二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，包括一個(gè)紅外寬帶光源、一個(gè)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器、一個(gè)氣體采樣室、一個(gè)光電探測(cè)裝置以及驅(qū)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括兩種設(shè)計(jì)方案：第一種設(shè)計(jì)方案的主要技術(shù)特點(diǎn)是：包括第一帶通濾波器、液晶相位調(diào)制器、第二帶通濾波器和驅(qū)動(dòng)源，液晶相位調(diào)制器設(shè)置在由第一帶通濾波器和第二帶通濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅腔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)源通過(guò)控制法布里-珀羅腔內(nèi)液晶材料的有效折射率實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。第二種設(shè)計(jì)方案的主要技術(shù)特點(diǎn)與第一種設(shè)計(jì)方案的區(qū)別是：所述第一帶通濾波器和第二帶通濾波器分別由一個(gè)長(zhǎng)波通和一個(gè)短波通且具有不同截止頻率的階躍式濾波器所替代。
【專(zhuān)利說(shuō)明】二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電氣體傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種采用了可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外氣體傳感技術(shù)是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系(朗伯-比爾Lambert-Beer定律)鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感技術(shù)。它與其它類(lèi)別氣體傳感技術(shù)如電化學(xué)式、催化燃燒式、半導(dǎo)體式等相比具有應(yīng)用廣泛、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好、適合氣體多、性?xún)r(jià)比高、維護(hù)成本低、可在線(xiàn)分析等等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開(kāi)采、大氣污染檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，在各類(lèi)紅外氣體傳感技術(shù)中，采用可調(diào)諧激光器的氣體傳感技術(shù)，近幾年來(lái)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相比于利用寬帶紅外光源和窄帶濾光片的技術(shù)，這種技術(shù)具有低飄移和抗干擾等特點(diǎn)，提供了更加穩(wěn)定和精確的氣體濃度檢測(cè)。但是，這種技術(shù)需要高質(zhì)量的可調(diào)諧激光器，因此，價(jià)格比較昂貴。另一種可行的技術(shù)是采用寬帶紅外光源和可調(diào)諧窄帶濾光片的技術(shù)，也能提供與采用可調(diào)諧激光器技術(shù)的氣體測(cè)量相比擬的穩(wěn)定性和精度。
[0003]在各類(lèi)濾波器技術(shù)中，傳統(tǒng)的光學(xué)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具是一種利用多光束干涉原理制作的窄帶濾波器件，主要有兩種類(lèi)型:一種是空氣間隔的，一種是光學(xué)玻璃間隔的。通過(guò)兩個(gè)通光面上多層介質(zhì)膜的高反射率所形成法布里-珀羅腔的多光束干涉效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)在寬頻譜范圍內(nèi)的多波長(zhǎng)窄帶濾波輸出，而且具有性能穩(wěn)定、通光孔徑大、光功率破壞閾值高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等特性，因此，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)激光器、光學(xué)測(cè)量?jī)x器和光纖通訊器件中。
[0004]對(duì)于空氣間隔的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，可通過(guò)改變光的入射角度進(jìn)行調(diào)諧，但是這種方法的調(diào)諧范圍很??；也可以采用用機(jī)械方法(如步進(jìn)馬達(dá))改變法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，這種方法可以實(shí)現(xiàn)大的調(diào)諧范圍，但調(diào)諧精度低，而且對(duì)機(jī)械部件的精度要求高，穩(wěn)定性不好。另外，采用PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)技術(shù)通過(guò)改變法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的腔長(zhǎng)，可以提高調(diào)諧精度和速度，但是不易做到小型化，且驅(qū)動(dòng)電路也較復(fù)雜；改變標(biāo)準(zhǔn)具的溫度也可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)諧，但是，該方法的缺點(diǎn)是速度慢。同時(shí)，單一法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的濾波輸出特性是一個(gè)光頻率間隔為自由光譜范圍的多模輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用寬帶紅外光源和可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器和光電探測(cè)器等來(lái)實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性，高精度和低價(jià)格的氣體濃度檢測(cè)。所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器是將液晶相位調(diào)制器放置在法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)透過(guò)法布里-珀羅濾波器的線(xiàn)偏振光信號(hào)的連續(xù)、快速和精密光頻率調(diào)諧功能，并將法布里-珀羅腔的兩個(gè)反射面設(shè)置為帶通濾波器或階躍式濾波器和根據(jù)所述帶通濾波器的透射帶寬或所述階躍式濾波器的透射帶寬來(lái)設(shè)置法布里-珀羅腔的自由光譜范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)法布里-珀羅濾波器的窄帶單模輸出。
[0006]本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備包括一個(gè)紅外寬帶光源、一個(gè)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器、一個(gè)氣體采樣室、一個(gè)光電探測(cè)裝置以及驅(qū)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、所述光電探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)接收電路以及控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，由所述紅外寬帶光源發(fā)出的光首先通過(guò)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器后，通過(guò)所述氣體采樣室后被所述第一光電探測(cè)裝置接收，由所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)所檢測(cè)的氣體的吸收頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到該氣體的濃度。
[0007]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括第一帶通濾波器、液晶相位調(diào)制器、第二帶通濾波器和驅(qū)動(dòng)源，液晶相位調(diào)制器設(shè)置在由第一帶通濾波器和第二帶通濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過(guò)控制法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
[0008]而且，所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器是一種在光學(xué)透明材料的內(nèi)表面上設(shè)置的多層介質(zhì)膜的帶通濾波器并具有相同的透射帶寬，在所述帶通濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對(duì)透射光的銳度系數(shù)設(shè)置不同的反射率，該反射率設(shè)置在80%到98%之間，在通帶以外設(shè)置100%或接近100%的反射率，且在光學(xué)透明材料的外表面上設(shè)置光學(xué)增透膜。
[0009]而且，所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器的通帶的中心與所需檢測(cè)的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，該通帶的寬度是根據(jù)對(duì)氣體測(cè)試精度的要求而定，設(shè)置為2納米到5納米之間，所述法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍應(yīng)大于所述的通帶寬度，使得透過(guò)所述可調(diào)諧窄帶光學(xué)濾波器的光信號(hào)為單模光信號(hào)。
[0010]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括一個(gè)長(zhǎng)波通階躍濾波器、液晶相位調(diào)制器、一個(gè)短波通階躍濾波器和驅(qū)動(dòng)源，液晶相位調(diào)制器設(shè)置在由所述長(zhǎng)波通階躍濾波器和所述短波通階躍濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過(guò)控制所述法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
[0011]而且，所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器是一種在光學(xué)透明材料的內(nèi)表面上設(shè)置的多層介質(zhì)膜的光學(xué)濾波器，所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器對(duì)于小于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率，所述的短波通階躍濾波器對(duì)于大于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率；在所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對(duì)透射光的銳度系數(shù)設(shè)置不同的反射率，該反射率設(shè)置在90和98%之間，且在光學(xué)透明材料的外表面上設(shè)置光學(xué)增透膜。
[0012]而且，所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器的截止頻率小于所述的短波通階躍濾波器的截止頻率，由所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器的截止頻率和所述短波通階躍濾波器的截止頻率構(gòu)成所述的法布里-珀羅濾波器的通帶寬度，該通帶的寬度是根據(jù)對(duì)氣體測(cè)試精度的要求而定，設(shè)置在2納米到5納米之間，該通帶的中心與所需檢測(cè)的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍大于其通帶范圍，使得透過(guò)所述可調(diào)諧窄帶光學(xué)濾波器的光信號(hào)為單模光信號(hào)。
[0013]而且，所述的液晶相位調(diào)制器采用的是向列相型液晶材料，液晶材料的厚度為幾微米至十幾微米。[0014]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)源是一種頻率約為2KHz，電壓幅度可以在零到正負(fù)5伏的可調(diào)制的方波信號(hào)，且方波電壓幅度的調(diào)制頻率為10千赫或以上。
[0015]而且，所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括一個(gè)以數(shù)字信號(hào)處理器以及嵌入式軟件為核心的系統(tǒng)，用于控制所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的驅(qū)動(dòng)源、所述光電探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)接收電路以及接收外界控制信號(hào)和輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述紅外氣體傳感設(shè)備對(duì)所檢測(cè)氣體的吸收光譜和濃度的檢測(cè)功能。
[0016]而且，所述氣體采樣室的尺寸根據(jù)對(duì)所要檢測(cè)氣體的濃度和精度等因素決定，一般為幾厘米到幾百厘米長(zhǎng)。
[0017]而且，所述紅外寬帶光源的輸出是線(xiàn)偏振光，其光軸與所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的光軸一致，光譜寬度超過(guò)5納米，中心波長(zhǎng)等于或接近所測(cè)氣體吸收光譜帶的中心。
[0018]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的中心透射波長(zhǎng)設(shè)置在1.6微米，或2.0微米，或2.7微米，或4.25微米，或接近上述幾個(gè)波長(zhǎng)
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，通過(guò)對(duì)寬帶紅外光信號(hào)進(jìn)行連續(xù)、快速和精密的頻譜調(diào)諧掃描，使其透過(guò)可調(diào)諧窄帶濾波器的光是一個(gè)可以快速調(diào)諧的窄帶光信號(hào)，結(jié)合光電探測(cè)器等實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)氣體吸收光譜和氣體濃度的精確檢測(cè)。
[0019]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械移動(dòng)部件、性能穩(wěn)定可靠、成本低、尺寸小、易于安裝及生產(chǎn)等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足對(duì)于要求尺寸小和極端工作環(huán)境下的可靠運(yùn)行，可廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開(kāi)采、大氣污染檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是一個(gè)普通法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的示意圖；
圖2是液晶相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖3是光透過(guò)液晶相位調(diào)制器的相位隨外加電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)示意圖；
圖4是液晶相位調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)示意圖；
圖5是一種可調(diào)諧布里-珀羅濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是帶通濾波器的示意圖；
圖7是長(zhǎng)波通濾波器的示意圖；
圖8是短波通濾波器的示意圖；
圖9是普通法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的透射光譜示意圖；
圖10是可調(diào)諧布里-珀羅濾波器的透射光譜示意圖；
圖11是本發(fā)明的不意圖；
圖12是本發(fā)明的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述。
[0022]圖1給出了一種普通的法布里-拍羅(Fabry-Perot)光標(biāo)準(zhǔn)具100的示意圖。該法布里-珀羅光標(biāo)準(zhǔn)具100的材料一般在近紅外和可見(jiàn)光波段使用象融石英或BK7這樣的光學(xué)玻璃，假設(shè)材料的折射率為n，兩個(gè)通光面2和4都鍍高反射膜，其反射率為R，厚度為h，光以接近零度的入射角入射，則只有滿(mǎn)足2?=πιλ，才能透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具，其中m是透射光的級(jí)次。光標(biāo)準(zhǔn)具100的自由光譜范圍FSR1可以表示為:Δ λ = λ V (2nh),或用頻率表示:Δ V =c/ (2nh),其中c是光速。透射光的峰值頻率可以表示為:v =mc/ (2nh)，其中m是干涉級(jí)次，透射光的頻率帶寬可以表示為:
Δ v1/2 (FWHM) =c (1-R)/(2nhR1/2)，其中 c 是光速。
[0023]從上述兩個(gè)公式可以看出，光標(biāo)準(zhǔn)具100的自由光譜范圍FSR1與厚度為h成反比。假設(shè)材料的折射率為n=l.5，要實(shí)現(xiàn)FSR1=IOOGHz,厚度h~I毫米。自由光譜范圍FSR1越大，其厚度就越小。在標(biāo)準(zhǔn)具的材料和厚度確定后，透射光的頻率帶寬主要和反射率R有關(guān)，反射率越高，頻率寬帶或銳度(finesse)越小。法布里-拍羅(Fabry-Perot)光標(biāo)準(zhǔn)具的透射光譜的特點(diǎn)是每個(gè)透射譜的帶寬可以做到非常窄，透射光譜的頻率間隔相等并且光頻帶寬度非常寬，一般可覆蓋100納米以上的光頻譜帶，如圖9所示。
[0024]由于一般用作光電器件的液晶材料具有高的電阻率，因此，可以被認(rèn)為是理想的電介質(zhì)材料。由于構(gòu)成分子的有序取向和拉伸延長(zhǎng)的形態(tài)，液晶具有各向異性的電介質(zhì)特性和單軸對(duì)稱(chēng)性，就象一個(gè)單軸晶體一樣，其光軸的方向與分子的排列取向一致。當(dāng)液晶分子在外界電場(chǎng)的作用下，會(huì)形成電偶極子。在電偶極子所形成的力矩作用下，使得液晶分子的取向轉(zhuǎn)向電場(chǎng)的方向，可以通過(guò)改變電場(chǎng)的強(qiáng)弱，改變液晶的光軸的方向。因此，可以利用液晶的這一特性制作光相位調(diào)制器，可調(diào)諧濾波器或其他光電器件，如光開(kāi)關(guān)和光強(qiáng)調(diào)制器等。一般用作光電器件的液晶膜層的厚度為幾微米到十幾微米。本發(fā)明正是利用液晶在電場(chǎng)作用下對(duì)線(xiàn)偏振光的折射率產(chǎn)生改變這一特性設(shè)計(jì)而成。
[0025]圖2是一個(gè)液晶相位調(diào)制器200的結(jié)構(gòu)示意圖，包括外層光學(xué)透明材料12和24，透明電極層16和26,隔離層19和液晶層18.—般在光學(xué)透明材料12和24的內(nèi)外兩側(cè)表面5和7鍍光學(xué)增透膜。液晶相位調(diào)諧器的兩個(gè)透明電極16和26與驅(qū)動(dòng)電路14相連接，由驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在`兩透明電極膜層之間形成驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，利用電場(chǎng)改變Fabry-Perot腔內(nèi)液晶的有效折射率n，來(lái)調(diào)節(jié)法布里-珀羅濾波器的透射光的光頻率V和自由光譜范圍。圖3給出了一個(gè)厚度約為10微米的向列相型液晶在2KHz，最大幅度為+/-5伏的方波電壓的驅(qū)動(dòng)下(如圖4所示)，對(duì)光波長(zhǎng)為1550納米光波相位變化的關(guān)系示意圖。最大可實(shí)現(xiàn)約2 的光相位延遲。
[0026]圖5所示是可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的第一種結(jié)構(gòu)，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300包括第一帶通濾波器10、液晶相位調(diào)制器200、第二帶通濾波器20和驅(qū)動(dòng)電路14，第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20分別為在光學(xué)透明材料9和23的外表面8和22或內(nèi)表面11和21上鍍多層介質(zhì)膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20具有相同的濾波特性，如圖6所示，在通帶范圍V1與V2之間(濾波區(qū)間32)，反射率為R，反射率越高，透射光譜約窄(一般對(duì)于氣體傳感的應(yīng)用，該反射率在80%到98%之間，對(duì)于其他應(yīng)用，則根據(jù)要求專(zhuān)門(mén)設(shè)置)，小于V1 (濾波區(qū)間30)或大于V2 (濾波區(qū)間34)反射率為100%或接近100%，而現(xiàn)代鍍膜技術(shù)可以把這個(gè)通帶頻譜范圍做到大于100納米。
[0027]第一種帶通濾波器設(shè)計(jì)方案:如在光學(xué)透明材料9和23的外表面8和22上鍍帶通濾波器多層介質(zhì)膜，在兩個(gè)濾波器10和20之間形成法布里-珀羅(Fabry-Perot)腔的長(zhǎng)度為D1。第二種帶通濾波器設(shè)計(jì)方案:如在光學(xué)透明材料9和23的內(nèi)表面11和21上鍍帶通濾波器多層介質(zhì)膜，則在兩個(gè)濾波器10和20之間形成法布里-珀羅(Fabry-Perot)腔的長(zhǎng)度為D2，顯然，由于D1要大于D2。因此，第一種設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)的法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍要小于第二種帶通濾波器設(shè)計(jì)方案。當(dāng)然，也可以在光學(xué)透明材料12和24的內(nèi)側(cè)和透明電極層16和26之間直接鍍多層介質(zhì)膜濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣，由于液晶的厚度很小(幾微米到十幾微米)，因此，可以實(shí)現(xiàn)本征自由光譜范圍(即在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)的可調(diào)諧濾波器的自由光譜范圍)更大的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，但濾波器制作難度比較大。
[0028]以上述第一種帶通濾波器設(shè)計(jì)方案為例，在圖5中，入射到濾波器300的光束6是一束沿Z方向傳播，偏振軸為X方向的線(xiàn)偏振光，與液晶相位調(diào)制器200的光軸方向相同，假設(shè)光透明材料的折射率為n，則在通帶范圍V1與V2之間，只有滿(mǎn)足ZnDjr=Ha的光才能透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具，其中m是透射光的級(jí)次。濾波器300的自由光譜范圍FSR2為:Λ λ = λ 2/(2η?1+t),或用頻率表示:Λ v=c/(2nD1+r),其中c是光速，t代表由液晶在外加電場(chǎng)作用下由折射改變對(duì)入射光所產(chǎn)生的光程，透射光的峰值頻率可以表示為:v=mc/(2η?1+t),其中m是干涉級(jí)次，透射光的頻率寬帶可以表示為:
Δ V (FWHM) =c (1-R)/(QnDjr)R"2),其中 c 是光速。
[0029]根據(jù)上述公式，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300對(duì)于接近零度入射的線(xiàn)偏振光，假設(shè)n=l.5，D1=I毫米，λ =1550納米，可以得到約150GHz的透射光峰值頻率的調(diào)諧范圍(約為濾波器300的本征自由光譜范圍FSR2的1.5倍)。相比較而言，根據(jù)上面的公式，對(duì)自由光譜范圍Λ V和透射光的頻帶寬帶的改變要小的多?？烧{(diào)諧法布里-珀羅濾波器的透射光譜示意圖如圖10所示。一般地，對(duì)于單一氣體傳感的應(yīng)用，需要調(diào)諧的帶寬約為2到5納米范圍，因此，要求法布里-珀羅濾波器腔的長(zhǎng)度約為0.5毫米到0.25毫米之間，在光學(xué)透明材料12和24的內(nèi)側(cè)或在透明電極層16和26之間直接鍍多層介質(zhì)膜濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)比較容易。
[0030]由此可見(jiàn)，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300在外加電場(chǎng)的作用下，可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的透射光峰值頻率的調(diào)諧而基本不改變透射光的頻率寬帶和自由光譜范圍。這個(gè)特性對(duì)于可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的許多應(yīng)用，如應(yīng)用于激光器和頻譜儀器等具有重要意義。同樣地，對(duì)第二種帶通濾波器設(shè)計(jì)方案也可以作相同的分析。在通帶范圍V1與V2以外的頻譜區(qū)間30和34，由于帶通濾波器10和20的反射率為100%或接近100%，因此，這部分入射光被濾波器300阻止了。
[0031]由以上分析可以看出，當(dāng)濾波器300的本征自由光譜范圍FSR2大于通帶范圍V2-V1時(shí)，只有一個(gè)模透過(guò)濾波器300 ;當(dāng)FSR2小于通帶范圍V2-V1，而大于0.5倍的(V2-V1 )時(shí)，只有2個(gè)模透過(guò)濾波器300.因此，當(dāng)?shù)谝粠V波器10和第二帶通濾波器20的通帶范圍確定后，可以通過(guò)設(shè)置本征自由光譜范圍FSR，實(shí)現(xiàn)在該通帶范圍內(nèi)，濾波器300的單模或2和2個(gè)以上模的可調(diào)諧輸出。由于圖6顯示的是一個(gè)理想的濾波器的濾波器特性曲線(xiàn)，實(shí)際上，上述帶通濾波器在頻譜區(qū)間30和32，32和34的過(guò)渡時(shí)，不會(huì)是一個(gè)跳變，而是存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)間，因此，在設(shè)置第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20的通帶范圍時(shí)，還要考慮上述因素。
[0032]對(duì)于通帶范圍V2-V1較大的情況，如大于50納米，帶通濾波器10和帶通濾波器20的制作難度比較大，特別是，如要求在頻譜區(qū)間30和32，32和34的過(guò)渡區(qū)間小的情況，則難度更大。為此，設(shè)計(jì)了可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的第二種結(jié)構(gòu):該結(jié)構(gòu)采用一種階躍式濾波器。這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使用了兩個(gè)具有不同濾波范圍的階躍式濾波器分別代替第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20。如圖7所示，是一個(gè)長(zhǎng)波通階躍式濾波器，光頻率大于V1的光具有反射率為R，而光頻率小于V1的光具有反射率為100%或接近100%，用該長(zhǎng)波通濾波器代替帶通濾波器10。圖8所示的是一個(gè)短波通階躍式濾波器，光頻率小于V2的光具有反射率為R，而光頻率大于V2的光具有反射率為100%或接近100%，用該短波通濾波器代替帶通濾波器20，顯然，這個(gè)使用長(zhǎng)波通和短波通階躍式濾波器的結(jié)構(gòu)對(duì)濾波器300的功能與上述使用帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案是相同的。
[0033]這個(gè)使用長(zhǎng)波通和短波通階躍式濾波器的第二種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:(I)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)大的通帶范圍(V2-V1), (2)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)比較小的從截止到通帶或從通帶到截止帶的頻譜過(guò)渡，由于濾波器300具有對(duì)稱(chēng)性和光路的可逆性，因此，把上述兩個(gè)階躍式濾波器互換，不影響濾波器300的性能。
[0034]圖11是本發(fā)明的示意圖。一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備400包括一個(gè)紅外寬帶光源40、可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300及其驅(qū)動(dòng)源50、氣體采樣室44、氣體采樣室44內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w46、光電探測(cè)器48、以及一個(gè)控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，如圖12所示，該系統(tǒng)包括光電探測(cè)器48的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)接收電路52、控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)54，紅外寬帶光源40的帶寬應(yīng)大于5納米，且其中心頻率等于或接近二氧化碳的吸收光譜的中心頻率，二氧化碳的紅外吸收光譜的中心頻率在1.6微米、2.0微米、2.7微米、4.25微米附近。由于二氧化碳的紅外吸收光譜帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的通帶寬度，因此，紅外寬帶光源40的光譜中心頻率和可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的透射中心頻率只要在上述幾個(gè)吸收光譜中心的附近就能滿(mǎn)足氣體的檢測(cè)精度。
[0035]由紅外寬帶光源40產(chǎn)生的準(zhǔn)直光束透過(guò)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300后進(jìn)入氣體采樣室44，其輸出光強(qiáng)分別由光電探測(cè)器48檢測(cè)得到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)源50對(duì)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300調(diào)諧時(shí)，透過(guò)氣體采樣室44的氣體吸收光信號(hào)被光電探測(cè)器48檢測(cè)得到并通過(guò)驅(qū)動(dòng)和信號(hào)接收電路52，再由控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)54進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到氣體采樣室44中所含二氧化碳?xì)怏w46的濃度。根據(jù)朗伯-比爾Lambert-Beer定律,氣體46的濃度越高，則被吸收越強(qiáng)烈，透過(guò)氣體采樣室44的光強(qiáng)越弱。氣體采樣室44的長(zhǎng)度取決于所測(cè)氣體的濃度，氣體吸收強(qiáng)度和所需的測(cè)試精度等因素，一般要求在幾個(gè)厘米到幾百厘米的范圍。為了保證最大的測(cè)試精度，一般要求在所設(shè)置的通帶范圍(V2-V1)內(nèi)，從V 2到V1調(diào)諧的頻率為IOKHz或以上，要求驅(qū)動(dòng)源50的輸出具有頻率為2KHz，幅值在零到+/-5伏可調(diào)制的方波電壓信號(hào)，幅值在零到+/-5伏的調(diào)制頻率在IOK或以上，如圖4所示。
[0036]本發(fā)明要求紅外寬帶光源40的輸出光是線(xiàn)偏振光，其光軸與可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的光軸在同一方向上。
[0037]需要強(qiáng)調(diào)的是，上述說(shuō)明僅起演示和描述的作用，并不是一個(gè)詳細(xì)無(wú)遺漏的說(shuō)明，也沒(méi)有意圖將本發(fā)明限制在所描述的具體形式上。經(jīng)過(guò)上面的描述，對(duì)本發(fā)明的許多改動(dòng)和變化都可能出現(xiàn)。所選擇的具體實(shí)施僅僅是為了更好的解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際中的應(yīng)用。這個(gè)說(shuō)明能夠使熟悉此領(lǐng)域的人可以更好的利用本發(fā)明，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)不同的具體實(shí)施和進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，其特征在于:包括一個(gè)紅外寬帶光源、一個(gè)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器、一個(gè)氣體采樣室、一個(gè)光電探測(cè)裝置以及驅(qū)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、所述光電探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)接收電路以及控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，由所述紅外寬帶光源發(fā)出的光首先通過(guò)可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器后，通過(guò)所述氣體采樣室后被所述第一光電探測(cè)裝置接收，由所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)所檢測(cè)的氣體的吸收頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到該氣體的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，其特征在于:所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括第一帶通濾波器、液晶相位調(diào)制器、第二帶通濾波器和驅(qū)動(dòng)源，液晶相位調(diào)制器設(shè)置在由第一帶通濾波器和第二帶通濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過(guò)控制法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器是一種在光學(xué)透明材料的內(nèi)表面上設(shè)置的多層介質(zhì)膜的帶通濾波器并具有相同的透射帶寬，在所述帶通濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對(duì)透射光的銳度系數(shù)設(shè)置不同的反射率，該反射率設(shè)置在80%到98%之間，在通帶以外設(shè)置100%或接近100%的反射率，且在光學(xué)透明材料的外表面上設(shè)置光學(xué)增透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器的通帶的中心與所需檢測(cè)的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，該通帶的寬度是根據(jù)對(duì)氣體測(cè)試精度的要求而定，設(shè)置為2納米到5納米之間，所述法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍應(yīng)大于所述的通帶寬度，使得透過(guò)所述可調(diào)諧窄帶光學(xué)濾波器的光信號(hào)為單模光信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:包括一個(gè)長(zhǎng)波通階躍濾波器、液晶相位調(diào)制器、一個(gè)短波通階躍濾波器和驅(qū)動(dòng)源，液晶相位調(diào)制器設(shè)置在由所述長(zhǎng)波通階躍濾波器和所述短波通階躍濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過(guò)控制所述法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器是一種在光學(xué)透明材料的內(nèi)表面上設(shè)置的多層介質(zhì)膜的光學(xué)濾波器，所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器對(duì)于小于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率，所述的短波通階躍濾波器對(duì)于大于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率；在所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對(duì)透射光的銳度系數(shù)設(shè)置不同的反射率，該反射率設(shè)置在80和98%之間，且在光學(xué)透明材料的外表面上設(shè)置光學(xué)增透膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器的截止頻率小于所述的短波通階躍濾波器的截止頻率，由所述的長(zhǎng)波通階躍濾波器的截止頻率和所述短波通階躍濾波器的截止頻率構(gòu)成所述的法布里-珀羅濾波器的通帶寬度，該通帶的寬度是根據(jù)對(duì)氣體測(cè)試精度的要求而定，設(shè)置在2納米到5納米之間，該通帶的中心與所需檢測(cè)的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍大于其通帶范圍，使得透過(guò)所述可調(diào)諧窄帶光學(xué)濾波器的光信號(hào)為單模光信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2和5所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的液晶相位調(diào)制器采用的是向列相型液晶材料，液晶材料的厚度為幾微米至十幾微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，其特征在于:所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器驅(qū)動(dòng)源是一種頻率約為2KHz，電壓幅度可以在零到正負(fù)5伏的可調(diào)制的方波信號(hào)，且方波電壓幅度的調(diào)制頻率為10千赫或以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，其特征在于:所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括一個(gè)以數(shù)字信號(hào)處理器以及嵌入式軟件為核心的系統(tǒng)，用于控制所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的驅(qū)動(dòng)源、所述光電探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)接收電路以及接收外界控制信號(hào)和輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述紅外氣體傳感設(shè)備對(duì)所檢測(cè)氣體的吸收光譜和濃度的檢測(cè)功能。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，其特征在于:所述氣體米樣室的尺寸根據(jù)對(duì)所要檢測(cè)氣體的濃度和精度等因素決定，一般為幾厘米到幾百厘米長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，其特征在于:所述紅外寬帶光源的輸出是線(xiàn)偏振光，其光軸與所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的光軸一致，光譜寬度超過(guò)5納米,中心波長(zhǎng)等于或接近所測(cè)氣體吸收光譜帶的中心。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二氧化碳?xì)怏w傳感設(shè)備，其特征在于:所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的中心透射波長(zhǎng)設(shè)置在1.6微米，或2.0微米，或2.7微米，或4.25微米，或接近上述幾個(gè)波長(zhǎng)。``
【文檔編號(hào)】G02F1/13GK103776798SQ201210416713
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月28日
【發(fā)明者】高培良 申請(qǐng)人:天津奇譜光電技術(shù)有限公司