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片上红外气体传感技术的研究进展(特邀) 被引量：2
1
作者 皮明权 郑传涛 +2 位作者 梁磊 宋芳 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期92-109,共18页
片上集成的光波导气体传感器具有体积小、重量轻、功耗低、无需光路校准等优点,近年来光学气体传感器逐渐由体积较大的分立系统向片上集成系统演变。中红外波段的气体吸收系数大,但二氧化硅在中红外波段的损耗较大,所以常用的绝缘衬底... 片上集成的光波导气体传感器具有体积小、重量轻、功耗低、无需光路校准等优点,近年来光学气体传感器逐渐由体积较大的分立系统向片上集成系统演变。中红外波段的气体吸收系数大,但二氧化硅在中红外波段的损耗较大,所以常用的绝缘衬底上的硅材料体系不适用于中红外波段。因此,片上气体传感器需要采用硫系玻璃、锗等中红外透明材料来拓宽工作波段。同时,波导结构直接影响了气体对光的吸收,而且气体传感技术也会影响传感器性能。本文总结了基于红外吸收光谱的片上气体传感器的最新进展。介绍了片上气体传感方法、波导材料、波导结构、片上气体传感的理论和实验进展。阐述了矩形波导、狭缝波导、悬浮波导、微环谐振波导和光子晶体波导在片上气体传感领域的应用现状。最后对基于红外吸收光谱的片上气体传感器进行了展望。 展开更多
关键词 红外吸收光谱 气体传感器 光波导传感器 集成光学 可调谐半导体激光吸收光谱
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双通道离轴石英增强光声光谱气体传感器 被引量：1
2
作者 隋心 马琰铭 +6 位作者 刘孝腾 张磊 宋芳 李秀英 徐琳 王一丁 郑传涛 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期112-121,共10页
为了消除杂散光激励石英音叉产生的光热信号对气体检测性能的影响,采用离轴配置谐振管,将两只中央开有槽口的谐振管平行于音叉正面放置在两侧,从而实现了探测光束与石英音叉的隔离,同时降低了系统组装和光路调整的复杂度。将光纤准直器... 为了消除杂散光激励石英音叉产生的光热信号对气体检测性能的影响,采用离轴配置谐振管,将两只中央开有槽口的谐振管平行于音叉正面放置在两侧,从而实现了探测光束与石英音叉的隔离,同时降低了系统组装和光路调整的复杂度。将光纤准直器、谐振管、石英音叉、直角棱镜和不锈钢气室进行集成,研制了一种尺寸仅为5.4 cm×4.0 cm×1.5 cm的光声检测模块,在此基础上,建立了一种光声光谱气体检测系统,采用中心波长为1533 nm的分布反馈激光器,通过检测乙炔气体来评估系统性能。实验结果表明,光声信号与气体浓度之间呈现良好的线性-关系,线性拟合优度为0.991。系统的1σ检测下限和对应归一化噪声等效吸收系数分别为11.6×10^(-6)和6.7×10^(-9)W·cm^(-1)·Hz^(-1/2)。对系统的Allan方差分析结果表明,当平均时间为0.5 s时,系统的检测下限为10.22×10^(-6),当平均时间为50 s时,系统检测下限可以达到1.20×10^(-6)。所研制的微小型双通道离轴石英增强光声光谱传感器系统具有体积小、价格低廉、灵敏度高等优点,有利于实现便携式气体检测。 展开更多
关键词 石英增强光声光谱技术 气体传感器 波长调制技术 乙炔 石英音叉
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片上中红外铟镓砷悬浮波导气体传感器
3
作者 王雪莹 张哲宁 +5 位作者 皮明权 彭子航 郑传涛 宋芳 杨悦 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期159-169,共11页
为研究中红外波段的片上波导传感性能,针对2172.75 cm-1处的一氧化碳吸收线,提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律,通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构,优化了光子晶体波导的晶格... 为研究中红外波段的片上波导传感性能,针对2172.75 cm-1处的一氧化碳吸收线,提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律,通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构,优化了光子晶体波导的晶格常数、孔半径、中心孔半径和脊形波导的脊宽、条宽、脊高和条高。仿真结果表明,光子晶体波导和脊形波导的功率限制因子分别为250.69%和115.65%。对两种传感器进行计算和性能评估,得到两种传感器的传输损耗分别为27.5 dB/cm和3 dB/cm,最佳波导长度分别为72μm和162μm。设定探测器最小可检测信噪比为10,得到两种传感器的最小可检测气体浓度分别为9.13×10-6和8.51×10-6。讨论了波导传输损耗对传感器性能的影响,若能有效降低波导损耗,可进一步降低最小可检测气体浓度。对比两种传感器,光子晶体波导具有更大的功率限制因子,脊形波导具有低传输损耗和横磁模兼容性的优点。 展开更多
关键词 波导传感器 中红外 吸收光谱 气体传感器 光子晶体波导 脊形波导
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电域自适应中红外激光甲烷传感系统 被引量：6
4
作者 宋芳 杨硕 +3 位作者 余迪 周言文 郑传涛 王一丁 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第8期1910-1916,共7页
为了抑制甲烷传感器中统计特性无法预知的电学噪声,本文结合递归最小二乘自适应去噪算法和直接吸收光谱技术,使用中心波长为3 291nm的带间级联激光器和多反射吸收气室,研制了一种电域自适应中红外甲烷传感器系统。在传统探测器输出信号... 为了抑制甲烷传感器中统计特性无法预知的电学噪声,本文结合递归最小二乘自适应去噪算法和直接吸收光谱技术,使用中心波长为3 291nm的带间级联激光器和多反射吸收气室,研制了一种电域自适应中红外甲烷传感器系统。在传统探测器输出信号(称为信号通道)的基础上,增加了激光器电流驱动器的反馈信号作为噪声通道来感知电学噪声。利用MATLAB软件对最小二乘法在直接吸收光谱技术中的滤波效果进行了仿真。通过在激光器驱动信号中施加不同的噪声,实验验证了最小二乘法的去噪效果。针对该传感器的Allan标准差结果表明,当不使用自适应最小二乘法时,系统在积分时间为6s的检测下限为78.8nL/L;使用RLS自适应算法时,系统的检测下限为43.9nL/L。相比基于传统传感结构和滤波方法的中红外直接吸收光谱传感器,本文所报道的中红外甲烷传感器由于采用了电域自适应滤波方法,因而呈现出更好的抗干扰性和稳定性。 展开更多
关键词 甲烷传感器 红外光谱 半导体激光器 最小二乘法 自适应去噪
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硬件可重构近红外波长调制甲烷传感器及应用(特邀) 被引量：1
5
作者 师月崇 李亚飞 +2 位作者 宋芳 郑传涛 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期80-91,共12页
为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑,采用现场可编程门阵列(FPGA)器件,结合波长调制光谱技术,研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求,可在硬件层面重构逻辑电路,从而更新系统工作模式和... 为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑,采用现场可编程门阵列(FPGA)器件,结合波长调制光谱技术,研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求,可在硬件层面重构逻辑电路,从而更新系统工作模式和探测参数。采用流水线技术,对光谱分析算法进行了硬件加速,光谱分析部分的输入与输出之间的时间延迟仅为4.05 ms。实验分析了该传感器在连续、间歇两种工作状态下的波形与电流,证明了该系统工作模式的可重构特性,也证实了采用间歇式工作降低激光气体传感器功耗的可行性。采用正弦信号对FPGA算法部分的功能进行了测试,结果表明,测得的信号幅值与输入信号幅值的线性度达到了99.99%。采用中心波长为2334 nm的分布式反馈激光器作为光源、光程为25 m的赫里奥特气室作为气体吸收池,开展了甲烷检测实验。传感器的线性度为99.97%,响应时间约为4.9 s。艾伦方差结果表明,当积分时间为0.5 s时,传感器的检测下限为7.8×10^(-6)。开展的甲烷泄露实验证实了该传感器的现场应用能力。设计的FPGA算法,通过硬件编程,可实现传感器工作模式与参数的灵活重构,在激光气体传感领域具有较好的片上集成应用前景。 展开更多
关键词 光电检测技术 红外吸收光谱 波长调制光谱 现场可编程门阵列 气体检测
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用于早期火灾探测的红外一氧化碳传感系统 被引量：6
6
作者 马卓 李亚飞 +3 位作者 卢洋 宋芳 郑传涛(指导) 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期320-331,共12页
基于非分散红外吸收光谱技术,利用CO气体分子在4.6μm处的基频吸收带,采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器,研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理,对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择;推导了光学矩... 基于非分散红外吸收光谱技术,利用CO气体分子在4.6μm处的基频吸收带,采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器,研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理,对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择;推导了光学矩阵理论,设计并优化了气室结构,优化后气室的吸收光程达到180 cm。对研制的锁相放大器进行标定,1σ检测下限为0.15μV,背景噪声为38.89~43.23μV。对传感系统的性能进行了实验测试。结果显示,CO的检测分辨率优于2.00×10^(-5),响应时间为35~38 s。对纯氮气(N_(2))样品进行了长达80 min的监测,其浓度波动范围为-1.42×10^(-5)~1.51×10^(-5),当积分时间为0.25 s时,系统的检测下限为1.54×10^(-6);当积分时间为300 s时,系统的理论检测下限可达3.50×10^(-7)。引入卡尔曼滤波算法来提高系统的稳定性,对纯氮气进行长达80 min的探测,引入该算法后系统的检测下限降低到原来的23%,同时,当积分时间为0.25 s时,检测下限降低到3.60×10^(-7)。利用该传感系统,开展了棉花、纸张和木材的火灾阴燃实验,研究了CO浓度随阴燃时间的变化关系,验证了可通过CO浓度的变化来探测火灾发生的方法,证实了该传感系统呈现出良好的早期火灾探测能力。 展开更多
关键词 传感系统 红外吸收光谱 矩阵光学 气体检测 火灾探测
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用于聚合物传感的表面增强红外银天线阵列 被引量：1
7
作者 朱恒亮 宋芳 +2 位作者 张馨予 郑传涛 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期21-29,共9页
红外光谱技术因分子吸收截面较小限制了其灵敏度,采用光学性质相似且价格更低的银阵列替代金阵列,在节约成本的同时,利用表面增强红外吸收效应,以提高微量分析物的检测灵敏度。分别设计了微米尺度的中空十字形与六边形天线阵列结构,使... 红外光谱技术因分子吸收截面较小限制了其灵敏度,采用光学性质相似且价格更低的银阵列替代金阵列,在节约成本的同时,利用表面增强红外吸收效应,以提高微量分析物的检测灵敏度。分别设计了微米尺度的中空十字形与六边形天线阵列结构,使用时域有限差分算法进行数值仿真,研究了天线尺寸对超表面光学性能的影响。利用紫外曝光技术,以银作为沉积金属,实现低成本、大尺寸天线阵列的制备。利用傅里叶红外光谱仪测量超表面基底,在400~800 cm^(-1)的中红外波段实现了表面增强吸收,十字形天线与六边形天线结构的消光系数最高分别可达20%与24.5%。为了评估超表面的传感性能,分别在硅基底和六边形结构的超表面基底上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯,六边形天线结构在483.14 cm^(-1)处实现了2.85倍的增强吸收,增强因子为1995。 展开更多
关键词 红外光谱 表面等离激元 表面增强红外 天线阵列 超表面
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低温环境非色散红外气体检测仪温控系统 被引量：9
8
作者 薄滕飞 李亚飞 +3 位作者 李保霖 马卓 郑传涛 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期295-306,共12页
由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移,导致非分散红外(NDIR)二氧化碳(CO_(2))农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题,本文设计了一种应用于-40℃低温环境的探测器温度控制系统。给出了NDIR农业火灾检测仪的原理,探究... 由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移,导致非分散红外(NDIR)二氧化碳(CO_(2))农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题,本文设计了一种应用于-40℃低温环境的探测器温度控制系统。给出了NDIR农业火灾检测仪的原理,探究了热释电探测器温度漂移现象,在此基础上,设计了以STM32F103为核心的温度控制系统。将温度控制系统集成于火灾检测仪中,在-40℃环境温度下,将探测器温度从20℃起始温度控温,稳定在21℃的响应时间为16 s,温度波动的1σ值为0.0126℃,响应时间和稳定性均满足低温环境下的控温需求。在控温条件下,对传感器进行了标定,将气体标定实验得到的吸收通道与参考通道电压信号的一次谐波幅值比和标准气体浓度值进行指数拟合,拟合优度达到了99.852%。利用纯氮气(N_(2))样品,对检测仪进行了25 min的稳定性测试,测得的浓度波动范围为-28.12876×10^(-6)~27.2405×10^(-6)。引入Allan方差进行评估,当积分时间为0.25 s时,检测下限为1.21301×10^(-6);当积分时间为114.75 s时,理论上系统的检测下限可达到4.8225×10^(-7)。实验结果表明,该温度控制系统可以保证火灾检测仪在低温环境下的正常工作。 展开更多
关键词 火灾检测 气体吸收 温度控制 BUCK电路 牛顿迭代法 增量式PID
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碲化铋红外透明导电薄膜的制备与光电性能(特邀) 被引量：1
9
作者 吴易豪 肖雪华 +3 位作者 毕然 李雅丹 郑传涛 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期150-158,共9页
采用射频磁控溅射法在石英衬底和硒化锌衬底上制备了碲化铋薄膜,分别研究了薄膜厚度、退火温度对薄膜微观结构和光电性能的影响。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和冷场发射扫描电子显微镜,分析了薄膜结构、成分和形貌。结果表明,... 采用射频磁控溅射法在石英衬底和硒化锌衬底上制备了碲化铋薄膜,分别研究了薄膜厚度、退火温度对薄膜微观结构和光电性能的影响。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和冷场发射扫描电子显微镜,分析了薄膜结构、成分和形貌。结果表明,退火有利于薄膜的结晶,且不改变晶体的择优取向。傅里叶变换红外光谱测试结果表明,在石英衬底和硒化锌衬底上沉积的薄膜,光学透过率随着薄膜厚度和退火温度的增加而减小,在硒化锌衬底上沉积的薄膜透过波段比石英长,且光学透过率更加稳定。霍尔效应测试结果表明,随着薄膜厚度和退火温度的增加,薄膜的电阻率逐渐减小,最小为1.448×10-3Ω·cm,迁移率为27.400 cm2·V-1·s-1,载流子浓度为1.573×1020cm-3。在石英衬底上沉积的15 nm厚的Bi2Te3薄膜,在1~5μm波段的透过率达到80%,退火200℃后透过率达到60%,电阻率为5.663×10-3Ω·cm。在硒化锌衬底上沉积相同厚度的薄膜,在2.5~20μm波段的透过率达到65%,200℃退火后透过率达到60%,薄膜电阻率为9.919×10-3Ω·cm。制备的Bi2Te3薄膜具有优良的光电特性,是红外透明导电薄膜领域理想的候选材料之一,在红外光电子学芯片制备领域有较好的应用前景。 展开更多
关键词 透明导电薄膜 中红外波段 射频磁控溅射 BI2TE3 光电性能
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基于三角晶格的谷光子晶体波导传输特性研究
10
作者 田卫建 张昕宇 +4 位作者 闵昱婷 皮明权 宋芳 王一丁 郑传涛 《光子学报》 2025年第8期164-173,共10页
对三角晶格结构的谷光子晶体波导的传输特性进行了研究,对比蜂窝状晶格结构的谷光子晶体波导,三角晶格结构的谷光子晶体波导具有更宽的工作带宽和更低的制造精度要求。仿真并分析了五种不同大小的三角晶格结构晶胞的能带结构,并从中选... 对三角晶格结构的谷光子晶体波导的传输特性进行了研究,对比蜂窝状晶格结构的谷光子晶体波导,三角晶格结构的谷光子晶体波导具有更宽的工作带宽和更低的制造精度要求。仿真并分析了五种不同大小的三角晶格结构晶胞的能带结构,并从中选择三角形边长为0.6a(0晶格常数)的结构进行进一步研究。构建了基于该结构的超晶胞,分析了其能带结构和模场分布。针对直线形与“Z”字形谷光子晶体波导,通过在畴壁上人为设置两种尺寸缺陷来研究其传输特性,仿真结果表明,三角晶格结构的谷光子晶体波导具有抗散射、折线传输损耗小、鲁棒性好等优势。 展开更多
关键词 谷光子晶体波导 拓扑 光子晶体 传输特性 鲁棒性
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