《基於共軛干涉的光學氣體感測理論與方法的研究》是依託武漢理工大學，由李政穎擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於共軛干涉的光學氣體感測理論與方法的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李政穎
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
光譜吸收用於氣體檢測，選擇性好，精度高，可重複使用，本質安全無污染，近年來得到迅猛發展。保證光源光譜和感測氣體吸收譜的匹配是其中一項關鍵技術，也是制約光譜吸收法進一步發展的瓶頸。本項目提出研究氣體共軛干涉式濾波的原理與器件，通過雙通道反相共軛干涉，對應氣體吸收譜的光能透過濾波器，其它波長的光則被反射回去，最終獲得與氣體吸收譜線反轉的梳狀光譜。該濾波器能有效提高窄帶光譜吸收法的檢測靈敏度。基於非色散紅外吸收原理，該濾波器還有望實現高信噪比高靈敏度的中紅外氣體檢測技術。本項目還將結合氣體共軛干涉與環形腔雷射器技術，探索形成氣體參考穩頻雷射器的技術與方法，該雷射器無需複雜的反饋控制即能保證輸出光頻率鎖定在氣體吸收峰，同時根據該雷射器特性，研究相應的新型氣體感測方法和信號處理方法。項目提出的基於共軛干涉的光學氣體感測新原理與新方法，將彌補現有氣體感測技術的不足，為氣體感測提供新的研究思路和方法。
結題摘要
光學氣體檢測在環境污染、工業過程控制、醫療診斷等領域套用較廣。基於光譜吸收的氣體檢測技術是通過檢測樣氣透射光強的變化來實現氣體濃度的測量。與傳統方式相比，該技術具有高精度、低交叉敏感、快速回響，易於成網等優點。其中窄帶光譜吸收技術採用低成本的寬頻光源，且可以利用濾波器選擇不同的吸收峰實現不同氣體的檢測，具有非常好的工業套用潛質。 本研究提出了基於共軛干涉的光學氣體感測理論與方法，該方法是利用光譜吸收和雙光束干涉原理，實現了共軛干涉濾波器，該濾波器能通過對應吸收氣體吸收光譜的光，而反射其他波長的光，從而獲得與氣體吸收譜線反轉的梳狀光譜，並且通過更換濾波器中氣體種類能輸出對應氣體的輸出光譜。該方法能有效的壓縮寬頻光源的譜寬，大大提高氣體檢測靈敏度，且能解決氣體檢測中光源選擇性單一的問題。 本項目完全按照項目計畫書執行。首先，以分子光譜理論、比爾朗伯定律為基礎，分析了氣體吸收線的譜線(線型、線寬、展寬)等理論，研究了基於光譜吸收的氣體濃度檢測技術。研究了溫度、壓力等因素對譜線展寬以及吸收係數的影響，為選擇濾波器的物理參數提供了理論依據。 其次，研究了共軛干涉式濾波器π相移實現方法的研究。通過對共軛干涉式濾波器結構的設計、氣體折射率差異和壓強的精確控制，以及飛秒雷射微加工技術，實現雙光束775nm的光程差，獲得穩定的π相移濾波輸出。同時還實現了中紅外波段的氣體共軛干涉式濾波器。該濾波器能有效的壓窄頻寬從而提高氣體檢測系統的檢測靈敏度。 再次，研究了基於共軛干涉式濾波器的氣體參考穩頻雷射器，包括線性腔單波長、多波長窄帶光源，以及基於光纖環形腔的單波長、多波長窄帶輸出穩頻雷射器。該雷射器的輸出光能完全對應氣體吸收峰的窄線寬以及中心波長，光強穩定，能有效的套用在氣體濃度檢測上。 最後，研究了基於共軛干涉的光學氣體差分式檢測系統。並對系統中的窄帶光源、吸收氣室、數據處理、系統組網、器件驅動等關鍵技術進行分析。設計了一種基於光纖空芯光子晶體光纖的氣室結構，給低損耗、長光程氣室提出方向。並提出了氣體感測系統微弱信號的檢測方法，有效抑制噪聲，並實現輸出信號的光譜重現，實驗結果表明，氣體檢測的靈敏度和信噪比得到明顯的提高。 項目研究共發表相關論文8篇（其中SCI收錄4篇，EI收錄4篇），申請各類專利5項，其中授權發明專利1項，實用新型專利1項，培養博士研究生1名，碩士研究生3名。
