CN102628797B

CN102628797B - 基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统

Info

Publication number: CN102628797B
Application number: CN 201210112709
Authority: CN
Inventors: 赵燕杰; 王昌; 刘统玉; 倪家升; 魏玉宾; 李艳芳; 张婷婷
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Shandong Shanke photoelectric technology and equipment Research Institute Co., Ltd
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: CN102628797A

Abstract

基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，它包括泵浦光源和环形器；还有波分复用器（WDM）、波分复用器的980端与泵浦光源相连，波分复用器的1550端和环形器的反射端相连；环形器的入射端和DFB半导体激光器的激光输出端相连，环形器的出射端和气室的一端通过普通单模光纤相连，另一端通过普通单模光纤和耦合器的输入端相连；耦合器分光为90%的输出端与隔离器的入射端相连，隔离器的出射端和稀土掺杂光纤的一端相连，稀土掺杂光纤的另一端和波分复用器的公共端相连，由980nm泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成环形腔光纤激光器；DFB半导体激光器的控制端与驱动模块相连；耦合器分光为10%的输出端与探测器相连，探测器和数据处理模块相连。

Description

基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统

技术领域

基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，主要涉及一种基于有源腔注入锁模技术的全光纤高灵敏度气体检测技术。

背景技术

在工业生产过程中，不可避免地会产生一些易燃、易爆、有害的气体，这些气体不仅会严重威胁生产安全，也会对生态环境造成一定的危害。因此，及时准确地对有害气体进行远程监测和监控已成为亟待解决的重要问题之一，研究高精度的气体检测系统势在必行。

传统上有不少测量气体的方法，如电化学气体检测法、红外气体检测等。但是电化学类气体传感器易中毒、测量精度低、抗干扰能力差。红外气体传感器由于吸收光谱比较宽，容易受其它气体的交叉吸收而影响检测效果，常出现误测等问题，实际使用中受到了很大限制。近几年也有不少近红外直接吸收法气体传感器被研究和关注，由于气体在该波段一般吸收较弱，所以检测灵敏度受到限制，特别是像一氧化碳等在近红外吸收系数较弱的气体，较短的气体吸收腔很难实现高灵敏度气体检测。要增加吸收光程，有不少方案通过采用怀特池来增加气体的吸收光程，怀特池由几片高反射凹面镜构成，使得光在怀特池内多次反射从而实现增加光程的目的，怀特池同时结合谐波检测技术可以提高气体的检测灵敏度，但是怀特池对反射镜要求非常高，现有报道中常提到的怀特池采用的反射镜的反射率往往要求达到99.99%以上，否则光程达到几十米时光功率已经损耗非常严重，同时光经过长光程的空间传输后发散非常严重，而且这种方法机械结构和电路结构复杂，不利于工业的广泛推广和应用。

作为一种新型的光纤气体传感方法, 有源内腔气体检测技术可以在不需增加气室尺寸的情况下，极大地提高气体的监测灵敏度，该方法的关键技术之一是如何使光纤激光器稳定地单模运转。目前基于该技术开展的研究主要是采用环形腔和直线腔两种方式。环形腔中多是采用窄带可调滤波器进行激光波长的选择，该方法存在的问题是：价格昂贵，不适合大规模推广应用；直线腔中主要采用光纤光栅进行激光波长的选择，由于光纤光栅随温度等环境的影响较大，因此该方法的检测精度和稳定性不高。

发明内容

基于目前气体检测技术存在的一些不足，本发明设计了一种基于激光注入锁模技术的高灵敏度的气体检测系统。

本方案是通过如下技术措施来实现的：基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是它包括980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器、隔离器以及作为注入锁模激光种子光源的DFB半导体激光器；波分复用器的980端与泵浦光源相连，波分复用器的1550端和环形器的反射端相连；环形器的入射端和DFB半导体激光器的激光输出端相连，环形器的出射端和气室的一端通过普通单模光纤相连，气室的另一端通过普通单模光纤和耦合器的输入端相连；耦合器分光为90%的输出端与隔离器的入射端相连，隔离器的出射端和稀土掺杂光纤相连，稀土掺杂光纤的另一端和波分复用器的公共端相连，由所述980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成环形腔光纤激光器；DFB半导体激光器的控制端与驱动模块相连；耦合器分光为10%的输出端与探测器相连，探测器和数据处理模块相连。

本方案的具体特点还有，所述的DFB半导体激光器发出的激光通过一个光纤环形器注入到环形腔光纤激光器的激光谐振腔内，对环形腔光纤激光器进行注入锁模，进而获得稳定的单模窄带激光。

所述激光谐振腔为由波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成的环形腔。由于注入锁模效应，光纤激光器输出激光的波长与注入的种子光源波长一致，可以通过DFB半导体激光器来控制环形腔光纤激光器的输出波长。

所述的DFB半导体激光器在锯齿波驱动调制下，输出波长至少可以覆盖待测气体的一个吸收峰。

所述的气室在环形光纤激光器谐振腔内，属于其激光谐振腔的一部分，环形腔光纤激光器产生的光子在形成激光的过程中将多次经过气室，从而将较小的气室长度等效为很大的有效吸收光程。

采用增益谱在气体吸收峰波段的稀土掺杂光纤用于对激光进行放大，稀土掺杂光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤或铒镱共掺光纤。改变掺杂粒子可以扩大光纤激光器的输出波段，进而可以测量更多种类的气体。这些种类的稀土掺杂光纤区别为掺杂稀土粒子的种类不同，因此用于该系统后产生的光放大效果也不同，特别是放大的波长不同，例如采用掺铒光纤时，其放大波长主要集中在1.5um到1.6um波段之间，可以用于在此波段有吸收峰的气体的检测，而如果采用掺铥光纤则主要集中在1.9um-2.1um波段，可以用于检测吸收峰位置在1.9um至2.1um波段的气体。

所述的探测器为光通信常用的铟钾砷光电探测器。

该系统工作时，由所述980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成的环形腔光纤激光器产生激光。通过DFB半导体激光器实现对环形腔光纤激光器输出波长的控制。由于DFB半导体激光器波长在锯齿波驱动下形成可以覆盖待测气体一个吸收峰的扫描，因此环形腔光纤激光器输出的激光也可以实现波长扫描，当扫描到气体吸收峰位置时，由于气体的吸收作用会使得激光强度发生衰减，气体浓度越高吸收越强，激光的强度衰减越厉害，根据衰减的程度可以反演出气体的浓度。

所述的气室串联在环形腔光纤激光器的激光谐振腔内，属于环形激光器激光谐振腔的一部分，当环形腔光纤激光器工作时，整个激光谐振腔形成稳定振荡，产生的光子在形成激光的过程中将多次经过气室，从而将较小的气室长度等效为很大的有效吸收光程。

所述的基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是所述的隔离器、耦合器、环形器均为普通商用的光纤传感及光通信器件。

本发明的有益效果是：

首先，系统的主要特点是对环形腔光纤激光器进行注入锁模，采用DFB半导体激光器作为锁模光源，注入到光纤激光器的激光谐振腔内，使得该激光谐振腔形成稳定的单模运转，从而解决了光纤激光器多纵模运转和跳模的问题，有利于激光波长准确对准气体吸收位置，提高了气体检测的准确性。

其次，通过调制外部注入的DFB半导体激光器的波长实现了对光纤激光器输出激光的波长控制，使其激光波长可以扫描待测气体的吸收峰，外部注入使得激光器的控制更加方便稳定。

第三，此方案采用外部激光注入除了稳定光纤激光器工作波长和功率外，还能够对该激光器进行波长扫描，给检测信号引入参考信息，从而消除了功率波动带来的检测误差，使得气体检测稳定可靠，不受功率波动影响。

第四，将气室置于激光谐振腔内，利用光子在激光谐振腔内振荡形成激光的过程多次通过气室，在不增加气室长度的情况下增加有效光程可达上百倍，大大提高检测灵敏度。

第五，环形激光谐振腔内串联有稀土掺杂光纤，能够起到对激光进行放大的作用，补偿了激光谐振腔的损耗，使得激光能够达到起振条件产生稳定输出的激光，同时由于稀土掺杂光纤激光器的宽波长覆盖范围，可以满足多种气体同时检测的需求。

第六，光纤在长距离传输中优势明显，可以达到几十公里，全光纤结构使系统可以工作在远距离、恶劣的环境中。

附图说明

图1系统结构图；图2驱动信号的输出信号波形图；图3乙炔气体归一化后的吸收信号；图4乙炔气体的吸收光谱；图5一氧化碳气体的吸收光谱；图6二氧化碳气体的吸收光谱；图7碘化氢气体的吸收光谱；

图中：1-980nm泵浦，2-WDM，3-稀土掺杂光纤，4-环形器，5-气室（气体探头），6-耦合器，7-隔离器，8-DFB半导体激光器，9-探测器，10-数据处理模块；11-驱动模块； 12-环形器的入射端；13-环形器的反射端；14-环形器的出射端。

具体实施方式：

如图1所示为该系统结构图。波分复用器2的980端与泵浦光源相连，波分复用器2的1550端和环形器的反射端相连，波分复用器公共端与掺杂光纤相连；环形器4的入射端和DFB半导体激光器8的激光输出端相连，环形器的出射端和气室5的一端通过普通单模光纤相连，气室的另一端通过普通单模光纤和耦合器6的输入端相连；耦合器分光为90%的输出端与隔离器7的入射端相连，隔离器的出射端和稀土掺杂光纤的一端相连，稀土掺杂光纤的另一端和波分复用器的公共端相连，由所述980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成环形腔光纤激光器。

DFB半导体激光器8在驱动模块11驱动下产生单频激光，作为锁模激光种子光源通过一个光纤环形器4注入到环形腔光纤激光器的激光谐振腔内，对环形腔光纤激光器进行注入锁模，使得环形腔激光器获得稳定的单模窄带激光，该激光的波长与注入的种子光波长一致。泵浦光源与WDM的980端相连，WDM的1550端和环形器的反射端13相连，环形器的出射端14和气室的一端通过光纤相连，气室的另一端通过光纤和耦合器的输入端相连，耦合器分光为90%的输出端与隔离器的入射端相连，隔离器的出射端和稀土掺杂光纤的一端相连，稀土掺杂光纤的另一端和WDM的公共端相连，构成环形腔光纤激光器。环形器的入射端12和DFB 半导体激光器的激光输出端相连。DFB半导体激光器的控制端与驱动模块相连；耦合器分光为10%的输出端与探测器相连，探测器和数据处理模块相连。

DFB半导体激光器作为锁模光源，注入到环形光纤激光器激光谐振腔内，980nm泵浦、稀土掺杂光纤能对注入的DFB激光信号进行放大，补偿DFB注入激光在环路中的损耗，从而形成稳定的单模运转激光，后向返回的光信号经过环形器进入气室，再由10:90的耦合器分束，其中 10%的光进入探测器进行光电转换，再由数据采集处理模块进行信号分析，90%的光进入掺杂光纤进行放大，因增益大于损耗，环形激光器激光谐振腔内光强在振荡过程中不断增加，形成窄带光信号。随着入射到掺杂光纤中的光强的增强，增益系数因饱和效应而减少，直至减小到阈值增益，光强不再增加，激光器工作于稳定工作状态。光子在激光谐振腔内振荡的过程中，多次经过气室与气体相互作用，大大增加了气体吸收的有效光程长。

同时，采用如图2所示的锯齿波调制DFB激光器，使其波长扫描整个气体吸收峰。以乙炔为例进行分析，掺杂光纤选用掺铒光纤，气室中分别充入浓度为0.1%和0.05%的乙炔气体时，采集到的归一化后的吸收信号如图3所示，根据不同浓度的气体吸收强度不同即可反演得到待测气体的浓度值。乙炔、一氧化碳、二氧化碳、碘化氢气体的吸收光谱如图4、5、6、7所示。由于掺铒光纤激光器的宽波长覆盖范围，可以满足多种气体检测的需求。乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氨气、硫化氢、水汽等气体均可用该发明进行检测。这里的掺杂光纤用掺镱、掺铥或铒镱共掺的光纤替代，将可以测量更多种类的气体。

举例几种气体的吸收谱线波长：乙炔：1530nm；氨气：1544nm；一氧化碳：1567nm；二氧化碳：1573nm；硫化氢：1578nm；

气体检测原理：不同气体都有其固有的特征吸收谱线，如图4-图7为乙炔、一氧化碳、二氧化碳、碘化氢气体在近红外波段的吸收光谱。当一束光经过气体时，将会被气体有选择地吸收。根据比尔－朗伯（Beer-Lambert)吸收定律，激光器发出强度为I ₀，波长为的激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的光强为

Figure 2012101127091100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

其中 L 为气体吸收池的光路长度，是气体在一定波长处的吸收系数，C为吸收气体的浓度。

由于在近红外波段，气体的吸收很弱，因此有：，

于是，（1）式可以近似为：

Figure 2012101127091100002DEST_PATH_IMAGE003

(2)

从而得到气体浓度

Figure 2012101127091100002DEST_PATH_IMAGE004

(3)

当环形腔光纤激光器工作时，整个激光谐振腔形成稳定振荡，产生的光子在形成激光的过程中将多次经过气室，假设腔内的菲涅尔数（光子在腔内的最大往返次数）为n，环形腔光纤激光器形成振荡并稳定工作后，气室实际有效长度变为n*L，从而吸收长度增加了n倍，进而大大提高了气体检测的灵敏度。

如图3所示为不同乙炔气体浓度时得到的信号，黑色和灰色曲线分别为浓度0.1%和浓度0.05%的信号，浓度越高，气体吸收越强，根据吸收信号的波峰高度就可以反演出待测气体的浓度。

Claims

1. 基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是它包括980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器、隔离器以及作为注入锁模激光种子光源的DFB半导体激光器；

波分复用器的980端与泵浦光源相连，波分复用器的1550端和环形器的反射端相连；

环形器的入射端和DFB半导体激光器的激光输出端相连，环形器的出射端和气室的一端通过普通单模光纤相连，气室的另一端通过普通单模光纤和耦合器的输入端相连；

耦合器分光为90%的输出端与隔离器的入射端相连，隔离器的出射端和稀土掺杂光纤相连，稀土掺杂光纤的另一端和波分复用器的公共端相连，由所述980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成环形腔光纤激光器；

DFB半导体激光器的控制端与驱动模块相连；

耦合器分光为10%的输出端与探测器相连，探测器和数据处理模块相连。

2.根据权利要求1所述的基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是所述的DFB半导体激光器发出的激光通过一个光纤环形器注入到环形腔光纤激光器的激光谐振腔内，对环形腔光纤激光器进行注入锁模，进而获得稳定的单模窄带激光。

3.根据权利要求2所述的基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是所述激光谐振腔为由波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成的环形腔。

4.根据权利要求1所述的基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是所述的DFB半导体激光器在锯齿波驱动调制下，输出波长至少可以覆盖待测气体的一个吸收峰。

5.根据权利要求1所述的基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是所述的气室在环形光纤激光器谐振腔内，其属于其激光谐振腔的一部分，环形腔光纤激光器产生的光子在形成激光的过程中将多次经过气室，从而将较小的气室长度等效为很大的有效吸收光程。

6.根据权利要求1所述的基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是采用增益谱在气体吸收峰波段的稀土掺杂光纤用于对激光进行放大，稀土掺杂光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤或铒镱共掺光纤。

7.根据权利要求1所述的基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是所述的探测器为光通信常用的铟钾砷光电探测器。