(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211074984.9 (22)申请日 2022.09.02 (71)申请人 香港理工大 学深圳研究院 地址 518057 广东省深圳市南 山区粤海街 道高新技术产业园南区粤兴一道18号 香港理工大 学产学研大楼 205室 (72)发明人 靳伟　赵鹏程　何海律　 (74)专利代理 机构 深圳市君胜知识产权代理事 务所(普通 合伙) 44268 专利代理师 谢松 (51)Int.Cl. G01N 21/41(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种微纳光波导光热光谱气体检测方法及 检测系统 (57)摘要 本申请适用于气体测量技术领域， 提供了一 种微纳光波导光热光谱气体检测方法及检测系 统。 本申请所提供的检测方法， 包括： 将泵浦 激光 和探测激光输入微纳光波导， 泵浦激光产生的倏 逝波与气体介质中待测物质发生光热效应和伴 随的热传导， 改变气体介质和微纳光波导的折射 率； 探测激光激发生成微纳光波导的基模和第一 高阶模， 检测基模和第一高阶模在微纳光波导中 传输后产生的相位差， 获得待测物质的浓度。 本 申请无需苛刻 的微纳光波导制备工艺条件即可 获得大比例的倏逝场， 光热效率高， 尺寸小， 成本 低， 响应速度快。 权利要求书2页 说明书10页 附图5页 CN 115326756 A 2022.11.11 CN 115326756 A 1.一种微纳光波导 光热光谱气体 检测方法， 其特 征在于， 包括： 将泵浦激光和探测激光输入微纳光波导； 其中， 所述泵浦激光和所述探测激光的部分 能量将以倏逝波的形式在所述微纳光波导外的气体介质中传输， 所述泵浦激光产生的倏逝 波与所述气 体介质中的待测物质发生光热效应后加热所述气 体介质， 所述气 体介质通过热 传导加热所述微纳光波导， 改变所述气体介质和所述微纳光波导的折射率， 所述探测激光 激发生成所述 微纳光波导的基模和第一高阶模； 检测所述基模和所述第 一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生的相位差， 并根据相 位差与待测物质的浓度之间的关系换算得到所述气体介质中待测物质的真实浓度。 2.如权利要求1所述的微纳光波导光热光谱气体检测方法， 其特征在于， 所述泵浦激光 的中心波长对准或扫描通过所述待测物质的吸收峰， 所述探测激光的中心波长远离所述待 测物质的任一吸 收峰。 3.如权利要求1所述的微纳光波导光热光谱气体检测方法， 其特征在于， 所述微纳光波 导支持多模传输 。 4.如权利要求1所述的微纳光波导光热光谱气体检测方法， 其特征在于， 所述探测激光 进入所述 微纳光波导时， 只激励出 所述微纳光波导的所述基模和所述第一高阶模。 5.如权利要求1 ‑4任意一项所述的微纳光波导光热光谱气体检测方法， 其特征在于， 所 述基模和所述第一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生的相位差与待测物质的浓度之 间的关系可表示 为： 6φ＝(M·α0·L·P)·C 其中， δφ为基模和第一高阶模在微纳光波导中传输后产生的相位差； M为光热系数， 对 于固定尺寸的微纳光波导和固定 的泵浦激光入射方式， 光热系数为定值； α0为待测物质的 吸收系数， 对于固定吸收峰， 待测物质的吸收系数为定值； L为微纳光波导的长度， P为泵浦 激光的功率， C为待测物质的浓度。 6.一种微纳光波导 光热光谱气体 检测系统， 其特 征在于， 包括： 用于生成泵浦激光的泵浦激光组件， 用于生成探测激光的探测激光组件， 用于合束所 述泵浦激光和所述探测激光的波分复用器， 微纳光波导， 用于 收集待测物质和放置所述微 纳光波导的气体收集室， 用于滤除所述泵浦激光的光滤波器， 以及分析组件； 其中， 所述泵浦激光组件和所述探测激光组件的输出端分别与 所述波分复用器的输入 端相连， 所述微纳光波导的输入端和输出端分别与所述波分 复用器输出端和所述光滤波器 的输入端相连， 所述 光滤波器的输出端与所述分析组件的输入端相连； 所述气体收集室内存在气体介质， 所述泵浦激光和所述探测激光的部分能量将以倏逝 波的形式在所述微纳光波导外的所述气 体介质中传输， 所述泵浦激光产生的倏逝波与所述 气体介质中的待测物质发生光热效应后加热所述气 体介质， 所述气 体介质通过热传导加热 所述微纳光波导， 改变所述气体介质和所述微纳光波导的折射率， 所述探测激光激发生成 所述微纳光波导的基模和第一高阶模； 所述分析组件用于检测所述基模和所述第一高阶模在所述微纳光波导中传输后产生 的相位差， 并根据相位差与待测物质的浓度之 间的关系换算得到所述气 体介质中待测物质 的真实浓度。 7.如权利要求6所述的微纳光波导光热光谱气体检测系统， 其特征在于， 所述泵浦激光权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115326756 A 2组件包括第一激光驱动器， 泵浦光源， 激光 放大器； 所述探测激光组件 包括探测光源， 第二激光驱动器， 偏振 控制器； 所述分析组件包括光耦合器， 第 一光探测器和第 二光探测器， 锁相放大器， 以及 分析终 端； 其中， 所述第一激光驱动器的输入端为所述泵浦激光组件的输入端， 所述泵浦光源的 输入端和输出端分别与所述第一激光驱动器的输出端和所述激光放大器的输入端相连， 所 述激光放大器的输出端为所述泵浦激光组件的输出端； 其中， 所述第二激光驱动器的输入端为所述探测激光组件的输入端， 所述探测光源的 输入端和输出端分别与所述第二激光驱动器的输出端和所述偏振控制器的输入端相连， 所 述偏振控制器的输出端为所述探测激光组件的输出端； 其中， 所述光耦合器的输入端为所述分析组件的输入端， 所述光耦合器的输出端分别 与所述第一光探测器的输入端和所述第二光探测器的输入端相连， 所述第一光探测器的输 出端与所述锁相放大器的输入端相连， 所述第二光探测器的输出端与所述分析终端的输入 端相连， 所述锁相放大器的输出端分别与所述分析终端的输入端和所述泵浦激光组件的输 入端相连， 所述分析终端的输出端与所述探测激光组件的输入端相连。 8.如权利要求6所述的微纳光波导光热光谱气体检测系统， 其特征在于， 所述微纳光波 导包括集成光波导、 光纤波导中的任意 一种。 9.如权利要求6所述的微纳光波导光热光谱气体检测系统， 其特征在于， 所述微纳光波 导的截面尺寸 不大于所述泵浦激光和所述探测激光两者中最大光波长的10倍。 10.如权利要求6 ‑9任意一项所述的微纳光波导光热光谱气体检测系统， 其特征在于， 所述波分复用器的输出端与所述微纳光波导的输入端之 间为非绝热过渡； 所述探测激光从 所述波分复用器的输出端输入至所述微纳光波导的输入端时， 使得所述探测激光激发生成 所述微纳光波导的所述基模和所述第一高阶模， 所述基模和所述第一高阶模同时在微纳光 波导中传输； 或 所述波分复用器的输出端与 所述微纳光波导的输入端之间为绝热过渡； 所述探测激光 从所述波分 复用器的输出端输入至所述微纳光波导输入端时， 使得所述探测激光只激发所 述微纳光波导的所述基模； 其中， 在所述微纳光波导输入端写入长周期光栅， 所述长周期光 栅使得所述基模的部分能量耦合至所述第一高阶模， 致使 所述基模和所述第一高阶模同时 在所述微纳光波导中传输 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115326756 A 3