專利名稱：表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣體探測技術，尤其是一種在開放環(huán)境下工作的基于表面微結構硅懸臂梁的對痕量氣體進行遠距離探測的光熱光譜痕量氣體探測方法及裝置，可廣泛用于遠距離爆炸物探測、環(huán)境監(jiān)測以及有毒有害危險氣體檢測等領域。
背景技術：
痕量氣體遠距離探測技術的發(fā)展對于大氣環(huán)境監(jiān)測，爆炸物的遠距離探測及生物生理狀態(tài)檢測等都具有十分重要的意義。吸收光譜氣體檢測技術具有測量范圍大，可多組分測量，可連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點，逐漸成為理想的痕量氣體濃度檢測工具。吸收光譜氣體檢測技術主要包括差分吸收光譜技術、可調諧激光二極管吸收光譜技術、激光誘導熒光技術以及光聲光譜技術等。其中，光聲光譜技術由于具有靈敏度高，抗干擾能力強、動態(tài)范圍大，探測器響應與入射波長無關等特點，一直以來都是痕量氣體檢測技術最重要的發(fā)展方向之一。為了提高光聲光譜技術的探測靈敏度，人們一直致力于改良光聲池的結構和采用更靈敏的麥克風等來改進發(fā)展這項技術。例如2002年,荷蘭Nijmegen大學的光聲光譜小組利用光參量振蕩器搭建的光聲光譜系統(tǒng)將乙烷的檢測靈敏度提高到IOppt水平，2009年中國科學院安徽光機所提出了一種基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體的裝置， 并實時測量大氣壓下的水蒸氣濃度，其探測歸一化等效噪聲為5. 9X 10, Cm1WHzu20芬蘭 V. K0SKINEN等人提出了一種“基于懸臂梁增強的光聲光譜探測裝置”，探測了二氧化碳氣體的濃度，其探測歸一化等效噪聲為IJXlO-iciCnr1WZHz1'盡管該類方法具有很高的探測靈敏度，但是由于光聲池的使用，限制了該方法僅能在痕量氣體存在區(qū)域內進行探測，而不能進行遠距離探測。從而在對有毒、易燃易爆等危險氣體探測的應用中受到了極大地限制。為了克服上述不足，實現(xiàn)采用光聲光譜方法對痕量氣體實現(xiàn)遠距離探測，美國能源部所屬橡樹嶺國家實驗室在2008年提出了一種用于遠距離探測爆炸物的光聲光譜探測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，量子激光器發(fā)出的激光照射到20m處的被探測物后經(jīng)由反射板反射到凹面鏡后聚焦在石英音叉上，從而引起音叉振動。由于音叉的壓電效應，振動的石英音叉將產生壓電電流信號，此信號經(jīng)鎖相放大器在諧振頻率處進行解調，從而得到氣體樣品的吸收譜。但是這種探測方法采用石英音叉作為光能吸收器件，其吸光率較低，從而限制了探測靈敏度的進一步提高。另外，如果要提高音叉的探測靈敏度，需要較大的激光能量，從而極大地增加了對易燃易爆氣體探測的風險。之后，該實驗室又提出一種基于懸臂梁的爆炸物探測系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)在I米范圍內的三種典型爆炸物的探測，相比石英增強型光聲光譜探測系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)具有更高的探測精度。但是，由于該氮化硅懸臂梁對入射光的吸收效率非常低，極大降低了其對微弱光信號探測的能力，從而無法進行遠距離光譜探測；而且該懸臂梁柔度較低，熱偏轉效率低下，因此需要采用昂貴的高精度位置靈敏探測系統(tǒng)來拾取懸臂梁的振動幅值，造成系統(tǒng)結構復雜，價格昂貴。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足之處，提出一種在開放環(huán)境下用于痕量氣體探測的基于表面微結構硅懸臂梁的光熱光譜探測方法及裝置，是一種廉價、體積小、結構簡單、使用方便、探測靈敏度高、具備野外環(huán)境工作能力，能用于多種或多組分痕量氣體的遠距離探測方法及裝置。為解決本發(fā)明的技術問題，所采用的技術方案為
一種表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法，所述方法是讓從可調諧激光器發(fā)出的脈沖激光通過被檢測氣體，被吸收后入射到反射物體上，經(jīng)過反射物體后反射到凹面鏡上，用凹面鏡把接收到的光能量聚焦到表面微結構硅懸臂梁上，由表面微結構硅懸臂梁吸收光能量后發(fā)生諧振，同時通過基于光纖端面和懸臂梁的金屬表面組成的可調諧的光纖法珀解調系統(tǒng)拾取該表面微結構硅懸臂梁的振動信號，當懸臂梁發(fā)生諧振時， 法珀腔的腔長發(fā)生變化，從而導致反射干涉光強度發(fā)生周期性變化，通過對該光信號的強度解調得到懸臂梁的諧振信號，最后采用信號處理系統(tǒng)反演出被探測氣體的濃度。實現(xiàn)上述方法的基于表面微結構硅懸臂梁的光熱光譜痕量氣體探測裝置，其包括可調諧激光器、反射物體、表面微結構硅懸臂梁、凹面鏡、光纖、光纖耦合器、連續(xù)激光器、單點光電探測器、信號處理系統(tǒng)、光纖、光纖和激光控制器。所述表面微結構硅懸臂梁為雙層結構，上層(即吸光層)為表面微結構硅。其是用飛秒激光脈沖加六氟化硫腐蝕氣體的方法在該表面刻蝕出多個微錐體結構，采用壓強在 60Kpa到SOKpa之間六氟化硫濃度腐蝕的方法增加摻入表面微結構硅的硫元素濃度，從而改變了表面微結構硅的能帶結構，進而提高了懸臂梁在紫外到紅外波段的吸光效率，且在該波段范圍內吸光率比較平坦，實現(xiàn)了對紫外到紅外全波段的無選擇性吸收，對激光器波長具有無選擇性吸收特性，能夠滿足寬光譜探測的要求，可以探測多種痕量氣體或多組痕量分氣體的濃度。這種結構可以極大地提高對被探測激光的吸收效率，使結構的光熱轉換系數(shù)大大增加，在相等的激勵光能量下，懸臂梁振動幅值顯著增大，從而極大地提高系統(tǒng)的探測靈敏度。上層表面微結構硅厚度為2. 5-28微米，微錐體表面結構為微米及納米尺寸，呈“金字塔”型，錐體高度與底面直徑的比值在2到4之間。懸臂梁的厚度為3-30微米，該懸臂梁的下層(即反光層)為金屬材料，一般為金、銀或鋁。當激光照射到懸臂梁硅表面時發(fā)生彈性熱膨脹，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，表面微結構硅懸臂梁發(fā)生周期性光熱偏轉，基于光熱偏轉原理，采用具有高品質因數(shù)(高Q值)的懸臂梁來拾取氣體吸收光強信號，是一種具有高信噪比的信號拾取方法，對環(huán)境噪聲具有很強的免疫能力。本裝置的結構關系為可調諧激光器與反射物體和凹面鏡設置在同一光路上，表面微結構娃懸臂梁放置在凹面鏡的焦點處，表面微結構娃懸臂梁的表面微結構娃面向凹面鏡，金屬表面與光纖的端面形成法珀腔，連續(xù)激光器與光纖耦合器通過光纖相連接，光纖耦合器與光纖相連接，光電探測器與光纖耦合器之間由光纖相連接，光電探測器接收光信號并將之轉換成電信號，光電探測器的輸出端與信號處理系統(tǒng)的輸入端電連接，信號處理系統(tǒng)對電信號進行濾波、去噪、數(shù)據(jù)處理，激光控制器的輸出端與可調諧激光器輸入端電連接，對激光器進行波長掃描和頻率調制。所述光纖一般采用單模石英光纖或保偏光纖，其端面與所述表面微結構硅懸臂梁的金屬表面間形成一個法珀腔，其長度一般為連續(xù)激光器發(fā)出波長的廣10倍。所述可調諧激光器一般采用分布反饋式激光器、量子級聯(lián)激光器或垂直腔面發(fā)射激光器等，其中心波長與被檢測氣體吸收峰一致，并可以在吸收峰值附近調整，例如，在探測二氧化碳氣體時，可以采用中心波長為1580nm，調節(jié)范圍為±lnm的可調諧激光器。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的優(yōu)點如下
第一，懸臂梁采用復合型的表面微結構硅制成，這種結構從紫外到紅外包括可見光部分的超寬光譜區(qū)域都具有很高的吸收率，因此能夠使用一個器件實現(xiàn)寬光譜探測的要求; 在不改變系統(tǒng)結構的情況下，選擇不同波長的激光器作為激勵光源，不需要更換懸臂梁探測器件就能完成多種或多組分痕量氣體的濃度探測。第二，本發(fā)明使用表面微結構硅懸臂梁結構作為諧振器件，其是一個對振動信號具有窄帶濾波功能的探測器，對周圍環(huán)境光噪聲具有免疫能力，這將使系統(tǒng)在開敞空間使用環(huán)境下抗干擾能力大大提高，同時具有體積小、成本低和便攜等特點。第三，本裝置可以在開放環(huán)境下工作，不需要采用光聲池來減小外界噪音對系統(tǒng)探測信噪比的影響，因此非常適合在遠距離對痕量氣體的檢測，特別是在對有毒、易燃和易爆痕量氣體的檢測方面相對傳統(tǒng)的光聲光譜探測系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢。第四，采用光纖法珀解調方式代替了傳統(tǒng)的電解調方式，靈敏度高，檢測精度高， 穩(wěn)定性好，可以有效地消除外界電磁干擾，具有防火防爆的功能。


圖I 一種表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置示意圖2懸臂梁結構示意圖3可調諧法珀解調系統(tǒng)光學拾取示意圖4表面微結構娃意圖5表面微結構硅懸臂梁的吸收效率曲線示意圖。
具體實施例方式在開放環(huán)境下工作的基于表面微結構硅懸臂梁的光熱光譜痕量氣體探測裝置如圖I所示，可調諧激光器I與反射物體2和凹面鏡4在同一光路上，表面微結構硅懸臂梁3 放置在凹面鏡4的焦點處。表面微結構娃懸臂梁3的金屬表面311與光纖5的端面51形成法珀腔，連續(xù)激光器7與光纖耦合器6通過光纖10相連接，光纖耦合器6與光纖5相連接，光電探測器8與光纖耦合器6之間由光纖11相連接，光電探測器接收光信號并將之轉換成電信號。在光電探測器8的輸出端與信號處理系統(tǒng)9的輸入端電連接，信號處理系統(tǒng)9 對電信號進行濾波、去噪、數(shù)據(jù)處理等。激光控制器12的輸出端與可調諧激光器I輸入端電連接，其作用包括對激光器進行波長掃描和頻率調制。工作時，激光控制器12對可調諧激光器I進行調制，調制頻率為表面微結構硅懸臂梁3固有頻率的1/2。通過電流掃描方式，激光控制器12把可調諧激光器I的中心波長控制在被測氣體吸收峰位置處。由可調諧激光器I發(fā)出的調制光經(jīng)過被測氣體后到達反射物體2。反射物體2把經(jīng)氣體吸收后的光反射到凹面鏡4上，凹面鏡4將其聚焦到懸臂梁 3上。懸臂梁3吸收該能量后發(fā)生諧振。從光源7發(fā)出的光通過耦合器6，再通過光纖5照射到懸臂梁的金屬表面311上，光纖端面51和懸臂梁金屬表面311形成一個腔長調諧的法珀腔，其中光纖端面51固定。光纖5中的激光一部分由光纖端面51反射回光纖5 ;另一部分由懸臂梁金屬表面311反射，兩束反射光同時在光纖5內傳輸，形成干涉光。干涉光通過光纖耦合器6進入光電探測器8，光電探測器輸出與干涉光強相對應的電信號并進入信號處理系統(tǒng)9，信號處理系統(tǒng)9對電信號進行數(shù)據(jù)處理，進而計算出被測氣體濃度。所述懸臂梁3結構如圖2所示，它為雙層結構，上層為表面微結構硅32。下層為與表面微結構娃熱膨脹系數(shù)不同的金屬材料31。表面微結構娃32如圖4所不，該表面微結構硅是在采用壓強在60Kpa到80Kpa之間的六氟化硫腐蝕氣體環(huán)境下，采用飛秒激光在具有三層結構的絕緣層上硅的上層表面上刻蝕出多個微錐體結構321，用氫氟酸腐蝕掉絕緣層上硅的中間層，將最上層揭下，即得到超薄可彎曲表面微結構硅32，其厚度2. 5-28微米， 再在微結構硅的背面鍍上一層金屬材料31，即得到懸臂梁3，總厚度3-30微米。所述懸臂梁3對被測氣體吸收后的光強的拾取原理如圖3所示，基于光熱偏轉原理，懸臂梁3吸收由凹面鏡4聚焦的經(jīng)氣體吸收后的光強信號后發(fā)生如圖所示的振動，振動幅度與經(jīng)氣體吸收后的光強信號成線性關系。氣體濃度越高，被氣體吸收的光強越大，入射到懸臂梁3上的光強越小，懸臂梁3的振幅越小。懸臂梁金屬表面311與光纖端面51構成的法珀腔，通過對進入光纖5的干涉光強進行探測，從而可以得到被氣體吸收后的光強。所述表面微結構硅懸臂梁的吸收效率曲線如圖5所示，該懸臂梁在從紫外到紅外區(qū)域都有很高的吸收效率，而且吸收效率曲線較平坦。
權利要求
1.一種表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法，其特征在于，所述方法是讓從可調諧激光器發(fā)出的脈沖激光通過被檢測氣體，脈沖激光被吸收后入射到反射物體上，經(jīng)過反射物體后反射到凹面鏡上，用凹面鏡把接收到的光能量聚焦到表面微結構硅懸臂梁上，由表面微結構硅懸臂梁吸收光能量后發(fā)生諧振，同時通過基于光纖端面和懸臂梁的金屬表面組成的可調諧的光纖法珀解調系統(tǒng)拾取該表面微結構硅懸臂梁的振動信號， 即當懸臂梁發(fā)生諧振時，法珀腔的腔長發(fā)生變化，從而導致反射干涉光強度發(fā)生周期性變化，通過對該光信號的強度解調得到懸臂梁的諧振信號，最后采用信號處理系統(tǒng)反演出被探測氣體的濃度；所述表面微結構硅懸臂梁(3)為雙層結構，上層為表面微結構硅，下層為金屬，當脈沖激光照射到懸臂梁硅表面時發(fā)生彈性熱膨脹，由于兩層材料的熱膨脹系數(shù)不同，表面微結構硅懸臂梁發(fā)生周期性光熱偏轉；所述可調諧激光器(I)的調制頻率為表面微結構硅懸臂梁諧振頻率的1/2，其中心波長與被檢測氣體吸收峰一致；所述法珀腔的腔長為連續(xù)激光器發(fā)出波長的廣10倍。
2.根據(jù)權利要求I所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法，其特征在于，所述表面微結構硅懸臂梁(3)厚度為3-30微米，其上層的表面微結構硅包含多個微錐體結構，厚度為2. 5-28微米；所述表面微結構硅懸臂梁的上層是通過以下方法獲得在氣體壓強在60Kpa到SOKpa 之間的六氟化硫氣體環(huán)境中，在絕緣層上硅的上層表面，用飛秒激光刻蝕出多個微錐體結構，然后用氫氟酸腐蝕掉絕緣層上硅的中間層，最后將最上層表面剝離下來，即得到超薄的表面微結構娃。
3.一種實現(xiàn)權利要求I或2所述方法的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，包括可調諧激光器(I)、反射物體(2)、表面微結構硅懸臂梁(3)、凹面鏡(4)、光纖(5)、光纖耦合器(6)、連續(xù)激光器(7)、光電探測器(8)、信號處理系統(tǒng)(9)、 光纖(10)、光纖(11)和激光控制器(12)；所述表面微結構娃懸臂梁(3)為雙層結構,上層為表面微結構娃,下層為金屬，當激光照射到懸臂梁硅表面時發(fā)生彈性熱膨脹，由于兩層材料的熱膨脹系數(shù)不同，表面微結構硅懸臂梁發(fā)生周期性光熱偏轉；所述可調諧激光器(I)與反射物體(2)和凹面鏡(4)設置在同一光路上，表面微結構硅懸臂梁(3)放置在凹面鏡(4)的焦點處，表面微結構硅懸臂梁(3)的表面微結構硅面向凹面鏡(4),金屬表面(311)與光纖(5)的端面(51)形成法拍腔,連續(xù)激光器(7)與光纖稱合器 (6 )通過光纖(10 )相連接，光纖耦合器(6 )與光纖(5 )相連接，光電探測器(8 )與光纖耦合器(6)之間由光纖(11)相連接，光電探測器接收光信號并將之轉換成電信號，光電探測器 (8)的輸出端與信號處理系統(tǒng)(9)的輸入端電連接，信號處理系統(tǒng)(9)對電信號進行濾波、 去噪、數(shù)據(jù)處理，激光控制器(12)的輸出端與可調諧激光器(I)輸入端電連接，對激光器進行波長掃描和脈沖頻率調制；所述可調諧激光器(I)的調制頻率為表面微結構硅懸臂梁諧振頻率的1/2，其中心波長與被檢測氣體吸收峰一致；所述法珀腔的腔長為連續(xù)激光器發(fā)出波長的廣10倍。
4.根據(jù)權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述表面微結構娃懸臂梁(3)厚度為3-30微米,上層表面微結構娃包含多個微錐體結構，厚度為2. 5-28微米。
5.根據(jù)權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述微錐體結構為微米及納米尺寸，呈金字塔型，錐體高度與底面直徑的比值在 2到4之間。
6.根據(jù)權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述上層表面微結構硅是通過以下方法獲得在氣體壓強在60Kpa到SOKpa之間的六氟化硫氣體環(huán)境中，在絕緣層上硅的上層表面，用飛秒激光刻蝕出多個微錐體結構，然后用氫氟酸腐蝕掉絕緣層上硅的中間層，最后將最上層表面剝離下來，即得到超薄的表面微結構娃。
7.根據(jù)權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述可調諧激光器采用分布反饋式激光器、量子級聯(lián)激光器或垂直腔面發(fā)射激光器。
8.根據(jù)權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述光電探測器為單點光電探測器。
9.根據(jù)權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述光纖采用單模石英光纖或保偏光纖，其端面與所述表面微結構硅懸臂梁的金屬表面間形成一個法拍腔。
10.根據(jù)權利要求3所述的表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測裝置， 其特征在于，懸臂梁下層的金屬材料為金、銀或鋁。
全文摘要
一種表面微結構硅懸臂梁增強型光熱光譜痕量氣體探測方法及裝置，包括可調諧激光器、反射物體、表面微結構硅懸臂梁、凹面鏡、光纖、光纖耦合器、連續(xù)激光器、激光控制器、光電探測器和信號處理系統(tǒng)等。由可調諧激光器發(fā)出的調制光經(jīng)過被檢測氣體后，被反射物體反射到凹面鏡上，凹面鏡把接收到的反射光聚焦在懸臂梁的硅表面上，懸臂梁吸收光能量后發(fā)生光熱偏轉而產生諧振，氣體濃度越高，被氣體吸收的光強越大，則被該懸臂梁吸收的光能量就越小，其諧振幅度就越小。光纖端面與該懸臂梁的金屬面構成腔長可調的法珀腔，對懸臂梁的振幅進行解調可得到氣體的吸收光譜，進而獲得被檢測痕量氣體的濃度。該裝置具有廉價、體積小、結構簡單、使用方便、機動性強、探測靈敏度高、具備野外環(huán)境工作能力等優(yōu)點，可以廣泛用于多種或多組分痕量氣體成分和濃度的遠距離探測。
文檔編號G01N21/31GK102590112SQ20121002619
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權日2012年2月7日
發(fā)明者張潔, 朱永, 林成, 王寧, 韋瑋 申請人:重慶大學