基于共轭干涉的光学气体传感理论与方法的研究

The technology of spectrum absorption, when it is used in gas measurement, has the excellent selectivity, high precision, reproducibility, intrinsically safe and non-polluting characters, which has developed rapidly. The match of light spectrum and sensing gas absorption spectrum is one of key technology, also is the bottleneck of spectrum absorption development. This project researches the principle and devices of gas conjugate interference filtering. The light wavelength consistent with gas absorption spectrum can pass through the filter due to double-channel reversed-phase conjugate interference, and the other wavelengths are reflected back. Ultimately, the comb spectrum reversal with gas absorption spectrum can be obtained. This filter can improve the sensitivity of narrow band spectrum absorption. Furthermore, this filter expected to achieve mid-infrared gas measurement technology with high signal to noise ratio and high sensitivity based on non-dispersive lnfrared absorption theory. The project will also combine gas conjugate interfere with the ring cavity laser technology; explore the techniques and methods that form the gas reference frequency stabilized laser. The lasers is able to ensure that the output light frequency is locked in the gas absorption peak without complex feedback control, at the same time the research of new gas sensing method and signal processing can be processed according to the laser characteristics. The new principles and new methods of optical gas sensing based on the conjugate interference presented by this project will compensate for the deficiencies of the existing gas sensing technology, providing new ideas and methods for gas sensing.

光谱吸收用于气体检测，选择性好，精度高，可重复使用，本质安全无污染，近年来得到迅猛发展。保证光源光谱和传感气体吸收谱的匹配是其中一项关键技术，也是制约光谱吸收法进一步发展的瓶颈。本项目提出研究气体共轭干涉式滤波的原理与器件，通过双通道反相共轭干涉，对应气体吸收谱的光能透过滤波器，其它波长的光则被反射回去，最终获得与气体吸收谱线反转的梳状光谱。该滤波器能有效提高窄带光谱吸收法的检测灵敏度。基于非色散红外吸收原理，该滤波器还有望实现高信噪比高灵敏度的中红外气体检测技术。本项目还将结合气体共轭干涉与环形腔激光器技术，探索形成气体参考稳频激光器的技术与方法，该激光器无需复杂的反馈控制即能保证输出光频率锁定在气体吸收峰，同时根据该激光器特性，研究相应的新型气体传感方法和信号处理方法。项目提出的基于共轭干涉的光学气体传感新原理与新方法，将弥补现有气体传感技术的不足，为气体传感提供新的研究思路和方法。

光学气体检测在环境污染、工业过程控制、医疗诊断等领域应用较广。基于光谱吸收的气体检测技术是通过检测样气透射光强的变化来实现气体浓度的测量。与传统方式相比，该技术具有高精度、低交叉敏感、快速响应，易于成网等优点。其中窄带光谱吸收技术采用低成本的宽带光源，且可以利用滤波器选择不同的吸收峰实现不同气体的检测，具有非常好的工业应用潜质。.本研究提出了基于共轭干涉的光学气体传感理论与方法，该方法是利用光谱吸收和双光束干涉原理，实现了共轭干涉滤波器，该滤波器能通过对应吸收气体吸收光谱的光，而反射其他波长的光，从而获得与气体吸收谱线反转的梳状光谱，并且通过更换滤波器中气体种类能输出对应气体的输出光谱。该方法能有效的压缩宽带光源的谱宽，大大提高气体检测灵敏度，且能解决气体检测中光源选择性单一的问题。.本项目完全按照项目计划书执行。首先，以分子光谱理论、比尔朗伯定律为基础，分析了气体吸收线的谱线(线型、线宽、展宽)等理论，研究了基于光谱吸收的气体浓度检测技术。研究了温度、压力等因素对谱线展宽以及吸收系数的影响，为选择滤波器的物理参数提供了理论依据。.其次，研究了共轭干涉式滤波器π相移实现方法的研究。通过对共轭干涉式滤波器结构的设计、气体折射率差异和压强的精确控制，以及飞秒激光微加工技术，实现双光束775nm的光程差，获得稳定的π相移滤波输出。同时还实现了中红外波段的气体共轭干涉式滤波器。该滤波器能有效的压窄带宽从而提高气体检测系统的检测灵敏度。.再次，研究了基于共轭干涉式滤波器的气体参考稳频激光器，包括线性腔单波长、多波长窄带光源，以及基于光纤环形腔的单波长、多波长窄带输出稳频激光器。该激光器的输出光能完全对应气体吸收峰的窄线宽以及中心波长，光强稳定，能有效的应用在气体浓度检测上。.最后，研究了基于共轭干涉的光学气体差分式检测系统。并对系统中的窄带光源、吸收气室、数据处理、系统组网、器件驱动等关键技术进行分析。设计了一种基于光纤空芯光子晶体光纤的气室结构，给低损耗、长光程气室提出方向。并提出了气体传感系统微弱信号的检测方法，有效抑制噪声，并实现输出信号的光谱重现，实验结果表明，气体检测的灵敏度和信噪比得到明显的提高。.项目研究共发表相关论文8篇（其中SCI收录4篇，EI收录4篇），申请各类专利5项，其中授权发明专利1项，实用新型专利1项，培养博士研究生1名，硕士研究生3名。