CN103472002A

CN103472002A - 一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统

Info

Publication number: CN103472002A
Application number: CN2013104521751A
Authority: CN
Inventors: 常军; 刘永宁; 王强; 王福鹏; 魏巍; 田长彬
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103472002B

Abstract

一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，属光纤气体检测技术领域。包括泵浦光源、波分复用器、计算机等，其中波分复用器、稀土掺杂光纤、光隔离器、置入输入、输出耦合镜的气室、可调谐滤波器、光纤耦合器共同构成光纤激光器的环形腔。石英音叉放置于气室内的合适位置，用于探测光纤激光器腔内激光激发气体产生的声波信号；石英音叉探测到的信号由锁相放大器进一步提取，并通过数据采集卡获取传输给计算机，做气体浓度反演后获取气体浓度信息。结合了光纤激光技术与光声光谱气体检测技术，本发明系统具有高灵敏度、高性价比、成本非常低等特点。

Description

一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，即涉及一种内腔式的、基于光声光谱气体检测技术的气体检测系统，属光纤气体检测技术领域。

背景技术

工业生产过程中，往往需要对某些气体进行定性甚至定量分析以确保生产安全。而针对一些痕量气体则需要高灵敏度的气体检测装置，目前，常用气体检测方法主要有电化学法、红外光谱法以及气相色谱法等，其中红外光谱法一直备受关注，其关键技术有直接光谱吸收技术、差分吸收技术、基于波长扫描的差分吸收技术、谐波检测技术、内腔式光谱吸收技术以及光声光谱技术。传统的吸收技术由于气体有效吸收光程有限，所以其检测灵敏度不会很高；内腔式光谱吸收技术将气室置于光纤激光器谐振腔内，利用激光往返振荡大大增加气体有效吸收光程，但该技术仍依赖波长扫描技术，需在强背景噪声中提取极微弱的有效信号，使得提高探测灵敏度受到一定的限制；光声光谱检测技术直接测量气体吸收的光能，可以探测极微弱的吸收，具有较高灵敏度，但现有研究均是基于成品激光器耦合输出的激光作为激发光源，耦合过程损耗很大一部分光能。

《中国激光》，2009年，36卷9期，2384-2387页，作者为贾大功、刘琨、井文才、汪讌、张红霞、张以谟，题为《基于环腔光纤激光器的气体检测方法》的文章提出一种基于光纤激光器内腔设计的气体检测系统，该系统采用波长扫描技术使光纤激光器输出波长覆盖多个气体吸收峰，通过对多吸收峰反演浓度取平均值的方法得出对应气体浓度，该方法相对于利用单个吸收峰来说在检测灵敏度和精度上都有所提升，然而基于波长扫描技术的直接光谱吸收本身就存在灵敏度低的缺陷，而且传统气室为能增加有效吸收光程其尺寸一般不会做太小，这将使得在未来形成产品时存在体积大的缺点。

发明内容

为克服现有相关技术的不足，本发明设计了一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统。

本发明系统由以下技术方案来实现：

一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，包括泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、光隔离器、气室、输入耦合镜、输出耦合镜、石英音叉、可调谐滤波器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡、锁相放大器、计算机，其特征在于泵浦光源输出端接波分复用器对应输入端，波分复用器复合端接稀土掺杂光纤的一端，稀土掺杂光纤的另一端接光隔离器输入端；输入耦合镜与输出耦合镜的光轴对准分别放置于气室内的前后端，光隔离器输出端接气室内放置的输入耦合镜，输出耦合镜接可调谐滤波器的输入端，可调谐滤波器的输出端接光纤耦合器的输入端，光纤耦合器分光比为90%的一输出端接波分复用器对应的另一输入端，光纤耦合器分光比为10%的一输出端接光电探测器的光输入端；光电探测器信号输出端接数据采集卡的模拟输入端A；石英音叉置于气室内的输入耦合镜和输出耦合镜之间，石英音叉的信号输出端接锁相放大器信号输入端，锁相放大器的参考信号输入端接数据采集卡的模拟输出端B，锁相放大器的输出端接数据采集卡的模拟输入端B；数据采集卡的模拟输出端A接可调谐滤波器的控制输入端；数据采集卡的信号输入端口通过数据线连接至计算机；

所述波分复用器、稀土掺杂光纤、光隔离器、置入输入、输出耦合镜的气室、可调谐滤波器、光纤耦合器共同构成光纤激光器的环形腔。

所述泵浦光源为半导体激光器。

所述的稀土掺杂光纤为掺铒光纤或掺镱光纤或掺铥光纤或铒镱共掺光纤。

所述石英音叉为32.768KHz脱去真空壳的柱形晶振。

所述的光电探测器为铟镓砷光电探测器。

所述的波分复用器、光隔离器、光纤耦合器、输入耦合镜、输出耦合镜均为普通商用光纤传感和光通讯器件。

所述的用于探测光声信号的石英音叉位于光纤激光器环形腔内部，光声信号产生于光纤激光器腔内；且光纤激光器腔内光强比激光器输出光强大，因此腔内产生的光声信号较输出激光在腔外可激发的光声信号强。

所述可调谐滤波器的调谐范围较大，可覆盖多个气体吸收谱线。

所述气室可做到很小，需要待测气体样本很少。

本系统工作时，波分复用器、稀土掺杂光纤、光隔离器、置入耦合镜的气室、可调谐滤波器、光纤耦合器构成光纤激光器的环形腔；数据采集卡输出低频锯齿波和一定频率的正弦波叠加信号作为可调谐滤波器的驱动信号，受驱动的可调谐滤波器作为激光器选频器件，激光器腔内形成波长连续的窄带激光；腔内激光经过输入耦合镜耦合进入气室，并通过石英音叉叉股间的缝隙传输至输出耦合镜，由该输出耦合镜耦合传输至可调谐滤波器输入端；光纤激光器形成的稳定激光绝大部分经光纤耦合器分光比为90%的输出端返回环形腔参与振荡，另一少部分激光由光纤耦合器分光比为10%的输出端输出至光电探测器，又经数据采集卡采集，作为激光输出检测、归一化参考之用；气室内装有待测气体，经过石英音叉叉股间的激光激发光声效应，石英音叉探测所产生的声波信号，并将信号传输至锁相放大器进行谐波检测；数据采集卡将获得的数据及必要参考数据传输给计算机，做进一步的反演计算，得出相应气体浓度。由于可调谐滤波器的波长调谐范围可以做至几十纳米，可以覆盖多种气体吸收谱线，所以该系统可以同时检测多种气体浓度。

本发明的优点：

首先，将气室置于光纤激光器内部充分利用了一个激光器所能产生的激光能量，而且可以提高检测信号强度；其次，将具有极高检测灵敏度的光声光谱气体检测技术应用于内腔式气体检测系统中，进一步提高整个系统的检测灵敏度；第三，可调谐滤波器的波长调谐范围比较宽，可覆盖多种气体吸收谱线，进行多气体检测；第四，基于石英音叉的光声光谱检测技术需要极少量的样品气体；第五，系统的构成组件多数为光纤传感和光通讯常用器件，其成本非常低。

附图说明

图1是本发明涉及的气体检测系统的示意图。

其中：1、泵浦光源，2、波分复用器，3、稀土掺杂光纤，4、光隔离器，5、气室，6、石英音叉，7、可调谐滤波器，8、光纤耦合器，9、光电探测器，10、数据采集卡，11、锁相放大器，12、计算机，13、输入耦合镜，14、输出耦合镜。

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，包括泵浦光源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、光隔离器4、气室5、输入耦合镜13、输出耦合镜14、石英音叉6、可调谐滤波器7、光纤耦合器8、光电探测器9、数据采集卡10、锁相放大器11、计算机12，其特征在于泵浦光源1输出端接波分复用器2对应输入端，波分复用器2复合端接稀土掺杂光纤3的一端，稀土掺杂光纤3的另一端接光隔离器4输入端，光隔离器4输出端接气室5内放置的输入耦合镜13，输入耦合镜13与输出耦合镜14的光轴对准分别放置于气室5内的前后端；输出耦合镜14接可调谐滤波器7的输入端，可调谐滤波器7的输出端接光纤耦合器8的输入端，光纤耦合器8分光比为90%的一输出端接波分复用器2对应的另一输入端，光纤耦合器8分光比为10%的一输出端接光电探测器9的光输入端；光电探测器9信号输出端接数据采集卡10的模拟输入端A；石英音叉6置于气室内的输入耦合镜13和输出耦合镜14之间，石英音叉6的信号输出端接锁相放大器11信号输入端，锁相放大器11的参考信号输入端接数据采集卡10的模拟输出端B，锁相放大器11的输出端接数据采集卡10的模拟输入端B；数据采集卡10的模拟输出端A接可调谐滤波器7的控制输入端；数据采集卡10的信号输入端口通过数据线连接至计算机12；

所述波分复用器2、稀土掺杂光纤3、光隔离器4、置入输入、输出耦合镜13、14的气室5、可调谐滤波器7、光纤耦合器8共同构成光纤激光器的环形腔。

所述泵浦光源1为半导体激光器。

所述的稀土掺杂光纤3为掺铒光纤。

所述石英音叉6为32.768KHz脱去真空壳的柱形晶振。

所述的光电探测器9为铟镓砷光电探测器。

实施例2：

和实施例1相同，只是所述的稀土掺杂光纤3为掺镱光纤。

实施例3：

和实施例1相同，只是所述的稀土掺杂光纤3为掺铥光纤。

实施例4：

和实施例1相同，只是所述的稀土掺杂光纤3为铒镱共掺光纤。

Claims

1.一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，包括泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、光隔离器、气室、输入耦合镜、输出耦合镜、石英音叉、可调谐滤波器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡、锁相放大器、计算机，其特征在于泵浦光源输出端接波分复用器对应输入端，波分复用器复合端接稀土掺杂光纤的一端，稀土掺杂光纤的另一端接光隔离器输入端；输入耦合镜与输出耦合镜的光轴对准分别放置于气室内的前后端；光隔离器输出端接气室内放置的输入耦合镜，输出耦合镜接可调谐滤波器的输入端，可调谐滤波器的输出端接光纤耦合器的输入端，光纤耦合器分光比为90%的一输出端接波分复用器对应的另一输入端，光纤耦合器分光比为10%的一输出端接光电探测器的光输入端；光电探测器信号输出端接数据采集卡的模拟输入端A；石英音叉置于气室内的输入耦合镜和输出耦合镜之间，石英音叉的信号输出端接锁相放大器信号输入端，锁相放大器的参考信号输入端接数据采集卡的模拟输出端B，锁相放大器的输出端接数据采集卡的模拟输入端B；数据采集卡的模拟输出端A接可调谐滤波器的控制输入端；数据采集卡的信号输入端口通过数据线连接至计算机；

2.如权利要求1所述的一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，其特征在于所述泵浦光源为半导体激光器。

3.如权利要求1所述的一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，其特征在于所述的稀土掺杂光纤为掺铒光纤或掺镱光纤或掺铥光纤或铒镱共掺光纤。

4.如权利要求1所述的一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，其特征在于所述石英音叉为32.768KHz脱去真空壳的柱形晶振。

5.如权利要求1所述的一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，其特征在于所述的光电探测器为铟镓砷光电探测器。