1 中国矿业大学地下空间智能控制教育部工程研究中心，江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116
基于Fano共振超表面所具有的高品质因数以及电场局域特性设计了一种全介质超表面结构，探究了超表面结构参数与品质因数、调制深度之间的关系。通过改变结构实现了单重Fano共振至双重Fano共振的有效调控。对比同等参数下矩形柱与椭圆柱超表面结构的灵敏度，选择矩形柱结构并确定其最优参数。矩形柱超表面结构的品质因数最大可达3408，双重共振峰的调制深度接近99%。通过仿真计算可知该结构对甲烷体积分数的测量灵敏度可以达到（对应dip1）和（对应dip2），对背景折射率的测量灵敏度为和，FOM（figure of merit）值分别为和。此外，入射光偏振角度对此传感结构的Fano共振透射光谱强度具有一定影响，这一特性为光学非对称传输、偏振角检测以及超表面多功能复用等提供了新思路。
传感器 Fano共振 全介质超表面 甲烷传感器 偏振敏感 光学传感器 中国激光
2023, 50(10): 1010001
光子学报
2020, 49(10): 1012002
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验吉林大学实验区, 吉林 长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心, 吉林 长春 130012
为了抑制甲烷传感器中统计特性无法预知的电学噪声, 本文结合递归最小二乘自适应去噪算法和直接吸收光谱技术,使用中心波长为3 291 nm的带间级联激光器和多反射吸收气室, 研制了一种电域自适应中红外甲烷传感器系统。在传统探测器输出信号(称为信号通道)的基础上, 增加了激光器电流驱动器的反馈信号作为噪声通道来感知电学噪声。利用MATLAB软件对最小二乘法在直接吸收光谱技术中的滤波效果进行了仿真。通过在激光器驱动信号中施加不同的噪声,实验验证了最小二乘法的去噪效果。针对该传感器的Allan标准差结果表明, 当不使用自适应最小二乘法时, 系统在积分时间为6 s的检测下限为78.8 nL/L; 使用RLS自适应算法时, 系统的检测下限为43.9 nL/L。相比基于传统传感结构和滤波方法的中红外直接吸收光谱传感器, 本文所报道的中红外甲烷传感器由于采用了电域自适应滤波方法, 因而呈现出更好的抗干扰性和稳定性。
甲烷传感器 红外光谱 半导体激光器 最小二乘法 自适应去噪 CH4 sensor infrared spectroscopy semiconductor lasers least square method self-adaptive denoise
吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
甲烷(CH4)是大气环境监测、工业过程控制、煤矿生产安全等多个领域中需重点监测的气体之一, 研制CH4传感器具有广泛的应用价值。利用CH4分子在3.31 μm附近的基频吸收带并选择其在3038.5 cm-1的吸收线作为目标谱线, 研制了一种基于中红外室温、连续、单模带间级联激光器(ICL)的CH4传感器。该传感器采用可调谐激光直接吸收光谱技术以及长光程(54.6 m)吸收光谱技术测定CH4气体浓度。自主研制了高灵敏、低功耗的激光器温度控制器和电流驱动器, 编写了基于LabVIEW的数据产生、采集与处理程序。利用体积分数为2.1×10-6的CH4标准气体和气体稀释系统配备了不同浓度的CH4气体样品, 开展了传感器的性能测试实验。根据传感器标准差的分析结果, 当采样周期为2.5 s时, 传感器的1σ检测下限约为1.1×10-8。利用该传感器对室外大气中CH4浓度进行了连续84 h的监测, 结果证实了所研制CH4传感器的工程实用价值。
传感器 激光光谱学 甲烷传感器 红外吸收光谱 带间级联激光器
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory for Optoelectronic Technology and Systems, Ministry of Education, College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China
2 Key Laboratory for the Exploitation of Southwest Resources and Environmental Disaster Control Engineering, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China
An optical fiber evanescent wave methane gas sensor based on core diameter mismatch is reported. The sensor consists of a multimode fiber in which a short section of standard single-mode fiber, coated with the inclusion of cryptophane molecules E in a transparent polysiloxane film, is inserted. The sensing principle is analyzed by optical waveguide theory. For different sensing film thicknesses and interaction lengths, the sensor signal is investigated within the methane concentration range of 0-14.5% (v/v). It is shown that the sensor signal with the thickness of 5 \mu m and the interaction length of 3 mm strengthens linearly with the increasing concentration of methane, with a slope of 0.0186. The best detection limit of the sensor for methane is 2.2% (v/v) with a response time of 90 s. This sensor is suitable for the detection of methane concentration below the critical value of 5%.
纤芯失配型光纤 甲烷传感器 敏感薄膜 倏逝波 折射率 060.2370 Fiber optics sensors 120.1880 Detection 130.6010 Sensors Chinese Optics Letters
2010, 8(5): 482
为研究一种低成本、性能优良的甲烷传感器,设计了一种基于Cryptophane E的纤芯失配型甲烷传感器。采用光功率计测试涂覆不同长度Cryptophane E的纤芯失配型甲烷传感器对不同浓度甲烷气体的敏感特性,分别在纯氮气和12%甲烷混合气中测定最佳敏感区长度甲烷传感器光功率强度随入射角的变化曲线,并求出光功率强度差值随入射角变化关系曲线以确定最佳入射角。结果表明,纤芯失配型甲烷传感器最佳敏感区长度为3 mm,入射角θ=1°时,光功率强度差值最大,甲烷最低检出限为2.3%,增加甲烷浓度,光功率强度增强。
光纤传感 甲烷传感器 纤心失配
