近红外激光甲烷传感技术研究

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1、分类号：TP212单位代码：10183研究生学号：2015512029密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）近红外激光甲烷传感技术研究Near-infraredlasermethanesensingtechnique作者姓名：郑文雪类别：学术硕士研究方向：电路与系统指导教师：郑传涛副教授培养单位：电子科学与工程学院2018年6月－――――――――――――――――――――――――――――――――近红外激光甲烷传感技术研究－――――――――――――――――――――――――――――――――Near-infraredlasermethane

2、sensingtechnique作者姓名：郑文雪领域（方向）：电路与系统指导教师：郑传涛副教授类别：学术硕士答辩日期：年月日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发

3、表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：■硕

4、士□博士学科专业：电路与系统论文题目：近红外激光甲烷传感技术研究作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：吉林省长春市前进大街2699号（130012）作者联系电话近红外激光甲烷传感技术研究摘要近年来，基于光子晶体光纤慢光效应制备的气体传感器与传统气体传感器相比具有很多优势，引起了科研工作者们的关注。基于光纤慢光效应制备的气体传感器不仅可以减小器件尺寸，还可以降低光子的传播速度，即增加了光纤与主介质（例如气体分子）相互作用的有效光学长度，进而增强气体吸收。因此，本论文主要研究了基于慢光增强的甲烷气体传感系统。甲烷（CH4）是天

5、然气的主要成分，同时也是造成温室效应的气体之一。更重要的是，在工业生产时，例如采煤业和液化CH4的处理过程中，由于CH4易燃易爆的特性，不仅会造成安全隐患还会造成环境的污染。因此，实时监测空气中CH4的浓度尤为重要。本论文首先设计了基于传统多通池气室的甲烷传感系统。其次，为了增强甲烷气体的吸收，采用COMSOL软件设计了一种可调谐的空芯带隙型光子晶体光纤结构，建立了基于光子晶体光纤慢光效应的近红外甲烷传感系统模型，分析了慢光效应对甲烷气体吸收的影响。本文的研究内容：1.阐述了本论文的研究意义。介绍了基于传统多通池气室的气体传感技术和基于

6、慢光效应的光子晶体光纤气体传感技术的国内外研究进展。相比于传统的多通池气室，基于慢光效应的光子晶体光纤气室增强了气体吸收。2.设计了基于传统多通池气室的近红外甲烷传感系统，多通池的有效吸收光程为14.8m，采用分布反馈激光器作为光源。参照标准配气法，配备了10-100ppmv的甲烷气体。编写了基于LabVIEW的数据产生、采集与处理程序，用于提取二次谐波、标定浓度和稳定性测试。为了增大二次谐波信号，优化了系统的调制深度，约为0.0015cm-1。3.介绍了光子晶体光纤的分类及其分析方法。利用微流控技术设计了一种模式可调谐的空芯带隙型光子

7、晶体光纤结构，使用COMSOL软件计算了该光纤的色散曲线、增强吸收因子等特性。在该光纤参数不变的情况下，填充折射率不同的液体，可以改变光纤的色散曲线。选取氨气在1.5304μm和乙炔在1.534μm处的吸收波长，填充特定折射率的液体，可将光子晶体光纤的慢光模式调节到该两种气体的吸收波长处，此时两种气体的吸收将达到最大。同时，分析了基于多孔填充的光子晶体光纤的慢光效应。I4.建立了基于慢光增强的甲烷传感系统模型。计算了甲烷气体的增强吸收因子，研究了慢光效应对甲烷气体吸收的影响。采用LabVIEW软件提取了有无慢光作用下甲烷气体的二次谐波信

8、号。本文创新点：1、设计了一种空芯带隙型光子晶体光纤结构，该结构参数为：晶格常数Λ=3.88，芯层直径D=2.52Λ，包层空气孔直径d=0.9Λ。利用微流控技术，填充不同折射率的光学流体，调谐光纤特定的模式