CN105823755B - 一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统 - Google Patents

一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统，包括半导体激光器(1)并依次配合连至光收集与耦合单元(2)和气体腔室(5)；气体腔室的后端面设有反射镜；另设有信号处理单元(3)，信号显示终端(4)和调制激光器的驱动电路；所述的激光器的驱动电路产生驱动半导体激光器(1)的电压信号；能调制的半导体激光器通过光收集与耦合单元发射出激光，并进入气体腔室，由气体腔室待测气体吸收并由气体腔室的后端面反射回调半导体激光器腔内；所述信号处理单元连接半导体激光器中PD产生的光电流并转换为电压信号经信号处理单元处理，输出到信号显示终端。

Description

一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统
技术领域
本发明涉及一种光学干涉传感技术，特别涉及一种自混合型气体吸收传感技术。
背景技术
气体光谱学测量可以实现气体浓度的非接触定量测量，适用于复杂环境及有毒、有害、有腐蚀性气体检测。吸收光谱法的测量气体浓度的原理是当一束光经过充满气体的吸收池后，其出射光强会因为气体分子吸收而衰减即Beer-Lambert定律，通过测量出射光强大小，并根据入射光强和气体吸收截面信息即可获得气体浓度大小。同时，结构简单、紧凑、稳定的自混合干涉系统能够放大气体吸收信号，能够获得高灵敏度气体吸收信号。自混合干涉是激光器输出的激光由外界物体反射或散射进入激光腔内并发生干涉的现象。由于反馈光携带了外界光程的相位信息，因此激光自混合干涉信号频率、强度能够及时反映气体浓度的信息。在激光自混合干涉系统，特别是激光器光源能够同时作为传感元件进行传感测量，结构简单、紧凑降低测量系统成本，并能增强干涉信号的信噪比以获得高灵敏度探测。
目前进行气体光谱学测量技术主要采用直接吸收法测量气体浓度，信号较弱，因此在远距离、高灵敏度测量中受限。同时，该方法无法给出待测气体的长度。
发明内容
本发明目的是，为避免上述技术的不足之处，提供一种可一种高信噪比、高灵敏度、易准直可用于远距离气体吸收传感，具有商业化的潜在能力并易于实现批量化生产的自混合型气体吸收传感技术，具有较高的灵敏度和测量范围。
为了达到上述目的本发明采用如下的技术方案，一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统，包括半导体激光器(1)并依次配合连至光收集与耦合单元(2)和气体腔室(5)；气体腔室(5)的后端面设有反射镜；另设有信号处理单元(3)，信号显示终端(4)和调制激光器的驱动电路(6)；所述的激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器(1)的电压信号；能调制的半导体激光器(1)通过光收集与耦合单元(2)发射出激光，并进入气体腔室(5)，由气体腔室待测气体吸收并由气体腔室(5)的后端面反射回调半导体激光器(1)腔内；所述信号处理单元(3)连接半导体激光器(1)中PD产生的光电流并转换为电压信号经信号处理单元(3)处理，输出到信号显示终端。
所述的半导体激光器(1)包括符合气体吸收谱线中心波长的半导体激光器，如1653nmDFB半导体激光器可以作为甲烷气体探测的光源等。
所述的气体腔室(5)为装载气体的腔体结构，所述的腔体结构包括封闭的腔室如共振腔、微积分腔室等，所述的腔体结构包括开放室的腔室如把任意反射面做反馈的空气腔室。
一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感方法，基于半导体激光器(1)自混合气体吸收传感系统，激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器(1)的电压信号，以获得半导体激光器(1)的激光频率和光强调制输出，以达到覆盖待测气体吸收线宽的并能够获得自混合干涉距离测量信号的目的；能调制的半导体激光器(1)通过光收集与耦合单元(2)发射出激光，进入气体腔室(5)，由待测气体吸收并由气体腔室(5)的端面反射回调半导体激光器(1)腔内；此时半导体激光器(1)腔内的自混合信号携带了待测气体的浓度信息；所述信号处理单元(3)中的接受半导体激光器(1)中PD产生的光电流并转换为电压信号进行处理，最终输出并由信号接收终端显示。
根据光谱学的基本原理，每种物质都有自己特有的吸收光谱，结合内调制半导体激光器的自混合传感技术的输出光强关系式如上述。
本发明有益效果：与已有技术相比，1)本发明采用自混合干涉技术，其相对于直接吸收法气体测量技术能够实现更高的测量灵敏度，能够保证远距离、高灵敏度的传感测量。2)本发明采用内调制技术，其相对于直接测量技术，能够获得激光器与待测气体之间的距离，能够提供更多的信息，便于对待测气体进行数据分析。
总之，本发明采用自混合干涉技术测量气体的浓度信息，其相对于直接吸收法气体测量技术能够实现更高的测量灵敏度，同时能够获得激光器与待测气体之间的距离，能够提供更多的信息，便于对待测气体进行数据分析。
附图说明
图1为可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统示意图；
图2为自混合型气体吸收传感器原理。
图中标号：1半导体激光器；2光收集与耦合单元；3信号处理单元；4信号(接收)显示终端；5气体腔室；6激光器的驱动电路。
具体实施方式
本发明提供一种基于气体直接吸收技术的自混合干涉的气体探测传感系统，将待测气体浓度信号转化为光波的幅度、相位、频率等参数变化的方法。本发明是采用气体直接吸收与自混合干涉原理的传感器，通过散射光将待测气体信号反馈回激光器并转换到自混合干涉信号的频率、幅度变化中去，可实现待测信号的抗干扰和保密性强的传输。
本发明基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统如图1所示，采用半导体激光器1并配合设置光收集与耦合单元2；一信号处理单元3；一信号显示终端4；一气体腔室5；一调制激光器的驱动电路6构成了可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统。
半导体激光器1并配合设置光收集与耦合单元2；一信号处理单元3；一信号显示终端4；一气体腔室5；一调制激光器的驱动电路6构成了可调谐半导体激光光谱的自混合气体传感系统；所述的激光器的驱动电路6产生驱动半导体激光器1的电压信号，以获得半导体激光器1的激光频率和光强调制输出，以达到覆盖待测气体吸收线宽的并能够获得自混合干涉距离测量信号的目的。调制的半导体激光器通过光收集与耦合单元即光纤准直器或者准直透镜组可整形激光光束并发射出激光，进入气体腔室，由待测气体吸收并由气体腔室的端面反射回调半导体激光器腔内。此时半导体激光器腔内的自混合信号携带了待测气体的浓度信息。所述信号处理单元中的接受半导体激光器中PD(光电二极管)产生的光电流并转换为电压信号进行处理，最终输出并由信号接收终端显示。
所述的半导体激光器包括符合气体吸收谱线中心波长的半导体激光器，如1653nmDFB半导体激光器可以作为甲烷气体探测的光源等。
所述的气体腔室5为装载气体的腔体结构，所述的腔体结构包括封闭的腔室如共振腔、微积分腔室等，所述的腔体结构包括开放式的腔室如把任意反射面做反馈的空气腔室。
所述的信号处理单元3包括光电流放大电路和锁相放大电路，或者简单的放大电路与LabVIEW程序结合以获得相应的信号等。
所述的信号显示终端4为任意的显示终端，包括电脑显示器、手机显示器等。
测甲烷气体浓度实例：
本实例采用可调谐半导体作为传感器件测量甲烷气体的浓度，选用技术成熟的1653nm的DFB半导体激光器作为传感光源，在调制激光器的驱动电路的驱动下发出能被甲烷气体吸收，同时反射回激光器内的反馈光使激光器产生干涉信号，其输出表达式如下式所示
I＝I0(v,t)[1+nsin(wt)][1+mexp{-2α(v)LeN}cos(2πvτL)] (4)
自混合干涉信号的一次谐波项为自混合测距信号，可以得到待测气体腔室的长度Le，干涉信号二次谐波项与待测气体浓度N和气室长度Le相关其长度一般在10米的量级，通过锁相放大获得二次谐波信号并结合一次谐波获得的气体腔室长度Le可以获得待测气体浓度。
自混合型气体吸收传感器原理如图2所示,自混合型气体吸收传感系统由在气体吸收谱线的半导体激光器和对激光有反射的气体吸收腔室组成。激光器发出的激光由气体吸收腔室反射进入激光器腔内，产生干涉。半导体激光器的在无反馈无调制情况下的光强和频率分别是I0和v0，内调制电流对激光器的光强和频率调制幅度为n和vf，Le为气室的长度，待测气体的光谱谱线为α(v)，α0光谱吸收谱线强度，vc吸收峰中心频率，Δv吸收线半宽。根据内调制的自混合干涉理论结合Beer-Lambert的吸收定律得到激光器输出光强I为：
I＝I0(v,t)[1+nsin(wt)][1+mexp{-2α(v)LeN}cos(2πvτL)] (1)
v＝v0+vfsin(wt) (2)
式(1)中自混合的强度调制系数m在工作条件一定时为比例于反馈强度的常数，w为内调制的电流的角频率。
一个标准大气压下，红外光谱粒子的碰撞展宽起主要作用，气体的吸收线型α(v)可用归一化的Lorentz线型来描述，
式(1)可知，自混合干涉信号的一次谐波项为自混合测距信号，可以得到待测气体腔室的长度Le，干涉信号二次谐波项与待测气体浓度N和气室长度Le相关，通过锁相放大获得二次谐波信号并结合一次谐波获得的气体腔室长度Le可以获得待测气体浓度。
通过上式得到待测气体腔室的长度Le和待测气体浓度N。基于可调谐半导体激光光谱的自混合气体传感系统与传统的自混合干涉技术测速与传统的干涉技术测速相比有着更高的灵敏度，结构更加紧凑。采用自混合干涉技术作为气体探测测量技术目前是首次被提出。

Claims (2)

1.一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统，包括半导体激光器(1)并依次配合连至光收集与耦合单元(2)和气体腔室(5)；气体腔室(5)的后端面设有反射镜；另设有信号处理单元(3)，信号显示终端(4)和调制激光器的驱动电路(6)；所述激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器(1)的电压信号；能调制的半导体激光器(1)通过光收集与耦合单元(2)发射出激光，并进入气体腔室(5)，由气体腔室待测气体吸收并由气体腔室(5)的后端面反射回调半导体激光器(1)腔内；所述信号处理单元(3)接收半导体激光器(1)中PD产生的光电流并转换为电压信号进行处理，输出到信号显示终端(4)；
所述半导体激光器(1)包括符合气体吸收谱线中心波长的半导体激光器；
所述半导体激光器为1653nmDFB半导体激光器，作为甲烷气体探测的光源；
所述气体腔室(5)为装载气体的腔体结构，所述腔体结构包括封闭的共振腔或微积分腔室，所述腔体结构还包括开放式的腔室；
所述信号处理单元(3)包括光电流放大电路和锁相放大电路；
激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器(1)的电压信号，以获得半导体激光器(1)的激光频率和光强调制输出，以达到覆盖待测气体吸收线宽的并能够获得自混合干涉距离测量信号；能调制的半导体激光器(1)通过光收集与耦合单元(2)发射出激光，进入气体腔室(5)，由待测气体吸收并由气体腔室(5)的端面反射回调半导体激光器(1)腔内；此时半导体激光器(1)腔内的自混合信号携带了待测气体的浓度信息；所述信号处理单元(3)中的接受半导体激光器(1)中PD产生的光电流并转换为电压信号进行处理，最终输出并由信号接收终端(4)显示。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统进行自混合气体吸收传感方法，其特征是，激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器(1)的电压信号，以获得半导体激光器(1)的激光频率和光强调制输出，以达到覆盖待测气体吸收线宽的并能够获得自混合干涉距离测量信号；能调制的半导体激光器(1)通过光收集与耦合单元(2)发射出激光，进入气体腔室(5)，由待测气体吸收并由气体腔室(5)的端面反射回调半导体激光器(1)腔内；此时半导体激光器(1)腔内的自混合信号携带了待测气体的浓度信息；所述信号处理单元(3)中的接受半导体激光器(1)中PD产生的光电流并转换为电压信号进行处理，最终输出并由信号接收终端(4)显示；
半导体激光器的在无反馈无调制情况下的光强和频率分别是I0和v0，内调制电流对激光器的光强和频率调制幅度为n和vf，Le为气室的长度，待测气体的光谱谱线为α(v)，α0为光谱吸收谱线强度，vc为吸收峰中心频率，Δv为吸收线半宽；
根据内调制的自混合干涉理论结合Beer-Lambert的吸收定律得到激光器输出光强I为：
I＝I0(v,t)[1+nsin(wt)][1+mexp{-2α(v)LeN}cos(2πvτL)] (1)
v＝v0+vfsin(wt) (2)
式1中，自混合的强度调制系数m在工作条件一定时为比例于反馈强度的常数，w为内调制的电流的角频率，v为吸收线宽度，t为时间，τL为时间间隔；
一个标准大气压下，红外光谱粒子的碰撞展宽起主要作用，待测气体的光谱谱线α(v)可用归一化的Lorentz线型来描述：
α(v)＝α0/(1+(v-vc/Δv)2) (3)
式1可知，自混合干涉信号的一次谐波项为自混合测距信号，待测气体腔室的长度Le，干涉信号二次谐波项与待测气体浓度N和气室长度Le相关，通过锁相放大获得二次谐波信号并结合一次谐波获得的气体腔室长度Le获得待测气体浓度。
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