[发明专利]基于Sagnac干涉计级联增敏及光热技术的强度探测型气体传感器

权利要求书

1.基于Sagnac干涉计级联增敏及光热技术的强度探测型气体传感器，其特征在于：包括探测激光器、隔离器I、耦合器I、耦合器II、泵浦激光器、隔离器II、耦合器III、滤波器、光电探测器、数据采集卡、电脑和两个保偏空芯光子晶体光纤；一个保偏空芯光子晶体光纤和耦合器I构成Sagnac干涉计I，另一个保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计II；

所述探测激光器、隔离器I和耦合器I依次连接，所述泵浦激光器、隔离器II与耦合器III依次连接；所述滤波器、光电探测器、数据采集卡和电脑依次连接；Sagnac干涉计I和Sagnac干涉计II串联设置，Sagnac干涉计I设置在隔离器I与耦合器III之间的光路上，Sagnac干涉计II设置在耦合器III与滤波器之间的光路上；

探测光的光学路径为：探测光由探测激光器发出，依次经过隔离器I依次进入耦合器I、保偏空芯光子晶体光纤后，再由耦合器I依次进入耦合器III、耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤后；再由耦合器II依次进入滤波器和光电探测器，光电探测器将接收的探测光能量转化为电压输出给数据采集卡和电脑；

泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦激光器发出，依次经过隔离器II、耦合器III、耦合器II，然后进入保偏空芯光子晶体光纤；

所述耦合器I、耦合器II和耦合器III的分光比为50：50，光束由耦合器I进入Saganc干涉计I后，探测光分成两束光，两束光在Sagnac环内沿相反的方向传输，然后经耦合器I合成一束光，实现干涉；干涉后光强I_sagnac1可以表示为：

其中，B₁和L₁分别为保偏空芯光子晶体光纤的双折射系数和长度，λ为信号光的波长；

Sagnac干涉计I的干涉谱波谷满足：

其中，m₁为整数，λ_m1为干涉谱波谷对应的波长；

Sagnac干涉计I的干涉谱的自由光谱范围FSR₁为：

光束再由耦合器II进入Saganc干涉计II后，探测光分成两束光，两束光在Sagnac环内沿相反的方向传输，然后经耦合器II合成一束光，实现进一步干涉；

干涉后光强I_sagnac2可以表示为：

其中，B₂和L₂分别为保偏空芯光子晶体光纤的双折射系数和长度，λ为信号光的波长；

Sagnac干涉计II的干涉谱波谷满足：

其中，m₂为整数，λ_m2为干涉谱波谷对应的波长；

Sagnac干涉计II的干涉谱的自由光谱范围FSR₂为：

将(5)式对L₂微分得干涉谱平移量与保偏空芯光子晶体光纤之间的关系为：

其中，Δλ₂为Sagnac干涉计II干涉谱的平移量，ΔL₂为保偏空芯光子晶体光纤光纤的长度变化量；

保偏空芯光子晶体光纤长度的变化量可表示为：

ΔL₂＝αPΔC (8)

其中，P为泵浦激光器功率，ΔL₂为保偏空芯光子晶体光纤光纤的长度变化量，ΔC为被测气体浓度的变化量，α为预设常数，可根据经验值来设定；

将(8)式代入(7)式得Sagnac干涉计II干涉谱的平移量随被测气体浓度的变化关系：

2.根据权利要求1所述的基于Sagnac干涉计级联增敏及光热技术的强度探测型气体传感器，其特征在于：所述保偏空芯光子晶体光纤的长度为0.5-5米，保偏空芯光子晶体光纤的两端均分别与单模光纤熔接，保偏空芯光子晶体光纤的直径与单模光纤相同均为125微米。

3.根据权利要求2所述的基于Sagnac干涉计级联增敏及光热技术的强度探测型气体传感器，其特征在于：所述保偏空芯光子晶体光纤的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米；Sagnac干涉计II保偏空芯光子晶体光纤侧面有多个开孔，保证其纤芯与外界相通，开孔的直径为5-20微米，开孔的密度为10-100个/米。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于Sagnac干涉计级联增敏及光热技术的强度探测型气体传感器，其特征在于：所述泵浦激光器为窄带DFB激光器，泵浦激光器的波长与被测气体的吸收峰重合，探测激光器为窄带DFB激光器。