帶有飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光器氣體檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光氣體檢測系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括由依次連接的泵浦源、波分復(fù)用器、第一有源光纖、第一耦合器、布拉格光纖光柵和第二耦合器構(gòu)成的環(huán)形光纖激光器；光隔離器，所述第一耦合器用于將經(jīng)所述光隔離器隔離后的激光按照一定的功率比例分配為測量光束和強(qiáng)度檢測光束；第二有源光柵；檢測氣室；第一光電檢測器，連接至所述第一耦合器的輸出，以檢測所述環(huán)形光纖激光器輸出的激光強(qiáng)度生成第一光強(qiáng)度信號；第二光電檢測器，連接至所述第二耦合器的輸出，接收經(jīng)過檢測氣室的檢測光束，生成第二光強(qiáng)度信號；和反饋控制單元，接收第一光強(qiáng)度信號和第二光強(qiáng)度信號，生成反饋信號調(diào)節(jié)泵浦源和布拉格光纖光柵。
【專利說明】帶有飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光器氣體檢測系統(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)氣體濃度測量的帶有飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光器氣體檢測系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光由于其高單色性（窄譜線)、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)過程監(jiān)測中起到了重大應(yīng)用價值。
[0003]激光用于氣體檢測在環(huán)境檢測和分析以及各種工業(yè)過程控制等方面具有重要應(yīng)用價值。很多氣體都有其特征譜線，因此利用激光窄線寬的特點(diǎn)可以檢測某些特定的氣體的含量。激光用于氣體檢測常用的方法之一就是把激光的發(fā)射波長調(diào)節(jié)或鎖定在氣體的特征吸收譜線上，讓激光通過該氣體腔，通過測量該激光通過氣體腔后的衰減而測定該氣體的含量。這種測試方法具有原理直觀，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，然而由于一般光源的譜線寬度較寬，而某些氣體的吸收譜線非常窄，因而經(jīng)過氣室后引起的光功率變化不明顯，導(dǎo)致測量靈敏度不會很高，受到一定的限制，尤其是對微含量的氣體檢測比較困難。
[0004]傳統(tǒng)的差分吸收法是基于共光路的二束光通過同一被測氣體腔。其中一路激光的輸出波長λ 1與氣體的特征吸收譜線相同。而相鄰的另一激光輸出波長λ 2選擇靠近被測氣體的吸收譜線，但不在其吸收譜線上，用于作為參考光以消除光路中光強(qiáng)的不穩(wěn)定性。但這種測量方案并不能消除由于檢測光X1的波長不穩(wěn)定帶來的測量誤差，而這種誤差在實(shí)際測量中是不可忽略的。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中對差分吸收法進(jìn)行了改進(jìn)，常用的改進(jìn)方法均是通過對激光器X1實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電流和穩(wěn)定溫度來實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定波長，但這種方法是被動式的調(diào)節(jié)的，不能嚴(yán)格消除λ i的波動，因此改進(jìn)的效果并不理想。
[0005]光纖激光器是近年來迅速發(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，已對激光行業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊。基于光纖激光器開發(fā)現(xiàn)代光譜組成測試分析系統(tǒng)不僅將對激光光譜學(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)場機(jī)動使用。
[0006]因此，能否利用光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊、可發(fā)射窄譜線激光輸出等一系列獨(dú)特的優(yōu)越性來應(yīng)用于氣體濃度檢測領(lǐng)域，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。由此使得需要一種能利用光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)氣體濃度測量的方法，同時兼具高靈敏高精度的氣體檢測方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種一種基于飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光氣體檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括由依次連接的泵浦源、波分復(fù)用器、第一有源光纖、第一耦合器、布拉格光纖光柵和第二稱合器構(gòu)成的環(huán)形光纖激光器；光隔離器，稱合連接在所述第一有源光纖和所述第一耦合器之間，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸，其中所述第一耦合器用于將經(jīng)所述光隔離器隔離后的激光按照一定的功率比例分配為測量光束和強(qiáng)度檢測光束；第二有源光柵，連接在所述布拉格光纖光柵和所述第一稱合器之間作為飽和吸收體；檢測氣室，連接在所述第一耦合器和第二耦合器之間并通入待測氣體，并接收來自所述第一耦合器的測量光束并使其通過待測氣體后輸出給所述第二耦合器；第一光電檢測器，連接至所述第一耦合器的輸出，以檢測所述環(huán)形光纖激光器輸出的激光強(qiáng)度生成第一光強(qiáng)度信號；第二光電檢測器，連接至所述第二耦合器的輸出，接收經(jīng)過檢測氣室的檢測光束，生成第二光強(qiáng)度信號；反饋控制單元，接收所述第一光強(qiáng)度信號和第二光強(qiáng)度信號，并生成反饋信號調(diào)節(jié)所述泵浦源和布拉格光纖光柵。
[0008]優(yōu)選地，所述測量光束和強(qiáng)度檢測光束的功率之比為98:2。
[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調(diào)節(jié)所述泵浦源的功率輸出直至穩(wěn)定山)判斷所述光纖激光器輸出的信號模式的波長范圍是否覆蓋待測氣體的特征譜線，若不覆蓋，則輸出第二反饋控制信號調(diào)節(jié)所述布拉格光纖光柵的反射率直至覆蓋；c)比較所述第二光強(qiáng)度信號和所述反饋控制單元保存的參考信號，得到待測氣體的濃度變化結(jié)果。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟b)中通過比較所述第二光強(qiáng)度信號的信號強(qiáng)度值是否顯著小于第一光強(qiáng)度信號的信號強(qiáng)度來判斷是否覆蓋。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟c)中若當(dāng)前測量的第一光強(qiáng)度信號的強(qiáng)度值大于所保存的參考信號的信號強(qiáng)度值，則所檢測氣體的濃度下降；若小于，所檢測氣體濃度增大。
[0012]優(yōu)選地，還包括貼附在所述布拉格光纖光柵上的激光器控制單元，通過所述第二反饋控制信號來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。
[0013]優(yōu)選地，所述激光器控制單元采用PZT壓電陶瓷或TE溫控單元來實(shí)現(xiàn)。
[0014]優(yōu)選地，所述波分復(fù)用器是1X2的波分復(fù)用器。
[0015]優(yōu)選地，還包括球面透鏡，用于將測量光束耦合進(jìn)入檢測氣室并耦合出射。
[0016]優(yōu)選地，所述第一和第二有源光纖為摻鉺光纖、摻鐿光纖、或鉺鐿共摻光纖。
[0017]本發(fā)明充分利用了光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊，可發(fā)射窄譜線激光輸出等一系列獨(dú)特的優(yōu)越性，采用環(huán)形腔光纖激光獲得窄線寬光輸出，將被測氣體腔連接在激光環(huán)形腔內(nèi)，并且加入飽和吸收體使得輸出激光的頻帶變窄，實(shí)現(xiàn)對被測氣體的高靈敏度精確檢測。
[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明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0020]圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明帶有飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光器氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2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；
[0022]圖3示出了本發(fā)明的反饋調(diào)節(jié)激光器輸出波長漂移的反饋的原理示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]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)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0024]通過參考示范性實(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的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(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)。
[0025]針對本發(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，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會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)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0026]本發(fā)明提供了一種基于飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光氣體檢測系統(tǒng)，使用半導(dǎo)體激光器作為光纖激光器的泵浦源，通過波分復(fù)用器（Wavelength DivisionMultiplexer, WDM)將激光稱合進(jìn)入摻雜光纖,之后利用兩支稱合器構(gòu)成環(huán)形激光器結(jié)構(gòu)，結(jié)合布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating, FBG)實(shí)現(xiàn)輸出激光的選頻。在激光腔內(nèi)直接插入氣體吸收室，由于氣體濃度的高低對激光腔內(nèi)損耗會有影響，可以通過測量輸出激光損耗對氣體濃度的變化進(jìn)行檢測。通過在FBG和耦合器之間插入一段未泵浦的有源光纖作為飽和吸收體（SaturableAbsorber, SA),可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻激光輸出，提高了檢測精度。
[0027]常用的光譜吸收檢測滿足比爾-朗伯定律：
[0028]I ( λ ) =I0 ( λ ) exp [- α ( λ ) CL] (I)
[0029]其中，I為光通過被檢測介質(zhì)后的透射光強(qiáng)，I0為輸入到被測介質(zhì)的光強(qiáng)，α為摩爾分子吸收系數(shù)，C是被測介質(zhì)的濃度，L為被測氣體吸收路徑的長度。一般已知入射光的光強(qiáng)Itl，該被測氣體在其特征譜線的吸收系數(shù)α，以及用于對被測氣體進(jìn)行測量的氣體采樣腔的長度L，則通過測 量該特定波長的激光通過氣體吸收腔后的光信號衰減就可以測量出該氣體的濃度C。由于很多氣體吸收譜線較窄，采用激光作為檢測光源時就需要壓縮輸出激光線寬，同時提高光束穩(wěn)定性。
[0030]而一般光在傳輸光路中都會有各種干擾因素，如光路振動、激光輸出波長的不穩(wěn)定等各種因素。都會嚴(yán)重干擾實(shí)際測量結(jié)果，考慮到這些因素的影響，光譜吸收檢測的原理可修正為：
[0031]I ( λ ) =I0( λ )K ( λ ) exp [- α ( λ ) CL+ β ( λ ) ] (2)
[0032]其中Κ(λ)為光源和光源傳輸路徑的波動，β (λ)為由于激光光譜波動而引起的測量不確定性，因而采用通常的吸收法測量氣體濃度就是如何有效減少Κ(λ)和β (λ)對測量的影響。
[0033]圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光器氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)本發(fā)明的氣體檢測系統(tǒng)100包括發(fā)出泵浦光的泵浦源101、發(fā)出的泵浦光經(jīng)過波分復(fù)用器102耦合進(jìn)入第一有源光纖103實(shí)現(xiàn)光放大，第一有源光纖103連接光隔離器106，再連接第一耦合器104、布拉格光纖光柵105和第二耦合器107構(gòu)成環(huán)形光纖激光器。
[0034]在布拉格光纖光柵105和第一稱合器104之間設(shè)置有一段未泵浦的第二有源光纖108作為飽和吸收體，提高輸出激光穩(wěn)定性，獲得單頻窄線寬激光輸出，在激光輸出波長與待測氣體的特征吸收譜線相同時，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻窄線寬激光輸出。[0035]將充有待檢測氣體的檢測氣室109設(shè)置在環(huán)形激光器諧振腔中，如圖所示，設(shè)置在第一耦合器104和第二耦合器107之間，作為環(huán)形光纖激光器的一部分。當(dāng)檢測氣室109中通入的氣體濃度發(fā)生變化時，由于氣體會吸收與其特征吸收譜線相同的光，因此會對透過檢測氣室109的激光光強(qiáng)產(chǎn)生損耗調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸出激光的改變。
[0036]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的光在同一光纖中傳輸。
[0037]可以調(diào)節(jié)布拉格光纖光柵105的參數(shù)獲得指定波長的輸出激光。激光器要求單縱摸輸出，輸出線寬越窄。激光器的輸出線寬與氣體的吸收特征譜線的重合度越好，測量氣體濃度的精度越高。第一有源光纖103和第二有源光纖108可以選用較短長度(例如在厘米數(shù)量級)，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/mil535nm),以降低系統(tǒng)的泵浦閾值。布拉格光纖光柵105具有較高的反射率(針對特定波長的反射率在90%以上)以減少激光輸出縱模個數(shù)，其反射中心波長決定激光器輸出激光的中心波長。激光二極管泵浦源101根據(jù)第一有源光纖103摻雜稀土的吸收譜線來確定。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的波分復(fù)用器102和布拉格光纖光柵105的參數(shù)選擇均需要同泵浦波長、激光器出射波長、第一和第二有源光纖參數(shù)匹配，具體的參數(shù)如表1所示。
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種基于飽和吸收光纖的環(huán)形腔內(nèi)腔光纖激光氣體檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括由依次連接的泵浦源、波分復(fù)用器、第一有源光纖、第一耦合器、布拉格光纖光柵和第二耦合器構(gòu)成的環(huán)形光纖激光器； 光隔離器，耦合連接在所述第一有源光纖和所述第一耦合器之間，所述光隔離器用于避免逆向光在所述有源光纖中的傳輸，其中所述第一耦合器用于將經(jīng)所述光隔離器隔離后的激光按照一定的功率比例分配為測量光束和強(qiáng)度檢測光束； 第二有源光柵，連接在所述布拉格光纖光柵和所述第一耦合器之間作為飽和吸收體； 檢測氣室，連接在所述第一耦合器和第二耦合器之間并通入待測氣體，并接收來自所述第一耦合器的測量光束并使其通過待測氣體后輸出給所述第二耦合器； 第一光電檢測器，連接至所述第一耦合器的輸出，以檢測所述環(huán)形光纖激光器輸出的激光強(qiáng)度生成第一光強(qiáng)度信號； 第二光電檢測器，連接至所述第二耦合器的輸出，接收經(jīng)過檢測氣室的檢測光束，生成第二光強(qiáng)度信號； 反饋控制單元，接收所述第一光強(qiáng)度信號和第二光強(qiáng)度信號，并生成反饋信號調(diào)節(jié)所述泵浦源和布拉格光纖光柵。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(tǒng)，其中所述測量光束和強(qiáng)度檢測光束的功率之比為 98:2。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(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調(diào)節(jié)所述泵浦源的功率輸出直至穩(wěn)定； b)判斷所述光纖激光器輸出的信號模式的波長范圍是否覆蓋待測氣體的特征譜線，若不覆蓋，則輸出第二反饋控制信號調(diào)節(jié)所述布拉格光纖光柵的反射率直至覆蓋； c)比較所述第二光強(qiáng)度信號和所述反饋控制單元保存的參考信號，得到待測氣體的濃度變化結(jié)果。
4.如權(quán)利要求3所述的氣體檢測系統(tǒng)，其中所述步驟b)中通過比較所述第二光強(qiáng)度信號的信號強(qiáng)度值是否顯著小于第一光強(qiáng)度信號的信號強(qiáng)度來判斷是否覆蓋。
5.如權(quán)利要求3所述的氣體檢測系統(tǒng)，其中所述步驟c)中若當(dāng)前測量的第一光強(qiáng)度信號的強(qiáng)度值大于所保存的參考信號的信號強(qiáng)度值，則所檢測氣體的濃度下降；若小于，所檢測氣體濃度增大。
6.如權(quán)利要求3所述的氣體檢測系統(tǒng)，其中還包括貼附在所述布拉格光纖光柵上的激光器控制單元，通過所述第二反饋控制信號來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。
7.如權(quán)利要求6所述的氣體檢測系統(tǒng)，其中所述激光器控制單元采用PZT壓電陶瓷或TE溫控單元來實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(tǒng)，所述波分復(fù)用器是1X2的波分復(fù)用器。
9.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(tǒng)，還包括球面透鏡，用于將測量光束耦合進(jìn)入檢測氣室并耦合出射。
10.如權(quán)利要求1所述的氣體檢測系統(tǒng)，其中所述第一和第二有源光纖為摻鉺光纖、摻鐿光纖，或鉺鐿共摻光纖。
【文檔編號】G01N21/39GK103487402SQ201310479313
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】祝連慶, 駱飛, 董明利, 何巍, 張蔭民, 孟曉辰, 周哲海 申請人:北京信息科技大學(xué)