CN110018130A - 一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，包括第一段微光纤和第二段微光纤，第一段微光纤与第二段微光纤间级联；第一段微光纤设置于某气室内，第一段微光纤两端通过契合的钻孔穿出所述某气室，与所述某气室密封连接，其中所述某气室内的气体为目标探测气体，利用所述某气室内的目标探测气体吸收从第一段微光纤输入端输入的中红外光；第二段微光纤用于三次谐波产生，以将剩余的中红外光转换为近红外光；由近红外探测器探测输出的近红外光功率，由功率变化得到目标探测气体的浓度。本发明的有益效果是：传感结构简单，具有更短的气体吸收长度和更高的气体探测灵敏度，检测成本低，检测速度快，检测精度高，利于集成。
Description
技术领域
本发明涉及光纤领域与激光光电子技术领域，尤其涉及一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器。
背景技术
气体传感一直在环境检测和工业检测领域起着重要作用。由于大气中很多气体(CO,CO2,NO,NO2,CH4等)在中红外光谱(2.5-20μm)有强烈的吸收峰，使得中红外光在气体传感领域一直备受青睐。现在大部分遥感技术都是基于光学探测的，其利用光吸收测量来对确定样品的化学组成。可调谐激光吸收光谱技术已被证明对实时原位微量气体传感具有高灵敏度和良好选择性，商用室温中红外激光器的开发也确实提高了微量气体检测的灵敏度。然而，在中红外吸收光谱中，激光信号通常由汞碲化镉或锑化铟制成的探测器探测，与硅或砷化镓相比，在近红外和可见波长范围内存在一些缺点。例如，由于能带隙较小，中红外探测器的灵敏度受到热噪声的严重限制，必须进行冷却才能获得更好的性能，而且，中红外探测器也不具有成本效益。与中红外探测器相比，近红外探测器可以轻松克服这些缺点。然而，该波长范围的气体吸收效率远低于中红外，因此也限制了整体传感性能。例如，近红外的甲烷吸收系数比中红外的吸收系数低约100倍。
非线性参量上转换为气体传感提供了一种很有发展前景的方案，不仅可以利用目标气体对中红外光的高吸收，而且可以将中红外信号转换为近红外信号并利用近红外的高性能检测。因此，充分获得了中红外吸收和近红外检测的优点。在光上转换的非线性效应中，三次谐波产生具有大波长间隔、三阶指数的功率缩放、灵活的平台选择等优点，使其成为非线性气体传感的潜在方法。
光纤是气体传感和三次谐波产生的有效介质。然而在大于3μm的波长范围，传统的硅基光纤传播损耗大。相反，软玻璃在中红外波段具有优异的透射性。特别是硫族化物玻璃在1-16μm的宽带范围内具有很好的透射性能，并具有高达10-17m2/W的非线性折射率，这有利于传感和非线性光学。微光纤作为一种超细光纤具有优异的光学特性和力学特性，广泛应用于光栅、有源光学器件、量子及原子光学、非线性光学等。虽然微光纤对光场的束缚性很强，但还是有很大一部分光场以倏逝场的形式在真空或气体介质包层中传输，并且微光纤的倏逝场极易与周围环境发生相互作用，从而反映外界环境的变化情况。因此微光纤在高灵敏度光学传感具有巨大的应用潜力。同时，微光纤具有高弯曲韧性，能够承受很小的弯曲半径。而且常用的微光纤保留了标准光纤作为第二尾纤，便于与各类光纤元器件进行连接，利用标准的光纤连接技术能实现较低的***损耗。此外，过渡区的存在保证了标准光纤中的光场模式绝热地转换为微光纤中的光场模式，避免了模式不匹配造成的能量损失。由于微光纤质量小，直径小，将微光纤用于传感，有利于集成。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，包括第一锥形光纤和第二锥形光纤，第一锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第一段微光纤、第二过渡区和第二尾纤，第二锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第二段微光纤、第二过渡区和第二尾纤；第一锥形光纤与第二锥形光纤间级联，即第一锥形光纤的第二尾纤与第二锥形光纤的第一尾纤对接在一起；第一段微光纤设置于某气室内，第一段微光纤两端通过契合的钻孔穿出所述某气室，与所述某气室密封连接，其中所述某气室内的气体为目标探测气体，利用所述某气室内的目标探测气体吸收从第一段微光纤输入端输入的中红外光；第二段微光纤用于三次谐波产生，以将剩余的中红外光转换为近红外光；
在第一段微光纤的输入端输入中红外光，利用第一段微光纤产生的大倏逝场与所述某气室中对应于中红外吸收指纹谱的目标探测气体相互作用，使第一段微光纤中的部分中红外光被目标探测气体吸收；然后剩余的中红外光从第一段微光纤的输出端输出；
剩余的中红外光从第一段微光纤的输出端输出后进入第二段微光纤内，在满足三次谐波产生的相位匹配条件下，第二段微光纤内的中红外光转换为位于近红外波段的三次谐波，并在第二段微光纤的输出端输出；近红外探测器在第二段微光纤的输出端检测出近红外波段的三次谐波的功率P3＝▽·P1，其中▽是与三次谐波产生相关的耦合模式方程的解相关的影响因子；
根据中红外光的输入功率、第一段微光纤内剩余的中红外光的输出功率和第二段微光纤输出的近红外波段的三次谐波的功率，进而根据被所述目标探测气体吸收到的中红外光的吸收功率得到所述目标探测气体的浓度C；
所测目标探测气体浓度C的计算公式为：其中，ΔP为近红外探测器所检测出的目标探测气体浓度为0时第二段微光纤的输出功率与目标探测气体浓度为C时第二段微光纤的输出功率的功率差，即ΔP＝P3(C＝0)-P3(C＝C)。
进一步地，第一锥形光纤和第二锥形光纤的材料均为As2Se3玻璃；第二尾纤直径与标准光纤直径相同，即为125μm。
进一步地若所述某气室内充入的目标探测气体不同，在中红外吸收指纹谱上对应不同的吸收波长，则在第一段微光纤的输入端输入不同波长的中红外光。
进一步地，若某气室内的目标探测气体不同，则第一段微光纤和第二段微光纤的长度和直径也不同，即目标探测气体的不同，两段微光纤的长短和直径也会对应改变。
进一步地，选定了近红外探测器后，第一段微光纤的长度为该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器达到最小探测极限时对应的长度，第二段微光纤的长度为近红外波段三次谐波输出功率最大时对应的长度；第一段微光纤的直径由倏逝场与三次谐波产生相位匹配条件共同决定，在避开三次谐波产生的相位匹配条件下，倏逝场最大时对应的直径即为第一段微光纤的直径；满足三次谐波产生的相位匹配条件时对应的直径则为第二段微光纤的直径。
进一步地，所述目标探测气体为甲烷气体时，所述某气室则为甲烷气室；此时第一段微光纤输入端对应输入的中红外光的波长为3300nm；第二段微光纤中转换的近红外光的波长为1100nm。
进一步地，基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器所能检测到的最小气体浓度由气体吸收长度和近红外探测器性能决定；其中，所述气体吸收长度为第一段微光纤的长度，对于确定的近红外探测器，基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的最小探测极限对应的长度为最佳气体吸收长度，参数ΔP与近红外探测器性能相关。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：传感结构简单，具有更短的气体吸收长度和更高的气体探测灵敏度，检测成本低，检测速度快，检测精度高，利于集成。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的结构图；
图2是本发明实施例中纤芯直径与光波的有效折射率及限制因子的关系图；
图3是本发明实施例中第二段微光纤中中红外光(3300nm)与三次谐波(1100nm)的功率演化过程的示意图；
图4是本发明实施例中三次谐波功率在第二段微光纤中随传播距离增大的演化过程；
图5是本发明实施例中探测极限与第一段微光纤长度L1的关系；
图6是本发明实施例中第一段微光纤和第二段微光纤的归一化输出功率及灵敏度与甲烷气体的浓度C的关系；
图7是本发明实施例中中红外传感与级联微光纤传感灵敏度相同时的甲烷气体浓度与气体吸收段微光纤长度L1的关系。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，由输出端近红外光功率在所述某气室内目标探测气体浓度为0与非0时的功率变化来反映所述某气室内的目标探测气体的浓度。
对于所述某气室中不同的目标探测气体，其输入中红外光波长不同，根据第一段微光纤直径由倏逝场相关的限制因子与三次谐波产生的相位匹配条件决定，第二段微光纤直径由三次谐波产生的相位匹配条件决定，对于输入的不同波长的中红外光，基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的两段微光纤的直径不同。第二段微光纤的最佳长度为三次谐波输出功率最大时对应的长度；第一段微光纤长度的最佳长度为当近红外探测器确定后基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的最小探测极限对应的长度；不同的目标探测气体，两段微光纤的最佳长度不同。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的结构图，包括：第一锥形光纤和第二锥形光纤，第一锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第一段微光纤(GA段)、第二过渡区和第二尾纤，第二锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第二段微光纤(THG段)、第二过渡区和第二尾纤；第一锥形光纤与第二锥形光纤间级联，即第一锥形光纤的第二尾纤与第二锥形光纤的第一尾纤对接在一起；过渡区的形状类似于锥形，过渡区连接第一尾纤或者第二尾纤；第二尾纤直径与标准光纤直径相同，即为125μm。第一锥形光纤和第二锥形光纤的材料均为As2Se3玻璃，As2Se3玻璃的非线性折射率系数为2.4×10-17m2/W。第一段微光纤设置于含有目标探测气体的某气室内，第一段微光纤两端通过契合的钻孔穿出所述某气室，与所述某气室密封连接，其中所述某气室内的气体为目标探测气体，利用所述某气室内的目标探测气体吸收从第一段微光纤输入端输入的中红外光(MIR)；第二段微光纤用于三次谐波产生(THG)，以将剩余的中红外光转换为近红外光；第一段微光纤长度为L1，第二段微光纤长度为L2；若所述某气室内充入的目标探测气体不同，在中红外吸收指纹谱上对应不同的吸收波长，则在第一段微光纤的输入端输入不同波长的中红外光。若某气室内的目标探测气体不同，则第一段微光纤和第二段微光纤的长度和直径也不同，即目标探测气体的不同，两段微光纤的长度和直径也会对应改变。第一段微光纤的直径由倏逝场与三次谐波产生相位匹配条件共同决定，在避开三次谐波产生的相位匹配条件下，倏逝场越大越好；第二段微光纤的直径则由三次谐波产生的相位匹配条件决定，因为第二段微光纤没有浸入目标探测气体内，所以第二段微光纤内的中红外光或近红外光不会被吸收，即倏逝场不会影响第二段微光纤内的中红外光或近红外光。所以，第一段微光纤的长度为该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器达到最小探测极限时对应的长度，第二段微光纤的长度为近红外波段三次谐波输出功率最大时对应的长度(也就是在选定近红外探测器后，第二段微光纤的长度为近红外探测器的探测的输出功率最大时对应的长度)；第一段微光纤的直径由倏逝场与三次谐波产生相位匹配条件共同决定，在避开三次谐波产生的相位匹配条件下，倏逝场最大时对应的直径即为第一段微光纤的直径；满足三次谐波产生的相位匹配条件时对应的直径则为第二段微光纤的直径。
本实施例以甲烷气体为例，即某气室为甲烷气室，目标探测气体为甲烷气体；甲烷气体在中红外吸收指纹谱上对应的吸收波长为3300nm，吸收系数为1.6/cm，所以第一段微光纤的输入中红外光波长λ1为3300nm，第二段微光纤输出端输出的近红外光波长λ3为1100nm。检测甲烷气体的浓度时，第一段微光纤的长度L1和纤芯直径分别为2.9cm和750nm；第二段微光纤长度L2和纤芯直径分别为9.5cm和545nm。
在第一段微光纤的输入端输入波长λ1为3300nm的中红外光，在经过第一段微光纤后，部分中红外光被甲烷气体吸收；然后剩余的中红外光从第一段微光纤的输出端输出后进入第二段微光纤内；剩余的中红外光从第一段微光纤的输出端输出的输出功率P1＝P0exp(-σCΓL1-αL1)，其中，P0是中红外光的输入功率，σ是100％甲烷气体的吸收系数，C是第一段微光纤中甲烷气体的浓度，α是衰减系数，Γ是与倏逝场相关的限制因子，L1为第一段微光纤的长度2.9cm；在满足相位匹配条件下，第二段微光纤内的中红外光经过三次谐波产生，转换为近红外光，并在第二段微光纤的输出端输出；近红外探测器在第二段微光纤的输出端检测出近红外波段的三次谐波的功率P3＝▽·P1，其中▽是与三次谐波产生相关的耦合模式方程的解相关的影响因子。
根据中红外光的输入功率、第一段微光纤内剩余的中红外光的输出功率和近红外波段的三次谐波的功率，进而根据被所述目标探测气体吸收到的中红外光的吸收功率得到所述目标探测气体的浓度C；
所探目标探测气体浓度C的计算公式为：其中，ΔP为近红外探测器所检测出的目标探测气体浓度为0时第二段微光纤的输出功率与目标探测气体浓度为C时第二段微光纤的输出功率的功率差，即ΔP＝P3(C＝0)-P3(C＝C)。
基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器所能检测到的最小气体浓度由气体吸收长度和近红外探测器性能决定；其中，所述气体吸收长度为第一段微光纤的长度，对于确定的近红外探测器，基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的最小可探测气体浓度对应的长度为最佳气体吸收长度，参数ΔP与近红外探测器性能相关。两段微光纤的直径分别由与倏逝场相关的限制因子和THG相位匹配条件共同确定，限制因子和相位匹配条件可分别确保甲烷气体对中红外光的充分吸收和高效的THG。对于THG，假设自相位调制和交叉相位对传播常数的校正很小，其相位匹配条件等效于基波(FW)的有效折射率等于三次谐波(THW)的有效折射率。在本实施例中的基波为中红外光，三次谐波为近红外光。
请参考图2，图2是本发明实施例中纤芯直径与波的有效折射率及限制因子的关系图，图2(a)给出了在As2Se3微光纤中，FW(λ1＝3300nm)的基模HE11(ω)与THW(λ3＝1100nm)的高阶模之间的色散关系，也就是FW(λ1＝3300nm)的基模HE11(ω)与THW(λ3＝1100nm)的高阶模的有效折射率随纤芯直径变化的变化。对于FW和THW的相位匹配条件，理想情况下，应该是FW的基模和THW的基模之间的相位匹配。但是，由于材料色散的存在，这很难实现。相反，大量的高阶模可满足相位匹配条件。然而，这些高阶模与FW具有不同的模式重叠。THW的HE12(3ω)模式为三次谐波产生提供最佳模式重叠，此时对应的光纤直径为545nm，所以第二段微光纤的纤芯直径设置为545nm。与第二段微光纤不同，第一段微光纤需要在没有非线性转换的情况下进行甲烷气体吸收中红外光的过程，因此第一段微光纤应避免满足相位匹配条件。但是，为了甲烷气体能在第一段微光纤内高效地吸收中红外光，需要大的倏逝场。倏逝场由限制因子表征，反映的是气体和模式之间的重叠程度。对于3300nm波长的中红外光而言，不同纤芯直径对应的限制因子如图2(b)所示，由图2(b)可知，随着纤芯直径的增加，限制因子则逐渐减小；当纤芯直径在0.5-1μm范围内时，限制因子急剧下降；当纤芯直径继续增加时，限制因子往往可以忽略不计，这是因为光场被高度限制在逐渐增大的纤芯中，倏逝场就小了。考虑到这些因素，为了增强中红外光与甲烷气体的相互作用，第一段微光纤的纤芯直径设置为750nm，对应的限制因子为0.733，此时能够同时满足产生大的倏逝场和相位不匹配的条件。
对于该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，3300nm波长的中红外光被输入到硫属化物光纤中，然后沿着第一段微光纤传播。根据Beer-Lambert定律，由公式(1)得到中红外光经过第一段微光纤后的输出功率P1：
P1＝P0exp(-σCΓL1-αL1) (1)
其中P0是中红外光输入进第一段微光纤的输入功率，σ(甲烷气体对3300nm波长的中红外光的吸收系数为1.6/cm)是100％气体的吸收系数，C是需要检测的甲烷气体的浓度，α＝αdB/4.343，α是衰减系数，αdB是微光纤的损耗，Γ是与倏逝场相关的限制因子。
三次谐波产生THG通过耦合模式方程(2)进行建模：
其中，A1和A3分别是对应于FW和THW的幅度，z是光的传播距离，α1＝αdB/4.343，α3＝αdB/4.343分别是FW和THW的衰减系数，δβ＝β3-3β1是传播常数失配，k1＝ω1/c＝2π/λ1是FW在空气中的传播常数，n2是纤维材料的非线性折射率系数，i表示虚部，A*和J*分别为A和J的共轭；Ji是非线性重叠积分，对于基模HE11(ω)和模式HE12(3ω)而言，J1＝0.053μm-2，J2＝0.073μm-2，J3＝0.057μm-2，J5＝0.011μm-2。
第一段微光纤的输出功率是第二段微光纤的输入功率。因此，在第二段微光纤中，A1和A3的初始值分别为P1 1/2和0。当中红外光在第二段微光纤中传播时，FW的能量逐渐转换到THW中。从图3中可以看出，随着0.1W输入功率的中红外光的输入，THW的功率增加到最大值，然后逐渐减小到0。所产生的1.34μW的最大THW的输出功率可由高效的近红外探测器进行探测得到。
探测极限(LOD)为该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器可测量的最小气体浓度(Cmin)，由最小可探测功率(Pmin)确定。Pmin由气体浓度为0时的输出功率P(C＝0)与气体浓度为最小可探测浓度时的输出功率P(C＝Cmin)的差值表示，如公式(3)所示：
Pmin≤P(C＝0)-P(C＝Cmin) (3)
其中，Pmin的大小由光电探测器的性能决定。
假设中红外光(MIR)探测的功率分辨率为1×10-9W，而近红外光(NIR)探测的功率分辨率为1×10-13W。
该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器中的另一个重要参数是探测灵敏度S，探测灵敏度S由公式(4)求得：
其中，C是甲烷气体的浓度，P为归一化功率，即P＝P(C＝C)/P(C＝0)，这提供了图1中MIR探测和NIR探测之间探测灵敏度的可比性；本实施例中的MIR探测对应的是MIR直接传感器的输出功率探测，NIR探测对应的是基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的输出功率探测。
由于生成的三次谐波(THW)的功率很小(|A3|<<|A1|)，耦合模式方程(2)的近似解可表示为：
P3≈P1 3(k1n2|J3|)2z2 (5)
其中，P3是三次谐波(THW)的输出功率；
利用公式(6)和公式(7)分别计算与该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器中的MIR探测和NIR探测的归一化功率相关的灵敏度：
SMIR＝δΓL1exp(-δΓCL1) (6)
SNIR＝3δΓL1exp(-3δΓCL1) (7)
当目标探测气体浓度极低时，对于相同的气体的浓度C和第一段微光纤长度L1而言，NIR探测的灵敏度是MIR探测的3倍，并且NIR探测的灵敏度与第二段微光纤长度L2无关，对该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的性能进行分析，考虑到硫属化物光纤的损伤阈值，将输入功率固定为0.1W，3300nm和1100nm波长的光纤损耗αdB＝0.5dB/cm。
如图4所示，不同的第一段微光纤长度L1，第二段微光纤中近红外光的输出功率不同；随着第一段微光纤长度L1的增加，会有更多的甲烷气体吸收中红外光，在相同的光的传播距离z值下，近红外光的输出功率下降。不同的第一段微光纤长度L1对应的四条曲线具有相同的变化趋势，在第二段微光纤长度L2＝9.5cm时，第二段微光纤具有最大的近红外光输出功率。定义最佳长度(Lopt)为最小探测极限对应的微光纤长度，基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器检测甲烷气体的浓度时，第二段微光纤的最佳长度Lopt为9.5cm。
在确定了第二段微光纤的最佳长度后，第一段微光纤长度L1不同处的该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的探测极限(LOD)同样需要被确定出来。为了与MIR直接传感进行比较，计算了MIR直接传感的最小探测极限。如图5所示，对于MIR直接传感和基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，随着第一段微光纤长度L1的增加，LOD都是先减小后增大，这表明存在最佳第一段微光纤长度L1。MIR直接传感和基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的最小探测极限分别为2.7×10-9和3.50×10-9。相应地，用于MIR直接传感的气体吸收部分的Lopt为8.7cm，而用于基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的第一段微光纤的Lopt为2.9cm，基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的第一段微光纤长度是MIR直接传感的气体吸收部分的微光纤长度的1/3。因此，MIR直接传感的最小LOD略小于基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的LOD，但基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器的Lopt小于MIR直接传感的Lopt。
在本实施例中的基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器检测甲烷气体的浓度时，在满足最佳长度L1＝2.9cm和L2＝9.5cm条件下，MIR探测和NIR探测的灵敏度和归一化功率如图6所示。随着甲烷气体的浓度C增加，MIR探测和NIR探测的归一化输出功率逐渐减小，但基于级联微光中三次谐波产生的气体传感的输出功率的变化在低浓度时更剧烈，导致NIR探测具有更高的灵敏度，如图6(b)所示，甲烷气体的浓度小于0.16时，NIR探测具有更高的灵敏度。当C趋于0时，NIR探测的灵敏度是MIR探测的3倍，这与式(6)和式(7)的结果相同。因此，所提出的该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器更适合于低浓度的气体检测。
如图7所示，图7为甲烷气体吸收长度L1不同时对应的临界浓度，临界浓度指的是，当MIR探测和NIR探测的灵敏度相等时甲烷气体的浓度；由于第二段微光纤长度L2对于公式(4)中的归一化功率灵敏度没有影响，所以第二段微光纤长度L2固定在9.5厘米。当第一段微光纤长度L1增加时，临界浓度降低并趋于0，这意味着当甲烷气体的吸收长度足够大时，该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器在检测灵敏度方面的优势逐渐消失。然而，微光纤的长度受制造技术的限制。因此，本发明所提出的气体传感方案可减少气体吸收长度，也就是第一段微光纤的长度。
本发明并非仅限于甲烷气体传感，是适用于位于中红外吸收指纹谱的所有气体传感。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：传感结构简单，具有更短的气体吸收长度和更高的气体探测灵敏度，检测成本低，检测速度快，检测精度高，利于集成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，其特征在于：包括第一锥形光纤和第二锥形光纤，第一锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第一段微光纤、第二过渡区和第二尾纤，第二锥形光纤包括第一尾纤、第一过渡区、第二段微光纤、第二过渡区和第二尾纤；第一锥形光纤与第二锥形光纤之间级联，即第一锥形光纤的第二尾纤与第二锥形光纤的第一尾纤对接在一起；第一段微光纤设置于某气室内，第一段微光纤两端通过契合的钻孔穿出所述某气室，与所述某气室密封连接，其中所述某气室内的气体为目标探测气体，利用所述某气室内的目标探测气体吸收从第一段微光纤输入端输入的中红外光；第二段微光纤用于三次谐波产生，以将剩余的中红外光转换为近红外光；
在第一段微光纤的输入端输入中红外光，利用第一段微光纤产生的大倏逝场与所述某气室中对应于中红外吸收指纹谱的目标探测气体相互作用，使第一段微光纤中的部分中红外光被目标探测气体吸收；然后剩余的中红外光从第一段微光纤的输出端输出；
剩余的中红外光从第一段微光纤的输出端输出后进入第二段微光纤内，在满足三次谐波产生的相位匹配条件下，第二段微光纤内的中红外光转换为位于近红外波段的三次谐波，并在第二段微光纤的输出端输出；近红外探测器在第二段微光纤的输出端检测出近红外波段的三次谐波的功率其中▽是与三次谐波产生相关耦合模式方程的解相关的影响因子；
根据中红外光的输入功率和第二段微光纤输出的近红外波段的三次谐波的功率，进而根据被所述目标探测气体吸收到的中红外光的吸收功率得到所述目标探测气体的浓度C；
所测目标探测气体浓度C的计算公式为：其中，ΔP为近红外探测器所检测出的目标探测气体浓度为0时第二段微光纤的输出功率与目标探测气体浓度为C时第二段微光纤的输出功率的功率差，即ΔP＝P3(C＝0)-P3(C＝C)。
2.如权利要求1所述的一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，其特征在于：第一锥形光纤和第二锥形光纤的材料均为As2Se3玻璃；第一尾纤直径和第二尾纤直径均与标准光纤直径相同，即为125μm。
3.如权利要求1所述的一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，其特征在于：若所述某气室内充入的目标探测气体不同，在中红外吸收指纹谱上对应不同的吸收波长，则在第一段微光纤的输入端输入不同波长的中红外光。
4.如权利要求1所述的一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，其特征在于：若某气室内的目标探测气体不同，则第一段微光纤和第二段微光纤的长度和直径也不同，即目标探测气体的不同，两段微光纤的长短和直径也会对应改变。
5.如权利要求4所述的一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，其特征在于：选定了近红外探测器后，第一段微光纤的长度为该基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器达到最小探测极限时对应的长度，第二段微光纤的长度为近红外波段三次谐波输出功率最大时对应的长度；第一段微光纤的直径由倏逝场与三次谐波产生相位匹配条件共同决定，在避开三次谐波产生的相位匹配条件下，倏逝场最大时对应的直径即为第一段微光纤的直径；满足三次谐波产生的相位匹配条件时对应的直径则为第二段微光纤的直径。
6.如权利要求1所述的一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，其特征在于：所述目标探测气体为甲烷气体时，所述某气室则为甲烷气室；此时第一段微光纤输入端对应输入的中红外光的波长为3300nm；第二段微光纤中转换的近红外光的波长为1100nm。
7.如权利要求1所述的一种基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器，其特征在于：基于级联微光纤中三次谐波产生的气体传感器所能检测到的最小气体浓度由气体吸收长度和近红外探测器性能决定；其中，所述气体吸收长度为第一段微光纤的长度。
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