空芯光纖多組分工業廢氣點源監測關鍵技術

《空芯光纖多組分工業廢氣點源監測關鍵技術》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由曾新華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：空芯光纖多組分工業廢氣點源監測關鍵技術
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曾新華
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

多組分、突發性及大量工業廢氣污染點源監測與快速定位仍是個挑戰。光譜吸收具有定量重複性好、時效性長與抗干擾性強等優點而成為點源檢測的主要技術。但存在光程受限而導致精度不高，以及單波長光源不能匹配多組分氣體特徵吸收峰而使檢測組分單一等問題。 針對上述問題，項目將採用空芯光纖作吸收氣室，利用可調諧窄帶雷射對多組分氣體進行光譜定量分析，擬重點開展：（1）研究Fabry-Perot濾波特性，構建可調諧光纖雷射環形諧振腔，最佳化多種光纖部件間的耦合損耗，獲得涵蓋多種工業廢氣近紅外振動帶，並具有高信噪比的可調諧雷射輸出；（2）研究空芯光纖長度、內徑等參數對氣體輸運、擴散性能的影響，建立空芯光纖內氣體輸運理論模型，設計與最佳化空芯光纖氣室結構；（3）研究光電信號去噪與弱信號放大相關技術，構建差分雙光纖光路系統，獲得高穩定性和低噪聲的檢測信號。本研究將為研發工業廢氣多組分、高靈敏、小型化點源監測設備提供技術參考。

結題摘要

多組分、突發性及大量工業廢氣污染點源監測與快速定位仍是個挑戰。光譜吸收具有定量重複性好、時效性長與抗干擾性強等優點而成為點源檢測的主要技術。但存在光程受限而導致精度不高，以及單波長光源不能匹配多組分氣體特徵吸收峰而使檢測組分單一等問題。針對上述問題，項目採用空芯光纖作吸收氣室，利用可調諧窄帶雷射對多組分氣體進行光譜定量分析。 項目按照計畫利用光纖耦合連線套實現多段空芯光子晶體光纖間低損耦合與傳輸，同時使空芯光纖內外氣體可快速完成擴散；搭建窄帶（線寬≤0.1nm）可含蓋多種氣體振動吸收峰的寬頻譜可調諧雷射光源，從而可對多組分工業廢氣進行聯合檢測，各自的吸收峰寬度均小於0.5nm，研究表明相互間干擾很小，通過後續的濾波處理完全可能去除，實現高選擇性識別；構建近紅外寬頻譜範圍可調諧光纖雷射系統，利用長光程空芯光纖作氣室，採用20μm芯徑的HC-PCF作為氣體吸收腔, 在光纖連線套管上留50μm縫隙作為氣體進出口，氣體在氣體腔內的擴散時間小於2min，整個氣室及連線部分的光傳輸損耗約為1.2dB，輸出波長範圍包括1550±50nm，最大輸出功率達到2mW，線寬小於0.1nm，信噪比大於40dB。實現指標包括： 高精度檢測：比現有水平顯著提高檢測精度1個數量級，檢測限達到5ppm, 檢測範圍為10-10000ppm； 多組分檢測：利用波長涵蓋多種氣體典型寬振動吸收帶的調諧雷射輸出，滿足混合多組分（C2H2、HCN、HI、CO2、NH3、H2S）獨立定量分析要求； 快速現場檢測：利用空芯光纖小型化結構設計滿足攜帶型現場檢測或線上監測需求，單次檢測時間小於2min，多次重複回響小於10min； 發表SCI、EI 等基金標註的重要學術期刊論文9篇，申請專利9 項,完成相關軟體著作權登記13項；聯合培養相關領域博士研究生2人，碩士研究生4人。