帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括由依次連接的激光二極管泵浦源、第一波分復(fù)用器、有源光纖和第一布拉格光纖光柵和第二布拉格光纖光柵構(gòu)成的分別發(fā)射第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)激光光束的光纖激光器，光隔離器、將光束進(jìn)行功率分束的耦合器，分束后的光束分別通入到參考?xì)馐液蜋z測(cè)氣室，連接參考?xì)馐业牡诙ǚ謴?fù)用器以及連接檢測(cè)氣室的第三波分復(fù)用器；第一和第二光電檢測(cè)器，連接至所述第二波分復(fù)用器；第三和第四光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，生成第一至第四光強(qiáng)度信號(hào)；反饋控制單元，接收第一至第四光強(qiáng)度信號(hào)，并將比較結(jié)果作為反饋信號(hào)調(diào)節(jié)光纖激光器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光器領(lǐng)域，特別涉及一種用于實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量的、帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]每種氣體分子都有自己的特征吸收譜，因此當(dāng)光源的發(fā)射譜與氣體吸收譜重疊時(shí)，可以利用由窄帶光源或激光光源發(fā)出的光通過(guò)測(cè)量氣體，通過(guò)對(duì)透射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定氣體的濃度。由于一般光源的譜線(xiàn)寬度較寬，而某些氣體的吸收譜線(xiàn)非常窄，因而經(jīng)過(guò)氣室后引起的光功率變化不明顯，導(dǎo)致測(cè)量靈敏度不會(huì)很高。而激光光源具有較窄的輸出譜線(xiàn)，適合對(duì)對(duì)多種氣體進(jìn)行測(cè)量。
[0003]激光由于其高單色性(窄譜線(xiàn))、高亮度和高方向性等獨(dú)特的優(yōu)越性而在現(xiàn)代光譜學(xué)中占有重要地位，發(fā)展成為新的激光光譜技術(shù)學(xué)科，已在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及環(huán)境學(xué)、生物及醫(yī)療學(xué)、物理、化學(xué)及材料學(xué)和天體物理學(xué)等各種研究和工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)中起到了重大應(yīng)用價(jià)值。
[0004]激光用于氣體檢測(cè)在環(huán)境檢測(cè)和分析以及各種工業(yè)過(guò)程控制等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。每種氣體分子都有其特征吸收譜線(xiàn)，因此利用激光窄線(xiàn)寬的特點(diǎn)可以檢測(cè)某些特定的氣體的含量。激光用于氣體檢測(cè)常用的方法之一就是把激光的發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)節(jié)或鎖定在氣體的特征吸收譜線(xiàn)上，讓激光通過(guò)該氣體腔，通過(guò)測(cè)量該激光通過(guò)氣體腔后的衰減而測(cè)定該氣體的含量。這種測(cè)試方法具有原理直觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，然而由于一般光源的譜線(xiàn)寬度較寬，而某些氣體的吸收譜線(xiàn)非常窄，因而經(jīng)過(guò)氣室后引起的光功率變化不明顯，導(dǎo)致測(cè)量靈敏度不會(huì)很高，受到一定的限制，尤其是對(duì)微含量的氣體檢測(cè)比較困難。
[0005]傳統(tǒng)的差分吸收法是基于共光路的二束光通過(guò)同一被測(cè)氣體腔。其中一路激光的輸出波長(zhǎng)與氣體的特征吸收譜線(xiàn)相同。而相鄰的另一激光輸出波長(zhǎng)選擇靠近被測(cè)氣體的吸收譜線(xiàn)，但不在其吸收譜線(xiàn)上，用于作為參考光以消除光路中光強(qiáng)的不穩(wěn)定性。但這種測(cè)量方案并不能消除由于檢測(cè)光的波長(zhǎng)不穩(wěn)定帶來(lái)的測(cè)量誤差，而這種誤差在實(shí)際測(cè)量中是不可忽略的。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)差分吸收法進(jìn)行了改進(jìn)，常用的改進(jìn)方法均是通過(guò)對(duì)激光器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電流和穩(wěn)定溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定波長(zhǎng)，但這種方法是被動(dòng)式的調(diào)節(jié)的，不能?chē)?yán)格消除激光器的波動(dòng)，因此改進(jìn)的效果并不理想。
[0006]光纖激光器是近年來(lái)迅速發(fā)展的新型激光器。光纖激光器由于采用光纖波導(dǎo)作為增益介質(zhì)，光纖光柵作為反饋鏡形成集成化光纖諧振腔，使得它具有結(jié)構(gòu)緊湊小巧、激光線(xiàn)寬窄、光束質(zhì)量高、激光系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、免維修等獨(dú)特的優(yōu)越性，已對(duì)激光行業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊?；诠饫w激光器開(kāi)發(fā)現(xiàn)代光譜組成測(cè)試分析系統(tǒng)不僅將對(duì)激光光譜學(xué)發(fā)展具有重要意義而且使得光纖激光光譜分析系統(tǒng)更加便攜化，方便于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)使用?；诠饫w激光器開(kāi)發(fā)現(xiàn)代光譜組成測(cè)試分析系統(tǒng)不僅將對(duì)激光光譜學(xué)發(fā)展具有重要意義而且使得激光光譜分析系統(tǒng)更加便攜化，方便于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)使用。因此，能否利用激光器的結(jié)構(gòu)緊湊、可發(fā)射窄譜線(xiàn)激光輸出等一系列獨(dú)特的優(yōu)越性來(lái)應(yīng)用于氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。由此使得需要一種能利用激光器的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量的方法，同時(shí)兼具高靈敏高精度的氣體檢測(cè)方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括由依次連接的激光二極管泵浦源、第一波分復(fù)用器、有源光纖和第一布拉格光纖光柵和第二布拉格光纖光柵構(gòu)成的分別發(fā)射第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)激光光束的光纖激光器，所述第一波長(zhǎng)不同于所述第二波長(zhǎng)，所述第一波長(zhǎng)與待測(cè)氣體的特征吸收譜線(xiàn)相同；與所述第一波分復(fù)用器耦合連接的光隔離器，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸；與所述光隔離器連接的耦合器，用于將經(jīng)所述第一波分復(fù)用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成兩路輸出；參考?xì)馐?，通入與待測(cè)氣體成分一致且濃度已知的參考?xì)怏w，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第一路輸出光束并使其通過(guò)參考?xì)怏w；檢測(cè)氣室，通入待測(cè)氣體，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第二路輸出光束并使其通過(guò)待測(cè)氣體；連接所述參考?xì)馐业牡诙ǚ謴?fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述參考?xì)馐业墓馐凑账龅谝徊ㄩL(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束；連接所述檢測(cè)氣室的第三波分復(fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述檢測(cè)氣室的光束按照所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束；第一光電檢測(cè)器，連接至所述第二波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第一光強(qiáng)度信號(hào)；第二光電檢測(cè)器，連接至所述第二波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第二光強(qiáng)度信號(hào)；第三光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第三光強(qiáng)度信號(hào)；第四光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第四光強(qiáng)度信號(hào)；反饋控制單元，接收所述第一光強(qiáng)度信號(hào)、第二光強(qiáng)度信號(hào)、第三光強(qiáng)度信號(hào)和第四光強(qiáng)度信號(hào)并進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)調(diào)節(jié)所述泵浦源和第一布拉格光纖光柵。
[0008]優(yōu)選地，所述寬帶耦合器按照I: I的功率比例分配兩路輸出。
[0009]優(yōu)選地，所述反饋控制單元的反饋控制方法包括如下步驟：a)判斷所述光纖激光器的輸出是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定，輸出第一反饋控制信號(hào)調(diào)節(jié)所述泵浦源的功率輸出直至穩(wěn)定；b)判斷所述第一波長(zhǎng)的信號(hào)模式的波長(zhǎng)范圍是否覆蓋待測(cè)氣體的特征譜線(xiàn)，若不覆蓋，則輸出第二反饋控制信號(hào)調(diào)節(jié)所述第一布拉格光纖光柵直至覆蓋；c)判斷所述第二光強(qiáng)度信號(hào)和第四光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度是否有差異，若有則將所述差異信號(hào)用于第一光強(qiáng)度信號(hào)和第三光強(qiáng)度信號(hào)的補(bǔ)償；和(1)比較所述第一光強(qiáng)度信號(hào)和第三光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，得到待測(cè)氣體與參考?xì)怏w的濃度大小關(guān)系。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟b)中通過(guò)比較所述第一或第三光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度值是否顯著小于第二或第四光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷是否覆蓋。
[0011]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括貼附在所述第一布拉格光纖光柵上的激光器控制單元，通過(guò)所述第二反饋控制信號(hào)來(lái)控制所述激光器控制單元的形變從而改變所述激光器的諧振腔腔長(zhǎng)。
[0012]優(yōu)選地，所述激光器控制單元采用PZT壓電陶瓷或TE溫控單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0013]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括球面透鏡，用于分別將所述光束耦合進(jìn)入?yún)⒖細(xì)馐液蜋z測(cè)氣室并耦合出射。
[0014]優(yōu)選地，所述第二波長(zhǎng)靠近被測(cè)氣體的吸收譜線(xiàn)，但其波長(zhǎng)與所述第一波長(zhǎng)相隔一段距離。
[0015]優(yōu)選地，所述有源光纖為摻鉺光纖、摻鐿光纖、或鉺鐿共摻光纖。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括由依次連接的激光二極管泵浦源、第一波分復(fù)用器、有源光纖和布拉格光纖光柵構(gòu)成的發(fā)射第一波長(zhǎng)激光光束的光纖激光器，發(fā)出與所述第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)的激光光源，所述第一波長(zhǎng)與待測(cè)氣體的特征吸收譜線(xiàn)相同；與所述第一波分復(fù)用器耦合連接的第一光隔離器，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸；與所述激光光源耦合連接的第二光隔離器，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸；與所述第一和第二光隔離器連接的第二波分復(fù)用器，用于將第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)的光束信號(hào)合成一束進(jìn)行輸出；與所述第二波分復(fù)用器連接的耦合器，用于將經(jīng)所述第二波分復(fù)用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成兩路輸出；參考?xì)馐?，通入與待測(cè)氣體成分一致且濃度已知的參考?xì)怏w，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第一路輸出光束并使其通過(guò)參考?xì)怏w；檢測(cè)氣室，通入待測(cè)氣體，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第二路輸出光束并使其通過(guò)待測(cè)氣體；連接所述參考?xì)馐业牡谌ǚ謴?fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述參考?xì)馐业墓馐凑账龅谝徊ㄩL(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束；連接所述檢測(cè)氣室的第四波分復(fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述檢測(cè)氣室的光束按照所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束；第一光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第一光強(qiáng)度信號(hào)；第二光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第二光強(qiáng)度信號(hào)；第三光電檢測(cè)器，連接至所述第四波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第三光強(qiáng)度信號(hào)；第四光電檢測(cè)器，連接至所述第四波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第四光強(qiáng)度信號(hào)；反饋控制單元，接收所述第一光強(qiáng)度信號(hào)、第二光強(qiáng)度信號(hào)、第三光強(qiáng)度信號(hào)和第四光強(qiáng)度信號(hào)并進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)調(diào)節(jié)所述泵浦源、布拉格光纖光柵和激光光源。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)可以利用光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊、可發(fā)射窄譜線(xiàn)激光輸出的獨(dú)特優(yōu)越性來(lái)應(yīng)用于氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域，同時(shí)利用了反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了高靈敏高精度的氣體檢測(cè)方法，并消除了由于測(cè)量環(huán)境的漂移產(chǎn)生的測(cè)量誤差。該方法和系統(tǒng)不僅僅局限于對(duì)氣體含量的高靈敏度檢測(cè)，也可容易地推廣到對(duì)其它物質(zhì)材料的高靈敏度檢測(cè)和材料分析中。
[0018]應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉粦?yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：
[0020]圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明的反饋控制單元的反饋控制方法的流程圖；[0023]圖4示出了本發(fā)明的反饋調(diào)節(jié)激光器輸出波長(zhǎng)漂移的反饋的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類(lèi)似的部件，或者相同或類(lèi)似的步驟。
[0025]通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0026]針對(duì)本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0027]本發(fā)明提供了一種基于分布反饋式(Distributed Feed Back, DFB)光纖激光器的具有主動(dòng)修正和主動(dòng)穩(wěn)頻功能的測(cè)量氣體濃度的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是使用半導(dǎo)體激光器作為DFB光纖激光器的泵浦源，發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光，采用波分復(fù)用器(WavelengthDivision Multiplexer, WDM)將激光耦合進(jìn)入耦合器，耦合器將輸入光分為兩束后分別進(jìn)入?yún)⒖細(xì)馐液蜏y(cè)量氣室進(jìn)行差分對(duì)比。結(jié)合光電探測(cè)器接收透射光束，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析和處理，對(duì)DFB光纖激光器實(shí)現(xiàn)反饋控制。本發(fā)明通過(guò)引入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)腔，在該標(biāo)準(zhǔn)腔內(nèi)充有與被測(cè)氣體相同的氣體，并已知其濃度，并完全密封。利用光纖激光器輸出的激光，使其耦合后分別經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體腔和標(biāo)準(zhǔn)腔，從標(biāo)準(zhǔn)腔輸出的信號(hào)一方面用于與對(duì)被測(cè)腔的輸出進(jìn)行比對(duì)進(jìn)行主動(dòng)修正，另一方面可用于對(duì)檢測(cè)光的波長(zhǎng)進(jìn)行主動(dòng)穩(wěn)頻。該系統(tǒng)消除了光強(qiáng)波動(dòng)和外界干擾對(duì)測(cè)量所造成的干擾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被檢測(cè)氣體的精確測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)特別適合于某些特定場(chǎng)合的微量氣體含量的閾值檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)氣體安全報(bào)警。
[0028]本發(fā)明充分利用光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊，可發(fā)射多個(gè)窄譜線(xiàn)激光輸出等一系列獨(dú)特的優(yōu)越性，采用分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器，它是具有優(yōu)良選頻特性的單縱模半導(dǎo)體激光器(Laser Diode)，DFB-LD光源可以單縱模運(yùn)行，輸出激光譜線(xiàn)窄，且線(xiàn)寬可達(dá)幾十千赫茲，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的驅(qū)動(dòng)電流或溫度使激光的工作波長(zhǎng)精確地對(duì)準(zhǔn)被測(cè)氣體的特征吸收峰，從而獲得很高的測(cè)量精度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的具有高靈敏高精度的氣體檢測(cè)方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)不僅僅局限于對(duì)氣體含量的高靈敏度檢測(cè)，也可容易地推廣到對(duì)其它物質(zhì)材料的高靈敏度檢測(cè)和材料分析中。
[0029]常用的光譜吸收檢測(cè)滿(mǎn)足比爾-朗伯定律:
[0030]I ( λ ) =10 ( λ ) exp [- α ( λ ) CL] (I)
[0031]其中，I為光通過(guò)被檢測(cè)介質(zhì)后的透射光強(qiáng)，10為輸入到被測(cè)介質(zhì)的光強(qiáng)，α為摩爾分子吸收系數(shù)，C是被測(cè)介質(zhì)的濃度，L為被測(cè)氣體吸收路徑的長(zhǎng)度。一般已知入射光的光強(qiáng)Itl，該被測(cè)氣體在其特征譜線(xiàn)的吸收系數(shù)α，以及用于對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行測(cè)量的氣體采樣腔的長(zhǎng)度L，則通過(guò)測(cè)量該特定波長(zhǎng)的激光通過(guò)氣體吸收腔后的光信號(hào)衰減就可以測(cè)量出該氣體的濃度C。
[0032]而一般光在傳輸光路中都會(huì)有各種干擾因素，如光路振動(dòng)、激光輸出波長(zhǎng)的不穩(wěn)定等各種因素。都會(huì)嚴(yán)重干擾實(shí)際測(cè)量結(jié)果，考慮到這些因素的影響，光譜吸收檢測(cè)的原理可修正為：
[0033]I ( λ ) =I0( λ )K( λ ) exp [- α ( λ ) CL+ β ( λ ) ] (2)
[0034]其中Κ(λ)為光源和光源傳輸路徑的波動(dòng)，β (λ)為由于激光光譜波動(dòng)而引起的測(cè)量不確定性，因而采用通常的吸收法測(cè)量氣體濃度就是如何有效減少Κ(λ)和β (λ)對(duì)測(cè)量的影響。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)將激光器的中心波長(zhǎng)和氣體吸收峰中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量光經(jīng)過(guò)氣體時(shí)的損耗就可以檢測(cè)氣體的濃度。由于氣體的吸收峰很窄，光源波長(zhǎng)隨環(huán)境（溫度，驅(qū)動(dòng)電流等）的漂移將引起光源中心波長(zhǎng)偏離氣體吸收峰中心波長(zhǎng)，被測(cè)氣體本身吸收系數(shù)也可能隨溫度等發(fā)送變化，因而也導(dǎo)致測(cè)量的不穩(wěn)定。因此需要將光源波長(zhǎng)精確地穩(wěn)定在氣體吸收峰中心波長(zhǎng)上，波長(zhǎng)的穩(wěn)定可用根據(jù)下圖所示的本發(fā)明的光源穩(wěn)頻和附加參考?xì)馐业姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)。圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測(cè)系統(tǒng)100包括由依次連接的激光二極管泵浦源101、第一波分復(fù)用器102、有源光纖103、第一布拉格光纖光柵104a和第二布拉格光纖光柵104b構(gòu)成的輸出兩個(gè)波長(zhǎng)不同的激光的DFB光纖激光器、與第一波分復(fù)用器102耦合連接的光隔離器105、連接光隔離器105的耦合器106，耦合器106分別連接有參考?xì)馐?07和檢測(cè)氣室108，參考?xì)馐?07和檢測(cè)氣室108的另一端各自分別連接有第二波分復(fù)用器109和第三波分復(fù)用器110，經(jīng)第二波分復(fù)用器109輸出的光分別輸入到第一光電檢測(cè)器111和第二光電檢測(cè)器112，經(jīng)第三波分復(fù)用器110輸出的光分別輸入到第三光電檢測(cè)器113和第四光電檢測(cè)器114，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)用于分別檢測(cè)經(jīng)過(guò)各個(gè)氣室后的光信號(hào)強(qiáng)度。第一光電檢測(cè)器111、第二光電檢測(cè)器112、第三光電檢測(cè)器113和第四光電檢測(cè)器114的輸出端連接至反饋控制單元115，經(jīng)過(guò)反饋調(diào)節(jié)控制后對(duì)泵浦源101和激光器控制單元116進(jìn)行反饋控制，并通過(guò)比較計(jì)算得到氣體濃度檢測(cè)的結(jié)果。
`[0037]泵浦源101發(fā)出泵浦光通過(guò)第一波分復(fù)用器102 (WDM)耦合進(jìn)入有源光纖103，結(jié)合直接在有源光纖103上寫(xiě)入的第一布拉格光纖光柵104a和第二布拉格光纖光柵104b構(gòu)成諧振腔，從而構(gòu)成兩個(gè)輸出不同波長(zhǎng)激光的DFB光纖激光器。第一波分復(fù)用器102優(yōu)選是1X2的波分復(fù)用器，即允許兩路不同波長(zhǎng)的光在同一光纖中傳輸。
[0038]可以調(diào)節(jié)第一布拉格光纖光柵104a和第二布拉格光纖光柵104b的參數(shù)獲得指定波長(zhǎng)的輸出激光。光纖激光器要求單縱摸輸出，輸出線(xiàn)寬越窄。激光器的輸出線(xiàn)寬與氣體的吸收特征譜線(xiàn)的重合度越好，測(cè)量氣體濃度的精度越高。調(diào)節(jié)第一布拉格光纖光柵104a構(gòu)成的諧振腔發(fā)出第一波長(zhǎng)為λ I的第一光束作為檢測(cè)光束，調(diào)節(jié)第二布拉格光纖光柵104b構(gòu)成的諧振腔發(fā)出第二波長(zhǎng)為λ 2的第二光束作為參考光束。第一波長(zhǎng)X1不同于第二波長(zhǎng)λ2。檢測(cè)光束的第一波長(zhǎng)λ i與待測(cè)氣體的特征吸收譜線(xiàn)相同，而參考光束的第二波長(zhǎng)λ 2靠近被測(cè)氣體的吸收譜線(xiàn)，但其波長(zhǎng)與其吸收譜線(xiàn)相隔一段距離。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)待測(cè)氣體為甲烷氣體時(shí)，其特征吸收譜線(xiàn)為I. 3 μ m，此時(shí)第一光束的第一波長(zhǎng)A1為I. 3 μ m,而第二光束的第二波長(zhǎng)λ 2為I. 5 μ m,與第一波長(zhǎng)λ j間隔O. 2 μ m。
[0039]第一波長(zhǎng)為λ i的第一光束和第二波長(zhǎng)為λ 2的第二光束共同輸出到第一波分復(fù)用器102,從而將載有信息但波長(zhǎng)不同的第一光束和第二光束的光信號(hào)合成一束進(jìn)行輸出。第一波分復(fù)用器102的工作波長(zhǎng)選擇為覆蓋第一光束和第二光束的波長(zhǎng)并與之相同。根據(jù)上文的實(shí)施例，當(dāng)待測(cè)氣體為甲烷氣體時(shí)，第一波分復(fù)用器102的工作波長(zhǎng)可以是1310/1550nm附近。第一波分復(fù)用器102優(yōu)選是1X2的波分復(fù)用器，即允許兩路不同波長(zhǎng)的光在同一光路中傳輸。
[0040]有源光纖103可以選用較短長(zhǎng)度(例如在厘米數(shù)量級(jí))，優(yōu)選摻雜有稀土元素并具有較高的摻雜濃度(例如鉺鐿共摻，峰值吸收在40± 10dB/m@1535nm)，以降低系統(tǒng)的泵浦閾值。布拉格光纖光柵104具有較高的反射率(針對(duì)特定波長(zhǎng)的反射率在90%以上)以減少激光輸出縱模個(gè)數(shù)，其反射中心波長(zhǎng)決定激光器輸出激光的中心波長(zhǎng)。激光二極管泵浦源101根據(jù)有源光纖103摻雜稀土的吸收譜線(xiàn)來(lái)確定。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第一波分復(fù)用器102和布拉格光纖光柵104的參數(shù)選擇均需要同泵浦波長(zhǎng)、激光器出射波長(zhǎng)、有源光纖參數(shù)匹配，具體的參數(shù)如表1所示。
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括由依次連接的激光二極管泵浦源、第一波分復(fù)用器、有源光纖和第一布拉格光纖光柵和第二布拉格光纖光柵構(gòu)成的分別發(fā)射第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)激光光束的光纖激光器，所述第一波長(zhǎng)不同于所述第二波長(zhǎng)，所述第一波長(zhǎng)與待測(cè)氣體的特征吸收譜線(xiàn)相同； 與所述第一波分復(fù)用器耦合連接的光隔離器，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸； 與所述光隔離器連接的耦合器，用于將經(jīng)所述第一波分復(fù)用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成兩路輸出； 參考?xì)馐遥ㄈ肱c待測(cè)氣體成分一致且濃度已知的參考?xì)怏w，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第一路輸出光束并使其通過(guò)參考?xì)怏w； 檢測(cè)氣室，通入待測(cè)氣體，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第二路輸出光束并使其通過(guò)待測(cè)氣體； 連接所述參考?xì)馐业牡诙ǚ謴?fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述參考?xì)馐业墓馐凑账龅谝徊ㄩL(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束； 連接所述檢測(cè)氣室的第三波分復(fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述檢測(cè)氣室的光束按照所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束； 第一光電檢測(cè)器，連接至所述第二波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第一光強(qiáng)度信號(hào)； 第二光電檢測(cè)器，連接至所述第二波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第二光強(qiáng)度信號(hào)； 第三光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第三光強(qiáng)度信號(hào)； 第四光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第四光強(qiáng)度信號(hào)； 反饋控制單元，接收所述第一光強(qiáng)度信號(hào)、第二光強(qiáng)度信號(hào)、第三光強(qiáng)度信號(hào)和第四光強(qiáng)度信號(hào)并進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)調(diào)節(jié)所述泵浦源和第一布拉格光纖光柵。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述寬帶耦合器按照1:1的功率比例分配兩路輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其中反饋控制單元的反饋控制方法包括如下步驟: a)判斷所述光纖激光器的輸出是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定，輸出第一反饋控制信號(hào)調(diào)節(jié)所述泵浦源的功率輸出直至穩(wěn)定； b)判斷所述第一波長(zhǎng)的信號(hào)模式的波長(zhǎng)范圍是否覆蓋待測(cè)氣體的特征譜線(xiàn)，若不覆蓋，則輸出第二反饋控制信號(hào)調(diào)節(jié)所述第一布拉格光纖光柵直至覆蓋； c)判斷所述第二光強(qiáng)度信號(hào)和第四光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度是否有差異，若有則將所述差異信號(hào)用于第一光強(qiáng)度信號(hào)和第三光強(qiáng)度信號(hào)的補(bǔ)償； d)比較所述第一光強(qiáng)度信號(hào)和第三光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，得到待測(cè)氣體與參考?xì)怏w的濃度大小關(guān)系。
4.如權(quán)利要求3所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述步驟b)中通過(guò)比較所述第一或第三光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度值是否顯著小于第二或第四光強(qiáng)度信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷是否覆蓋。
5.如權(quán)利要求3所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng),其中還包括貼附在所述第一布拉格光纖光柵上的激光器控制單元，通過(guò)所述第二反饋控制信號(hào)來(lái)控制所述激光器控制單元的形變從而改變所述激光器的諧振腔腔長(zhǎng)。
6.如權(quán)利要求5所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述激光器控制單元采用PZT壓電陶瓷或TE溫控單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，還包括球面透鏡，用于分別將所述光束耦合進(jìn)入?yún)⒖細(xì)馐液蜋z測(cè)氣室并耦合出射。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述第二波長(zhǎng)靠近被測(cè)氣體的吸收譜線(xiàn)，但其波長(zhǎng)與所述第一波長(zhǎng)相隔一段距離。
9.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述有源光纖為摻鉺光纖、摻鐿光纖、或鉺鐿共摻光纖。
10.一種帶有參考腔補(bǔ)償?shù)碾p波長(zhǎng)組合光纖激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括由依次連接的激光二極管泵浦源、第一波分復(fù)用器、有源光纖和布拉格光纖光柵構(gòu)成的發(fā)射第一波長(zhǎng)激光光束的光纖激光器，發(fā)出與所述第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)的激光光源，所述第一波長(zhǎng)與待測(cè)氣體的特征吸收譜線(xiàn)相同； 與所述第一波分復(fù)用器耦合連接的第一光隔離器，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸； 與所述激光光源耦合連接的第二光隔離器，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸； 與所述第一和第二光隔離器連接的第二波分復(fù)用器，用于將第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)的光束信號(hào)合成一束進(jìn)行輸出； 與所述第二波分復(fù)用器連接的耦合器，用于將經(jīng)所述第二波分復(fù)用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成兩路輸出； 參考?xì)馐?，通入與待測(cè)氣體成分一致且濃度已知的參考?xì)怏w，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第一路輸出光束并使其通過(guò)參考?xì)怏w； 檢測(cè)氣室，通入待測(cè)氣體，并接收來(lái)自所述耦合器分配的第二路輸出光束并使其通過(guò)待測(cè)氣體； 連接所述參考?xì)馐业牡谌ǚ謴?fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述參考?xì)馐业墓馐凑账龅谝徊ㄩL(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束； 連接所述檢測(cè)氣室的第四波分復(fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述檢測(cè)氣室的光束按照所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束； 第一光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第一光強(qiáng)度信號(hào)； 第二光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第二光強(qiáng)度信號(hào)； 第三光電檢測(cè)器，連接至所述第四波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第三光強(qiáng)度信號(hào)；第四光電檢測(cè)器，連接至所述第四波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第四光強(qiáng)度信號(hào)； 反饋控制單元，接收所述第一光強(qiáng)度信號(hào)、第二光強(qiáng)度信號(hào)、第三光強(qiáng)度信號(hào)和第四光強(qiáng)度信號(hào)并進(jìn)行比較， 并將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)調(diào)節(jié)所述泵浦源、布拉格光纖光柵和激光光源。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK103487403SQ201310479339
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】駱飛, 祝連慶, 董明利, 何巍, 張蔭民 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)