衰荡腔气体传感设计与计算机分析

张 臻，邸金红，李 丹

（1.郑州航空工业管理学院，郑州 450046； 2.航空经济发展河南省协同创新中心，郑州 450046；3.北京邮电大学，北京 100876； 4.吉林农业科技学院电气与信息工程学院，吉林吉林 132101）

衰荡腔气体传感设计与计算机分析

张 臻1，2，邸金红1，3，李 丹4

（1.郑州航空工业管理学院，郑州 450046； 2.航空经济发展河南省协同创新中心，郑州 450046；3.北京邮电大学，北京 100876； 4.吉林农业科技学院电气与信息工程学院，吉林吉林 132101）

为了进一步改进气体传感性能，文章将衰荡腔技术应用到气体传感领域，理论和实验分析表明：采用衰荡腔技术能够显著地改善气体检测的灵敏度，气体浓度检测限可达10-3；所设计的传感系统在响应时间方面远快于光谱仪峰值比对方法；采用的衰荡时间信号反馈法能在提高灵敏度的同时检测气体峰值的变化。

衰荡腔；气体传感；检测限

0 引 言

当前，表面等离子技术在纳米量级操纵光能量方面发挥着重要作用，已成为宽带通信系统、微小光子回路等领域的一种新型技术［1-3］，国内外学者采用这一技术实现了多种信号传输与光子器件的设计［4-7］。丹麦的Nikolajsen研究团队利用热光效应在嵌入聚合物材料的金属条上分别实现了光调制器和光开关，采用20 nm厚的金平板波导的传输损耗在光通信波长窗口低至6 dB/cm，然而该波导的模式尺寸却达12μm［8-10］。丹麦奥尔堡大学的Bozhevolnyi团队采用聚焦离子束刻蚀加工，用近场扫描光学显微镜研究发现的V型槽气体传感波导器件，实现了对表面等离子技术的传感应用，然而其光传播距离仅10μm左右，无法实现其在光子回路、光通信中的应用［11-12］。因此，制作实现响应速度超快、灵敏度超高和动态范围大的传感系统，成为表面等离子技术快速、大面积推广应用的发展目标。基于以上背景，本文引入衰荡腔技术来实现气体传感的设计。

1 系统设计与理论分析

1.1 放大器设计

本文设计的光放大器原理图如图1所示。

图1 光放大器原理图

1.2 腔的理论分析

为了使激光模式与腔模式相匹配，需要调节移动入口反射镜来改变腔长，腔长的变化通过扫描PZT的驱动电流来实现。图2所示为本文采用的分析模型。

谐振腔长L随时间t的变化关系可表示为

式中，L0为腔的标准长度；υ为扫描速度。则光走一圈的时间tr因扫描而发生的变化为

图2 分析模型

式中，c为真空中的光速。入射光在频率上为洛伦兹分布，遵循洛伦兹分布的激光光强可表示为

式中，γ为激光线宽的FWHM（半高全宽）；ω0为激光初始的中心频率；I0和ω分别为入射光强和扫描频率。则入射光的电场方程可表示为

可得t时刻的电场分布为

图3所示为光的传播路径，可以用如下的表达式来描述这一过程:

图3 光的传播路径

由式（6）可得

式中，q1、q2分别为扫描速度与真空速度关系表达式。进而可得出射光强为

依此类推，第3束输出光的光程为L3=2d3+ 2d2+d1。因此可得空腔条件下t时刻输出光的电场方程为

2 气体传感系统的设计与实验分析

2.1 传感系统

图4所示为本文设计的衰荡腔技术气体传感系统。入射激光进入系统环路后，每经过SPR（表面等离子共振）传感器一次，就相当于发生了一次衰荡，将每次衰减光脉冲值的1/e时间确定为衰荡时间。根据衰荡时间可以得出光纤环净衰减值，由此来计算指定波长激光经过传感器时的吸收值，并且得到对应的传感生物量。本系统中采用了一个可调谐激光脉冲发生器，能够输出不同波长的短窄激励脉冲。

图4 衰荡腔技术气体传感系统

随着脉冲在光纤环腔中循环，每循环一周都会经耦合器输出一个脉冲至光电探测器，输出脉冲的包络为随时间呈指数衰减的曲线。依据单次衰减值I/I0=e-σ可得光纤的损耗为

式中，I为光强，σ为衰减值。若衰荡时间为tγ，则

式中，γ为标准的衰荡时间。考虑可探测到的光强最小变化为δI，则有

式中，Δτ为衰荡时间的最小测量精度。因此，脉冲在环路中循环的单次损耗越低，衰荡时间越长，系统的测量灵敏度越高。

2.2 气体检测的实验结果分析

采用本文系统，通过分析仪对气体混合物中的含量进行了测试。

图5所示为本文所提系统检测到的浓度与时间的关系。由图中3类气体的检测结果可以看出:通过衰荡系统可以显著提高气体检测的灵敏度。分析时间与浓度的关系可知，本文设计的传感器灵敏度能够达到10-3的气体浓度检测限，该结果远大于10 s时间量级的光谱仪峰值比对法。且用衰荡时间信号反馈调节可调掺铒光纤放大器，可以在保证灵敏度的条件下追踪气体吸收峰的变化，为进行污染气体检测等领域提供了新方向。

图5 浓度与时间的关系

3 结束语

设计了一种基于衰荡腔技术的气体传感系统，气体浓度检测限可达10-3；系统在响应时间方面远快于光谱仪峰值比对法，采用衰荡时间信号反馈的方法能够显著提高灵敏度和响应时间等参数，为气体传感的微型化、可集成化提供了新的方向。

［1］李雷，唐守锋.共享激光器的分布式光纤气体传感系统［J］.激光技术，2014，（3）:384-388.

［2］王玲芳，温志渝.脉冲式DFB中红外量子级联激光器的气体检测系统［J］.红外与激光工程，2011，40（11）: 2147-2152.

［3］邓积微，王太宏，蔡勇，等.一种压缩待测气体增强气体传感的方法［J］.传感器与微系统，2014，33（11）:5-8.

［4］王艳菊，王玉田，张玉燕，等.差分吸收式甲烷气体传感系统的研究［J］.仪器仪表学报，2006，27（12）:1647-1650.

［5］朱君，赵玲玲，严蕾，等.表面等离子共振技术及其生物传感研究进展［J］.激光杂志，2015，36（4）:1-5.

［6］冯金垣，陈先红，孙登奎，等.光纤气体传感机理研究［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2001，29（3）: 26-29.

［7］张学军，李智忠.远程光纤甲烷气体传感系统的噪声抑制方法［J］.煤炭科学技术，2006，34（3）:4-5.

［8］齐洁，董小鹏，郑俊达，等.基于平均滤波算法的光纤气体传感系统研究［J］.激光与红外，2012，42（5）:556-560.

［9］张轩，杨海峰，席广成，等.纳米金属氧化物气体传感材料研究进展［J］.材料导报，2012，26（z1）:28-31，49.

［10］贾林涛，郭茂田，郭东歌，等.光纤气敏传感系统的研究［J］.激光杂志，2011，32（1）:49-50.

［11］朱君，李志全，秦柳丽，等.MIM结构中腔的物理性质对SPP传播的分析［J］.红外与激光工程，2015，44（3）:852-856.

［12］李政颖，王洪海，程松林，等.光纤气体传感的双光路相位保持方法［J］.光学学报，2009，29（3）:728-732.

Ring-Down Cavity Gas Sensor Design and Computer Analysis

ZHANG Zhen1，2，DI Jin-hong1，3，LI Dan4
（1.Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China； 2.Aviation Collaborative Innovation Center in Henan Province Economic Development，Zhengzhou 450046，China； 3.Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，Chian； 4.Electrical Information Engineering Institute，JLASTU，Jilin 132101，China）

In order to further improve the performance of gas sensing，this paper apply ring-down cavity technology in gas sensing field.The theoretical and experimental analysis results show that the use of ring-down cavity technology can significantly improve the sensitivity of gas detection，which can realize the gas concentration detection limit at 10-3.The designed sensor system has much faster response time than spectrometer peak ratio method.The method of time of ring-down signal feedback can improve the sensitivity and detect the gas peak change at the same time.

ring-down cavity；gas sensor；detection limit

TN256

A

1005-8788（2016）05-0065-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.019

2016-04-28

吉林农业科技学院重点学科培育项目（2015第X093号）；吉林农业科技学院青年基金资助项目（吉农院合字2015第224号）；吉林省高等教育学会高教科研课题（JGJX2015C90）

张臻（1978-），男（回族），河南郑州人。副教授，硕士研究生，主要研究方向为信息与通信工程。