CN109916853A - 基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法。本发明通过测量布拉格波长的变化得到待测物质的种类和浓度，具有极高的抗噪能力、极高的分辨率和测量精度，非常适合高温、高湿度和易燃易爆等恶劣环境中进行远距离探测；光纤光栅具有极强的复用能力，布设不同监测点，能够实现多点、组网监测以及不同对象监测，有效降低系统的成本；采用可调谐光纤珐珀滤波器干涉解调法测量光纤光栅的布拉格波长变化，使系统具有极高的分辨率以及极强的复用能力。

Description

基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法

技术领域

本发明涉及痕量物质激光红外吸收光谱探测技术领域，具体为一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法。

背景技术

痕量物质探测技术不仅对于大气污染监控、工业生产过程监测以及爆炸物检测等领域具有重要的意义，而且可以广泛应用于食品安全监测、火灾预警及环境监测等领域。激光红外吸收光谱技术可以对气态、固态和液态等形态的各种物质进行检测，具有检测精度高、灵敏度高、光谱分辨率高、不依赖于被测物质数量和质量，已成为当前最主要和最重要的痕量物质探测技术发展方向和研究热点之一。

激光红外吸收光谱技术是待测物质吸收特定波长激光后，通过探测光强、声波或热量等物理量的变化来获得待测物质在特征吸收波长范围内的吸收光谱，从而实现待测物质成分和浓度的探测。诸如激光光声光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术等常见的激光红外吸收光谱技术通常需要光声池来提高信号强度，从而限制了该方法在远距离探测方面的应用。为了实现痕量物质远距离探测，研究工作者对现有技术进行了改进。比如，美国马里兰大学的XingChen利用反射镜将待测物吸收光能产生的声波汇聚到位于远处的麦克风，实现了异丙醇蒸气探测实验，但是该方法极易受到外界噪声干扰，抗噪能力差。美国橡树岭国家实验室的Van Neste等采用氮化硅-铝双层复合结构微悬臂梁探测远处待测物吸收后的光能，并在1m处对TNT、RDX和PETN三种爆炸物样品进行了探测。Juan Sun等采用石英音叉探测远处待测物吸收后的光能，在30m处完成了对乙醇和丙酮的探测。由于微悬臂梁材料和石英音叉吸光率较低且吸收光谱范围窄，因而无法在超宽光谱范围内实现多种物质探测。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法解决了远距离探测困难的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，包括激励激光器、反射物、凹面镜、光纤光栅传感器、连续宽带激光器、光纤、耦合器、可调谐光纤珐珀滤波器、光电探测器、数据处理系统和驱动电路，所述光纤包括第一光纤、第二光纤、第三光纤和第四光纤，所述激励激光器、反射物和凹面镜位于同一光路上，所述激励激光器和反射物的光路上设有待测物质，所述光纤光栅传感器位于凹镜面的焦点处，所述连续宽带激光器通过第一光纤与耦合器连接，所述耦合器通过第二光纤与光纤光栅传感器连接，所述耦合器通过第三光纤与可调谐光纤珐珀滤波器连接，所述可调谐光纤珐珀滤波器通过第四光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端与数据处理系统的信号输入端连接，所述数据处理系统的信号输出端通过驱动电路与可调谐光纤珐珀滤波器连接。

进一步地：所述光纤光栅传感器包括依次设置的光纤光栅、纳米银黑薄膜层和聚甲基苯基硅氧烷层，所述光纤光栅为均匀光纤布拉格光栅，所述光纤光栅采用相位掩膜法对光敏单模光纤进行曝光制备，所述纳米银黑薄膜层采用化学沉积法生长在光纤光栅表面，所述聚甲基苯基硅氧烷层采用旋涂法生长在纳米银黑薄膜层表面。

一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测方法，包括以下步骤：

S1、通过激励激光器发出的脉冲调制激光照射位于远处的待测物质，通过待测物质吸收后的激光被反射物反射至凹面镜；

S2、通过凹面镜将激光聚焦到光纤光栅传感器的表面上，使光纤光栅传感器中的光纤光栅产生应变，得到应变情况下的布拉格波长；

S3、通过连续带宽激光器发出连续光进入光纤光栅传感器，并通过光纤光栅传感器将中心为应变情况下布拉格波长的窄带光反射至可调谐光纤珐珀滤波器得到输出光；

S4、通过光电探测器将可调谐光纤珐珀滤波器的输出光转换为电信号后传送至数据处理系统进行数据处理；

S5、通过数据处理系统控制驱动电路产生三角波驱动电压对可调谐光纤珐珀滤波器进行波长扫描，得到光纤珐珀滤波器输出光波长；

S6、当光纤珐珀滤波器输出光波长与布拉格波长相同时，光电探测器输出最大电信号；

S7、根据数据处理系统获取到的光电探测器的输出电信号及最大电信号的变化，和可调谐光纤珐珀滤波器输出光波长与驱动电压的线性关系得到布拉格波长及其变化关系；

S8、通过布拉格波长及其变化关系得到待测物的光谱信息，并根据光谱信息得到待测物的种类和浓度信息。

本发明的有益效果为：本发明中银黑薄膜在红外超宽波段范围具有极高的吸光率，采用银黑薄膜作为吸光层实现待测物质吸收后剩余光探测，因此可以通过单一传感器完成多种物质的探测；采用具有极高的热膨胀系数的聚甲基苯基硅氧烷作为吸热层，可以有效提高系统探测灵敏度；采用光纤光栅作为传感器件，利用光纤光栅应变与布拉格波长的线性关系，通过测量布拉格波长的变化得到待测物质的种类和浓度，具有极高的抗噪能力、极高的分辨率和测量精度，非常适合高温、高湿度和易燃易爆等恶劣环境中进行远距离探测；光纤光栅具有极强的复用能力，布设不同监测点，能够实现多点、组网监测以及不同对象监测，有效降低系统的成本；采用可调谐光纤珐珀滤波器干涉解调法测量光纤光栅的布拉格波长变化，使系统具有极高的分辨率以及极强的复用能力。

进一步地：所述光纤光栅的栅距为450～600nm，所述纳米银黑薄膜层的厚度为150～200nm，所述聚甲基苯基硅氧烷层厚度为40～60nm。

采用上述进一步方案的有益效果为：降低中心为布拉格波长的反射光带宽，提高系统分辨率；同时有效提高光纤光栅传感器的吸光效率和吸收光谱范围，提高光纤光栅传感器的热-机械转化效率，进而实现单个传感器完成多种物质的探测，提高系统的探测灵敏度。

进一步地：所述激励激光器采用量子级联激光器，所述量子级联激光器输出的脉冲调整激光频率范围为20～40kHz，占空比范围为10％～20％。

采用上述进一步方案的有益效果为：较高脉冲频率可以提高系统抗噪声能力；较低占空比可以有效降低聚甲基苯基硅氧烷层的热弛豫效应，提高系统探测精度。

进一步地：所述凹面镜的焦距为15～25cm。

采用上述进一步方案的有益效果为：将光能聚焦到光纤光栅传感器，有效提高光能利用率。

进一步地：所述可调谐光纤珐珀滤波器的中心波长为1550nm，波长范围为1510～1590nm，带宽范围为0.02～0.05nm。

采用上述进一步方案的有益效果为：可以有效满足光纤通信的工作波长要求，降低系统的成本；同时有助于提高系统的复用能力。

进一步地：所述连续带宽激光器采用超辐射发光二极管，所述超辐射发光二极管的中心波长为1550cm，光谱带宽为30～45cm，出射功率为15～25mW。

采用上述进一步方案的有益效果为：可以有效地与所述可调谐光纤珐珀滤波器中心波长对应，有效保障光谱分布在可调谐光纤珐珀滤波器的波长测量范围外的能量足够小，同时提高系统信噪比，提高测量精度。

进一步地：所述光电探测器的工作波长范围为900～1700nm。

采用上述进一步方案的有益效果为：保障测量范围包括调谐光纤珐珀滤波器的波长输出范围。

进一步地：所述第一光纤、第二光纤、第三光纤和第四光纤均采用单模光纤。

采用上述进一步方案的有益效果为：可以有效保障一种模式光的传播，可以提高系统的复用能力，并有效提高传播距离，实现远距离物质的探测。

附图说明

图1为本发明中基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置的结构示意图；

图2为本发明中光纤光栅传感器的的剖面示意图；

图3为本发明中基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测方法的流程图；

图4为本发明测得的可调谐光纤珐珀滤波器扫描光纤光栅的反射光谱图；

图5为本发明探测到的乙炔光谱信号图。

其中：1、激励激光器；2、反射物；3、凹面镜；4、光纤光栅传感器；41、光敏单模光纤；42、光纤光栅；43、纳米银黑薄膜层；44、聚甲基苯基硅氧烷层；5、连续宽带激光器；6、耦合器；7、可调谐光纤珐珀滤波器；8、光电探测器；9、数据处理系统；10、驱动电路；11、第一光纤；12、第二光纤；13、第三光纤；14、第四光纤；A、待测物质。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，包括激励激光器1、反射物2、凹面镜3、光纤光栅传感器4、连续宽带激光器5、光纤、耦合器6、可调谐光纤珐珀滤波器7、光电探测器8、数据处理系统9和驱动电路10，光纤包括第一光纤11、第二光纤12、第三光纤13和第四光纤14，激励激光器1、反射物2和凹面镜3位于同一光路上，激励激光器1和反射物2的光路上设有待测物质A，光纤光栅传感器4位于凹镜面3的焦点处，连续宽带激光器5通过第一光纤11与耦合器6连接，耦合器6通过第二光纤12与光纤光栅传感器4连接，耦合器6通过第三光纤13与可调谐光纤珐珀滤波器7连接，可调谐光纤珐珀滤波器7通过第四光纤14与光电探测器8连接，光电探测器8的输出端与数据处理系统9的信号输入端连接，数据处理系统9的信号输出端通过驱动电路10与可调谐光纤珐珀滤波器7连接。

如图2所示，光纤光栅传感器4包括依次设置的光纤光栅42、纳米银黑薄膜层43和聚甲基苯基硅氧烷层44，光纤光栅42为均匀光纤布拉格光栅，光纤光栅42采用相位掩膜法对光敏单模光纤41进行曝光制备，纳米银黑薄膜层43采用化学沉积法生长在光纤光栅42表面，聚甲基苯基硅氧烷层44采用旋涂法生长在纳米银黑薄膜层43表面。光纤光栅42的栅距为450～600nm，纳米银黑薄膜层43的厚度为150～200nm，聚甲基苯基硅氧烷层44厚度为40～60nm。聚焦到光纤光栅传感器4表面的激光依次穿过聚甲基苯基硅氧烷层44、纳米银黑薄膜层43，所述纳米银黑薄膜层43将光能转化成热能，所述聚甲基苯基硅氧烷层44吸收热能发生周期性膨胀，使光纤光栅42产生应变。降低中心为布拉格波长的反射光带宽，提高系统分辨率；同时有效提高光纤光栅传感器的吸光效率和吸收光谱范围，提高光纤光栅传感器的热-机械转化效率，进而实现单个传感器完成多种物质的探测，提高系统的探测灵敏度。

在本发明的一个实施例中，激励激光器1采用量子级联激光器，量子级联激光器输出的脉冲调整激光频率范围为20～40kHz，占空比范围为10％～20％。较高脉冲频率可以提高系统抗噪声能力；较低占空比可以有效降低聚甲基苯基硅氧烷层的热弛豫效应，提高系统探测精度。

在本发明的一个实施例中，凹面镜3的焦距为15～25cm。将光能聚焦到光纤光栅传感器，有效提高光能利用率。

在本发明的一个实施例中，可调谐光纤珐珀滤波器7的中心波长为1550nm，波长范围为1510～1590nm，带宽范围为0.02～0.05nm。可以有效满足光纤通信的工作波长要求，降低系统的成本；同时有助于提高系统的复用能力。

在本发明的一个实施例中，连续带宽激光器5采用超辐射发光二极管，超辐射发光二极管的中心波长为1550cm，光谱带宽为30～45cm，出射功率为15～25mW。可以有效地与所述可调谐光纤珐珀滤波器中心波长对应，有效保障光谱分布在可调谐光纤珐珀滤波器的波长测量范围外的能量足够小，同时提高系统信噪比，提高测量精度。

在本发明的一个实施例中，光电探测器8的工作波长范围为900～1700nm。保障测量范围包括调谐光纤珐珀滤波器的波长输出范围。

在本发明的一个实施例中，第一光纤11、第二光纤12、第三光纤13和第四光纤14均采用单模光纤。可以有效保障一种模式光的传播，可以提高系统的复用能力，并有效提高传播距离，实现远距离物质的探测。

如图3所示，一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测方法，包括以下步骤：

S1、通过激励激光器1发出的脉冲调制激光照射位于远处的待测物质A，通过待测物质A吸收后的激光被反射物2反射至凹面镜3；

S2、通过凹面镜3将激光聚焦到光纤光栅传感器4的表面上，使光纤光栅传感器4中的光纤光栅42产生应变，得到应变情况下的布拉格波长；

S3、通过连续带宽激光器5发出连续光进入光纤光栅传感器4，并通过光纤光栅传感器4将中心为应变情况下布拉格波长的窄带光反射至可调谐光纤珐珀滤波器7得到输出光；

S4、通过光电探测器8将可调谐光纤珐珀滤波器7的输出光转换为电信号后传送至数据处理系统9进行数据处理；

S5、通过数据处理系统9控制驱动电路10产生三角波驱动电压对可调谐光纤珐珀滤波器7进行波长扫描，得到可调谐光纤珐珀滤波器7的输出光波长；

S6、当可调谐光纤珐珀滤波器7的输出光波长与布拉格波长相同时，光电探测器8输出最大电信号；

S7、根据数据处理系统9获取到的光电探测器8的输出电信号及最大电信号的变化，和可调谐光纤珐珀滤波器7的输出光波长与驱动电压的线性关系得到布拉格波长及其变化关系；

S8、通过布拉格波长及其变化关系得到待测物的光谱信息，并根据光谱信息得到待测物的种类和浓度信息。

图4为采用本发明装置获取到的可调谐光纤珐珀滤波器扫描光纤光栅反射光谱。激励激光器1输出三个不同波长的光波照射远处的乙炔气体后，采用本装置获取得到可调谐光纤珐珀滤波器7扫描光纤光栅42的反射光谱。由于在不同的波长处，乙炔吸收后照射到光纤光栅传感器4表面的剩余光不同，因此光纤光栅42的应变不同，布拉格波长变化不同。

图5为采用本发明装置测量得到的乙炔光谱信号示意图，选择乙炔的吸收谱线为6534.36cm^-1，对应的吸收线强为1.211×10^-20cm^-1·mol^-1·cm²。对激励激光器1进行波长扫描，其扫描范围包括乙炔的吸收谱线。在不同的吸收谱线处，乙炔吸收线强不同，乙炔吸收后照射到光纤光栅传感器4表面的剩余光不同，光纤光栅42的应变不同，布拉格波长变化不同，因此通过数据处理系统9得到布拉格波长变化可以获取乙炔谱线信息和浓度信息。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，包括激励激光器(1)、反射物(2)、凹面镜(3)、光纤光栅传感器(4)、连续宽带激光器(5)、光纤、耦合器(6)、可调谐光纤珐珀滤波器(7)、光电探测器(8)、数据处理系统(9)和驱动电路(10)，所述光纤包括第一光纤(11)、第二光纤(12)、第三光纤(13)和第四光纤(14)，所述激励激光器(1)、反射物(2)和凹面镜(3)位于同一光路上，所述激励激光器(1)和反射物(2)的光路上设有待测物质(A)，所述光纤光栅传感器(4)位于凹镜面(3)的焦点处，所述连续宽带激光器(5)通过第一光纤(11)与耦合器(6)连接，所述耦合器(6)通过第二光纤(12)与光纤光栅传感器(4)连接，所述耦合器(6)通过第三光纤(13)与可调谐光纤珐珀滤波器(7)连接，所述可调谐光纤珐珀滤波器(7)通过第四光纤(14)与光电探测器(8)连接，所述光电探测器(8)的输出端与数据处理系统(9)的信号输入端连接，所述数据处理系统(9)的信号输出端通过驱动电路(10)与可调谐光纤珐珀滤波器(7)连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器(4)包括依次设置的光纤光栅(42)、纳米银黑薄膜层(43)和聚甲基苯基硅氧烷层(44)，所述光纤光栅(42)为均匀光纤布拉格光栅，所述光纤光栅(42)采用相位掩膜法对光敏单模光纤(41)进行曝光制备，所述纳米银黑薄膜层(43)采用化学沉积法生长在光纤光栅(42)表面，所述聚甲基苯基硅氧烷层(44)采用旋涂法生长在纳米银黑薄膜层(43)表面。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述光纤光栅(42)的栅距为450～600nm，所述纳米银黑薄膜层(43)的厚度为150～200nm，所述聚甲基苯基硅氧烷层(44)厚度为40～60nm。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述激励激光器(1)采用量子级联激光器，所述量子级联激光器输出的脉冲调整激光频率范围为20～40kHz，占空比范围为10％～20％。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述凹面镜(3)的焦距为15～25cm。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述可调谐光纤珐珀滤波器(7)的中心波长为1550nm，波长范围为1510～1590nm，带宽范围为0.02～0.05nm。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述连续带宽激光器(5)采用超辐射发光二极管，所述超辐射发光二极管的中心波长为1550cm，光谱带宽为30～45cm，出射功率为15～25mW。

8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述光电探测器(8)的工作波长范围为900～1700nm。

9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述第一光纤(11)、第二光纤(12)、第三光纤(13)和第四光纤(14)均采用单模光纤。

10.一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过激励激光器发出的脉冲调制激光照射位于远处的待测物质，通过待测物质吸收后的激光被反射物反射至凹面镜；

S2、通过凹面镜将激光聚焦到光纤光栅传感器的表面上，使光纤光栅传感器中的光纤光栅产生应变，得到应变情况下的布拉格波长；

S3、通过连续带宽激光器发出连续光进入光纤光栅传感器，并通过光纤光栅传感器将中心为应变情况下布拉格波长的窄带光反射至可调谐光纤珐珀滤波器得到输出光；

S4、通过光电探测器将可调谐光纤珐珀滤波器的输出光转换为电信号后传送至数据处理系统进行数据处理；

S5、通过数据处理系统控制驱动电路产生三角波驱动电压对可调谐光纤珐珀滤波器进行波长扫描，得到可调谐光纤珐珀滤波器的输出光波长；

S6、当可调谐光纤珐珀滤波器的输出光波长与布拉格波长相同时，光电探测器输出最大电信号；

S7、根据数据处理系统获取到的光电探测器的输出电信号及最大电信号的变化，和可调谐光纤珐珀滤波器的输出光波长与驱动电压的线性关系得到布拉格波长及其变化关系；

S8、通过布拉格波长及其变化关系得到待测物的光谱信息，并根据光谱信息得到待测物的种类和浓度信息。