CN101793822B - 用于测量多组分气体的多波长激光器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

用于测量多组分气体的多波长激光器及其测量方法，多波长激光器包括至少两个半导体激光器、高速光纤复用器和输出光纤准直器，每个半导体激光器对应连接一个激光电流温度控制器；高速光纤复用器包括透镜光纤阵列、电光光束偏转器、电光光束偏转驱动控制器和光纤准直器，将不同波长的半导体激光器的激光输入电光光束偏转器，各路激光在电光光束偏转器中发生偏转，复用为同一路光路输出，由光纤准直器分别在不同时段导通到输出光纤准直器，实现对不同波长激光的高速时分复用，形成多波长激光光源，在相应时间段内，输出光纤准直器出射激光分别用于测量不同待测气体。本发明引入时分复用思想，具有激光功率损耗小、复用速度快、稳定性好的优点。

Description

用于测量多组分气体的多波长激光器及其测量方法

技术领域

本发明属于气体测量和检测技术领域，涉及调谐半导体激光吸收光谱技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，为一种用于测量多组分气体的多波长激光器及其测量方法。

背景技术

气体的测量和检测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的检测，对工农业生产、人民生活、科学研究和国家安全至关重要。光学式气体检测技术具有许多其他检测技术无法比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大等。激光具有的高单色性、方向性和高强度，使其成为气体探测的理想工具，近年来迅速发展的调谐半导体激光吸收光谱技术为气体检测提供了相当高的检测精度，已经在工业生产、环境保护等领域表现出广泛的应用前景。TDLAS技术是利用改变半导体激光的驱动电流实现激光波长的快速调谐，通过对目标气体的吸收线的连续扫描来实现气体浓度的快速检测。发明人张国林提出了一种基于半导体激光器注入电流直接调制的对数二次谐波技术的激光气体遥测方法，参见现有技术1：张国林，“激光气体遥测的方法和装置”，专利号ZL200710133945.0。在该技术中，采用注入电流直接调制的半导体激光器作为发射光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测技术对气体吸收信号进行探测和处理，具有测量信噪比高，结构简单、体积小巧，便于便携式应用的特点，提供了一种具有高稳定度、高灵敏度的适合便携式应用的激光气体遥方法和测装置。但遗憾的是，现有调谐半导体激光器的电流调谐范围十分有限，一个激光器的调谐范围很难覆盖不同气体的吸收谱线，一般一个激光器只能测一种气体。

因此，在检测系统中多种待测气体需要对应多个不同波长的半导体激光器，多组分气体检测就涉及到如何将多个波长不同激光器复用到同一检测光路中形成多波长激光光源，以实现多气体快速检测的问题。许多工作者开展了相关的研究，并提出了多种实现方法。现有技术2：陈东，刘文清，张玉钧，“调谐半导体激光光谱分时扫描多路方法”，光子学报，第38卷第8期中，提出了一种基于多激光分时扫描的激光时分多路方法，该方法先通过光纤耦合器将两个半导体激光器的输出光束复用同一个光路中，然后通过对两个激光器输出波长的分时扫描，在一个系统周期内实现多组分气体的准同时快速检测。但是，该技术采用光纤耦合器进行激光器复用，损失了50％的激光功率，如果复用更多的激光器，功率损失更大，极大降低了气体检测的信噪比和灵敏度。

在先技术3：KORMANNR，FISCHER，et al.Application of a multi-laser tunablediode laser absorption spectrometer for atmospheric trace gas measurements at sub-ppbvlevels，[J].Spec rochimica Acta A，2002，58，其中，KORMANNR等人采用时分多路技术，利用机械振镜将多束检测激光顺序导入到检测光路，实现了对多种大气痕量气体成分的分时顺序检测。此方法在原理上较为简单，但机械振镜的速度较慢，在数毫秒量级，而且抗干扰能力较差，因此存在检测实时性差和稳定性差的问题。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有通过调谐半导体激光吸收光谱技术对气体的测量和检测中，一个激光器的调谐范围很难覆盖不同气体的吸收谱线，一般一个激光器只能测一种气体，已有的能够实现激光器复用的技术，激光功率损耗大，或复用中激光转换速度慢，抗干扰能力差。

本发明的技术方案为：用于测量多组分气体的多波长激光器，包括至少两个半导体激光器、高速光纤复用器和输出光纤准直器，每个半导体激光器对应连接一个激光电流温度控制器，所有半导体激光器的输出尾纤分别和高速光纤复用器的输入端口光纤相连；高速光纤复用器包括透镜光纤阵列、电光光束偏转器、电光光束偏转驱动控制器和光纤准直器，高速光纤复用器的输入端口光纤连接透镜光纤阵列，透镜光纤阵列、电光光束偏转器和光纤准直器依次连接，电光光束偏转驱动控制器连接电光光束偏转器，光纤准直器的输出和输出光纤准直器相连；其中电光光束偏转器输入端为多路光源，输出端为一路光源，且为准直光；输出光纤准直器的出射光为平行光。

半导体激光器的线宽小于待测气体的吸收峰宽度的1/10，其波长扫描范围大于待测气体的吸收峰宽度。

优选半导体激光器为光纤耦合输出的分布反馈DFB半导体激光器或分布布拉格反射DBR半导体激光器。

进一步的，透镜光纤阵列的排列形状为一维或者两维。电光光束偏转器的材料为高电光系数的晶体或陶瓷材料，电光系数大于17pm/V，其电极形状和电极级联数量根据半导体激光器数量进行设计。

作为优选，光纤准直器发散角为10毫弧度量级；输出光纤准直器发散角为1毫弧度量级。

上述多波长激光器的测量方法，是将不同波长的半导体激光器的激光λ1、λ2、…λn输入电光光束偏转器，各路激光λ1、λ2、…λn在电光光束偏转器中发生偏转，转为同一路光路输出，所述输出为准直光，准直光输入光纤准直器，由光纤准直器分别在不同时段T1、T2、…Tn导通到输出光纤准直器，实现对不同波长的半导体激光器的激光进行高速时分复用，形成多波长激光光源，在相应时间段T1、T2、Tn内，输出光纤准直器出射激光λ1、λ2、…λn分别用于测量不同待测气体。

本发明引入光纤通信技术中的时分复用思想，采用基于电光光束偏转器的高速光纤复用器对不同波长的激光器进行高速时分复用，将不同波长的多个激光器通过高速光纤复用器复用到同一检测光路中，形成多波长激光光源。通常电光光束偏转器的应用都是在电光效应下将一路光源偏转为不同路输出，本发明利用光束可逆原理，反过来将不同路的激光输入偏转为一路输出，在光纤准直器的配合下，实现高速时分复用。本发明技术方案既不存在先技术2中采用光纤耦合器进行复用存在的激光功率损失问题，又不存在先技术3中采用机械振镜复用存在的稳定性和实时性差的问题。

本发明具有以下特点和优点：引入光纤通信技术中的时分复用思想，采用基于电光光束偏转器的高速光纤复用器对不同波长的激光器进行高速时分复用，将不同波长的多个激光器的激光通过高速光纤复用器复用到同一检测光路中，形成多波长激光光源。与其他先技术相比，具有激光功率损耗小、复用速度快、稳定性好的优点。能够更好地满足激光测量多组分气体所需的实时性、高灵敏度和高稳定性的要求。

附图说明

图1为本发明多波长激光器的结构示意图。

图2为本发明高速光纤复用器采用的电光光束偏转器原理图。

具体实施方式

本发明为克服现有技术的不足，提供一种适用于激光测量多组分气体的多波长激光光源。本发明引入高速光纤复用器，将不同波长的多个激光器通过高速光纤复用器复用到同一检测光路中，形成多波长激光光源。将克服现有技术中损失激光功率、检测实时性差、稳定性差的问题，可用于基于调谐半导体激光吸收光谱技术原理的气体遥测或者光纤气体传感应用场合。

如图1所示，本发明包括至少两个半导体激光器2、高速光纤复用器3和输出光纤准直器8，每个半导体激光器2对应连接一个激光电流温度控制器1，所有半导体激光器2的输出尾纤分别和高速光纤复用器3的输入端口光纤相连；高速光纤复用器3包括透镜光纤阵列4、电光光束偏转器5、电光光束偏转驱动控制器6和光纤准直器7，高速光纤复用器3的输入端口光纤连接透镜光纤阵列4，透镜光纤阵列4、电光光束偏转器5和光纤准直器7依次连接，电光光束偏转驱动控制器6连接电光光束偏转器5，光纤准直器7的输出和输出光纤准直器8相连；其中电光光束偏转器5输入端为多路光源，输出端为一路光源，且为准直光；输出光纤准直器8的出射光为平行光。激光电流温度控制器1为半导体激光器2提供直流偏置、电流扫描、交流调制和温度控制。半导体激光器2出射的中心波长分别为λ1、λ2、…λn的被调制的连续窄线宽激光，这些激光通过光纤准直器7分别在不同时间段T1、T2、…Tn导通到输出光纤准直器8中出射。在相应时间段T1、T2、…Tn内，出射激光λ1、λ2、…λn分别用于测量不同待测气体。不同波长的半导体激光器的激光λ1、λ2、…λn输入电光光束偏转器5，可以同时输入，没有特别要求；因为激光通过透镜光纤阵列4输入到电光光束偏转器5中，没有角度要求。

其中，高速光纤复用器3的工作原理可用图2说明，在一块电光材料的上下表面镀上三角形电极，如图2灰色部分，当在电极上施加电场E时，电极覆盖的三角形区域的折射率由于电光效应将发生变化，从n0变化至n1。当一束光从左面入射时，由光折射原理可知，输出光束将在覆盖电极和没有覆盖电极之间的界面上发生折射偏转，其偏转角beta取决于电光材料的电光系数K、施加电场E、三角形电极的夹角alpha，也就是入射光路与折射界面的夹角。这样，当在电光材料的右面不同位置放置多个光纤时，通过改变施加电场大小，就可以将一路输入光束导通输出到不同路的光纤中。同样，根据光束可逆原理，施加不同大小的电场，右面不同光纤中的各路光束同样可以导通到左边的同一光路中，由于电光效应的高速响应特性，这种导通的切换速度非常快，在纳秒量级。本发明采用高速光纤复用器就是基于这一原理构成。

本发明中，半导体激光器2的线宽应该远远小于待测气体的吸收峰宽度，其波长扫描范围应该大于待测气体的吸收峰宽度。一般可以为光纤耦合输出的分布反馈DFB半导体激光器或分布布拉格反射DBR半导体激光器。

高速光纤复用器3对不同波长的激光器进行高速时分复用，将不同波长的多个激光器发出的激光束复用到同一检测光路中，形成多波长激光光源。其中透镜光纤阵列4为高速光纤复用器3提供高的输入耦合效率，其排列形状可以是一维或者两维；电光光束偏转器5的材料可以是高电光系数的晶体或陶瓷材料，电光系数大于17pm/V，例如铌酸锂晶体，掺镧锆钛酸铅(PLZT)透明电光陶瓷等，其电极形状和电极级联数量可以根据复用的半导体激光器数量进行优化设计；电光光束偏转驱动控制器6控制施加在电光光束偏转器5上的电场大小和导通时间；光纤准直器7为高速光纤复用器3提供高的输出耦合效率，其入射光束为准直光。

输出光纤准直器8出射光为平行光的的光纤元件。光纤准直器7和输出光纤准直器8的原理和结构没有差别，但在参数有差别：光纤准直器7用于高速光纤复用器3内部光束低损耗耦合，其工作距离较短，光束准直要求较低，发散角一般在10毫弧度量级；输出光纤准直器8的输出直接用于气体测量，当探测距离较远时，发散角一般在1毫弧度量级。

下面说明本发明的具体实施：

如图1所示的结构，其中，半导体激光器2分别采用波长为1.65微米、1.56微米、1.57微米的分布反馈DFB半导体激光器，输出功率10毫瓦，分别对应甲烷、一氧化碳、二氧化碳的气体吸收峰，半导体激光器2分别由对应的激光电流温度控制器1提供直流偏置、电流扫描、交流调制和温度控制，电流扫描采用三角波，频率为10Hz，交流调制采用正弦调制，正弦波频率为10kHz，温控精度约为摄氏0.1度。高速光纤复用器3中的电光光束偏转器5采用掺镧锆钛酸铅PLZT透明电光陶瓷，透镜光纤阵列4采用单模保偏光纤构成，采用一维排列形式，光纤准直器7和输出光纤准直器8为单模光纤准直器。

测量时，半导体激光器2发出的不同波长的激光经过高速光纤复用器3复用到同一检测光路中，形成多波长激光光源，并在不同时间段导通到输出光纤准直器8中出射。在相应时间段内，出射激光分别用于测量甲烷、一氧化碳、二氧化碳。高速光纤复用器3对不同波长激光的时分复用由于电光效应的高速响应特性，切换速度非常快，在纳秒量级，检测实时性非常好，可以很好的满足一台激光器快速稳定测量多种组分气体的使用要求。

本实施例只是以甲烷、一氧化碳和二氧化碳三种气体探测为例来说明，并不限于这三种气体测量。只需增加高速光纤复用器3的输入端口数量，就可以增加复用的半导体激光器数量，就可以测量相应数量的多组分气体。例如，乙烯吸收峰为1532.8nm，氨气为1544nm，水蒸汽为944nm，氧气为760nm等。

Claims (10)

1.用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是包括至少两个半导体激光器(2)、高速光纤复用器(3)和输出光纤准直器(8)，每个半导体激光器(2)对应连接一个激光电流温度控制器(1)，所有半导体激光器(2)的输出尾纤分别和高速光纤复用器(3)的输入端口光纤相连；高速光纤复用器(3)包括透镜光纤阵列(4)、电光光束偏转器(5)、电光光束偏转驱动控制器(6)和光纤准直器(7)，高速光纤复用器(3)的输入端口光纤连接透镜光纤阵列(4)，透镜光纤阵列(4)、电光光束偏转器(5)和光纤准直器(7)依次连接，电光光束偏转驱动控制器(6)连接电光光束偏转器(5)，光纤准直器(7)的输出和输出光纤准直器(8)相连；其中电光光束偏转器(5)输入端为多路光源，输出端为一路光源，且为准直光；输出光纤准直器(8)的出射光为平行光。

2.根据权利要求1所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是半导体激光器(2)的线宽小于待测气体的吸收峰宽度的1/10，其波长扫描范围大于待测气体的吸收峰宽度。

3.根据权利要求2所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是半导体激光器(2)为光纤耦合输出的分布反馈DFB半导体激光器或分布布拉格反射DBR半导体激光器。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是透镜光纤阵列(4)的排列形状为一维或者两维。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是电光光束偏转器(5)的材料为高电光系数的晶体或陶瓷材料，电光系数大于17pm/V，其电极形状和电极级联数量根据半导体激光器数量进行设计。

6.根据权利要求4所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是电光光束偏转器(5)的材料为高电光系数的晶体或陶瓷材料，电光系数大于17pm/V，其电极形状和电极级联数量根据半导体激光器数量进行设计。

7.根据权利要求1或2或3所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是光纤准直器(7)发散角为10毫弧度量级；输出光纤准直器(8)发散角为1毫弧度量级。

8.根据权利要求4所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是光纤准直器(7)发散角为10毫弧度量级；输出光纤准直器(8)发散角为1毫弧度量级。

9.根据权利要求5所述的用于测量多组分气体的多波长激光器，其特征是光纤准直器(7)发散角为10毫弧度量级；输出光纤准直器(8)发散角为1毫弧度量级。

10.权利要求1-9任一项所述多波长激光器的测量方法，其特征是将不同波长的半导体激光器的激光λ1、λ2、…λn输入电光光束偏转器，各路激光λ1、λ2、…λn在电光光束偏转器中发生偏转，转为同一路光路输出，所述输出为准直光，准直光输入光纤准直器，由光纤准直器分别在不同时段T1、T2、…Tn导通到输出光纤准直器，实现对不同波长的半导体激光器的激光进行高速时分复用，形成多波长激光光源，在相应时间段T1、T2、Tn内，输出光纤准直器出射激光λ1、λ2、…λn分别用于测量不同待测气体。

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