CN105699328B - 一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法，该激光器为掺铒微纳光纤环形结激光器，所述激光器由掺铒的微纳光纤作有源介质，环形结作为谐振腔；所述掺铒的微纳光纤为由一块掺铒块状玻璃借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法拉制而成；所述掺铒微的纳光纤制成为环形结；将微纳光纤的强倏逝波场置于光纤激光器谐振腔中，检测灵敏度可以提高几个数量级，实现了激光输出与传感一体化。

Description

一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤激光传感检测技术领域，尤其涉及一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法。

背景技术

痕量气体检测技术在环境保护、化工生产、资源开采、食品包装等众多行业和领域存在广泛的应用需求，如何对有毒、有害、易燃、易爆气体进行准确、快速检测已成为急需解决的重要问题之一。工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中，人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。发展对工业烟尘、汽车尾气等主要空气污染物的检测预警技术是有效治理大气污染的一个先驱条件。另外在煤炭油气等矿产资源的开采过程中，设计新型智能的气体传感器以实现快速准确的在线监测能有效的避免因可燃气体泄漏而引起的火灾、爆炸、中毒等人身伤亡事故和财产损失。

光纤气体传感器以本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压，易远程传输和复用等优势越来越受到研究人员的重视。倏逝波型光纤气体传感器是利用待测气体与光纤中传输光场的相互作用来实现气体传感的一种新型传感器。与其它光纤气体传感器相比，具有结构相对简单、成本较低、可交叉分辨和形成分布式传感等优点。微纳光纤的出现为倏逝波型气体传感器提供了巨大的发展空间。作为较为特殊的光纤种类，微纳光纤不仅具有常规光纤的基本光纤性能，还有高机械强度、强约束能量、大倏逝场等特殊光学特性：虽然微纳光纤的直径尺度很小，其机械强度却很高，实验表明，直径为200nm微纳光纤的极限抗拉强度可达10GPa；微纳光纤对光场的约束能力强，可实现微米量级弯曲，制作更小尺度的波导器件；由于微纳光纤直径与传输光波尺度相当，在传输过程中有相当部分能量以倏逝场形式存在于纤芯物理边界之外，计算表明，对于二氧化硅材料微纳光纤，当归一化频率为2.4时，有19％的光能量存在于光纤边界之外，当归一化频率为1时，约有94％的光能量以倏逝场形式传输；与外界环境发生相互作用时，可以用来构建超紧凑的传感器。

微纳光纤的制备技术以及微纳光纤激光器的制作技术已经发展的相对成熟，Optics Express,vol.14(12),pp.5055-5060,2006,Shi L,Chen X F,Liu H J,et al.“Fabrication of submicron-diameter silica fibers using electric stripheater,”提出利用电加热金属条作为熔融光纤热源的方法，获得了长达10cm且直径小于1μm的微纳光纤；Applied Physics Letters,89:143513,2006,Xiaoshun Jiang,Qing Yang,Guillaume Vienne,et al,“Demonstration of microfiber knot laser,”提出利用直接拉伸法，由铒镱共掺块状玻璃拉制微纳光纤并构成结型微纳光纤谐振腔，实验表明，该微纳光纤环形结激光器可实现单纵模输出，线宽小于0.05nm，且当泵浦功率为12.8mW时，输出激光功率达到8mW。但是到目前为止，有关基于微纳光纤的气体传感器方面的研究报道较少，最主要原因是由于微纳光纤的拉制长度不够长，作为倏逝波型气体传感器使用时吸收路径较短，探测灵敏度受到限制。

内腔式光谱吸收技术，即激光内腔检测技术，是将气体传感单元置于激光器谐振腔中，通过调节增益，使得腔内总损耗很小。由于光可以在低损耗谐振腔内来回传输，这样光可以通过气体传感单元很多次，相当于大大增加了有效吸收路径，气体吸收的探测灵敏度也会提高几个数量级。内腔式光谱吸收技术是解决微纳光纤气体传感器的吸收路径较短、探测灵敏度不够的重要技术方案。因此，亟需一种新的有源气体检测装置实现两种技术的优势互补。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法，利用掺Er3+块状玻璃拉制成掺Er3+微纳光纤，制作出掺Er³⁺微纳光纤环形结激光器(Er³⁺doped-microfiber knot laser,简称ED-MFKL)，掺杂Er³⁺的光纤增益谱范围较宽，用掺Er³⁺光纤制作的激光器输出波长可调谐范围覆盖了乙炔(1532nm)、氨气(1544nm)、一氧化碳(1567nm)、二氧化碳(1573nm)、硫化氢(1578m)等常见气体；应用激光内腔检测技术，将ED-MFKL封装为气体检测传感元件，以ED-MFKL为传感基元可研制成倏逝场型光纤气体传感器，该传感器将微纳光纤的强倏逝场场置于光纤激光器谐振腔中，检测灵敏度可以提高几个数量级，实现了激光输出与传感一体化，而且不受电磁干扰、适合在易燃易爆环境中工作。该技术旨在提供快速、稳定、可远距离在线检测、具有高探测灵敏度和极大动态范围的气体检测系统。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，该系统用于检测有源气体，该系统的泵浦方式为双向泵浦，两个泵浦光源通过其所带尾纤分别与相应的波分复用器的输入端相连；已封装的掺铒微纳光纤的环形结激光器的尾纤分别与波分复用器的输出端相连接；选取其中一个波分复用器的输出端连接到隔离器的正向输入端，隔离器的输出端依次与光电探测器及锁相放大器相连，所述锁相放大器还与处理器的输入端相连，处理器的输出端分别输出低频锯齿波信号及高频正弦波信号，所述低频锯齿波信号及高频正弦波信号均传输至加法器进行运算，加法器的输出连接至激光器；

处理器同时产生一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号，一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号通过加法器接入激光器的气室，通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制，同时通过给锁相放大器提供一个激光器高频正弦波信号二倍频的参考信号，进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号，最后通过处理器多次采样并进行平均处理，通过上位机实时显示气体浓度。

进一步的，基于掺铒微纳光纤环形结激光器为掺铒微纳光纤环形结激光器，所述激光器由掺铒的微纳光纤作有源介质，环形结作为谐振腔；

所述掺铒的微纳光纤为由一块掺铒块状玻璃借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法拉制而成；所述掺铒微的纳光纤制成为环形结；

两段单模光纤，每个单模光纤的一端均制作为拉锥形与环形结的一端相连接，每个单模光纤的另外一端形为尾纤。

进一步的，两段单模光纤，每个单模光纤的一端均制作为拉锥形与环形结相连接，接入方法为熔接机直接熔接，环形结上有多个溶接点。

进一步的，所述的环形结尾端分别与单模光纤相连接，单模光纤与环形结相连的一端被拉制为拉锥形。

进一步的，所述的掺铒的微纳光纤的纤芯直径在1μm以下。

进一步的，所述环形结直径为2mm，通过调节环形结直径的大小来改变谐振腔的尺寸，从而改变激光器输出激光的波长。

进一步的，在封装时，将掺铒微纳光纤环形结激光器的环形结部分粘贴固定在圆柱形压电陶瓷上，将粘贴上掺铒微纳光纤环形结激光器的压电陶瓷固定入金属密闭容器中形成密封气室，气室与外界通过掺铒微纳光纤环形结激光器的尾纤进行连接。

基于掺铒微纳光纤的环形结激光器载制作时：

选取一块掺铒块状玻璃，借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法将掺铒块状玻璃拉制成直径在设定数值以下的掺铒微纳光纤，将掺铒微纳光纤制作为环形结；

选取两段单模光纤，每个单模光纤的一端制作为拉锥形与环形结相连接，接入方法为熔接机直接熔接，每个单模光纤的另外一端形成为尾纤。

一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统的工作方法，该系统用于检测有源气体，包括以下步骤：

根据待测气体选取与该气体相适应的输出激光波长的掺铒微纳光纤的环形结激光器作为传感基元，采用与该待测气体相适应的泵浦源，在该激光器的谐振腔内，在产生激光过程中有一部分能量的激光以倏逝场的形式外溢到纤芯外表面的空气中传播并与待测气体相互作用；

此时将激光器固定在压电陶瓷上并裸露在待测气体中，通过改变压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制，当这部分光的波长扫描过待测气体吸收峰时，激光器产生的激光能量会因气体吸收而产生一定比例的衰减；

最终激光器输出激光经过波分复用器的一端输出并经过隔离器后由光电探测器接收并进行光电转换；

产生电流信号由负反馈放大电路转换为电压信号，经放大后进入锁相放大器，现场可编程逻辑门阵列处理器同时产生一个低频锯齿波和一个高频正弦波通过加法器接入气室，通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制；

通过给锁相放大器提供一个激光器高频正弦波信号二倍频的参考信号进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号，最后通过处理器多次采样并进行平均处理，通过上位机实时显示气体浓度。

本发明的有益效果：

本发明中，首先，ED-MFKL不仅具有输出激光为单模单频、低噪声、窄线宽等特点，还具有强倏逝场特性；其次，将微纳光纤的强倏逝波场置于光纤激光器谐振腔中，检测灵敏度可以提高几个数量级，实现了激光输出与传感一体化；第三，封装结构设计简单，抗电磁干扰，灵敏度高，动态范围大，对有毒有害易燃易爆气体可实现远程实时在线检测。

附图说明

图1是本发明中的ED-MFKL结构示意图；

图2是本发明中的ED-MFKL的封装设计结构截面图；

图3是本发明中基于掺Er³⁺微纳光纤倏逝场特性的有源气体检测系统的结构示意图；

图中，1-1、环形结，1-2、单模光纤，1、980nm泵浦光源(LD)，2、波分复用器(WDM)，3、已封装ED-MFKL，4、隔离器(ISO)，5、光电探测器，6、锁相放大器，7、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)处理器，8、低频锯齿波信号，9、高频正弦波信号，10、加法器，11、氮气，12、圆柱形压电陶瓷，13、金属密闭容器，14、尾纤。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例1：

本发明实施例1如图3所示，一种基于掺Er³⁺微纳光纤环形结激光器的气体检测系统，包括980nm泵浦光源(LD)1、波分复用器(WDM)2、隔离器(ISO)4、已封装ED-MFKL 3、以及气体处理单元。980nm泵浦光源1通过其所带尾纤与波分复用器(WDM)2的980nm输入端相连；波分复用器(WDM)2的公共端与已封装ED-MFKL3的尾纤14连接；波分复用器(WDM)2的1550nm端接到隔离器(ISO)4的正向输入端，隔离器(ISO)4的另一端连接入气体处理单元；气体处理单元包括光电探测器5、锁相放大器6和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)处理器7，其中光电探测器5的输入端和隔离器4相连接，光电探测器5的输出端与锁相放大器6相连，锁相放大器的输出端接入现场可编程逻辑门阵列(FPGA)处理器7，FPGA同时产生一个低频锯齿波信号8和一个高频正弦波信号9通过加法器10接入已封装DBR-MFL3，通过改变已封装DBR-MFL3中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制，同时通过给锁相放大器6提供一个高频正弦波信号9二倍频的参考信号，进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号，最后通过FPGA多次采样并于底层程序中进行平均处理，通过上位机软件处理分析并实时显示气体浓度。

其中待测气体为乙炔，ED-MFKL输出激光波长为1532nm。

所述的光电探测器是PIN光电探测器。

ED-MFKL是由掺Er³⁺微纳光纤中的Er³⁺作有源介质，掺Er³⁺微纳光纤构成的微小环形结作为谐振腔共同构成。

如图1所示，ED-MFKL是由掺Er³⁺微纳光纤作为有源介质，微小环形结1-1作为谐振腔所构成。掺杂Er³⁺的微纳光纤是借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法将掺Er³⁺块状玻璃拉制成。

掺杂Er³⁺微纳光纤的纤芯直径在1μm以下。

所述的微小环形结1-1直径为2mm左右，通过调节环形结1-1直径的大小来改变谐振腔的尺寸，从而改变激光器输出激光的波长。

环形结1-1尾端与普通单模光纤1-2相连接，单模光纤1-2的一端被拉制为拉锥形，连接方式为熔接机直接熔接。

如图2所示，制作时，选取一块掺Er³⁺块状玻璃，借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法将掺Er³⁺块状玻璃拉制成直径在1μm以下的掺Er³⁺微纳光纤，将掺Er³⁺微纳光纤制作为直接约2mm的微小环形结1-1，选取两段普通的单模光纤1-2，单模光纤1-2的一端制作为拉锥形与环形结1-1相连接，接入方法为熔接机直接熔接，单模光纤1-2的另外一端形成为ED-MFKL的尾纤。

封装时，将ED-MFKL的环形结部分粘贴固定在圆柱形压电陶瓷12上，将粘贴上ED-MFKL的压电陶瓷固定入金属密闭容器13中形成密封气室，气室与外界通过ED-MFKL的尾纤14进行连接。输入气体为氮气11。

工作原理：本发明是选取输出激光波长靠近待测气样特征吸收峰的ED-MFKL，比如待测气样为乙炔时，选取输出激光波长为1532nm的ED-MFKL作为传感基元，采用980nm泵浦源，在ED-MFKL谐振腔内，在产生激光过程中有很大一部分能量的激光以倏逝波的形式外溢到纤芯外表面的空气中传播并与待测气体乙炔相互作用。此时将ED-MFKL固定在压电陶瓷上并裸露在待测气体中，可通过改变压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制，当这部分光的波长扫描过乙炔气体吸收峰时，ED-MFKL产生的激光能量会因气体吸收而产生一定比例的衰减。最终激光器输出激光经过WDM的1550nm端输出并经过隔离器(ISO)后由光电探测器接收并进行光电转换。产生电流信号由负反馈放大电路转换为电压信号。经放大后进入7230锁相放大器，通过给锁相放大器提供一个与激光器高频调制信号同频的参考信号进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号，最后通过FPGA多次采样并于底层程序中进行平均处理，通过上位机软件处理分析并实时显示气体浓度。

实施例2：

和实时例1相同，只是待测气体为氨气，ED-MFKL输出激光波长为1544nm。

实施例3：

和实时例1相同，只是待测气体为一氧化碳，ED-MFKL输出激光波长为1567nm。

实施例4：

和实时例1相同，只是待测气体为二氧化碳，ED-MFKL输出激光波长为1573nm。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，该系统用于检测有源气体，该系统的泵浦方式为双向泵浦，两个泵浦光源通过其所带尾纤分别与相应的波分复用器的输入端相连；已封装的掺铒微纳光纤的环形结激光器的尾纤分别与波分复用器的输出端相连接；选取其中一个波分复用器的输出端连接到隔离器的正向输入端，隔离器的输出端依次与光电探测器及锁相放大器相连，所述锁相放大器还与处理器的输入端相连，处理器的输出端分别输出低频锯齿波信号及高频正弦波信号，所述低频锯齿波信号及高频正弦波信号均传输至加法器进行运算，加法器的输出连接至激光器；

处理器同时产生一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号，一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号通过加法器接入激光器的气室，通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制，同时通过给锁相放大器提供一个激光器高频正弦波信号二倍频的参考信号，进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号，最后通过处理器多次采样并进行平均处理，通过上位机实时显示气体浓度。

2.如权利要求1所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，所述激光器由掺铒的微纳光纤作有源介质，环形结作为谐振腔；

所述掺铒的微纳光纤为由一块掺铒块状玻璃借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法拉制而成；所述掺铒的 微纳光纤制成为环形结；

两段单模光纤，每个单模光纤的一端均制作为拉锥形与环形结的一端相连接，每个单模光纤的另外一端形成为尾纤。

3.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，接入方法为熔接机直接熔接，环形结上有多个熔接点。

4.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，所述的环形结尾端分别与单模光纤相连接，单模光纤与环形结相连的一端被拉制为拉锥形。

5.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，所述的掺铒的微纳光纤的纤芯直径在1μm以下。

6.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，所述环形结直径为2mm，通过调节环形结直径的大小来改变谐振腔的尺寸，从而改变激光器输出激光的波长。

7.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，在封装时，将掺铒微纳光纤环形结激光器的环形结部分粘贴固定在圆柱形压电陶瓷上，将粘贴上掺铒微纳光纤环形结激光器的压电陶瓷固定入金属密闭容器中形成密封气室，气室与外界通过掺铒微纳光纤环形结激光器的尾纤进行连接。

8.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统，其特征是，基于掺铒微纳光纤的环形结激光器在制作时：

选取一块掺铒块状玻璃，借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法将掺铒块状玻璃拉制成直径在设定数值以下的掺铒微纳光纤，将掺铒微纳光纤制作为环形结；

选取两段单模光纤，每个单模光纤的一端制作为拉锥形与环形结相连接，接入方法为熔接机直接熔接，每个单模光纤的另外一端形成为尾纤。

9.使用权利要求1-8任一所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统检测有源气体的方法，其特征是，包括以下步骤：

根据待测气体选取与该气体相适应的输出激光波长的掺铒微纳光纤的环形结激光器作为传感基元，采用与该待测气体相适应的泵浦源，在该激光器的谐振腔内，在产生激光过程中有一部分能量的激光以倏逝场的形式外溢到纤芯外表面的空气中传播并与待测气体相互作用；

此时将激光器固定在压电陶瓷上并裸露在待测气体中，通过改变压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制，当这部分光的波长扫描过待测气体吸收峰时，激光器产生的激光能量会因气体吸收而产生一定比例的衰减；

最终激光器输出激光经过波分复用器的一端输出并经过隔离器后由光电探测器接收并进行光电转换；

产生电流信号由负反馈放大电路转换为电压信号，经放大后进入锁相放大器，现场可编程逻辑门阵列处理器同时产生一个低频锯齿波和一个高频正弦波通过加法器接入气室，通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制；

通过给锁相放大器提供一个激光器高频正弦波信号二倍频的参考信号进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号，最后通过处理器多次采样并进行平均处理，通过上位机实时显示气体浓度。