基于空芯光纤的新型化学发光传感系统

结合溶胶-凝胶固定酶的方法和介质膜金属空芯光纤,提出了一种新型空芯光纤结构的化学发光传感腔。研究了将溶胶-凝胶敏感膜镀制在空芯光纤内壁的工艺,并对此种新型传感器件的发光和导光模式进行了仿真计算,讨论了传感腔各项参数的优化。设计和搭建了基于新型空芯光纤化学发光腔的传感系统,对隐形眼镜液中双氧水含量的实际测量表明,系统具有较高的检测灵敏度(10μM)和良好的重复性。传感系统操作简单、响应快速、可小型化,在生化研究、环境监测以及食品工业等领域有广阔的应用前景。     

用于光谱吸收式气体传感系统的空芯波导的小型化研究

基于空芯波导的柔韧性可以将若干米长的波导弯曲至半径若干厘米的圆盒内,配合光源及检测器即可得到光程长、气体容积小、响应速度快的小型化气体传感系统。建立了一种基于几何光学理论的弯曲波导传输模型,通过仿真与实验研究了弯曲空芯波导的传输与传感特性,总结了通过优化波导长度、弯曲半径、系统信噪比、波导孔径及光源发散角等参数降低系统检测极限、提高灵敏度的方法。     

基于光纤光栅滤波的新型光纤瓦斯传感系统

根据比尔-朗伯定律, 设计了一种用于检测瓦斯气体浓度的新型光纤瓦斯传感系统。该系统利用光纤布拉格光栅优良的窄带滤波特性来产生差分吸收测量所需的窄谱光信号, 具有光路全光纤化、结构简单的特点。采用非球面光纤准直器构成光纤瓦斯传感探头, 提高了探头的光学稳定性, 进一步提高了测量灵敏度和测量稳定性。实验数据及结果表明, 系统具有良好的稳定性, 其测量灵敏度可达0.01%的体积分数, 测量范围大于5%的体积分数。     

波导式吸收腔的有效光程率研究

波导式光学吸收腔在气体和液体浓度测量等领域有广泛的应用前景.吸收腔的有效光程与系统的灵敏度有直接的关系.提出了波导式吸收腔有效光程率的数学模型.从理论上分析了波导的内壁镀膜折射率和厚度、波导内径和弯曲以及输入光场能量分布等因素对波导式吸收腔有效光程率的影响.对提高系统灵敏度和测试系统的误差补偿提供了重要参考.计算结果与...     

基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器

为了实现液体折射率的高灵敏度测量,提出并制备了一种基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器.该传感器由法布里-珀罗传感腔和法布里-珀罗参考腔并联构成,其中,传感腔为开放腔,由单模光纤错位熔接制得,参考腔为封闭腔,由单模光纤与空芯光纤熔接制得.传感腔和参考腔的自由光谱范围相近,但不相等,双腔反射光经光纤耦合器后叠加产生游标效应,达到增敏的效果.实验结果表明,该传感器的折射率灵敏度约为9 048.78nm/RIU,约是单个传感腔的8倍.该传感器具有灵敏度高、结构简单、易于制备、成本低廉的优点,在生物医疗、环境检测等领域有潜在的应用前景.     

用Bragg光纤测量气体浓度

基于气体的光谱吸收特性,本文提出了一种采用Bragg空芯光纤作为吸收池的新型光纤气体传感器.运用解析法和微扰分析法求解了Bragg空芯光纤中的相对灵敏系数.由于场分布主要集中在芯区,对气体损耗较为敏感,因此,这种光纤气体传感器具有灵敏度高、快速响应、结构简单的特点.耦合多个波长可实现对多种气体同时测量.     

用光子晶体光纤光栅实现温度、应力和气体浓度的同时传感

为了解决传统光纤传感在传感不同物理参量时需要多个传感器的问题,并拓展光纤在同时传感多参量方面的应用,结合光子晶体光纤（PCF）中基模与高阶模光的不同传感特性以及气体吸收传感原理,在PCF传感温度、应力双参量的实验基础上,应用理论分析的手段探讨了同时传感温度、应力和气体浓度3种参量的方法。给出了3种参量的计算式并进行了数值模拟,最后设计了一套相对简单、性价比高的传感解调系统。理论分析和数值模拟表明:温度在0℃以上时可以获得高于0.98 pm/℃的温度灵敏度;基模光应力灵敏度为1.2 pm/,高阶模光可获得高于0.83 pm/的应力灵敏度;长度较短的光子晶体光纤能够测量较高的气体浓度。本方案使用2个写入光纤布拉格光栅（FBG）的PCF作为传感器同时传感温度、应力和气体浓度3种参量,能够有效降低传感成本,拓宽气体、液体传感研究的思路。     

基于空芯光子晶体光纤气体吸收腔的乙炔检测系统

介绍了一种基于空芯光子晶体光纤(HC-PCF)气体吸收腔的气体检测系统。采用20μm芯径、40cm长的HC-PCF作为气体吸收腔,利用连接套管实现HC-PCF和单模光纤(SMF)的对接。连接套管上留有50μm的缝隙,使环境气体可通过缝隙扩散进入HC-PCF吸收腔。结合可调谐光纤环形激光器构建了全光纤气体检测系统。光纤激光器输出的高功率、窄带宽探测光对待测气体具有很好的选择性,克服了传统检测方法中常见的交叉敏感现象。以乙炔气体为测量对象,对该系统测量性能进行实验验证。实验结果表明,在自然扩散条件下,乙炔气体在HC-PCF气体腔内的扩散时间约为6min,系统响应与乙炔气体体积分数近似呈线性关系,最低检测限为0.1%。     

基于Ring-down光学谐振腔的新型瓦斯传感器

提出将光谱吸收型传感技术和Ring-down光学谐振腔理论相结合的设计思路,将吸收光强与气体含量之间的定量关系与Ring-down光学谐振腔理论有机结合起来,设计了基于Ring-down光学谐振腔理论的光学瓦斯(甲烷)气体传感器气体吸收腔,以解决传统瓦斯传感器因为气体的谱宽很窄而难以提高微弱信号检测精度和灵敏度的问题....     

基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展

基于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)的气体传感技术具有系统体积小、成本低、环境适应性强等优点,是目前一种重要的光谱式痕量气体检测方法.探测灵敏度是传感器系统的重要指标,关系到能否满足实际应用,因此,本文从提高QEPAS传感系统灵敏度的角度出发,总结了常见的技术手段,包括采用高功率激发光源增大激发强度、采用与分子基频/强吸收带相匹配的激光源来增大吸收强度、采用声波共振腔增大音叉处的声波强度、采用低共振频率石英音叉提高能量积累时间、采用多光程来增大光与气体的相互作用长度等方法,并对其优缺点分别进行了阐述.针对工程应用问题,本文主要讨论了全光纤化和传感系统小型化,并以载人航天领域的应用为例进行了例证.最后,对进一步提高QEPAS传感技术灵敏度的方法进行了展望.     

Feasibility study of Zeeman modulation spectrometry with a hollow capillary fiber based gas cell

For paramagnetic gases (e.g., O2, NO, NO2, OH) Zeeman modulation spectrometry is a method for spectrometric gas sensing with extraordinary selectivity. In this Letter it is combined with a hollow capillary based gas cell, where the gas is filled in long light-guiding capillary that is placed inside a toroidal coil. Over conventional Zeeman spectrometry this has the advantage of lower power consumption at long optical path length, since several loops of the hollow capillary fiber can be placed in the coil. Compared to wavelength modulation spectrometry the advantage is insensitivity to interference by multimode propagation in the fiber and absorption by other nonparamagnetic gases, which should enhance both sensor stability and sensitivity. Experimental and theoretical results are presented, showing the feasibility of the approach.     

A photonic crystal fiber sensor based on differential optical absorption spectroscopy for mixed gases detection

A photonic crystal fiber sensor based on differential optical absorption spectroscopy for mixed gas detection is presented. In such sensor, hollow core photonic crystal fiber is utilized as gas cell and the feasibility for gas detection is verified by experiment. The components concentration of mixed gas NH₃ and C₂H₂ are measured and the detection sensitivity is 143 ppmv.     

气体拉曼传感增强技术研究进展与趋势

不论是在科学研究,食品安全,医学检测,还是在安全事故预防等领域,对多组分混合气体进行快速、准确的定性定量分析已经成为一种迫切的需求 。拉曼光谱法是一种强大的气体传感方法,既能克服传统的非光谱法检测时间长、重复性差等弱点,又能弥补吸收光谱法无法直接测量同核双原子分子的缺点,同时还能使用单一频率的激光器对多组分混合气体进行定性和定量分析。但由于物质固有的弱拉曼效应,加之气体的拉曼效应一般远低于固体和液体,这极大地限制了拉曼光谱法在气体传感领域的应用。如何提高气体的散射强度是使气体拉曼传感技术得到更广泛应用的关键。目前最主要的气体拉曼传感增强技术包括腔增强技术和光纤增强技术。腔增强技术从提高与待测气体作用的激发光强度和作用路径来从源头上增强拉曼散射信号,包括多次反射腔增强、F-P腔增强、激光内腔增强。光纤增强则从提高球面散射光的收集效率来增强拉曼散射信号,使绝大部分拉曼散射光都能进入光谱探测器,包括镀银毛细管增强和空芯光纤增强。简要介绍了上述两种技术的的增强原理,汇总了研究进展以及应用现状,并讨论了它们各自的优势以及局限性,最后着眼于多组分痕量气体的检测,展望了气体拉曼传感技术未来的发展趋势。尽管目前基于吸收效应的光谱分析方法在气体检测领域占据主导地位,尤其是光声光谱法,但在不久的将来,气体拉曼传感技术有望在气体检测领域得到越来越广泛、越深入的应用。     

多点瓦斯激光传感技术的研究

以甲烷为主要成分的瓦斯气体有易燃易爆特性,在进行高瓦斯矿采掘时极易发生瓦斯爆炸,实时监测矿井瓦斯浓度是煤矿安全预警的重要任务。利用基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的高灵敏度、高选择性、快速响应特点和光纤传感技术的抗电磁干扰、防燃防爆、可远程控制的优点实现了多点瓦斯的实时监测。分析研究了光强变化对气体浓度反演的影响,验证了I2f/I1f的方法能有效的减小监测浓度值的波动,系统瓦斯检测限<0.05%。     

Mid-infrared fiber-coupled QCL-QEPAS sensor

An innovative spectroscopic system based on an external cavity quantum cascade laser (EC-QCL) coupled with a mid-infrared (mid-IR) fiber and quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) is described. SF₆ has been selected as a target gas in demonstration of the system for trace gas sensing. Single mode laser delivery through the prongs of the quartz tuning fork has been obtained employing a hollow waveguide fiber with inner silver–silver iodine (Ag–AgI) coatings and internal core diameter of 300 μm. A detailed design and realization of the QCL fiber coupling and output collimator system allowed almost practically all (99.4 %) of the laser beam to be transmitted through the spectrophone module. The achieved sensitivity of the system is 50 parts per trillion in 1 s, corresponding to a record for QEPAS normalized noise-equivalent absorption of 2.7 × 10^?10 W cm^?1 Hz^?1/2.     

二氧化硫监测的光纤传感方法研究

提出一种用于监测二氧化硫的光纤传感方法,该方法以光化学氧化的n型多孔硅作为传感材料和蓝光发光二激管作为激发光源,通过微型光纤光谱仪测量二氧化硫气氛中多孔硅的光致发光猝灭程度,从而获取二氧化硫含量信息;依据半导体电化学和固体光谱学理论分别讨论n型多孔硅形成和二氧化硫传感的基本原理,采用红外光谱仪研究光化学氧化的n型多孔硅化学组成,并进一步开展二氧化硫光纤传感实验,证明光化学氧化的n型多孔硅在传感过程中稳定性高、可逆性好,其光致发光峰强度随二氧化硫浓度增加而减小,多孔硅荧光峰强度对二氧化硫浓度的线性响应范围为10×10－6～10 000×10－6,检测限为10×10－6;可形成一种便携、全固态的二氧化硫光纤传感器.     

Design of the novel steering-wheel micro-structured optical fibers sensor based on evanescent wave of terahertz wave band

In this paper, we present design of a hollow micro-structured photonic crystal fiber with novel steering-wheel pattern of noncircular large holes in cladding as platform for evanescent-field sensing. Based on simulation, confinement loss is less than 0.007 dB/m, and 72% of light intensity overlaps in noncircular large air holes is obtained when the incident wave frequency is 1 THz, and the nonlinear effects of the short-distance transmission are very small simultaneously. The critical value of confinement losses increases with the structure parameters. As for ultra-low loss and high sensitivity of the model, the novel steering-wheel structured fiber is well suited for evanescent-field sensing and detection of chemical and biological products.