一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202110886414.9 | 申请日 | 2021-08-03 |
| 公开(公告)号 | CN113534332B | 公开(公告)日 | 2023-07-28 |
| 申请人 | 武汉理工大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 杨明红; 熊灵犀; 郭东来; 胡文彬; 程乘; 代吉祥; 唐健冠; | 第一发明人 | 杨明红 |
| 权利人 | 武汉理工大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 武汉理工大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：湖北省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：湖北省武汉市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：湖北省武汉市洪山区珞狮路122号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：430070 |
| 主IPC国际分类 | G02B6/02 | 所有IPC国际分类 | G02B6/02 ; G02B6/032 ; G02B6/32 ; G01N21/65 ; G01N21/01 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 6 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 武汉市首臻知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 刘牧; |
| 摘要 | 一种空芯反谐振光纤气体拉曼 光谱 的空间滤波系统，包括入射光路、空芯光纤、前透镜、后透镜、接收光纤、光谱仪与 数据处理 装置，其中，空芯光纤包括外实心 石英 包层与空气纤芯，所述入射光路发出的激光耦合入空芯光纤的输入端，空芯光纤的输出端射出的 拉曼散射 光先射向前透镜以成平行光，平行光再射向后透镜以成聚焦光，并耦合入接收光纤的输入端，接收光纤的输出端与光谱仪的输入端相连接，光谱仪的输出端与数据处理装置进行 信号 连接，空气纤芯内设置有待测气体，且对空气纤芯的芯径、接收光纤的芯径、前透镜的焦距、后透镜的焦距进行技术限定。本设计不仅被干扰性较弱、检测效果较好，而且容易操作，易推广应用。 | ||
| 权利要求 | 1.一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统，包括入射光路（1）、光谱仪（6）与数据处理装置（7），其特征在于：所述空间滤波系统还包括空芯光纤（2）、前透镜（3）、后透镜（4）与接收光纤（5），所述空芯光纤（2）包括外实心石英包层（21）及其内部开设的空气纤芯（22），外实心石英包层（21）、空气纤芯（22）同轴设置； |
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| 说明书全文 | 一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统技术领域[0001] 本发明涉及一种空间滤波系统，属于气体拉曼光谱分析检测技术领域，尤其涉及一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统。 背景技术[0002] 光照到物质上时会发生散射，而光的散射又分为弹性散射和非弹性散射；对于弹性散射来说，散射光频率等于入射光频率，对于非弹性散射来说，散射光频率与入射光频率是不相等的，对于散射光频率大于入射光频率的称为反斯托克斯光，对于散射光频率小于入射光频率的称为斯托克斯光，这两者统称为拉曼散射。通过测量气体的拉曼光谱能对气体的成分和浓度进行检测。 发明内容[0006] 为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统，包括入射光路、光谱仪与数据处理装置；所述空间滤波系统还包括空芯光纤、前透镜、后透镜与接收光纤，所述空芯光纤包括外实心石英包层及其内部开设的空气纤芯，外实心石英包层、空气纤芯同轴设置； [0007] 所述入射光路发出的激光耦合入空芯光纤的输入端，空芯光纤的输出端射出的拉曼散射光先射向前透镜以成平行光，该平行光再射向后透镜以成聚焦光，并耦合入接收光纤的输入端，接收光纤的输出端与光谱仪的输入端相连接，光谱仪的输出端与数据处理装置进行信号连接，且在空气纤芯内设置有待测气体； [0008] 所述空芯光纤内空气纤芯的芯径为D2，接收光纤的芯径为D5，前透镜的焦距为f3，后透镜的焦距为f4，则D5≤D2*（f4/f3）。 [0009] 所述接收光纤为多模光纤。 [0010] 所述空芯光纤为空芯反谐振光纤，其包括外实心石英包层及其内部设置的内石英包层、空气纤芯； [0011] 所述内石英包层由多个石英细管构成，所有的石英细管在空气纤芯内呈同一圆周均匀布置，所述石英细管的两端与外实心石英包层的两端相平齐，石英细管的外管壁与外实心石英包层的内侧壁相连接，且石英细管的中轴线与外实心石英包层的中轴线相平行。 [0012] 所述石英细管的数量为六个，且沿同一圆周均匀布置。 [0013] 所述入射光路为透射式光路或者反射式光路。 [0014] 所述入射光路包括激光器与光学元件，所述激光器发出的光经光学元件后耦合入空芯光纤的输入端。 [0015] 所述空间滤波系统中还设置有滤波片与截止片，所述滤波片位于激光器、光学元件之间，所述截止片位于前透镜、后透镜之间。 [0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果为： [0017] 1、本发明一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统中，包括沿光路依次分布的入射光路、空芯光纤、前透镜、后透镜、接收光纤、光谱仪、数据处理装置，其中，空芯光纤包括外实心石英包层与空气纤芯，应用时，入射激光与外实心石英包层相互作用产生的石英拉曼信号会沿着外实心石英包层进行传输，同时，射入空气纤芯的激光会与待测气体相互作用产生气体拉曼信号，该气体拉曼信号沿着空气纤芯进行传输，当石英拉曼信号、气体拉曼信号传输至空芯光纤的输出端时，由于空芯光纤、接收光纤、前透镜、后透镜满足D5≤D2*（f4/f3）的设定条件，此时，接收光纤接收到的拉曼信号的范围只对应气体拉曼信号，至于石英拉曼信号则不在接收光纤的收集范围内，从而从源头上避免了石英拉曼信号被传输至光谱仪，大大降低了石英拉曼信号的干扰，有利于提升检测效果，提高了本系统对于痕量气体的检测能力，此外，本设计在应用时，容易操作，易与现有设备进行对接。因此，本发明不仅被干扰性较弱、检测效果较好，而且容易操作，易推广应用。 [0018] 2、本发明一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统中，空芯光纤可优选为空芯反谐振光纤，此时，空芯反谐振光纤包括外实心石英包层及其内部设置的内石英包层、空气纤芯，其中，内石英包层由多个石英细管构成，更易于实现D5≤D2*（f4/f3）的设定条件，应用效果更佳。因此，本发明适用于空芯反谐振光纤，且检测效果更佳。 [0019] 3、本发明一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统中，空间滤波系统中还设置有滤波片与截止片，其中，滤波片位于激光器、光学元件之间，截止片位于前透镜、后透镜之间，应用时，滤波片的作用是纯化激发光，截止片的作用是去掉激发光，保留拉曼信号，滤波片、截止片的数量不限，依据需求而定，一般而言，增加数量即可增强对应的应用效果，从而进一步增强有效信号的强度，更好的提升检测效果。因此，本发明的检测效果较好。附图说明 [0020] 图1是本发明的结构示意图。 [0021] 图2是本发明中的空芯光纤为空芯反谐振光纤时的结构示意图。 [0022] 图3是图2的端面结构示意图。 [0023] 图4是本发明的实施例2中未限定空芯光纤、前透镜、后透镜、接收光纤时的检测结果图。 [0024] 图5是本发明的实施例2中已限定空芯光纤、前透镜、后透镜、接收光纤时的检测结果图。 [0025] 图中：入射光路1、激光器11、光学元件12、空芯光纤2、外实心石英包层21、空气纤芯22、内石英包层23、石英细管24、前透镜3、后透镜4、接收光纤5、光谱仪6、数据处理装置7、待测气体8。图4、图5中的横坐标为拉曼位移，纵坐标为光强。 具体实施方式[0026] 以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0027] 参见图1—图5，一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统，包括入射光路1、光谱仪6与数据处理装置7；所述空间滤波系统还包括空芯光纤2、前透镜3、后透镜4与接收光纤5，所述空芯光纤2包括外实心石英包层21及其内部开设的空气纤芯22，外实心石英包层21、空气纤芯22同轴设置； [0028] 所述入射光路1发出的激光耦合入空芯光纤2的输入端，空芯光纤2的输出端射出的拉曼散射光先射向前透镜3以成平行光，该平行光再射向后透镜4以成聚焦光，并耦合入接收光纤5的输入端，接收光纤5的输出端与光谱仪6的输入端相连接，光谱仪6的输出端与数据处理装置7进行信号连接，且在空气纤芯22内设置有待测气体8； [0029] 所述空芯光纤2内空气纤芯22的芯径为D2，接收光纤5的芯径为D5，前透镜3的焦距为f3，后透镜4的焦距为f4，则D5≤D2*（f4/f3）。 [0030] 所述接收光纤5为多模光纤。 [0031] 所述空芯光纤2为空芯反谐振光纤，其包括外实心石英包层21及其内部设置的内石英包层23、空气纤芯22； [0032] 所述内石英包层23由多个石英细管24构成，所有的石英细管24在空气纤芯22内呈同一圆周均匀布置，所述石英细管24的两端与外实心石英包层21的两端相平齐，石英细管24的外管壁与外实心石英包层21的内侧壁相连接，且石英细管24的中轴线与外实心石英包层21的中轴线相平行。 [0033] 所述石英细管24的数量为六个，且沿同一圆周均匀布置。 [0034] 所述入射光路1为透射式光路或者反射式光路。 [0035] 所述入射光路1包括激光器11与光学元件12，所述激光器11发出的光经光学元件12后耦合入空芯光纤2的输入端。 [0036] 所述空间滤波系统中还设置有滤波片与截止片，所述滤波片位于激光器11、光学元件12之间，所述截止片位于前透镜3、后透镜4之间。 [0037] 本发明的原理说明如下： [0038] 本发明中的D5≤D2*（f4/f3）是指D5小于或等于D2*（f4/f3），能达到该条件则效果更佳，此外，参照本限定条件的对芯径、焦距进行的类似调整，也属于本专利的保护范围之内。 [0039] 实施例1： [0040] 参见图1—图5，一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统，包括入射光路1、空芯光纤2、前透镜3、后透镜4、接收光纤5（接收光纤5优选为多模光纤）、光谱仪6与数据处理装置7；所述空芯光纤2包括外实心石英包层21及其内部开设的空气纤芯22，外实心石英包层21、空气纤芯22同轴设置；所述入射光路1发出的激光耦合入空芯光纤2的输入端，空芯光纤2的输出端射出的拉曼散射光先射向前透镜3以成平行光，该平行光再射向后透镜4以成聚焦光，并耦合入接收光纤5的输入端，接收光纤5的输出端与光谱仪6的输入端相连接，光谱仪6的输出端与数据处理装置7进行信号连接，且在空气纤芯22内设置有待测气体 8。所述空芯光纤2内空气纤芯22的芯径为D2，接收光纤5的芯径为D5，前透镜3的焦距为f3，后透镜4的焦距为f4，则D5≤D2*（f4/f3）。 [0041] 实施例2： [0042] 基本内容同实施例1，不同之处在于： [0043] 所述空芯光纤2为空芯反谐振光纤，其包括外实心石英包层21及其内部设置的内石英包层23、空气纤芯22；所述内石英包层23由多个石英细管24构成，所有的石英细管24在空气纤芯22内呈同一圆周均匀布置，所述石英细管24的两端与外实心石英包层21的两端相平齐，石英细管24的外管壁与外实心石英包层21的内侧壁相连接，且石英细管24的中轴线与外实心石英包层21的中轴线相平行。 [0044] 如图4所示，该装置未如本发明对空芯光纤、前透镜、后透镜、接收光纤进行限定，未经过空间滤波，只是将空芯光纤直接对接光谱仪，由空芯光纤输出的拉曼信号通过聚焦透镜直接耦合进入光谱仪，因而测得的石英信号较强，使得1556m‑1处的氧气拉曼位移峰被石英拉曼信号掩盖，2331cm‑1处的氮气拉曼峰的信号部分被掩盖，极大的降低了系统对于低浓度气体的检测能力。 [0045] 如图5所示，本发明通过限定空芯光纤、前透镜、后透镜、接收光纤以产生空间滤波效果，使得接收光纤只收到空气纤芯射出的气体拉曼信号，也只将气体拉曼信号传入光谱仪中进行气体拉曼信号的分析，从图中的测试结果可以看出本系统成功的避免了石英拉曼信号的引入，系统在短时间1ms曝光时，气中1556cm‑1处的氧气拉曼位移峰，2331cm‑1处的氮气拉曼峰的信号都能很清楚的分辨出来，说明本系统对于多组分气体具有较强的检测能力。 |
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