CN107884344A - 一种基于半导体激光器的有源气室的光声光谱气体传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半导体激光器的有源气室的光声光谱气体传感系统，它包括集成半导体激光器、光声池、麦克风、光电探测模块、信号处理模块、半导体激光器控制模块和数据输出模块，集成半导体激光器直接与光声池的一端封装为一体，麦克风安装在光声池的侧壁上；光电探测模块的光敏面对准光声池的出光端口；光电探测模块及麦克风的输出端均连接至信号处理模块的输入端，信号处理模块的一个输出端与半导体激光器控制模块相连、另一个输出端与数据输出模块相连；半导体激光器控制模块与集成半导体激光器的控制端相连接。本发明省去与光纤耦合的中间环节，大大提高了注入光功率，同时简化了光束调整结构，实现了气室小型化和稳定性的提高。

Description

一种基于半导体激光器的有源气室的光声光谱气体传感系统

技术领域

本发明涉及气体检测领域和光传感领域中的一种传感单元结构，具体涉及一种集成半 导体激光器的有源气室结构与光声光谱气体传感系统。

背景技术

近年来，伴随着光通信产业的成熟与壮大，大批高性能光器件的成本不断降低，尤其 是近红外通信波段(800～1700nm)的半导体DFB激光器，其输出功率和线宽特性都得到极大提升。使得在线监测定量分析成为可能。光声光谱技术是一种无背景信号的检测技术，具有不消耗载气、灵敏度高、检测时间短、免维护等优点。对于浓度较低的样品气体，仍 然可以获得较高的灵敏度。例如，近红外窄线宽DFB半导体激光器的成熟，可以方便地 利用性能优异的近红外通信波段(800～1700nm)DFB激光器，结合光声光谱技术实现优 于1ppm微量气体的实时测量。虽然目前某些气体，如乙烷，在近红外波段并无明显吸收， 但是中红外区域3400nm附近的量子级联DFB半导体激光器的量产也指日可待，为这些 气体实现高灵敏度的检测提供了又一助力。

现阶段，变压器油中溶解的ppm级微量特征气体的浓度检测主要采用气相色谱法。气相色谱法的标准操作流程包括：现场油样采集——油气分离——色谱柱实现气体组分逐一分离——气敏传感器完成浓度检测。这种检测方式需配置载气且经常更换，同时色谱柱也属于耗材，需定期更换，给运行维护带来诸多不便。

光声光谱气体检测技术具有灵敏度高(实验室单气体检测精度达ppb量级)、实时性 好等优点，在工业领域具有极大的发展潜力。在前期光声光谱技术研发过程中，我们发现 其核心部分——光声气室的结构设计与优化对提升光声检测系统的灵敏度、稳定性和结构 小型化起着决定性作用。在保证系统灵敏度的前提下，光声气室的小型化是减少检测耗气 量、提高响应速度的主要考量。而小的共振腔(直径2mm)需要激光器输出光束直径和固定工艺(光束与谐振腔轴线平行)的保证，以及满足谐振腔内壁加工精度的要求，而目 前比较通用的DFB激光器+光纤准直器输出的结构，对光束平行度及其准直工艺提出了 较高的要求，限制了气室的小型化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有气室/气体池存在的半导体激光器耦合与光束 调整工艺复杂、稳定性差的问题，提供一种集成半导体激光器式的有源气室结构与光声光 谱气体传感系统，大大提高注入光功率，同时简化光束调整结构，实现气室小型化和稳定 性的提高。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于半导体激光器的有源气室的光声光谱气体传感系统，它包括集成半导体激光 器、光声池、麦克风、光电探测模块、信号处理模块、半导体激光器控制模块和数据输出 模块，所述集成半导体激光器直接与光声池的一端封装为一体构成整体光声气室，所述麦 克风安装在光声池的外侧、用于检测光声池中形成的声压信号的强度，并将其转化为电信 号；所述光电探测模块的光敏面对准光声池的出光端、用于将光信号转化为电信号；光电 探测模块及麦克风的输出端均连接至信号处理模块的输入端，信号处理模块的一个输出端 与半导体激光器控制模块相连、另一个输出端与数据输出模块相连；所述半导体激光器控 制模块与集成半导体激光器的控制端相连接。

按上述方案，所述集成半导体激光器采用近红外DFB半导体激光器。

按上述方案，所述有源光声气室为单端口或者两端口气室(光声气室采用哑铃型结构， 该结构可使光声信号仅沿纵向传播，而在径向及角向几乎没有变化，从而有利于光声信号 的探测)。

按上述方案，所述信号处理模块包括锁相放大器，信号处理模块通过锁相放大器利用 锁相法实现弱信号提取。

本发明的工作原理：将改进的集成半导体激光器(DFB激光器)直接与光声池的一端封装到一体，使光声池与集成半导体激光器成为一个整体气室结构；半导体激光器控制模块与集成半导体激光器控制端相连接，利用半导体激光调频技术产生具有声学调制特征的激发光并将其直接注入到光声池中；光声气室内特定气体分子吸收光能后受激发，跃迁到振动能级的高能态，进而通过无辐射跃迁将能量转化为动能，从而在光声池中形成压力波；利用麦克风检测光声池中形成的压力波信号的强度，并将其转化为电信号；光电探测模块将光信号转化成电信号；信号处理模块接收麦克风输出端的电信号以及光电探测模块输出端的电信号，并对接收到的电信号进行滤波放大处理；信号处理模块的一个输出端与半导体激光器控制模块相连，利用输出信号对半导体激光器控制模块进行负反馈，从而确保集成半导体激光器输出稳定；信号处理模块的另一个输出端通过接口电路将信号传输至数据输出模块，进行数据处理与显示。根据声压信号幅度与入射光强、气体分子吸收系数和含量的关系，从而确定光声气室内受激发气体的分子含量，最终得到待测气体浓度。

与其他类型的光声光谱检测法相比，本发明具有下列优点和积极效果：

1、从半导体激光器封装结构入手，设计了一种集成半导体激光器式气室结构，将DFB 半导体激光器直接与光声气室一端封装集成为一体的设计结构，省去了光纤准直器，优化 了气室的光注入结构设计，改善了注入光束的发散角，减小了光束发散，提高了注入气室 的光功率和结构稳定性，最终得以实现光声气室体积的进一步小型化；

2、半导体激光器调频技术是为实现光声气室的谐振工作状态，对半导体激光器频率 进行调制，使半导体激光器频率与光声气室的谐振频率匹配，从而获得最大的输出信号， 及以该气室为核心的气体传感系统，实现了优于0.5ppm的乙炔气体检测精度；

3、由于光声信号是与半导体激光器调制频率互相关的交流信号，因此数据处理过程 中利用锁相法抑制非相关噪声，从而提高系统的信噪比，同时也方便提取光声信号的相位 和频率。

附图说明

图1为本发明有源气室结构与光声光谱气体传感系统的结构原理图。

图中，1-近红外DFB半导体激光器，2-光声池，3-麦克风，4-光电探测模块，5-信号处 理模块，6-半导体激光器控制模块，7-数据输出模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步的详细说明。

参照图1所示，本实施例中的有源气室结构与光声光谱气体传感系统，包括近红外DFB半导体激光器1、光声池2、麦克风3、光电探测模块4、信号处理模块5、半导体激 光器控制模块6和数据输出模块7，近红外DFB半导体激光器1直接与光声池2的一端 封装为一体构成整体呈哑铃型结构的光声气室，麦克风3安装在光声池2的外侧、用于检 测光声池2中形成的压力波信号的强度，并将其转化为电信号；光电探测模块4的光敏面 对准光声池2的出光端、用于将光信号转化为电信号；光电探测模块4及麦克风3的输出 端均连接至信号处理模块5的输入端，信号处理模块5的一个输出端与半导体激光器控制 模块6相连、另一个输出端与数据输出模块7相连；半导体激光器控制模块6与近红外 DFB半导体激光器1的控制端相连接。

信号处理模块5包括锁相放大器，信号处理模块5通过锁相放大器利用锁相法实现弱 信号提取。

本发明将改进的近红外DFB半导体激光器1直接与光声池2的一端封装为一体，使光声池2与近红外DFB半导体激光器1成为一个有源光声气室结构；半导体激光器控制 模块6与近红外DFB半导体激光器1控制端相连接，利用半导体激光调频技术产生具有 声学调制特征的激发光并将其直接注入到光声池2中；光声池2内特定气体分子吸收光能 后受激发，跃迁到振动能级的高能态，进而通过无辐射跃迁将能量转化为动能，从而在光 声池2中形成压力波；利用麦克风3检测光声池2中形成的压力波信号的强度，并将其转 化为电信号；光电探测模块4将光信号转化成电信号；信号处理模块5接收麦克风3输出 端的电信号以及光电探测模块4输出端的电信号，并对接收到的电信号进行滤波放大处 理；信号处理模块5的一个输出端与半导体激光器控制模块6相连，利用输出信号对半导 体激光器控制模块6进行负反馈，从而确保近红外DFB半导体激光器1输出稳定；信号 处理模块5的另一个输出端通过接口电路将信号传输至数据输出模块7，进行数据处理与 显示。根据声压信号幅度与入射光强、气体分子吸收系数和含量的关系，从而确定光声气 室内受激发气体的含量，最终得到待测气体浓度。

气体分子对光强的吸收服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律。光声光谱是基于光声效应的 一种高灵敏度、大动态范围的量热光谱技术。光声信号的本质是光、热、声、电的能量转 换。

在光声气室(光声池)中气体处于激发态的分子因无辐射弛豫产生热量H(r，t)是位 置和时间的函数，令入射光强为I(r,t)，H(r,t)＝αI(r,t)，其中α为气体分子吸收系数，在入射波长一定的情况下，可由H(r，t)的强弱来确定待测气体浓度(由气体吸收过 程所产生的热量来表征待测气体浓度)。

声压P(r，t)用以描述待测气体中声扰动，P(r，t)＝P-P₀，P为总压力，P₀为压力平均值，被测气体吸收调制光形成热量H(r，t)，可看作是气体振动的能量源，光声气室内的 声场是多种声压分布的叠加。而简正模式解P_j决定于光声气室的形状。

在光声气室实际设计中，通常使其工作在简正模式P_j(r)上以获得声压信号的共振放 大(ω＝ω_j)。在光声池2的r处，光声池2中的声压信号为：

式中γ为气体的比热比，Q_j为品质因素，反应了气室中声能的积累与散失速率，ω_j是 光声信号的共振频率，L_c是气室的长度，V_c是气室的容量，I_j是入射光强。

通过麦克风3探测声压信号P(r,ω_j)，并将对应的电信号注入到信号处理模块5的锁 相放大器进行相关运算，有效抑制非相关噪声从而提高信噪比，同时也能够方便地提取光 声信号的相位和频率。

本发明采用将特殊设计的DFB半导体激光器直接与气室一端封装为一体的结构设计，省去与光纤耦合的中间环节，大大提高了注入光功率，同时简化了光束调整结构，实 现了气室小型化和稳定性的提高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施 方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本发明的精神所引伸出的显而易见的 变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于半导体激光器的有源气室的光声光谱气体传感系统，其特征在于：它包括集成半导体激光器、光声池、麦克风、光电探测模块、信号处理模块、半导体激光器控制模块和数据输出模块，所述集成半导体激光器直接与光声池的一端封装为一体构成有源光声气室，所述麦克风安装在所述光声池的侧壁上，用于检测光声池中形成的声压信号的强度，并将其转化为电信号；所述光电探测模块的光敏面对准光声池的出光端口，用于将光信号转化为电信号；所述光电探测模块及麦克风的输出端均连接至所述信号处理模块的输入端，所述信号处理模块的一个输出端与所述半导体激光器控制模块相连、另一个输出端与所述数据输出模块相连；所述半导体激光器控制模块与所述集成半导体激光器的控制端相连接。

2.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感系统，其特征在于：所述集成半导体激光器采用近红外DFB半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感系统，其特征在于：所述有源光声气室为单端口或者两端口气室。

4.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感系统，其特征在于，所述信号处理模块包括锁相放大器，信号处理模块通过锁相放大器利用锁相法实现弱信号提取。