【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学传感，特别是指一种基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统。
技术介绍
1、近年来，随着科技和经济的迅猛发展，人民生活水平显著提升，但随之而来的是资源消耗速度加快，环境污染问题日益严峻。工业生产过程中产生的有毒有害气体急剧增加，不仅导致气体中毒事故频发，还严重污染大气环境。特别是火电厂、钢铁厂、化肥厂等排放的二氧化硫、一氧化碳等废气，是大气污染和酸雨形成的主要原因，对生态平衡造成破坏，导致土地酸化和营养成分流失，严重破坏森林。同时，电力系统中变压器内部故障产生的易燃易爆气体，也威胁着设备的性能和寿命。因此，开发实时有害气体监测系统，研制新型气体传感器，及时检测环境空气中有害气体的含量，对于保护国家财产、减少矿井人员伤亡、优化工业系统设计以及大气环境监测具有重要意义。
2、气体传感器作为采集气体信息并将其转化为易识别信号的装置，在环境监测和工业安全中发挥着关键作用。然而，传统气体传感器存在抗干扰能力差、灵敏度低和精度不够高等问题。光纤气体传感器通过测量与被测气体有关的光学特性来推算气体种类和浓度，具有独特的优势。其中，基于光谱吸收式空洞式光子晶体光纤(hc-pbf)的气体传感器因其高灵敏度而备受关注。然而，hc-pbf在应用中也存在一些缺陷，如与单模光纤熔接损耗大、气室长度长导致成本高和结构不紧凑、侧面开孔带来的传输损耗和物理损伤等。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统及方法，在ar
2、为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
3、一种基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，包括：
4、光源模块，包括泵浦光源和探测光源，泵浦光源，用于激发被测气体的光热效应，探测光源用于产生远离气体吸收峰的单波长激光；
5、传输模块，包括气体传感器，用于传输泵浦光和探测光，并通过光热干涉型(pti)传感技术将光热效应导致的折射率变化反映到探测光的相位变化上；
6、气室模块，用于以反谐振空芯光纤为光与气体相互作用的场所，将纤芯作为气室；
7、信号探测模块，包括光电探测器，用于将探测光转换为电信号；
8、解调模块，包括锁相放大器，用于放大和检测携带气体浓度信息的电信号。
9、进一步的，泵浦光源用于激发被测气体的光热效应，探测光源用于产生远离气体吸收峰的单波长激光，包括：
10、泵浦光源是由波形发生器产生的锯齿信号和正弦信号调制的dfb激光器，并通过外部触发调谐分布式反馈dfb激光器输出特定波长的泵浦光，以激发被测气体的光热效应；
11、探测光源是输出的单波长探测光，以产生远离气体吸收峰的单波长激光。
12、进一步的，所述气体传感器的核心器件是基于arhcf的模式干涉仪，所述模式干涉仪包括单模光纤smf、渐变折射率多模光纤gif和反谐振空芯光纤arhcf。
13、进一步的，气体传感器，用于传输泵浦光和探测光，包括：
14、光源输出的泵浦光和探测光经过smf和gif，进入arhcf，以激发出高阶模式；
15、根据高阶模式和基模，模式干涉仪通过发生在基模与高阶模式的干涉，以得到折射率与的相位变化关系，其中，nfm和nhm分别是基模和高阶模式的有效折射率，next是反谐振空芯光纤模式干涉仪arhc-pbf纤芯中的介质折射率，λ是光波的波长，l是arhcf的长度，(2k+1)π表示相位差的项，k是整数。
16、进一步的，模式干涉仪的制备过程为：
17、将smf与gif熔接；
18、利用精密切割系统在距离熔接点245m处切断gif，并制备两个smf-gif样品；
19、将切好后的样品与arhcf熔接；
20、利用精密切割系统在距离熔接点4.3cm处切断arhcf；
21、将切好后的样品与第二步制备的smf-gif样品熔接；
22、在arhcf光纤侧面开孔，具体包括：干涉仪两端连接光谱仪和光源；将arhcf光纤置于20倍物镜下，调整聚焦位置，聚焦位置位于arhcf光纤纤芯两孔中间；设置飞秒激光能量和激光照射时间；照射过程中观察光谱图，如果损耗增加，则证明开孔的位置伤到纤芯空气小孔，则样品制备失败。
23、进一步的，通过光热干涉型(pti)传感技术将光热效应导致的折射率变化反映到探测光的相位变化上，包括：
24、确定探测光和泵浦光的光路是同轴共线；
25、调制泵浦光的波长，以激发泵浦光的光热效应；
26、根据光热效应，通过干涉仪转换为气体折射率的变化；
27、根据探测光和泵浦光的光路，通过光热干涉型(pti)传感技术将折射率的变化转化为探测光相位的变化。
28、进一步的，光热干涉型(pti)传感技术,包括：
29、对泵浦光进行波长调制处理，以得到波长调制的泵浦光；
30、根据波长调制的泵浦光，激发被测气体，以产生光热效应；
31、将光热效应通过干涉仪将光热信息加载到探测激光，以得到探测光的相位变化；
32、将探测激光进行谐波解调处理，将相位变化转换为强度变化。
33、进一步的，以反谐振空芯光纤为光与气体相互作用的场所，将纤芯作为气室，包括：
34、以arhcf的空气芯构造气室，并在其侧面进行开孔；
35、将调制的泵浦光束入射到充满目标气体分子气室；
36、目标气体分子通过对泵浦光产生特征吸收，以得到气体分子多种物理量变化；
37、根据物理量变化的分析，以得到气体折射率的变化量；
38、根据折射率的变化量，以获取探测光通过气室时的光程变化；
39、根据光程变化，通过光学干涉仪，以得到探测光的相位变化结果；
40、通过对探测光的相位变化结果进行反演，以得到样品浓度、温度信息。
41、进一步的，将探测光转换为电信号，包括：
42、将泵浦光和探测光共同经过滤波器，得到探测光，并将探测光输入到光电探测器中转换成电信号。
43、进一步的，放大和检测携带气体浓度信息的电信号，包括：
44、将携带气体信息的电信号输入锁相放大器中放大和检测，以得到被测气体的浓度信息。
45、本专利技术的上述方案至少包括以下有益效果：
46、采用光热干涉型(pti)传感技术，能够间接探测气体的微量存在，实现高灵敏度的痕量气体检测，达到几个ppm级别的探测能力；气室长度显著缩短至数十厘米，使得整个传感器结构更加紧凑，ar-hcf具有更大的纤芯直径，提高了气体与光场的相互作用效率，使得系统能够更快速地反映气体浓度的变化，对甲烷、乙炔等易燃易爆气体具有较强的探测能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，泵浦光源是由波形发生器产生的锯齿信号和正弦信号调制的DFB激光器，并通过外部触发调谐分布式反馈DFB激光器输出特定波长的泵浦光，以激发被测气体的光热效应；探测光源是输出的单波长探测光，以产生远离气体吸收峰的单波长激光。
3.根据权利要求2所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，所述气体传感器包括基于ARHCF的模式干涉仪，所述模式干涉仪包括单模光纤SMF、渐变折射率多模光纤GIF和反谐振空芯光纤ARHCF。
4.根据权利要求3所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，气体传感器用于传输泵浦光和探测光，包括：
5.根据权利要求4所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，模式干涉仪的制备过程为：
6.根据权利要求5所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，将光热效应导致的
7.根据权利要求6所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，将折射率的变化转化为探测光相位的变化，包括：
8.根据权利要求7所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，以反谐振空芯光纤为光与气体相互作用的场所，将纤芯作为气室，包括：
9.根据权利要求8所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，将探测光转换为电信号，包括：
10.根据权利要求9所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，对所述电信号进行处理的锁相放大器，以得到气体信息，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，泵浦光源是由波形发生器产生的锯齿信号和正弦信号调制的dfb激光器，并通过外部触发调谐分布式反馈dfb激光器输出特定波长的泵浦光，以激发被测气体的光热效应；探测光源是输出的单波长探测光，以产生远离气体吸收峰的单波长激光。
3.根据权利要求2所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，所述气体传感器包括基于arhcf的模式干涉仪，所述模式干涉仪包括单模光纤smf、渐变折射率多模光纤gif和反谐振空芯光纤arhcf。
4.根据权利要求3所述的基于反谐振空芯光纤模式干涉仪的痕量气体探测系统，其特征在于，气体传感器用于传输泵浦光和探测光，包括：
5.根据权利要求4所述的基于反谐振空芯光...
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