CN102288563A

CN102288563A - 一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法

Info

Publication number: CN102288563A
Application number: CN2011102047013A
Authority: CN
Inventors: 陆颖; 黄晓慧; 景磊; 温午麒; 姚建铨
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明公开了一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法，涉及光纤传感和光纤气体检测领域，980nm或1480nm半导体激光器和980nm/1550nm波分复用器的第一端熔接；980nm/1550nm波分复用器的第二端上的单模光纤和掺饵光子晶体光纤活动连接；980nm/1550nm波分复用器的第三端和第一光纤布拉格光栅相连；掺饵光子晶体光纤的另一端和光纤反射镜相连；光纤反射镜和第一光纤布拉格光栅构成第一谐振腔输出1531.58nm激光；光纤反射镜和第二光纤布拉格光栅构成第二谐振腔输出1535nm激光；滤波器滤除1535nm激光；功率计输出1531.58nm激光功率。

Description

一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感和光纤气体检测领域，特别涉及一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法。

背景技术

工业生产过程中，及时、准确地对易燃、易爆、有毒和有害气体进行监测预报和自动控制已成为当前煤炭、石油、化工和电力等行业亟待解决的重要问题之一。基于气体光谱吸收方法，利用石英光纤的低损耗窗口(1～2μm)进行危险气体浓度远距离检测已经获得了广泛的关注。在这个波段内，发现了许多污染性气体或有毒气体，例如：乙炔(C₂H₂)、甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)和氨气(NH3)等气体，都有吸收谱线。其中，乙炔是变压器油中的故障气体，因此，准确检测乙炔气体浓度对保障生产生活安全具有重要意义。自1992年V.M.Baev等人成功利用二极管作为光源实现有源内腔气体探测以来，有源内腔吸收气体检测技术开始受到人们的关注并迅速发展起来。近年来，得益于于光纤激光技术和光纤传感技术的发展，光纤有源内腔气体检测技术也迅速发展起来并成为气体检测技术的研究热点之一。

发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

在对乙炔浓度进行检测时，采用光纤有源内腔气体检测技术会存在灵敏度低的问题，无法满足实际应用中的多种需要。

发明内容

为了提高乙炔浓度检测的灵敏度，满足实际应用中的高灵敏度要求，本发明提供了一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法，详见下文描述：

一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统，包括：980nm或1480nm半导体激光器、980nm/1550nm波分复用器、掺饵光子晶体光纤、光纤反射镜、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、滤波器和功率计，

所述980nm或1480nm半导体激光器和所述980nm/1550nm波分复用器的第一端熔接；所述980nm/1550nm波分复用器的第二端上的单模光纤和所述掺饵光子晶体光纤活动连接；所述980nm/1550nm波分复用器的第三端和所述第一光纤布拉格光栅相连；所述掺饵光子晶体光纤的另一端和所述光纤反射镜相连；所述光纤反射镜和所述第一光纤布拉格光栅构成第一谐振腔输出1531.58nm激光；所述光纤反射镜和所述第二光纤布拉格光栅构成第二谐振腔输出1535nm激光；所述滤波器滤除所述1535nm激光；所述功率计输出1531.58nm激光功率。

所述掺饵光子晶体光纤的长度为3m。

所述有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统还包括：温控器，所述温控器上粘贴有第一光纤布拉格光栅；通过所述温控器调谐所述1531.58nm激光来对应乙炔1531.58nm处的吸收峰。

一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测方法，所述方法包括以下步骤：

(1)980nm或1480nm半导体激光器产生泵浦光，通过光纤耦合输出所述泵浦光；

(2)所述泵浦光通过980nm/1550nm波分复用器进入掺铒光子晶体光纤，所述掺铒光子晶体光纤吸收所述泵浦光，通过光纤反射镜和第一光纤布拉格光栅构成的第一谐振腔输出1531.58nm激光，通过所述光纤反射镜和第二光纤布拉格光栅构成的第二谐振腔输出1535nm激光；

(3)在抽运功率一定条件下，滤波器滤除所述1535nm激光；通过功率计计算并输出1531.58nm激光功率；

(4)根据所述1531.58nm激光功率获取乙炔在1531.58nm处吸光度；

(5)通过所述1531.58nm吸光度和乙炔在1531.58nm的吸收截面反演出乙炔的浓度。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法，本发明采用掺铒光子晶体光纤，可以实现激活介质(或激光光源)、传输介质和传感介质三位一体；掺铒光子晶体光纤空气孔微结构可以提供很长的光吸收有效距离，从而提高检测的灵敏度；双波长运转下由于两波长之间的模式竞争效应，检测的灵敏度比单模运转有所提高。

附图说明

图1为本发明提供的掺饵光子晶体光纤典型吸收谱和增益的曲线示意图；

图2为本发明提供的乙炔在1450nm-1600nm的吸收谱线示意图；

图3为本发明提供的掺饵光子晶体光纤的光纤端面示意图；

图4为本发明提供的一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统的结构示意图；

图5为本发明提供的一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统的另一结构示意图；

图6为本发明提供的一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测方法的流程图。

附图中所列部件列表如下所示：

1：980nm或1480nm半导体激光器； 2：980nm/1550nm波分复用器；

3：掺饵光子晶体光纤； 4：光纤反射镜；

5：第一光纤布拉格光栅； 6：温控器；

7：第二光纤布拉格光栅； 8：滤波器；

9：功率计。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高乙炔浓度检测的灵敏度，满足实际应用中的高灵敏度要求，本发明实施例提供了一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法，详见下文描述：

有源内腔气体检测技术是将样品置于激光谐振腔内的检测技术，也就是说激光谐振腔内除激光增益介质外还有样品吸收介质。腔内光束既是激光振荡谱线，又是样品吸收谱线。光纤有源乙炔气检测通常利用掺铒光纤作为增益介质，主要是因为：第一、掺饵光纤增益范围比较宽，参见图1，增益范围是1450nm-1600nm，并且包含乙炔气在近红外几个重要吸收峰，参见图2；第二、掺饵光纤激光器功率输出稳定，使用掺铒光子晶体光纤，既可以作为激光激活介质，为传感提供光源，又可以作为吸收信号的传输介质，传输传感信号，最重要的是掺铒光子晶体光纤周围空气孔微结构可以用来作为样品池，提供很长的有效吸收距离，提高乙炔气体检测的灵敏度。

一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统，参见图3、图4和图5，该有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统包括：980nm或1480nm半导体激光器1、980nm/1550nm波分复用器2、掺饵光子晶体光纤3、光纤反射镜4、第一光纤布拉格光栅5、第二光纤布拉格光栅7、滤波器8和功率计9，

980nm或1480nm半导体激光器1和980nm/1550nm波分复用器2的第一端熔接；980nm/1550nm波分复用器2的第二端上的单模光纤和掺饵光子晶体光纤3活动连接；980nm/1550nm波分复用器2的第三端和第一光纤布拉格光栅5相连；掺饵光子晶体光纤3的另一端和光纤反射镜4相连；光纤反射镜4和第一光纤布拉格光栅5构成第一谐振腔输出1531.58nm激光；光纤反射镜4和第二光纤布拉格光栅7构成第二谐振腔输出1535nm激光；滤波器8滤除1535nm激光；功率计9输出1531.58nm激光功率。

其中，活动连接采用法兰连接，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，980nm/1550nm波分复用器2表示：980nm一端接接980nm的泵浦光，另一端接掺饵光子晶体光纤。

进一步地，为了提高泵浦光的利用率，本发明实施例优选掺饵光子晶体光纤3的长度为3m。

进一步地，为了排除环境、温度的干扰，该有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统还包括：温控器6，温控器6上粘贴有第一光纤布拉格光栅5；通过温控器6调谐1531.58nm激光来对应乙炔1531.58nm处的吸收峰。

一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测方法，参见图6，该方法包括以下步骤：

101：980nm或1480nm半导体激光器1产生泵浦光，通过光纤耦合输出泵浦光；

102：泵浦光通过980nm/1550nm波分复用器2进入掺铒光子晶体光纤3，掺铒光子晶体光纤3吸收泵浦光，通过光纤反射镜4和第一光纤布拉格光栅5构成的第一谐振腔输出1531.58nm激光，通过光纤反射镜4和第二光纤布拉格光栅7构成的第二谐振腔输出1535nm激光；

103：在抽运功率一定条件下，滤波器8滤除1535nm激光；通过功率计9计算并输出1531.58nm激光功率；

104：根据1531.58nm激光功率获取乙炔在1531.58nm处吸光度；

105：通过1531.58nm吸光度和乙炔在1531.58nm的吸收截面反演出乙炔的浓度。

本发明实施例采用全光纤光路设计，调试简单，检测的灵敏度高，其中检测的灵敏度提高主要有以下几个原因：

1)1531.58nm激光多次通过效应，1531.58nm激光在谐振腔内反复振荡，就好像光多次通过待测样品。物质对单色光的吸收遵从比尔-朗伯定律。光束在谐振腔内的反射次数主要取决于第一光纤布拉格光栅5和第二光纤布拉格光栅7的反射率，如果光纤反射镜的反射率为100％，输出光栅的透射率为2％，于是有源内腔功率密度为激光输出功率的50倍.倘若腔内功率密度并未使得相应的吸收达到饱和，则腔内吸收激光强度变化量比腔外吸收时增大了50倍，也即腔内吸收最小可探测吸收值比腔外缩小50倍，换句话说，检测的灵敏度提高了50倍。

2)阈值附近激光增益的非线性效应。根据激光物理学，在抽运功率恒定的情况下，在稍稍超过阈值工作区，腔内由于乙炔吸收损耗的微小变化，会引起激光功率的剧烈变化。

3)模式竞争效应。对于均匀增益介质激光器有一种模式竞争效应，即虽然初始增益曲线包含有多个波长，但增益高的模强度增长要消耗其他模的强度，使最终的振荡模只剩下一个。实际上，由于空间烧孔、铒光纤掺杂不均匀等原因，激光模式是很多的。乙炔在近红外吸收为窄带吸收，当用宽带激光照射窄带吸收乙炔气体时，乙炔对激光的不同谱线的吸收存在模式竞争，模式竞争的结果使1531.58nm吸收强度大大增强，从而提高气体检测的灵敏度。双波长运转下的掺铒光纤激光器两纵模之间存在模式竞争，借此可以有效提高乙炔检测的灵敏度。

4)采用了掺铒光子晶体光纤，掺铒光子晶体光纤可以作为激活介质，产生乙炔吸收峰对应的激光，又可以作为光传输媒介，传输激光和传感信号，同时掺铒光子晶体光纤包层空气孔又可作为气体室，提供较长的有效吸收距离，以提高检测的灵敏度。

综上所述，本发明实施例提供了一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统及其检测方法，本发明采用掺铒光子晶体光纤，可以实现激活介质(或激光光源)、传输介质和传感介质三位一体；掺铒光子晶体光纤空气孔微结构可以提供很长的光吸收有效距离，从而提高检测的灵敏度；双波长运转下由于两波长之间的模式竞争效应，检测的灵敏度比单模运转会有所提高。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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

1.一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：980nm或1480nm半导体激光器、980nm/1550nm波分复用器、掺饵光子晶体光纤、光纤反射镜、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、滤波器和功率计，

所述980nm或1480半导体激光器和所述980nm/1550nm波分复用器的第一端熔接；所述980nm/1550nm波分复用器的第二端上的单模光纤和所述掺饵光子晶体光纤活动连接；所述980nm/1550nm波分复用器的第三端和所述第一光纤布拉格光栅相连；所述掺饵光子晶体光纤的另一端和所述光纤反射镜相连；所述光纤反射镜和所述第一光纤布拉格光栅构成第一谐振腔输出1531.58nm激光；所述光纤反射镜和所述第二光纤布拉格光栅构成第二谐振腔输出1535nm激光；所述滤波器滤除所述1535nm激光；所述功率计输出1531.58nm激光功率。

2.根据权利要求1所述的一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统，其特征在于，所述掺饵光子晶体光纤的长度为3m。

3.根据权利要求1所述的一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：温控器，所述温控器上粘贴有第一光纤布拉格光栅；通过所述温控器调谐所述1531.58nm激光来对应乙炔1531.58nm处的吸收峰。

4.根据权利要求1所述的一种有源内腔吸收型乙炔浓度检测系统的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(3)在抽运功率一定条件下，滤波器滤除所述1535nm激光；通过功率计测量1531.58nm激光功率；

(4)根据所述1531.58nm激光功率获取乙炔在1531.58nm处吸光度；