【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及环境保护中空气质量检测，具体地，涉及基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感方法及系统。
技术介绍
1、随着工业化和城市化的快速发展，环境污染问题日益严重，尤其是有害气体的排放对人类健康和生态环境构成了巨大威胁。为了应对这一挑战，建设环境监测站点进行有害气体检测成为了一个重要的解决方案。传统的气体检测技术虽然能够提供一定的信息，但面对空气中微弱的有害气体，它们的灵敏度和准确性往往不足。
2、微环谐振腔的高品质因子意味着它可以提供极高的光谱分辨率，从而使得传感器能够以极高的灵敏度检测痕量气体分子。此外，小体积的微环谐振腔可在缩小传感器尺寸的同时与多种物质相互作用，从而实现对特定气体的高度选择性检测。
3、然而，尽管微环谐振腔在检测痕量气体方面具有显著的优势，它在实际应用中仍面临一些挑战。首先，处于严格耦合状态下的微环谐振腔所获取到的信息量虽然有所增加，但由于气体的吸收作用，微环谐振腔的耦合模式会发生改变，这意味着微环谐振腔并不能始终维持在最佳工作点。其次，传统的强度探测在实验中只能收集到有限的数据，这限制了对气体吸收率的精确测量和数据分析的深度。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感方法及系统。
2、根据本专利技术提供的一种基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感系统，包括：激光器1、分束器2、第一耦合模块3、第二耦合模块4、光开关5以及相干探测模块6；
3、所述激
4、其中，所述第一信号光束和第二信号光束分别通过所述第一耦合模块3和第二耦合模块4后，再通过所述光开关5的通道选择后与所述参考光束通过所述相干探测模块6进行干涉测量。
5、优选地，所述激光器1为输出波长可调谐激光器。
6、优选地，所述第一耦合模块3包括第一传感微环和第一马赫-曾德尔干涉仪mzi；所述第一传感微环和所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi耦合；
7、所述第一信号光束通过直波导传输至所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi，再通过所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi进入所述第一传感微环，在所述第一传感微环中完成传感过程，完成传感过程后的第一信号光束传输至所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi，再经过所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi传输至所述光开关5；
8、所述第二耦合模块4包括第二传感微环和第二马赫-曾德尔干涉仪mzi；所述第二传感微环和所述第二马赫-曾德尔干涉仪mzi耦合；
9、所述第二信号光束通过直波导传输至所述第二马赫-曾德尔干涉仪mzi，再通过所述第二马赫-曾德尔干涉仪mzi进入所述第二传感微环，在所述第二传感微环中完成传感过程，完成传感过程后的第二信号光束传输至所述第二马赫-曾德尔干涉仪mzi，再经过所述第二马赫-曾德尔干涉仪mzi传输至所述光开关5。
10、优选地，所述第一信号光束通过直波导传输至所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi，其中一部分光束由消逝场通过第一3db耦合器7进入所述第一传感微环中与气体发生相互作用，另一部分光束继续向前传输，两部分光束在第二3db耦合器8发生干涉，干涉后的光束传输至所述光开关5；
11、所述第二信号光束通过直波导传输至所述第二马赫-曾德尔干涉仪mzi，其中一部分光束由消逝场通过第三3db耦合器9进入所述第二传感微环中与气体发生相互作用，另一部分光束继续向前传输，两部分光束会在第四3db耦合器10发生干涉，干涉后的光束传输至所述光开关5。
12、优选地，所述第一传感微环/第二传感微环的半径由待测气体对应吸收峰的波段位置决定，包括：
13、
14、其中，r为微环半径，λ为待测气体吸收峰峰值波长，m为正整数，微环谐振波长需要恰好等于待测气体吸收峰峰值波长，neff表示微环内部有效折射率。
15、根据本专利技术提供的一种基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感方法，基于上述所述的基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感系统执行如下步骤：
16、步骤s1：在所述第一传感微环和所述第二传感微环表面分别涂覆目标聚合物用于检测第一目标气体和第二目标气体；
17、步骤s2：调整第一传感微环和第二传感微环的耦合系数，以使第一传感微环和第二传感微环处于严格耦合状态；
18、步骤s3：激光器1产生光源经过分束器后分成完全相同的三路光，分别标记为第一信号光束、第二信号光束和参考光束；
19、步骤s4：所述第一信号光束/第二信号光束通过直波导进入与第一马赫-曾德尔干涉仪mzi/第二马赫-曾德尔干涉仪mzi耦合的第一传感微环谐振腔中/第二传感微环谐振腔中，与目标气体相互作用，相互作用后的光束通过直波导离开第一传感微环谐振腔/第二传感微环谐振腔，经过光开关5选择后与参考光束在相干探测模块6中的混频器发生干涉，最后被探测器接收，获得探测器光电流；
20、步骤s5：在探测器输出的光电流为0的条件下，调整光源输出波段以及相应马赫-曾德尔干涉仪mzi双臂上相位调制器参数φ1、φ2，以使相应传感微环再次回到严格耦合模式；
21、步骤s6：当探测器输出的光电流数据为0时，计算气体吸收系数αa；
22、步骤s7：调整耦合系数等于当前损耗量，以使传感微环再次回到严格耦合模式，综合吸收系数与相移量估计气体浓度。
23、优选地，所述步骤s2包括：
24、r＝ieiδφcmcos(δφd)
25、其中，r为微环-mzi与波导的等效耦合系数，φ1、φ2分别为mzi臂上相位调制器相移量。
26、优选地，所述探测器光电流包括：
27、
28、其中，i2表示通过带通滤波后的探测器光电流；s表示光电探测器增益由于探测过程为零差探测过程；as表示信号光振幅，ar表示参考光振幅，ωs表示信号光频率，ωr表示参考光频率，表示信号光相位，表示参考光相位。
29、优选地，所述步骤s5包括：
30、
31、其中，δλ表示微环谐振波长改变量；δneff表示微环有效折射率变化量；m表示正整数；r表示微环半径；δφ表示因气体吸收导致的相位偏移；l表示微环的周长；γφ表示比例因子。
32、优选地，所述步骤s6包括：
33、r＝a
34、
35、αt＝αi+γααa
36、其中，αr为总吸收因子，αi表征的是系统本征损耗，αa为气体吸收系数，γα为比例因子；
37、所述气体浓度包括：
38、根据吸收系数估计气体浓度，包括：
39、
40、其中，c为气体浓度，k为摩尔吸光系数，l为微环的周长αi表征的是系统本征损耗，γα为比例因子，φ1、φ2分别为mzi臂上相位调制器相移量。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，包括：激光器(1)、分束器(2)、第一耦合模块(3)、第二耦合模块(4)、光开关(5)以及相干探测模块(6)；
2.根据权利要求1所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，所述激光器(1)为输出波长可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，所述第一耦合模块(3)包括第一传感微环和第一马赫-曾德尔干涉仪MZI；所述第一传感微环和所述第一马赫-曾德尔干涉仪MZI耦合；
4.根据权利要求3所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，所述第一信号光束通过直波导传输至所述第一马赫-曾德尔干涉仪MZI，其中一部分光束由消逝场通过第一3dB耦合器(7)进入所述第一传感微环中与气体发生相互作用，另一部分光束继续向前传输，两部分光束在第二3dB耦合器(8)发生干涉，干涉后的光束传输至所述光开关(5)；
5.根据权利要求1所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，所述第一传感微环/第二传感
6.一种基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项权利要求所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感系统执行如下步骤：
7.根据权利要求6所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
8.根据权利要求6所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感方法，其特征在于，所述探测器光电流包括：
9.根据权利要求6所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
10.根据权利要求6所述的基于MZI-微环谐振腔增强的气体传感方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，包括：激光器(1)、分束器(2)、第一耦合模块(3)、第二耦合模块(4)、光开关(5)以及相干探测模块(6)；
2.根据权利要求1所述的基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，所述激光器(1)为输出波长可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，所述第一耦合模块(3)包括第一传感微环和第一马赫-曾德尔干涉仪mzi；所述第一传感微环和所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi耦合；
4.根据权利要求3所述的基于mzi-微环谐振腔增强的气体传感系统，其特征在于，所述第一信号光束通过直波导传输至所述第一马赫-曾德尔干涉仪mzi，其中一部分光束由消逝场通过第一3db耦合器(7)进入所述第一传感微环中与气体发生相互作用，另一部分光束继续向前传输，两部分光束在第二3db耦合器(8)发...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄靖正，王浩然，李洪婧，曾贵华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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