一种微纳光波导光热光谱气体检测方法及检测系统

1.本技术属于气体测量技术领域，尤其涉及一种微纳光波导光热光谱气体检测方法及检测系统。


背景技术：

2.激光吸收光谱法是一种高灵敏度、高选择性的气体分析方法，在环境监测、能源电力、国防和航空航天等领域有着广泛的应用。
3.基于光吸收伴生的多种效应，人们发展出了不同的激光吸收光谱衍生方法。激光光热光谱法利用光热效应及其带来的热光调制特性，间接测量气体浓度，具有无背景噪声的优势，有效地提高了气体检测的灵敏度和准确性。尤其以微结构空芯光纤作为载体，极大地增加和提高了光与物质相互作用的距离和光能量密度，大幅提升了光热效应的产热效率，实现了优异的气体探测性能。
4.然而微结构空芯光纤需要通过特殊的结构设计，在精确的温度和压力控制条件下由光纤拉丝塔制备而成。在气体探测中，一方面，微结构空芯光纤需要与标准单模光纤进行精确对准和可靠连接，形成全光纤结构的气体检测系统。另一方面，气体通过自由扩散方式填充微结构空芯光纤，无法满足实时探测的需求。加工微通道能够加快气体交换，但会牺牲微结构空芯光纤的机械强度并引入损耗。在上述讨论中，较高的微结构空芯光纤制作成本和难度、以及较慢的响应速度等限制了其大规模应用。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种微纳光波导光热光谱气体检测方法及检测系统，可以解决现有技术中传感器制作成本和难度高、响应速度慢的问题。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种微纳光波导光热光谱气体检测方法，其中，包括：
7.将泵浦激光和探测激光输入微纳光波导；其中，所述泵浦激光和所述探测激光的部分能量将以倏逝波的形式在所述微纳光波导外的气体介质中传输，所述泵浦激光产生的倏逝波与所述气体介质中的待测物质发生光热效应后加热所述气体介质，所述气体介质通过热传导加热所述微纳光波导，改变所述气体介质和所述微纳光波导的折射率，所述探测激光激发生成所述微纳光波导的基模和第一高阶模；
8.检测所述基模和所述第一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生的相位差，并根据相位差与待测物质的浓度之间的关系换算得到所述气体介质中待测物质的真实浓度。
9.可选的，所述泵浦激光的中心波长对准或扫描通过所述待测物质的吸收峰，所述探测激光的中心波长远离所述待测物质的任一吸收峰。
10.可选的，微纳光波导支持多模传输。
11.可选的，探测激光进入所述微纳光波导时，只激励出所述微纳光波导的所述基模和所述第一高阶模。
12.可选的，所述基模和所述第一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生的相位差与待测物质的浓度之间的关系可表示为：
13.δφ＝(m
·
α0·
l
·
p)
·cꢀꢀ(i)14.其中，δφ为基模和第一高阶模在微纳光波导中传输后产生的相位差；m为光热系数，对于固定尺寸的微纳光波导和固定的泵浦激光入射方式，光热系数为定值；α0为待测物质的吸收系数，对于固定吸收峰，待测物质的吸收系数为定值；l为微纳光波导的长度，p为泵浦激光的功率，c为待测物质的浓度。
15.其中，基模和第一高阶模在微纳光波导中传输后产生的相位差与待测物质的浓度成正比，因而，通过检测从微纳光波导输出端射出的探测激光中携带的相位差信息，即可换算得到待测物质的浓度。
16.与现有技术相比存在的有益效果是：通过本技术实施例，由于含待测物质的气体介质覆裹于微纳光波导，因此光热信号响应是瞬时的，显著提高了响应速度。待测物质吸收泵浦激光后不仅改变了气体介质的折射率，也改变了微纳光波导的折射率，而微纳光波导材料的热光系数(如，二氧化硅约为10-5
k-1
量级及其以上)远大于气体的热光系数(如，气体介质室温下约为-10-6
k-1
)，因此在相同条件下可以获得比微结构空芯光纤更高的光热效率。同时，气体介质通常具有更低的热传导系数，使得覆裹着的微纳光波导产生热量积累效应，进一步提高了光热效率，提高了气体浓度传感器的探测灵敏度。采用的微纳光波导支持高阶模传输，高阶模具有更大的倏逝场比例，因此在获得强的光与物质相互作用的同时，避免了苛刻的工艺条件，降低了制作难度和成本。微纳光波导可通过熔融拉锥标准单模光纤制备，也可以通过与mems兼容的制备工艺批量成产，进一步降低了制作难度和成本。
17.第二方面，本技术实施例提供了一种微纳光波导光热光谱气体检测系统，包括用于生成泵浦激光的泵浦激光组件，用于生成探测激光的探测激光组件，用于合束泵浦激光和探测激光的波分复用器，微纳光波导，用于收集待测物质和放置微纳光波导的气体收集室，用于滤除泵浦激光的光滤波器，以及分析组件；
18.其中，泵浦激光组件和探测激光组件的输出端分别与波分复用器的输入端相连，微纳光波导的输入端和输出端分别与波分复用器输出端和光滤波器的输入端相连，光滤波器的输出端与分析组件的输入端相连；
19.所述气体收集室内存在气体介质，所述泵浦激光和所述探测激光的部分能量将以倏逝波的形式在所述微纳光波导外的所述气体介质中传输，所述泵浦激光产生的倏逝波与所述气体介质中的待测物质发生光热效应后加热所述气体介质，所述气体介质通过热传导加热所述微纳光波导，改变所述气体介质和所述微纳光波导的折射率，所述探测激光激发生成所述微纳光波导的基模和第一高阶模；
20.所述分析组件用于检测所述基模和所述第一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生的相位差，并根据相位差与待测物质的浓度之间的关系换算得到所述气体介质中待测物质的真实浓度。
21.可选的，泵浦激光组件包括第一激光驱动器，泵浦光源，激光放大器；
22.探测激光组件包括探测光源，第二激光驱动器，偏振控制器；
23.分析组件包括光耦合器，第一光探测器和第二光探测器，锁相放大器，以及分析终端；
24.其中，第一激光驱动器的输入端为泵浦激光组件的输入端，泵浦光源的输入端和输出端分别与第一激光驱动器的输出端和激光放大器的输入端相连，激光放大器的输出端为泵浦激光组件的输出端；
25.其中，第二激光驱动器的输入端为探测激光组件的输入端，探测光源的输入端和输出端分别与第二激光驱动器的输出端和偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端为探测激光组件的输出端；
26.光耦合器的输入端为分析组件的输入端，光耦合器的输出端分别与第一光探测器和第二光探测器的输入端相连，第一光探测器的输出端与锁相放大器的输入端相连，第二光探测器的输出端与分析终端的输入端相连，锁相放大器的输出端分别与分析终端和泵浦激光组件的输入端相连，分析终端的输出端与探测激光组件的输入端相连。
27.可选的，微纳光波导包括集成光波导、光纤波导中的任意一种。
28.可选的，微纳光波导的截面尺寸不大于泵浦激光和探测激光两者中最大光波长的10倍。
29.可选的，波分复用器的输出端和微纳光波导的输入端之间为非绝热过渡；
30.探测激光从波分复用器的输出端输入至微纳光波导输入端时，使得探测激光激发生成微纳光波导的基模和第一高阶模，基模和第一高阶模同时在微纳光波导中传输。
31.可选的，波分复用器的输出端和微纳光波导的输入端之间为绝热过渡；
32.探测激光从波分复用器的输出端输入至微纳光波导输入端时，使得探测激光只激发微纳光波导的所述基模。其中，在微纳光波导输入端写入长周期光栅，长周期光栅使得基模的部分能量耦合至第一高阶模，致使基模和第一高阶模同时在微纳光波导中传输。
33.本发明检测系统基于上述气体检测方法，结构简单，操作方便，且检测灵敏度高、动态范围大、信号响应快。经实验检测，本发明检测系统的最小可探测气体(甲烷)浓度低至440ppb，动态范围接近6个数量级，响应时间仅为7s。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本技术提供的一种在微纳光波导上产生光热效应的示意图；
36.图2是本技术提供的一种微纳光波导的截面图；
37.图3是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测系统的示意图；
38.图4是本技术提供的一种微纳光波导干涉仪的自动稳定过程图；
39.图5是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的体积浓度为1％的甲烷气体的二次谐波谱图；
40.图6是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的体积浓度为1％的甲烷气体的光热信号和系统噪声与泵浦功率的关系曲线图；
41.图7是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的基于2小时噪声数据得到的甲烷气体检测的阿伦方差曲线图；
42.图8是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的在4小时内测量的体积浓度为1％的甲烷气体的二次谐波信号变化曲线图；
43.图9是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的归一化光热信号随充气时间的变化曲线图；
44.图10是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的常温常压下甲烷气体传感器动态范围测量结果的曲线图。
具体实施方式
45.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
46.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
47.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
48.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0049]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0050]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0051]
下面结合具体实施例，对本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法进行示例性的说明。
[0052]
在一种可能的实现方式中，微纳光波导包括集成光波导、光纤波导中的任意一种。
[0053]
在本技术实施例中，微纳光波导选用的是微纳光纤，即采用光纤波导。
[0054]
请参阅图1，图1是本技术提供的一种在微纳光纤上产生光热效应和热传导的示意图。
[0055]
本实施例中气体浓度检测方法的执行主体为气体浓度传感器。
[0056]
s101、将泵浦激光和探测激光输入微纳光波导；其中，所述泵浦激光和所述探测激光的部分能量将以倏逝波的形式在所述微纳光波导外的气体介质中传输，所述泵浦激光产生的倏逝波与所述气体介质中的待测物质发生光热效应后加热所述气体介质，所述气体介
质通过热传导加热所述微纳光波导，改变所述气体介质和所述微纳光波导的折射率，所述探测激光激发生成所述微纳光波导的基模和第一高阶模。
[0057]
s102、检测所述基模和所述第一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生的相位差，并根据相位差与待测物质的浓度之间的关系换算得到气体介质中待测物质的真实浓度。
[0058]
具体的，在步骤s101中，将泵浦激光和探测激光输入微纳光纤，这一步骤可参考本领域的激光入射光纤的常规方法，本技术不作具体限定。这一步骤的目的在于使得泵浦激光和探测激光分别在微纳光纤中产生倏逝波，产生的倏逝波沿着微纳光纤传输。
[0059]
需要说明的是，泵浦激光和探测激光可以从微纳光纤同一侧进入，也可以从微纳光纤的不同侧进入。也即是，本技术对泵浦激光和探测激光在微纳光纤中的传输方向不做限定，可以同向传输也可以反向传输。
[0060]
在本技术实施例中，泵浦激光和探测激光在微纳光纤中传输方向选用的为同向传输。
[0061]
作为示例而非限定，在本技术实施例中，气体介质为氮气，待测物质是甲烷气体。例如，体积浓度为1ppm的甲烷气体，其中，待测物质为体积占比为1
×
10-6
的甲烷气体，剩余体积占比为(0.999999＝1－1
×
10-6
)的气体介质为氮气。
[0062]
可选的，所述泵浦激光的中心波长对准或扫描通过所述待测物质的吸收峰，所述探测激光的中心波长远离所述待测物质的任一吸收峰。泵浦激光的中心波长可以调谐至待测物质的吸收峰，使得待测物质可以充分吸收泵浦激光。探测激光的中心波长可以调谐至远离待测物质的吸收线，使得待测物质无法吸收探测激光。
[0063]
进一步的，在本技术实施例中，泵浦激光的中心波长在甲烷r3吸收峰(即，1653.7纳米)附近，探测激光的中心波长为1550纳米附近。
[0064]
可选的，微纳光纤支持多模传输。
[0065]
例如，请参阅图2，图2是本技术提供的一种微纳光纤的截面图。图2中微纳光纤的直径约为2.1微米。该微纳光纤由单模石英光纤通过电弧放电和氢氧焰加热两步拉伸法制备而成，支持包括基模he
11
、高阶模he
12
在内的多种传输模式。
[0066]
在一种可能的实现方式中，微纳光波导放置于气体收集室中，微纳光波导与气体收集室的内壁存在一定距离。
[0067]
进一步的，本发明实施例中的气体收集室为12cm
×
1.4cm
×
1.5cm的塑料气室，在测量过程中气压始终保持为一个大气压。
[0068]
请参阅图3，图3是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测系统的示意图。微纳光波导光热光谱气体检测系统包括：
[0069]
用于生成泵浦激光的泵浦激光组件，用于生成探测激光的探测激光组件，用于合束所述泵浦激光和所述探测激光的波分复用器，微纳光波导，用于收集待测物质和放置所述微纳光波导的气体收集室，用于滤除所述泵浦激光的光滤波器，以及分析组件；
[0070]
其中，所述泵浦激光组件和所述探测激光组件的输出端分别与所述波分复用器的输入端相连，所述微纳光波导的输入端和输出端分别与所述波分复用器输出端和所述光滤波器的输入端相连，所述光滤波器的输出端与所述分析组件的输入端相连；
[0071]
所述气体收集室内存在气体介质，所述泵浦激光和所述探测激光的部分能量将以
倏逝波的形式在所述微纳光波导外的所述气体介质中传输，所述泵浦激光产生的倏逝波与所述气体介质中的待测物质发生光热效应后加热所述气体介质，所述气体介质通过热传导加热所述微纳光波导，改变所述气体介质和所述微纳光波导的折射率，所述探测激光激发生成所述微纳光波导的基模和第一高阶模；
[0072]
所述分析组件用于检测所述基模和所述第一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生的相位差，并根据相位差与待测物质的浓度之间的关系换算得到所述气体介质中待测物质的真实浓度。
[0073]
所述泵浦激光组件包括第一激光驱动器，泵浦光源，激光放大器；
[0074]
所述探测激光组件包括探测光源，第二激光驱动器，偏振控制器；
[0075]
所述分析组件包括光耦合器，第一光探测器和第二光探测器，锁相放大器，以及分析终端；
[0076]
其中，所述第一激光驱动器的输入端为所述泵浦激光组件的输入端，所述泵浦光源的输入端和输出端分别与所述第一激光驱动器的输出端和所述激光放大器的输入端相连，所述激光放大器的输出端为所述泵浦激光组件的输出端；
[0077]
其中，所述第二激光驱动器的输入端为所述探测激光组件的输入端，所述探测光源的输入端和输出端分别与所述第二激光驱动器的输出端和所述偏振控制器的输入端相连，所述偏振控制器的输出端为所述探测激光组件的输出端；
[0078]
其中，所述光耦合器的输入端为所述分析组件的输入端，所述光耦合器的输出端分别与所述第一光探测器的输入端和所述第二光探测器的输入端相连，所述第一光探测器的输出端与所述锁相放大器的输入端相连，所述第二光探测器的输出端与所述分析终端的输入端相连，所述锁相放大器的输出端分别与所述分析终端的输入端和所述泵浦激光组件的输入端相连，所述分析终端的输出端与所述探测激光组件的输入端相连。
[0079]
图3中，泵浦激光和探测激光可以从微纳光纤的输入端进入。图3中有第一激光驱动器，泵浦光源，激光放大器，波分复用器，微纳光纤，气体收集室，探测光源，第二激光驱动器，偏振控制器，光滤波器，第一光探测器，第二光探测器，锁相放大器和分析终端。
[0080]
在一种可能的实现方式中，当泵浦激光进入微纳光纤后，待测物质将吸收泵浦激光，进而产生光热效应，首先加热微纳光纤外的气体介质，改变气体介质的折射率，随后通过热传导加热微纳光纤，使得微纳光纤的折射率被改变。
[0081]
具体的，首先，在气体收集室中充入体积浓度为1％的甲烷气体。泵浦光源可以选用1654纳米的分布式反馈激光器。锁相放大器可以向第一激光驱动器输入一个6千赫兹的正弦调制信号，同时第一激光驱动器以0.01赫兹的锯齿波扫描频率共同驱动泵浦光源，输出调制后的泵浦激光，调制后的泵浦激光可以经过激光放大器，和波分复用器进入微纳光纤，使得泵浦激光与甲烷气体相互作用产生光热效应和伴随的热传导，致使气体介质和微纳光纤的折射率被周期性改变。其中，激光放大器用于提高泵浦激光的能量。
[0082]
在一种可能的实现方式中，所述微纳光波导的截面尺寸不大于所述泵浦激光和所述探测激光两者中最大光波长的10倍。
[0083]
在一种可能的实现方式中，探测激光进入微纳光波导时，只激励出微纳光波导的基模和第一高阶模。
[0084]
可选的，波分复用器的输出端和微纳光纤的输入端之间可以为非绝热过渡，也可
以为绝热过渡。
[0085]
波分复用器的输出端和微纳光纤的输入端之间采用非绝热过渡时，所述探测激光从所述波分复用器的输出端输入至所述微纳光波导的输入端时，使得所述探测激光激发生成所述微纳光波导的所述基模和所述第一高阶模，所述基模和所述第一高阶模同时在微纳光波导中传输。
[0086]
波分复用器的输出端和微纳光纤的输入端之间采用绝热过渡时，所述探测激光从所述波分复用器的输出端输入至所述微纳光波导输入端时，使得所述探测激光只激发所述微纳光波导的所述基模；其中，在所述微纳光波导输入端写入长周期光栅，所述长周期光栅使得所述基模的部分能量耦合至所述第一高阶模，致使所述基模和所述第一高阶模同时在所述微纳光波导中传输。
[0087]
在本技术实施例中，波分复用器的输出端和微纳光纤的输入端之间过渡选用的为非绝热过渡，请参阅图3。探测激光从波分复用器的输出端输入至微纳光纤输入端时，使得探测激光同时激发微纳光纤的基模和第一高阶模。
[0088]
具体的，第一高阶模为与基模不同的高阶传输模式。例如，基模为he
11
模式，第一高阶模可以是he
lm
(l，m为自然数，其中l≠1，m≠1)、eh
pq
、te
0q
或tm
0q
(p，q为自然数)中的任意一个。
[0089]
作为示例而非限定，本技术实施例中，第一高阶模选用的为he
12
。
[0090]
在本技术实施例中，第二激光驱动器驱动探测光源输出中心波长为1550纳米的探测激光，探测激光经过偏振控制器、波分复用器进入微纳光纤。探测激光在进入微纳光纤时，激发生成微纳光纤的he
11
和he
12
模式。
[0091]
由于气体介质和微纳光纤的折射率已经改变。探测激光沿着微纳光纤传输时，将改变探测激光激励出的he
11
和he
12
模式的相位，he
11
和he
12
模式在微纳光纤中传输后产生的相位差也随之改变。
[0092]
可选的，he
11
和he
12
模式在微纳光纤中传输后产生的相位差与待测物质的浓度之间的关系可表示为：
[0093]
δφ＝(m
·
α0·
l
·
p)
·cꢀꢀ
(2)
[0094]
其中，δφ为he
11
和he
12
模式在微纳光纤中传输后产生的相位差；m为光热系数，对于固定尺寸的微纳光纤和固定的泵浦激光入射方式，其值为定值；α0为甲烷的吸收系数，对于固定吸收峰，其值为定值；l为微纳光波导的长度，p为泵浦激光的功率，c为待测物质的浓度。
[0095]
例如，请参阅图3，第二光探测器在接收到微纳光纤输出的部分探测激光后，将转换后的电信号传输至分析终端，分析终端在接收到电信号后，处理得到反馈调节信号，反馈调节信号传输至第二激光驱动器，第二激光驱动器驱动探测光源将探测激光的中心波长调谐至微纳光纤干涉仪的90
°
工作点相位(正交工作点)对应的工作波长。调节偏振控制器使得微纳光纤干涉仪产生的干涉条纹的对比度保持为最高，目的是使得相位探测灵敏度保持最优。请参阅图4，图4为微纳光纤干涉仪的自动稳定过程图，微纳光纤干涉仪在自由运行时逐渐偏移工作点，加入反馈调节后微纳光纤干涉仪迅速进入稳定状态，即锁定在正交工作点。微纳光纤干涉仪调节至正交工作点可以获得最大相位探测灵敏度。
[0096]
例如，请参阅图3，第一光探测器在接收到微纳光纤输出的部分探测激光后，将转
换后的电信号传输至锁相放大器。锁相放大器在接收到电信号后，可以从电信号中解调出谐波信号，该谐波信号为携带he
11
和he
12
模式在微纳光纤中传输后产生的相位差信息的中间信号。分析终端在接收到谐波信号后，处理得到谐波信号的峰峰值，也即是光热信号，该光热信号与待测物质的浓度成正比。最后，通过光热信号与待测物质的浓度关系，求得待测物质的真实浓度。
[0097]
下面对本技术的测量原理进行示例性的说明。
[0098]
微纳光纤中光学模式的传播特性可由本征方程描述。对于he
lm
模式，本征方程可写做
[0099][0100]
其中，k0＝2π/λ，λ为真空中的光波长，n
silica
和n
gas
分别为石英和气体介质的折射率，j
l
为l阶第一类贝塞尔函数，k
l
为l阶第二类修正贝塞尔函数，d为微纳光纤的直径，β表示he
lm
模式在微纳光纤中的传播常数，(
·
)'表示求导，u、w、v为无量纲的模式参数。
[0101]
模式i的有效折射率n
effi
可以表示为传播常数βi的形式：
[0102][0103]
其中，n表示微纳光纤或气体介质的折射率。
[0104]
考虑待测物质吸收泵浦光产生光热效应及其带来的影响，材料的瞬时折射率n可以表示为：
[0105]
n(r，θ，z，t)＝n0 dn/dt
·
t(r，θ，z，t)
ꢀꢀ
(5)
[0106]
式中，dn/dt和n0为气体介质(r＞d/2)或石英(r≤d/2)的热光系数和初始折射率，(r，θ，z)为柱坐标，t为时间。光热效应引起的温度变化t的幅值与泵浦光强p、待测物质的吸收系数α0及其浓度c成正比，可表示为
[0107]
t(r，θ，z，t)
∝
α0cp
ꢀꢀ
(6)
[0108]
那么光热效应引起的探测光he
1m
模式的有效折射率调制为
[0109]
δn
1m
(z)＝n
eff，1m
[n
max
(r，θ，z)，λs]-n
eff，1m
[n
min
(r，θ，z)，λs]
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0110]
式中，λs为探测激光的波长，n
max
(r，θ，z)和n
min
(r，θ，z)分别为系统进入“稳态”后纵向位置z处气体介质的折射率n(r，θ，z，t)取得最大和最小时的横向分布。
[0111]
探测光传输通过长度为l的微纳光纤后，he
1m
模式累计的相位调制可以表示为
[0112][0113]
对于固定直径d的微纳光纤和固定的he
1m
模式功率占比，也可以表示为一般的形式
[0114]
δφ
1m
＝α0clp
·m1m
(f)
ꢀꢀ
(9)
[0115]
式中，m
1m
为探测光he
1m
模式的相位调制系数，f为泵浦激光的频率。
[0116]
探测光he
11
和he
12
模式在微纳光纤中传输后产生的相位差可表示为
[0117]
δφ＝|δφ
11-δφ
12
|＝a0clp
·
m(f)
ꢀꢀ
(10)
[0118]
式中，光热系数m(＝|m
11-m
12
|)为he
11
和he
12
模式相位调制系数之差。相位差δφ与c成正比例，理论分析结果表明微纳光波导的热量积累效应和大的光纤材料热光系数dn/dt能够有效增强模式相位差调制，使得微纳光纤中的光热系数m在低频段比微结构空芯光纤中的大，也就是说微纳光纤对待测物质的浓度c更加敏感。
[0119]
下面通过一些实验数据，进一步证明本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法的有益效果。
[0120]
请参阅图5，图5是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的体积浓度为1％的甲烷气体的二次谐波谱图。图5中，每条曲线对应的泵浦激光功率不同，当泵浦激光经过波长调制后，获取的二次谐波信号表现为，当泵浦激光的功率越大，二次谐波信号的峰峰值越大，即光热信号越大。
[0121]
请参阅图6，图6是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的体积浓度为1％的甲烷气体的光热信号和系统噪声与泵浦功率的关系曲线图。当泵浦激光的波长被调谐至1654.00纳米时(即远离甲烷气体吸收线)，获取的谐波信号的均方差为系统噪声。经实验证明，当泵浦激光的功率约为210毫瓦，探测激光的功率为57微瓦，锁相放大器的积分时间为1秒时，通过计算信号噪声比值，也即是信噪比，可以得到信噪比为1时对应的最小可探测灵敏度约为1.6ppm。
[0122]
请参阅图7，图7是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的基于2小时噪声数据得到的甲烷气体检测的阿伦方差曲线图。从图7中可以看出，随着积分时间的增加，可探测浓度极限不断下降。当积分时间增加至240秒时，本技术的甲烷气体最小可探测灵敏度可以提高到0.44ppm。体现了检测系统的高灵敏度探测的效果。
[0123]
请参阅图8，图8是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的在4小时内测量的体积浓度为1％的甲烷气体的二次谐波信号变化曲线图。前0.15小时做放大处理，可以清晰地观察到甲烷气体吸收泵浦激光所产生的二次谐波信号，计算得到4小时光热信号的波动幅度约为1.6％。体现了检测系统稳定的效果。
[0124]
请参阅图9，图9是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的归一化光热信号随充气时间的变化曲线图。图中，曲线从22秒时开始上升，直到约29秒时气体覆裹量达到整个微纳光纤的90％，随后曲线区域逐步趋于稳定，并于65秒左右开始下降，直到约72秒时气体覆裹量达到整个微纳光纤的10％。测试过程为：先向气体收集室中充入纯氮气，在22秒时以每分钟500立方厘米的速度充入体积浓度为1％的甲烷气体，在65秒时以每分钟500立方厘米的速度充入纯氮气，计算得到甲烷气体的测量响应时间约为7秒。体现了检测系统响应时间短的效果。
[0125]
请参阅图10，图10是本技术提供的一种微纳光波导光热光谱气体检测方法测量的常温常压下甲烷气体传感器动态范围测量结果的曲线图。图10中可以看出甲烷气体的体积浓度从4ppm到1％的变化过程中，光热信号与甲烷气体的浓度成正比关系，当浓度大于1％时，出现非线性关系。当积分时间为240秒时，甲烷气体的最小可探测灵敏度约为440ppb，此时系统的动态范围高达近6个数量级(约为9.1
×
105)。体现了超高动态范围的效果。
[0126]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0127]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0128]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0129]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0130]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。