一种基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统

本技术涉及光纤感测技术，尤其涉及一种基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统。

背景技术：

1、气体分子质量感测系统，是用来筛分不同质量的气体分子的，其在生活中应用广泛，例如其可被用于气体分子筛、质谱仪中，应用于氢气纯化、天然气纯化、空气分离、二氧化碳捕集以及有机蒸汽分离等。

2、基于片上工艺的传统气体膜分离技术，在实际应用中通常需要复杂的检测设备，虽然制备工艺成熟且成本可控制较低，但其应用场景受电子检测设备的限制，难以在高真空度、电磁干扰严重的封闭气体腔室中进行实时检测。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，可实现气体分子质量的感测，具有抗电磁干扰、微型化、高灵敏度、实时可视化监测等优势。

2、本实用新型所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，包括光激励光检测装置和纳米腔光谐振器，所述光激励光检测装置与所述纳米腔光谐振器相连接；所述纳米腔光谐振器包括fp干涉仪，所述fp干涉仪包括多孔介质薄膜，所述多孔介质薄膜的孔径小于所述待测气体的分子平均自由程。

4、进一步的，所述光激励光检测装置包括激励激光器、信号发生器、电光调制器、检测激光器、光纤耦合器、光纤环形器、光学隔离器、光电探测器和矢量网络分析仪，所述光纤耦合器具有第一入射端、第二入射端和出射端，所述光纤环形器具有入射端、反射端和透射端，所述激励激光器通过所述电光调制器连接至所述光纤耦合器的第一入射端，所述检测激光器连接至所述光纤耦合器的第二入射端，所述光纤耦合器的出射端连接至所述光纤环形器的入射端，所述光电探测器通过所述光学隔离器连接至所述光纤环形器的反射端；所述信号发生器连接控制所述电光调制器，所述矢量网络分析仪连接控制所述光电探测器。

5、进一步的，所述纳米腔光谐振器还包括单模光纤和空腔器件，所述空腔器件具有微纳空腔以及与所述微纳空腔的两端分别连通的第一端口和第二端口，所述空腔器件的第一端口与所述单模光纤的一端面相连接，所述空腔器件的第二端口与所述多孔介质薄膜相连接；所述单模光纤的端面、所述空腔器件的微纳空腔及所述多孔介质薄膜共同形成所述fp干涉仪。

6、进一步的，所述多孔介质薄膜包括外围区域和中心区域，所述外围区域围绕在所述中心区域外，所述外围区域与所述空腔器件相连接固定，所述中心区域悬空于所述微纳空腔前；所述多孔介质薄膜的中心区域内形成有扩散气孔阵列。

7、进一步的，所述扩散气孔阵列的孔径d满足公式，

8、

9、其中，k为玻尔兹曼常数，t为环境温度，d为待测气体的分子直径，p为环境气压。

10、进一步的，所述多孔介质薄膜包括相层叠的弹性薄膜和反射薄膜，所述弹性薄膜形成于所述空腔器件的第二端口上，所述反射薄膜形成于所述弹性薄膜背向所述空腔器件的一面上。

11、进一步的，所述弹性薄膜包括石墨烯薄膜，所述反射薄膜包括纳米金薄膜。

12、进一步的，所述单模光纤包括纤芯和包层，所述包层环绕包裹在所述纤芯的外周上；所述单模光纤的包层与所述空腔器件相连接，所述单模光纤的纤芯与所述空腔器件的微纳空腔相连接。

13、进一步的，所述气体分子质量感测系统还包括真空腔室和通气装置，所述纳米腔光谐振器设置于所述真空腔室内，所述通气装置与所述真空腔室相连通。

14、进一步的，所述通气装置包括气瓶和流量控制器，所述流量控制器的一端与所述气瓶相连通，另一端与所述真空腔室相连通。

15、本实用新型具有如下有益效果：本专利的气体分子质量感测系统通过所述纳米腔光谐振器对待测气体的分子质量进行感测，当所述多孔介质薄膜的孔径小于所述待测气体的分子平均自由程时，所述多孔介质薄膜基于努森扩散原理及格雷厄姆渗透机制，对不同分子质量的气体具有不同渗透率，在一定真空度下，当不同分子质量的待测气体透进所述多孔介质薄膜时，会改变所述多孔介质薄膜的内置应力，进而改变所述多孔介质薄膜的谐振频率，且分子质量越小的气体分子透过所述多孔介质薄膜的时间也越短，进而使得所述纳米腔光谐振器的相位谱中的渗透极小值往高频方向的漂移量越大，通过对所述相位谱的渗透极小值变化进行解调，就可以得到所述待测气体的分子质量大小，且具有抗电磁干扰、微型化、高灵敏度、实时可视化监测等优势。

技术特征：

1.一种基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，包括光激励光检测装置和纳米腔光谐振器，所述光激励光检测装置与所述纳米腔光谐振器相连接；其特征在于，所述纳米腔光谐振器包括fp干涉仪，所述fp干涉仪包括多孔介质薄膜，所述多孔介质薄膜的孔径小于待测气体的分子平均自由程。

2.根据权利要求1所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述光激励光检测装置包括激励激光器、信号发生器、电光调制器、检测激光器、光纤耦合器、光纤环形器、光学隔离器、光电探测器和矢量网络分析仪，所述光纤耦合器具有第一入射端、第二入射端和出射端，所述光纤环形器具有入射端、反射端和透射端，所述激励激光器通过所述电光调制器连接至所述光纤耦合器的第一入射端，所述检测激光器连接至所述光纤耦合器的第二入射端，所述光纤耦合器的出射端连接至所述光纤环形器的入射端，所述光电探测器通过所述光学隔离器连接至所述光纤环形器的反射端；所述信号发生器连接控制所述电光调制器，所述矢量网络分析仪连接控制所述光电探测器。

3.根据权利要求1所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述纳米腔光谐振器还包括单模光纤和空腔器件，所述空腔器件具有微纳空腔以及与所述微纳空腔的两端分别连通的第一端口和第二端口，所述空腔器件的第一端口与所述单模光纤的一端面相连接，所述空腔器件的第二端口与所述多孔介质薄膜相连接；所述单模光纤的端面、所述空腔器件的微纳空腔及所述多孔介质薄膜共同形成所述fp干涉仪。

4.根据权利要求3所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述多孔介质薄膜包括外围区域和中心区域，所述外围区域围绕在所述中心区域外，所述外围区域与所述空腔器件相连接固定，所述中心区域悬空于所述微纳空腔前；所述多孔介质薄膜的中心区域内形成有扩散气孔阵列。

5.根据权利要求4所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述扩散气孔阵列的孔径d满足公式，

6.根据权利要求3所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述多孔介质薄膜包括相层叠的弹性薄膜和反射薄膜，所述弹性薄膜形成于所述空腔器件的第二端口上，所述反射薄膜形成于所述弹性薄膜背向所述空腔器件的一面上。

7.根据权利要求6所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述弹性薄膜包括石墨烯薄膜，所述反射薄膜包括纳米金薄膜。

8.根据权利要求3所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述单模光纤包括纤芯和包层，所述包层环绕包裹在所述纤芯的外周上；所述单模光纤的包层与所述空腔器件相连接，所述单模光纤的纤芯与所述空腔器件的微纳空腔相连接。

9.根据权利要求1所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述气体分子质量感测系统还包括真空腔室和通气装置，所述纳米腔光谐振器设置于所述真空腔室内，所述通气装置与所述真空腔室相连通。

10.根据权利要求9所述的基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，其特征在于，所述通气装置包括气瓶和流量控制器，所述流量控制器的一端与所述气瓶相连通，另一端与所述真空腔室相连通。

技术总结本技术公开了一种基于腔光机械效应的气体分子质量感测系统，包括光激励光检测装置和纳米腔光谐振器，所述光激励光检测装置与所述纳米腔光谐振器相连接；所述纳米腔光谐振器包括FP干涉仪，所述FP干涉仪包括多孔介质薄膜，所述多孔介质薄膜的孔径小于所述待测气体的分子平均自由程。该气体分子质量感测系统可实现气体分子质量的感测，具有抗电磁干扰、微型化、高灵敏度、实时可视化监测等优势。技术研发人员：林侨,刘申,王义平,洪桂清,刘博男,丁伟,肖月亮,王明秀受保护的技术使用者：深圳大学技术研发日：20231113技术公布日：2024/9/19