CN103344607A - Tdlas中激光波长检测控制装置及其控制方法 - Google Patents

Tdlas中激光波长检测控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种TDLAS中激光波长检测控制装置及其控制方法，所述装置是近红外DFB半导体激光器输入信号由偏振控制器后单模光纤耦合器，氦氖激光器输入信号通过偏振控制器后单模光纤耦合器，进入压电陶瓷光纤拉伸器及滤波后由光电探测器接收输出给近红外DFB半导体激光器波长测量和电流控制器；所述方法是由双波长光纤迈克耳逊干涉仪结构和通过光纤压电陶瓷拉伸器实现光纤臂长差调制，利用光电探测器探测光纤端面菲涅耳反射干涉信号和通过相位调制度测量实现激光波长快速检测，通过控制近红外DFB半导体激光器偏置电流实现输出波长的稳定。本发明克服了TDLAS系统中红外DFB半导体激光器存在慢漂和跳模现象，应用于激光大气测量，工业燃烧测量控制等激光测量领域。<b/>

Description

TDLAS中激光波长检测控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种激光波长检测装置及其检测控制方法，特别是一种用于TDLAS中激光波长检测和波长稳定控制方法及装置，具体地说，是一种基于双波长光纤迈克耳逊干涉仪和通过光纤压电陶瓷拉伸器实现光纤臂长差调制，进而利用相位调制度测量实现激光波长检测和波长稳定控制的方法及装置，应用于激光大气测量，工业燃烧测量控制等激光测量领域。
背景技术
TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱学)是气体传感领域最有效的手段之一。TDLAS除了可应用于大气环境污染检测，工业废气检测外，还可用于多个流体参数的在线高灵敏度测量，例如温度，压力，流速，浓度等，可用于燃气状态监测和控制，对于航空航天等领域有重要意义。TDLAS可分为直接吸收法和激光器调制法，直接吸收法具有结构简单，稳定可靠的特点，但信噪比较低，激光器调制法信噪比高，可用于痕量气体检测。TDLAS普遍采用近红外DFB半导体激光器（分布式反馈激光器）光源，近红外DFB半导体激光器输出波长与待测气体的吸收谱线要高度接近，因此近红外DFB半导体激光器输出波长的测量和稳定成为TDLAS实现工业应用的前提条件。近红外DFB半导体激光器在采用恒流，恒温，防震和密封后，其波长稳定度可以提高一个量级，但再进一步调高，将受温度控制极限的限制。必须采用进一步的波长稳定措施，控制激光波长稳定的内在因素。如果对近红外DFB半导体激光器不加波长稳定控制措施，近红外DFB半导体激光器存在慢漂和跳模现象，同时电噪声和机械噪声能引起近红外DFB半导体激光器输出波长跳动。
传统近红外DFB半导体激光器波长检测方法为光波长计和光谱仪，用于TDLAS中实现高精度波长测量的主要为光波长计。光波长计一般价格昂贵，由于大量采用光学透镜而结构复杂，而且实时性较差，这就限制了TDLAS的在线实时测量应用。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是TDLAS中，近红外DFB半导体激光器输出波长存在慢漂和跳模的问题，进而提供一种TDLAS中激光波长检测控制装置及其控制方法，以保证近红外DFB半导体激光器输出波长与TDLAS待测气体的吸收谱线重合。
实现本发明的目的在于所提供的一种TDLAS中激光波长检测控制装置及其控制方法，其中，所述一种TDLAS中激光波长检测控制装置，包括近红外DFB半导体激光器、氦氖激光器、光隔离器、单模光纤耦合器、、压电陶瓷光纤拉伸器、光滤波片、光电探测器和波长捡测控制器；其特征在于：所述近红外DFB半导体激光器的信号通过第一光隔离器输入到第一单模光纤耦合器；所述氦氖激光器的信号通过第二光隔离器输入到第一单模光纤耦合器；所述第一单模光纤耦合器输出光进入第二单模光纤耦合器，第二单模光纤耦合器的输出臂上缠绕有第一压电陶瓷光纤拉伸器输出；与第二压电陶瓷光纤拉伸器；
其中，第二压电陶瓷光纤拉伸器由正弦信号调制器对光纤输出臂的长度差进行调制；第二单模光纤耦合器两输出臂的端面菲涅耳反射光输入给第三单模光纤耦合器，第三单模光纤耦合器输出臂分别通过近红外光滤波片与可见光滤波片由第一光电探测器与第二光电探测器接收后输出给近红外DFB半导体激光器波长测量和电流控制器，构成TDLAS中激光波长检测控制装置。
所述一种TDLAS中激光波长检测控制装置的控制方法，其所述方法是通过双波长光纤迈克耳逊干涉仪结构和通过光纤压电陶瓷拉伸器实现光纤臂长差调制，同时利用光电探测器探测光纤端面菲涅耳反射干涉信号和通过相位调制度测量实现激光波长快速检测，通过控制近红外DFB半导体激光器偏置电流实现输出波长的稳定。
本发明上述所提供的一种TDLAS中激光波长检测控制装置，结合光纤传感技术，集成度高，快速准确，性能稳定；本发明所提供的一种TDLAS中激光波长检测控制装置的控制方法，通过双波长光纤迈克耳逊干涉仪结构和通过光纤压电陶瓷拉伸器实现光纤臂长差调制，同时利用光电探测器探测光纤端面菲涅耳反射干涉信号和通过相位调制度测量实现激光波长快速检测，通过控制近红外DFB半导体激光器电流实现输出波长的稳定，克服了TDLAS系统中红外DFB半导体激光器存在慢漂和跳模现象，可广泛应用于激光大气测量，工业燃烧测量控制等激光测量领域。
附图说明
图1是TDLAS中激光波长检测及波长稳定控制装置及其控制方法
  图中：1：近红外DFB半导体激光器；2：氦氖激光器；3：第一光隔离器；4：第二光隔离器；5：第一单模光纤耦合器；6：第二单模光纤耦合器；7：第一压电陶瓷光纤拉伸器；8：第二压电陶瓷光纤拉伸器；9：第三单模光纤耦合器；10：红外光滤波片；11：可见光滤波片；12：第一光电探测器；13：第二光电探测器；14：正弦信号调制器；15：波长检测控制器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
具体实施方式1
实施一种TDLAS中激光波长检测控制装置，如附图1所示，近红外DFB半导体激光器1输入的信号通过第一光隔离器3和2×1的第一单模光纤耦合器5；高稳定度氦氖激光器2输入的信号通过第二光隔离器4和2×1的第一单模光纤耦合器5；
所述单模光纤耦合器5输出的光进入3dB的第二单模光纤耦合器6，所述3dB第二单模光纤耦合器6输出臂上缠绕有第一压电陶瓷光纤拉伸器7和第一压电陶瓷光纤拉伸器8；
其中，第二压电陶瓷光纤拉伸器8由正弦信号调制器14对光纤输出臂的长度差进行调制；3dB第二单模光纤耦合器6两输出臂的端面菲涅耳反射干涉信号光输入给1×2单第三模光纤耦合器9，1×2第三单模光纤耦合器9输出臂分别通过近红外光滤波片10与可见光滤波片11，并第一由光电探测器12与第二由光电探测器13接收后输出给近红外DFB半导体激光器波长测量和电流控制器15，进而实现近红外DFB半导体激光器波长的检测和稳定控制。
具体实施方式2
    实施一种TDLAS中激光波长检测控制装置的控制方法，如附图1所示，
其所述控制方法是通过双波长光纤迈克耳逊干涉仪结构和通过光纤压电陶瓷拉伸器实现光纤臂长差调制，同时利用光电探测器探测光纤端面菲涅耳反射干涉信号和通过相位调制度测量实现激光波长快速检测，进而通过控制近红外DFB半导体激光器偏置电流实现输出波长的稳定。其具体调制方法如下：
正弦信号调制器通过压电陶瓷光纤拉伸器调制3dB单模光纤耦合器臂长差，3dB单模光纤耦合器另外一臂接收的端面菲涅耳反射干涉信号光分别通过近红外光滤波片和可见光滤波片后，对于通过近红外光滤波片后的光只有近红外光，由光电探测器接收近红外光干涉信号为：
Figure 571388DEST_PATH_IMAGE001
                 (1)                                                                                                          
    其中，A和B光纤端面反射形成迈克尔逊干涉仪的背景光强系数和对比度系数，
Figure 436575DEST_PATH_IMAGE002
为近红外光的相位调制度,
Figure 450799DEST_PATH_IMAGE003
正弦信号调制器调制频率，
Figure 34227DEST_PATH_IMAGE004
为正弦信号调制器的初始相位，
Figure 283943DEST_PATH_IMAGE005
为3dB单模光纤耦合器输出臂的相位差。
     
Figure 269216DEST_PATH_IMAGE006
通过中心频率为
Figure 952876DEST_PATH_IMAGE003
的带通滤波器后，与信号
Figure 23600DEST_PATH_IMAGE007
相乘，经低通滤波，得到：
                   
Figure 77007DEST_PATH_IMAGE008
                 （2）                                                                                                                          
    
Figure 792153DEST_PATH_IMAGE006
通过中心频率为
Figure 272813DEST_PATH_IMAGE009
的带通滤波器后，与信号
Figure 565254DEST_PATH_IMAGE010
相乘，经低通滤波，得到：
                           
Figure 422352DEST_PATH_IMAGE011
               （3）             
  通过中心频率为
Figure 145031DEST_PATH_IMAGE012
的带通滤波器后，与信号
Figure 190347DEST_PATH_IMAGE013
相乘，经低通滤波，得到：
                          
Figure 585556DEST_PATH_IMAGE014
               （4）
其中
Figure 9715DEST_PATH_IMAGE015
为贝塞尔展开式。
由式(2)和式(4)得
Figure 97757DEST_PATH_IMAGE016
                     （5）                                                           
进而迭代寻优求出相位调制度值,同时通过观察V2实现对信号量大小的监测。此测量方法可以实时测量相位调制度。
对于通过可见光滤波片后的光只有可见光，由光电探测器接收的信号氦氖激光器干涉信号为：
Figure 563691DEST_PATH_IMAGE017
                 （6）
其中，C和D光纤端面反射形成迈克尔逊干涉仪的背景光强系数和对比度系数，
Figure 340892DEST_PATH_IMAGE018
为氦氖激光对应的相位调制度,
Figure 599835DEST_PATH_IMAGE003
正弦信号调制器调制频率，
Figure 354164DEST_PATH_IMAGE019
为正弦信号调制器的初始相位，
Figure 966542DEST_PATH_IMAGE020
为3dB单模光纤耦合器输出臂的相位差。
按照上面的方法，同理可以求取氦氖激光对应的相位调制度
Figure 489927DEST_PATH_IMAGE018
。
由于氦氖激光和近红外光共光路，通过压电陶瓷光纤拉伸器产生的光纤形变相同，对于正弦信号调制器通过压电陶瓷光纤拉伸器调制3dB单模光纤耦合器臂长差时：
                      （7）
                     （8）
其中
Figure 813352DEST_PATH_IMAGE023
压电陶瓷光纤拉伸的最大形变量，
Figure 332189DEST_PATH_IMAGE024
为单模光纤折射率，为待求近红外光波长，
Figure 396277DEST_PATH_IMAGE026
为氦氖激光器输出波长，由于氦氖激光器输出波长高度稳定，由（7）
和（8）得到：
          
Figure 848993DEST_PATH_IMAGE027
                       （9）
进而实现了用于TDLAS系统的近红外DFB半导体激光器输出波长检测，由于可通过提高调制速率实现相位调制度的快速求解，所以本发明可实时测量近红外DFB半导体激光器输出波长。
通过快速检测半导体激光器输出波长和调节近红外DFB半导体激光器偏置电流实现其输出波长的改变，实现了用于TDLAS系统的近红外DFB半导体激光器输出波长的闭环控制。

Claims (2)

1.一种TDLAS中激光波长检测控制装置，包括近红外DFB半导体激光器、氦氖激光器、光隔离器、单模光纤耦合器、、压电陶瓷光纤拉伸器、光滤波片、光电探测器和波长检测控制器；其特征在于：
所述近红外DFB半导体激光器（1）的信号通过第一光隔离器（3）输入到第一单模光纤耦合器（5）；
所述氦氖激光器（2）的信号通过第二光隔离器（4）输入到第一单模光纤耦合器（5）；
所述第一单模光纤耦合器（5）输出光进入第二单模光纤耦合器（6），第二单模光纤耦合器（6）的输出臂上缠绕有第一压电陶瓷光纤拉伸器（7）输出；与第二压电陶瓷光纤拉伸器（8）；
其中，第二压电陶瓷光纤拉伸器（8）由正弦信号调制器（14）对光纤输出臂的长度差进行调制；第二单模光纤耦合器（6）两输出臂的端面菲涅耳反射光输入给第三单模光纤耦合器（9），第三单模光纤耦合器（9）输出臂分别通过近红外光滤波片（10）与可见光滤波片（11）由第一光电探测器（12）与第二光电探测器（13）接收后输出给近红外DFB半导体激光器波长测量和电流控制器（15），构成TDLAS中激光波长检测控制装置。
2.一种用于权利要求1所述的TDLAS中激光波长检测控制装置的控制方法，其所述方法是通过双波长光纤迈克耳逊干涉仪结构和通过光纤压电陶瓷拉伸器实现光纤臂长差调制，同时利用光电探测器探测光纤端面菲涅耳反射干涉信号和通过相位调制度测量实现激光波长快速检测，通过控制近红外DFB半导体激光器偏置电流实现输出波长的稳定。
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