【摘 要】
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可遥测ppm以下浓度的痕量气体传感技术在化工生产、生物医疗和大气环境监测等领域有重要应用。基于光热效应的光纤干涉型（fiber photothermal interferometry,FPTI）气体传感技
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可遥测ppm以下浓度的痕量气体传感技术在化工生产、生物医疗和大气环境监测等领域有重要应用。基于光热效应的光纤干涉型（fiber photothermal interferometry,FPTI）气体传感技术利用空心光子晶体带隙光纤（hollow-core photonic bandgap fiber,HC-PBF）制作的干涉仪作为传感气室,可实现高灵敏度、长距离的全光气体遥测。FPTI结合波长调制吸收光谱和光热光谱两种技术特点,通过谐波幅值反演气体浓度。波长调制吸收光谱由于无法避免激光调制带来的剩余强度调制噪声和气室干涉条纹噪声,其二阶谐波的探测灵敏度最高。已报道的FPTI类似于波长调制吸收光谱,均利用幅值较小的二阶谐波作为探测信号。但FPTI属于间接测量方法,其谐波信号中不包含剩余强度调制噪声和气室干涉条纹噪声,故本文提出利用幅值最大的一阶谐波作为探测信号可进一步提高探测灵敏度。基于此,本文对FPTI气体传感机制进行详细的理论分析,并搭建基于法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot interferometer,FPI）的FPTI系统,从理论和实验两个维度研究基于一阶谐波的FPTI痕量气体传感,主要内容如下:（1）根据分子的特征吸收、无辐射弛豫以及HC-PBF气室的热源模型,介绍基于HC-PBF的FPI中光热相位调制机制。基于洛伦兹吸收线型的谐波检测模型,理论分析FPTI系统中一阶谐波信号的优势。（2）通过熔接参数的优化实现HC-PBF与单模光纤低塌陷的自动熔接,制作了长1.77cm,对比度为5dB的光纤FPI腔。利用飞秒激光微加工工艺沿光纤轴向加工最小半径为4μm的6个微孔,克努森数为0.0049,使得气体能够通过微孔以自由扩散的形式进入纤芯。（3）搭建基于FPI的FPTI气体遥测系统,并在常温常压下利用乙炔气体进行测试。实验研究FPTI系统中不同阶次谐波的信号和噪声特征,并进行了信噪比分析和Allan方差分析,验证了一阶谐波在FPTI系统中具有最佳探测灵敏度和探测极限,本文条件下分别为321ppb(等效噪声吸收为3.71?10-7cm-1)和78ppb(等效噪声吸收为9?10-8cm-1)。
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