng)在嵌入聚合物材料的金屬條上分別實(shí)現(xiàn)了光調(diào)制器和光開(kāi)關(guān)，采用20 nm厚的金平板波導(dǎo)的傳輸損耗在光通信波長(zhǎng)窗口低至6 dB/cm，然而該波導(dǎo)的模式尺寸卻達(dá)12μm［8-10］。丹麥奧爾堡大學(xué)的Bozhevolnyi團(tuán)隊(duì)采用聚焦離子束刻蝕加工，用近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)的V型槽氣體傳感波導(dǎo)器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面等離子技術(shù)的傳感應(yīng)用，然而其光傳播距離僅10μm左右，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其在光子回路、光通信中的應(yīng)用［11-12］。因此，制作實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度超快、靈敏度超高和動(dòng)態(tài)范圍大的傳感系統(tǒng)，成為表面等離子技術(shù)快速、大面積推廣應(yīng)用的發(fā)展目標(biāo)?；谝陨媳尘?，本文引入衰蕩腔技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體傳感的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與理論分析

1.1 放大器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光放大器原理圖如圖1所示。

圖1 光放大器原理圖

1.2 腔的理論分析

為了使激光模式與腔模式相匹配，需要調(diào)節(jié)移動(dòng)入口反射鏡來(lái)改變腔長(zhǎng)，腔長(zhǎng)的變化通過(guò)掃描PZT的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2所示為本文采用的分析模型。

諧振腔長(zhǎng)L隨時(shí)間t的變化關(guān)系可表示為

式中，L0為腔的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度；υ為掃描速度。則光走一圈的時(shí)間tr因掃描而發(fā)生的變化為

圖2 分析模型

式中，c為真空中的光速。入射光在頻率上為洛倫茲分布，遵循洛倫茲分布的激光光強(qiáng)可表示為

式中，γ為激光線寬的FWHM（半高全寬）；ω0為激光初始的中心頻率；I0和ω分別為入射光強(qiáng)和掃描頻率。則入射光的電場(chǎng)方程可表示為

可得t時(shí)刻的電場(chǎng)分布為

圖3所示為光的傳播路徑，可以用如下的表達(dá)式來(lái)描述這一過(guò)程:

圖3 光的傳播路徑

由式（6）可得

式中，q1、q2分別為掃描速度與真空速度關(guān)系表達(dá)式。進(jìn)而可得出射光強(qiáng)為

依此類(lèi)推，第3束輸出光的光程為L(zhǎng)3=2d3+ 2d2+d1。因此可得空腔條件下t時(shí)刻輸出光的電場(chǎng)方程為

2 氣體傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 傳感系統(tǒng)

圖4所示為本文設(shè)計(jì)的衰蕩腔技術(shù)氣體傳感系統(tǒng)。入射激光進(jìn)入系統(tǒng)環(huán)路后，每經(jīng)過(guò)SPR（表面等離子共振）傳感器一次，就相當(dāng)于發(fā)生了一次衰蕩，將每次衰減光脈沖值的1/e時(shí)間確定為衰蕩時(shí)間。根據(jù)衰蕩時(shí)間可以得出光纖環(huán)凈衰減值，由此來(lái)計(jì)算指定波長(zhǎng)激光經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)的吸收值，并且得到對(duì)應(yīng)的傳感生物量。本系統(tǒng)中采用了一個(gè)可調(diào)諧激光脈沖發(fā)生器，能夠輸出不同波長(zhǎng)的短窄激勵(lì)脈沖。

圖4 衰蕩腔技術(shù)氣體傳感系統(tǒng)

隨著脈沖在光纖環(huán)腔中循環(huán)，每循環(huán)一周都會(huì)經(jīng)耦合器輸出一個(gè)脈沖至光電探測(cè)器，輸出脈沖的包絡(luò)為隨時(shí)間呈指數(shù)衰減的曲線。依據(jù)單次衰減值I/I0=e-σ可得光纖的損耗為

式中，I為光強(qiáng)，σ為衰減值。若衰蕩時(shí)間為tγ，則

式中，γ為標(biāo)準(zhǔn)的衰蕩時(shí)間?？紤]可探測(cè)到的光強(qiáng)最小變化為δI，則有

式中，Δτ為衰蕩時(shí)間的最小測(cè)量精度。因此，脈沖在環(huán)路中循環(huán)的單次損耗越低，衰蕩時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度越高。

2.2 氣體檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用本文系統(tǒng)，通過(guò)分析儀對(duì)氣體混合物中的含量進(jìn)行了測(cè)試。

圖5所示為本文所提系統(tǒng)檢測(cè)到的濃度與時(shí)間的關(guān)系。由圖中3類(lèi)氣體的檢測(cè)結(jié)果可以看出:通過(guò)衰蕩系統(tǒng)可以顯著提高氣體檢測(cè)的靈敏度。分析時(shí)間與濃度的關(guān)系可知，本文設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度能夠達(dá)到10-3的氣體濃度檢測(cè)限，該結(jié)果遠(yuǎn)大于10 s時(shí)間量級(jí)的光譜儀峰值比對(duì)法。且用衰蕩時(shí)間信號(hào)反饋調(diào)節(jié)可調(diào)摻鉺光纖放大器，可以在保證靈敏度的條件下追蹤氣體吸收峰的變化，為進(jìn)行污染氣體檢測(cè)等領(lǐng)域提供了新方向。

圖5 濃度與時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于衰蕩腔技術(shù)的氣體傳感系統(tǒng)，氣體濃度檢測(cè)限可達(dá)10-3；系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間方面遠(yuǎn)快于光譜儀峰值比對(duì)法，采用衰蕩時(shí)間信號(hào)反饋的方法能夠顯著提高靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，為氣體傳感的微型化、可集成化提供了新的方向。

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Ring-Down Cavity Gas Sensor Design and Computer Analysis

ZHANG Zhen1，2，DI Jin-hong1，3，LI Dan4
（1.Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China； 2.Aviation Collaborative Innovation Center in Henan Province Economic Development，Zhengzhou 450046，China； 3.Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，Chian； 4.Electrical Information Engineering Institute，JLASTU，Jilin 132101，China）

In order to further improve the performance of gas sensing，this paper apply ring-down cavity technology in gas sensing field.The theoretical and experimental analysis results show that the use of ring-down cavity technology can significantly improve the sensitivity of gas detection，which can realize the gas concentration detection limit at 10-3.The designed sensor system has much faster response time than spectrometer peak ratio method.The method of time of ring-down signal feedback can improve the sensitivity and detect the gas peak change at the same time.

ring-down cavity；gas sensor；detection limit

TN256

A

1005-8788（2016）05-0065-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.019

2016-04-28

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科培育項(xiàng)目（2015第X093號(hào)）；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目（吉農(nóng)院合字2015第224號(hào)）；吉林省高等教育學(xué)會(huì)高教科研課題（JGJX2015C90）

張臻（1978-），男（回族），河南鄭州人。副教授，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c通信工程。