基于光子晶体光纤和红外吸收光谱的气体传感系统的研究

发布时间：2017-04-05 22:04

  本文关键词：基于光子晶体光纤和红外吸收光谱的气体传感系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本论文研究课题来源于国家自然科学基金项目,项目名称:深部采动下红外瓦斯传感特性致变模式及自适应检测机制研究,编号:61307124。痕量气体检测在工业过程控制、环境保护、安全生产、国防等领域具有重要的作用。基于激光吸收光谱的气体传感器具有检测灵敏度高、选择性好等优点。同时,空芯带隙光子晶体光纤由于其独特的结构,可以为光与气体相互作用提供理想的场所,在非线性光学、气体传感、痕量气体检测等研究领域受到广泛关注。从理论与实验的角度,本论文研究设计了基于空芯带隙光子晶体光纤和红外吸收光谱的气体传感系统,分析了光子晶体光纤中慢光效应对气体传感性能的影响,建立了气体传感系统,并针对乙炔气体开展了浓度测量实验。论文主要研究内容如下:1.对光子晶体光纤开展了理论计算与分析。运用平面波展开法计算了二维光子晶体带隙形成条件,研究了光子晶体光纤的基本导光性质,计算了带隙型光纤的模场分布,估算了带隙型光纤与单模光纤之间的光强耦合效率,为研究设计光子晶体光纤气体传感系统奠定了一定的理论基础。2.计算了光子晶体光纤中慢光效应对气体传感的影响。首先,运用微流控技术,设计了一种可调谐的空芯带隙光子晶体光纤,计算了光纤模场分布及其色散、群折射率等特性。其次,运用有限元方法,针对设定气体的不同消光系数,计算了在不同光流体填充下的增强吸收因子,分析了光子晶体光纤中慢光效应对增强光与物质反应的影响,证实了慢光效应能够增强物质对光的吸收作用。最后,以氨气和乙炔为例,说明如何调谐光纤模式,使其与气体的吸收谱线相匹配。3.分析设计了基于光子晶体光纤和红外吸收光谱的气体传感系统,主要包括光纤传感光路、激光器驱动电路、后端信号检测电路等。首先,采用空芯带隙光子晶体光纤与单模光纤作为传感光路,优化设计了光纤耦合系统;选择DFB激光器作为光源,自主研制了基于数字PID的激光器驱动电路,实现了对激光器的波长调制;针对后端信号检测部分,采用程控放大器对信号进行差分放大,实现了量程可调;设计并开发了数字锁相放大器,可用于提取二次谐波信号。4.建立了基于光子晶体光纤和红外吸收光谱的气体传感系统;采用乙炔为目标气体,选择1534.099 nm为其吸收谱线,开展了气体测量实验及分析。参照配气标准,配备了浓度为500~2600 ppmv的标准气体,开展了乙炔浓度测量实验,得到了二次谐波信号的幅值与乙炔浓度的关系曲线。结果显示,该系统能够较好地测量乙炔浓度。
【关键词】：光子晶体光纤 红外吸收光谱 慢光 气体传感器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 光子晶体光纤气体传感的研究意义11-13
• 1.2 光子晶体光纤气体传感的国内外研究进展13-21
• 1.3 光子晶体光纤气体传感的关键技术21-22
• 1.4 论文的主要研究内容和创新点22-25
• 1.4.1 论文的主要研究内容23-24
• 1.4.2 论文的创新点24-25
• 第二章 光子晶体光纤的理论分析25-44
• 2.1 二维光子晶体带隙的计算25-28
• 2.2 光子晶体光纤分类28-29
• 2.3 全反射型光子晶体光纤的理论计算29-32
• 2.4 带隙型光子晶体光纤的理论计算32-37
• 2.4.1 带隙型光纤的带隙计算32-35
• 2.4.2 计算晶格参数对带隙型光纤导光特性的影响35-37
• 2.5 光纤间模场耦合效率计算37-43
• 2.5.1 带隙型光子晶体光纤模场计算37-39
• 2.5.2 光纤间模场耦合效率计算39-43
• 2.6 本章小结43-44
• 第三章 慢光效应对气体传感的影响分析44-56
• 3.1 慢光原理44-45
• 3.2 红外吸收光谱气体传感理论45-46
• 3.3 可调谐光子晶体光纤设计46-50
• 3.4 慢光增强吸收因子计算50-54
• 3.5 气体传感与可调谐光纤实例54-55
• 3.6 本章小结55-56
• 第四章 气体传感系统的设计56-78
• 4.1 总体设计56-57
• 4.2 波长调制技术57-58
• 4.3 激光器选择及其驱动设计58-61
• 4.4 光子晶体光纤选择及光路设计61-65
• 4.5 气室设计及气密性验证65-66
• 4.6 红外探测器及其驱动电路的设计66-68
• 4.7 信号处理电路设计68-76
• 4.7.1 前置滤波、差分放大、滤波电路69-72
• 4.7.2 数字信号处理模块72-76
• 4.8 电源设计76-77
• 4.10 本章小结77-78
• 第五章 气体检测实验及分析78-87
• 5.1 乙炔吸收谱线的选择78-79
• 5.2 气体测量实验平台与配气方法79-81
• 5.2.1 光子晶体光纤气体传感系统79-81
• 5.2.2 配气方法81
• 5.3 乙炔测量实验81-86
• 5.4 本章小结86-87
• 第六章 总结与展望87-90
• 6.1 主要研究内容与结论87-88
• 6.2 论文创新点88
• 6.3 工作展望88-90
• 参考文献90-96
• 作者简介及科研情况96-98
• 致谢98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 翟冰;何启欣;黄渐强;郑传涛;王一丁;;红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现[J];光子学报;2014年11期

2 胡明列;宋有建;刘博文;方晓惠;张弛;刘华刚;刘丰;王昌雷;柴路;邢岐荣;王清月;;光子晶体光纤飞秒激光技术研究进展及其前沿应用[J];中国激光;2009年07期

3 赵勇;赵华玮;张馨元;原博;张硕;;慢光产生的新机理及其应用[J];光学精密工程;2009年02期

4 李海芳;陈志锋;林金明;;以发光二极管为光源的毛细管电泳芯片-光纤耦合荧光检测微流控分析系统[J];分析化学;2008年11期

5 苏红新;王坤;崔建华;郭庆林;;光子晶体光纤传感器的研究进展[J];仪表技术与传感器;2008年02期

6 王维;饶云江;唐庆涛;邓明;朱涛;程光华;;飞秒激光加工的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器[J];中国激光;2007年12期

7 苏波;崔大付;刘长春;蔡浩原;耿照新;;微流控光纤芯片检测系统的研制[J];分析化学;2006年S1期

8 吴建刚;岳瑞峰;曾雪锋;刘理天;;微流控光学器件与系统的研究进展[J];光学技术;2006年01期

9 丁勇,施斌,崔何亮,索文斌,刘杰;光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究[J];岩土工程学报;2005年03期

10 万钧,张淳,王灵俊,资剑;光子晶体及其应用[J];物理;1999年07期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 李志勇;基于微流控芯片的微纳光纤传感器研究[D];浙江大学;2015年

2 高然;微纳加工技术下光纤传感器的研究[D];北京理工大学;2015年

3 白银冰;光纤微加工技术及器件应用研究[D];浙江大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 邓旺;D型光纤的飞秒激光加工及其传输特性研究[D];中南大学;2014年

  本文关键词：基于光子晶体光纤和红外吸收光谱的气体传感系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：287739