CN110632028B - 基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统 - Google Patents

基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110632028B
CN110632028B CN201910933129.0A CN201910933129A CN110632028B CN 110632028 B CN110632028 B CN 110632028B CN 201910933129 A CN201910933129 A CN 201910933129A CN 110632028 B CN110632028 B CN 110632028B
Authority
CN
China
Prior art keywords
polarization
optical fiber
fiber
laser
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910933129.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110632028A (zh
Inventor
涂郭结
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University
Original Assignee
Anhui University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University filed Critical Anhui University
Priority to CN201910933129.0A priority Critical patent/CN110632028B/zh
Publication of CN110632028A publication Critical patent/CN110632028A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110632028B publication Critical patent/CN110632028B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及分子吸收光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，包括信号发生器、可调谐激光器、保偏光纤跳线、基于保偏光纤的相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置、光电探测器和信号采集处理模块，所述保偏光纤跳线由两段保偏光纤以45度夹角熔接而成；本发明采用的是结合正交偏振模干涉与倏逝场传感法的零背景分子吸收光谱检测方法，同时又利用反馈回路增强了测量光路稳定性。

Description

基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统
技术领域
本发明涉及分子吸收光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统。
背景技术
目前分子吸收光谱检测技术已被广泛应用于各类物质成分的定性与定量分析，如大气与水体污染物监测、工农业生产过程控制等。
在分子吸收光谱检测技术中，可调谐激光吸收光谱检测技术是利用波长可调的窄线宽激光光源实现对气体分子单吸收线精确探测的技术，因而其拥有极高的气体选择性，可在多种分子存在的环境中实现对特定分子的检测。在典型的可调谐激光吸收光谱系统中，使用信号发生器产生扫描信号控制可调谐激光器的输出光扫描待测分子的吸收线，探测光通过探测光路后由探测器接收，后续的信号处理系统将根据探测器的输出信号进一步分析得到待测分子的浓度。
信噪比作为上述检测系统中重要的参数，通常与系统检测极限值有直接关系。在吸收光谱技术的众多应用领域中，待测分子吸收所造成的光强变化量远小于原始光强，有效信号表现为叠加在强背景中的微弱变化量，因此测量的本质为从大信号中提取较小的变化量。这类系统的信噪比可表示为：
Figure BDA0002220857790000011
在式(1)中，I为无吸收时探测器接收到的光强，λ为光波长，κλI为分子吸收导致的光强变化量，NlI代表光源强度噪声，
Figure BDA0002220857790000012
与Nt则分别代表光电探测时引入的量子噪声与热噪声。三类噪声按能量大小排序分别为NlI
Figure BDA0002220857790000013
Nt。其中，占主导地位的NlI以低频噪声(1/f噪声)形式存在，观测频率上升时，可以发现该噪声迅速下降。
从上述分析可以明显看出，在分子吸收量一定时，降低各类噪声即可提高系统检测极限。目前的常用方案为给激光器加载额外的高频调制信号从而将有效信号提升至高频区，再结合锁相放大技术提取信号，进而可以减低系统的低频1/f噪声。在理想情况下，若光源低频强度噪声NlI被良好抑制，剩余的
Figure BDA0002220857790000021
噪声开始占主导地位，信噪比则可重新表示为：
Figure BDA0002220857790000022
可以看出，若想进一步提升系统信噪比，需要降低
Figure BDA0002220857790000023
噪声的影响。由式(2)可知，如能降低探测器接收到的光强I而不影响吸收量κλI，即可提高系统信噪比。这类检测方法中，在不出现吸收时探测器输出信号为零，被称为零背景检测。
现有的平衡探测法可实现上述的零背景检测功能，其方案是将光源分为两路，一路通过待测分子形成吸收，另一路无吸收，通过调整两路光到达响应相同的探测器，并调节两路光强使其相等或使用自平衡电路，再取两只探测器输出信号的差值用于气体分析，此时，来自光源的共模噪声被消除而吸收信号则不受影响。但该方案仍存在一个问题：到达两只探测器的光强度仍然较高，由探测器引入的量子噪声仍然较大，同时两只探测器噪声的叠加也进一步加大了系统噪声，因此系统信噪比仍然受到影响。
光学减法技术也可用于压缩系统光学噪声，从而实现零背景检测功能。该技术是使用光学干涉仪保证探测器接收到零背景的、吸收信号不受影响的探测光，从而进一步减少了系统的噪声。若光强被降低至零背景级别，其直接吸收信号如图2所示，则此时的信噪比为：
Figure BDA0002220857790000024
式(3)中，Is为远小于I的零背景的探测光强，κλI仍为分子吸收导致的光强变化量，NlIs与
Figure BDA0002220857790000025
分别代表为此时的光源强度噪声与量子噪声。可以看出，通过使用光学减法技术，式(3)的计算结果将大于式(1)和式(2)所示方案中的计算结果。
如图1所示，为现有的一种零背景可调谐半导体激光光谱系统(“Quasi zero-background tunable diode laser absorption spectroscopy employing a balancedMichelson interferometer”，Zuguang Guan等，《Optics Express》，第16卷26期，第21714-21720页,2008年)，该系统利用迈克尔逊干涉仪实现光学减法效果，在迈克尔逊干涉仪的其中一臂中搭建吸收光路，同时保证双光路的3dB分光以及光程差为半波长奇数倍，即可以实现光学干涉相消效果，也即实现了分子吸收信号的零背景探测。但在实际的分子检测应用中由于难以保证迈克尔逊干涉仪光程差的稳定性(即参考臂与传感臂的光程差难以稳定保持)，从而导致信号不稳定以及噪声消除不充分。图2为该系统的零背景实现原理图。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明将构建一种稳定的光学零背景气体吸收光谱检测系统结构，以降低典型可调谐激光吸收光谱系统的噪声，从而能够提供一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统。
为实现以上技术目的，本发明的第一种技术方案是：
一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，包括信号发生器、可调谐激光器、保偏光纤跳线、基于保偏光纤的相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置、光电探测器和信号采集处理模块，所述保偏光纤跳线由两段保偏光纤以45度夹角熔接而成；所述可调谐激光器输出线偏振光，所述信号发生器产生扫描信号控制可调谐激光器输出线偏振光扫描待测气体的吸收线，然后线偏振光被引入保偏光纤跳线，经由保偏光纤跳线输出的光进入基于保偏光纤的相位控制模块，所述相位控制模块的输出光进入高双折射光纤以实现倏逝场气体吸收，所述高双折射光纤的输出光依次经准直器、检偏装置后进入光电探测器，所述信号采集处理模块对光电探测器的输出信号进行分析处理后生成待测气体浓度信息。
作为优选，所述激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、外腔半导体激光器或者量子级联激光器。
作为优选，所述基于保偏光纤的相位控制模块为缠绕有保偏光纤的压电陶瓷或者安装有保偏光纤的温控模块。
作为优选，所述高双折射光纤为D型光纤、经腐蚀的熊猫光纤或者裸边孔
作为优选，所述检偏装置采用检偏器或者偏振分束器。
为实现以上技术目的，本发明的第二种技术方案是：
一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，包括信号发生器、可调谐激光器、保偏光纤跳线、基于保偏光纤的相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置、第一光电探测器、信号采集处理模块和第二光电探测器，所述保偏光纤跳线由两段保偏光纤以45度夹角熔接而成；所述可调谐激光器输出线偏振光，所述信号发生器产生扫描信号控制可调谐激光器输出线偏振光扫描待测气体的吸收线，然后线偏振光被引入保偏光纤跳线，经由保偏光纤跳线输出的光进入基于保偏光纤的相位控制模块，所述相位控制模块的输出光进入高双折射光纤以实现倏逝场气体吸收，所述高双折射光纤的输出光依次经准直器、检偏装置后进入第一光电探测器和第二光电探测器，所述信号采集处理模块对第一光电探测器的输出信号和第二光电探测器的输出信号进行分析处理后生成待测气体浓度信息，所述第二光电探测器的输出信号为光强信号。
作为优选，所述激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、外腔半导体激光器或者量子级联激光器。
作为优选，所述基于保偏光纤的相位控制模块为缠绕有保偏光纤的压电陶瓷或者安装有保偏光纤的温控模块。
作为优选，所述高双折射光纤为D型光纤、经腐蚀的熊猫光纤或者裸边孔光纤。
作为优选，所述检偏装置为检偏器或者偏振分束器。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.在本发明所述的系统结构中，采用的是结合正交偏振模干涉与倏逝场传感法的零背景分子吸收光谱测量方法，并且利用检偏装置实现了光强归一化，同时又利用反馈回路增强了测量光路稳定性。
2.与基于平衡探测器的零背景检测方案对比，本发明使用了由45度熔接保偏光纤、相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置实现的光学减法器，具备更高的噪声抑制极限；
3.与基于迈克尔逊干涉仪的零背景检测方案相比，本发明采用的光纤正交偏振模干涉具备更高的稳定性，有助于实现简单稳定的气体浓度测量。
附图说明
图1是现有的零背景可调谐半导体激光光谱系统示意图；
图2是图1所示系统的零背景实现原理图；
图3是本发明实施例1的系统结构示意图；
图4是本发明实施例2的系统结构示意图；
附图标记：图3中：101.信号发生器、102.可调谐激光器、103.保偏光纤跳线、104.基于保偏光纤的相位控制模块、105.高双折射光纤、106.准直器、107.检偏装置、108.光电探测器、109.信号采集处理模块；
图4中：201.信号发生器、202.可调谐激光器、203.保偏光纤跳线、204.基于保偏光纤的相位控制模块、205.高双折射光纤、206.准直器、207.检偏装置、208.第一光电探测器、209.信号采集处理模块、210.第二光电探测器。
具体实施方式
结合图3，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图3所示，一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱系统，包括信号发生器101、可调谐激光器102、保偏光纤跳线103、基于保偏光纤的相位控制模块104、高双折射光纤105、准直器106、检偏装置107、光电探测器108和信号采集处理模块109，其中，保偏光纤跳线103由两段保偏光纤以45度夹角熔接而成；可调谐激光器102输出线偏振光，信号发生器101产生扫描信号控制可调谐激光器102输出线偏振光扫描待测气体的吸收线，然后线偏振光被引入保偏光纤跳线103，经由保偏光纤跳线103输出的光进入基于保偏光纤的相位控制模块104，相位控制模块104的输出光进入高双折射光纤105以实现倏逝场气体吸收，高双折射光纤105的输出光依次经准直器106、检偏装置107后进入光电探测器108，信号采集处理模块109对光电探测器108的输出信号进行分析处理后生成待测气体浓度信息。
该系统的工作原理为：
可调谐激光器102输出线偏振光，信号发生器101产生扫描信号控制可调谐激光器102输出线偏振光扫描待测气体的吸收线(实际使用时，信号发生器101也可以另外生成高频调制信号加载至激光器用于波长调制光谱检测)，然后可调谐激光器102输出的线偏振光被引入保偏光纤跳线103中，接着从保偏光纤跳线103输出的光被导入基于保偏光纤的相位控制模块104中，经过相位控制模块内部的保偏光纤后再进入高双折射光纤105以实现倏逝场气体吸收，从高双折射光纤输出的光由准直器106整形为平行的空间光，然后经过检偏装置107到达光电探测器108，最后光电探测器的输出信号到达信号采集处理模块109并经信号采集处理模块109处理后最终得到待测气体浓度信息，信号采集处理模块109同时还生成反馈信号控制相位控制模块104，以保证系统工作于零背景状态；
在信号采集处理模块109对光电探测器108的输出信号的处理过程中，当光电探测器的输出信号为直接吸收光谱信号时，信号采集处理模块109直接对输出信号进行吸收线型拟合得到吸收量信息；当光电探测器的输出信号为波长调制光谱信号时，信号采集处理模块109则具备谐波解调与线型拟合功能。信号采集处理模块109同时生成反馈信号控制相位控制模块104，保证系统工作于零背景状态。
本系统中，由于保偏光纤103中存在45度熔接，使得探测光能量进入高双折射光纤105时被平均分配到光纤的快慢轴上，慢轴光正常传播，快轴光将产生倏逝场并被待测气体吸收，考虑光纤本身带来的损耗，从准直器106出射的探测光在两个偏振轴方向上的能量可分别表示为：
Figure BDA0002220857790000061
Figure BDA0002220857790000062
其中，I0为两个光轴上的原始入射光强，βx、βy分别为两个偏振轴上光纤本身带来的衰减，αλ为气体吸收函数，L为吸收长度。
若吸收量极低(αλL<<1)，则式(5)可重写为：
Figure BDA0002220857790000063
其中，气体吸收量为
Figure BDA0002220857790000064
通过与x轴成θ角安装的检偏装置107后，抵达探测器108的光强度将受偏振模干涉影响，表示为：
Figure BDA0002220857790000065
其中，B为高双折射光纤的双折射系数。通过拉伸光纤或实施温度控制，可以使得
Figure BDA0002220857790000066
其中m为整数。此时，式(7)可重新写为：
Figure BDA0002220857790000071
于是，可以调整检偏装置方向使得
Figure BDA0002220857790000072
与
Figure BDA0002220857790000073
的常数部分相等并写为
Figure BDA0002220857790000074
则此时Is几乎为零。同时，可得检偏后的吸收量为
Figure BDA0002220857790000075
(aλL重新写为κλ)，即实现了式(3)中的零背景检测功能，信号采集处理模块109通过分析吸收曲线κλI即可获得待测气体浓度信息。
本实施例的系统结构中：
1.可调谐激光器102可以选用分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、外腔半导体激光器或者量子级联激光器；
2.基于保偏光纤的相位控制模块104可以采用缠绕有保偏光纤的压电陶瓷或者安装有保偏光纤的温控模块；
3.高双折射光纤105可以采用D型光纤、经腐蚀的熊猫光纤或者裸边孔光纤；
4.检偏装置107可以采用检偏器或者偏振分束器。
本实施例具有以下优点：
1.在本实施例所述的系统结构中，采用的是结合正交偏振模干涉与倏逝场传感法的零背景分子吸收光谱测量方法，同时又利用反馈回路增强了测量光路稳定性。
2.与基于平衡探测器的零背景检测方案对比，本实施例使用了由45度熔接保偏光纤、相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置实现的光学减法器，具备更高的噪声抑制极限；
3.与基于迈克尔逊干涉仪的零背景检测方案相比，本实施例采用的光纤正交偏振模干涉具备更高的稳定性，有助于实现简单稳定的气体浓度测量。
结合图4，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图4所示，一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光光谱系统，包括信号发生器201、可调谐激光器202、保偏光纤跳线203、基于保偏光纤的相位控制模块204、高双折射光纤205、准直器206、检偏装置207、第一光电探测器208、信号采集处理模块209和第二光电探测器210，其中，保偏光纤跳线203由两段保偏光纤以45度夹角熔接而成；可调谐激光器202输出线偏振光，信号发生器201产生扫描信号控制可调谐激光器202输出线偏振光扫描待测气体的吸收线，然后线偏振光被引入保偏光纤跳线203，经由保偏光纤跳线203输出的光进入基于保偏光纤的相位控制模块204，相位控制模块204的输出光进入高双折射光纤205以实现倏逝场气体吸收，高双折射光纤205的输出光依次经准直器206、检偏装置207后进入第一光电探测器208和第二光电探测器210，信号采集处理模块209对第一光电探测器208的输出信号和第二光电探测器210的输出信号进行分析处理后生成待测气体浓度信息，第二光电探测器210的输出信号为光强信号。
该系统的工作原理为：
可调谐激光器202输出线偏振光，信号发生器201产生扫描信号控制可调谐激光器202输出线偏振光扫描待测气体的吸收线(实际使用时，信号发生器201也可以另外生成高频调制信号加载至激光器用于波长调制光谱检测)，然后可调谐激光器202输出的线偏振光被引入保偏光纤跳线203中，接着从保偏光纤跳线203输出的光被导入基于保偏光纤的相位控制模块204中，经过相位控制模块内部的保偏光纤后再进入高双折射光纤205实现倏逝场气体吸收，从高双折射光纤输出的光由准直器206整形为平行的空间光，然后经过检偏装置207到达第一光电探测器208和第二光电探测器210，最后第一光电探测器208和第二光电探测器210的输出信号到达信号采集处理模块209并经信号采集处理模块209处理后最终得到待测气体浓度信息，信号采集处理模块209同时还生成反馈信号控制相位控制模块204，以保证系统工作于零背景状态；
在信号采集处理模块209对第一光电探测器208和第二光电探测器210的输出信号的处理过程中，信号采集处理模块209将首先通过第二光电探测器210提供的光强信号对第一光电探测器208的信号κλI做光强归一化处理得到信号κλI/It，然后：当第一光电探测器208的输出信号为直接吸收光谱信号时，信号采集处理模块209直接对输出信号进行吸收线型拟合得到吸收量信息；当第一光电探测器208的输出信号为波长调制光谱信号时，信号采集处理模块209则具备谐波解调与线型拟合功能。信号采集处理模块209同时生成反馈信号控制相位控制模块204，保证系统工作于零背景状态。
本实施例的零背景检测原理与实施例1相同，见式(4)-式(8)，只要将式中的κλI用κλI/It替换计算即可。实际使用时，由于已经经过光强归一化处理，本实施例中无需再进行光强标定工作，简化了工作流程。
本实施例的系统结构中：
1.可调谐激光器202可以选用分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、外腔半导体激光器或者量子级联激光器；
2.基于保偏光纤的相位控制模块204可以采用缠绕有保偏光纤的压电陶瓷或者安装有保偏光纤的温控模块；
3.高双折射光纤205可以采用D型光纤、经腐蚀的熊猫光纤或者裸边孔光纤；
4.检偏装置207可以采用检偏器或者偏振分束器。
本实施例具有以下优点：
1.在本实施例所述的系统结构中，采用的是结合正交偏振模干涉与倏逝场传感法的零背景分子吸收光谱测量方法，并且利用检偏装置实现了光强归一化，同时又利用反馈回路增强了测量光路稳定性。
2.与基于平衡探测器的零背景检测方案对比，本实施例使用了由45度熔接保偏光纤、相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置实现的光学减法器，具备更高的噪声抑制极限；
3.与基于迈克尔逊干涉仪的零背景检测方案相比，本实施例采用的光纤正交偏振模干涉具备更高的稳定性，有助于实现简单稳定的气体浓度测量。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.在本发明所述的系统结构中，采用的是结合正交偏振模干涉与倏逝场传感法的零背景分子吸收光谱测量方法，并且利用检偏装置实现了光强归一化，同时又利用反馈回路增强了测量光路稳定性。
2.与基于平衡探测器的零背景检测方案对比，本发明使用了由45度熔接保偏光纤、相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置实现的光学减法，具备更高的噪声抑制极限；
3.与基于迈克尔逊干涉仪的零背景检测方案相比，本发明采用的光纤正交偏振模干涉具备更高的稳定性，有助于实现简单稳定的气体浓度测量。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换(例如：在实施例2所描述的技术方案中，也可以将保偏光纤换成偏振控制器控制探测光在正交偏振轴中的分配比例，而通过传感光纤后可直接采用45度连接的光纤检偏/偏振分束器件实现偏振模干涉)，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：包括信号发生器、可调谐激光器、保偏光纤跳线、基于保偏光纤的相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置、光电探测器和信号采集处理模块，所述保偏光纤跳线由两段保偏光纤以45度夹角熔接而成；所述可调谐激光器输出线偏振光，所述信号发生器产生扫描信号控制可调谐激光器输出线偏振光扫描待测气体的吸收线，然后线偏振光被引入保偏光纤跳线，经由保偏光纤跳线输出的光进入基于保偏光纤的相位控制模块，所述相位控制模块的输出光进入高双折射光纤以实现倏逝场气体吸收，所述高双折射光纤的输出光依次经准直器、检偏装置后进入光电探测器，所述信号采集处理模块对光电探测器的输出信号进行分析处理后生成待测气体浓度信息，信号采集处理模块同时还生成反馈信号控制相位控制模块，以保证系统工作于零背景状态；
系统工作时，通过拉伸光纤或实施温度控制，使得
Figure FDA0003675985070000011
其中m为整数，λ为光波长，B为高双折射光纤的双折射系数，L为吸收长度，而此时通过与x轴成θ角安装的检偏装置后抵达光电探测器的光强度
Figure FDA0003675985070000012
能够简化为
Figure FDA0003675985070000013
其中，Ix、Iy是从准直器出射的探测光在两个偏振轴方向上的能量，于是调整检偏装置方向使得
Figure FDA0003675985070000014
与
Figure FDA0003675985070000015
的常数部分相等并写为
Figure FDA0003675985070000016
则此时Is几乎为零，即实现了零背景检测功能。
2.根据权利要求1所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、外腔半导体激光器或者量子级联激光器。
3.根据权利要求1所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述基于保偏光纤的相位控制模块为缠绕有保偏光纤的压电陶瓷或者安装有保偏光纤的温控模块。
4.根据权利要求1所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述高双折射光纤为D型光纤、经腐蚀的熊猫光纤或者裸边孔光纤。
5.根据权利要求1所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述检偏装置采用检偏器或者偏振分束器。
6.一种基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：包括信号发生器、可调谐激光器、保偏光纤跳线、基于保偏光纤的相位控制模块、高双折射光纤、准直器、检偏装置、第一光电探测器、信号采集处理模块和第二光电探测器，所述保偏光纤跳线由两段保偏光纤以45度夹角熔接而成；所述可调谐激光器输出线偏振光，所述信号发生器产生扫描信号控制可调谐激光器输出线偏振光扫描待测气体的吸收线，然后线偏振光被引入保偏光纤跳线，经由保偏光纤跳线输出的光进入基于保偏光纤的相位控制模块，所述相位控制模块的输出光进入高双折射光纤以实现倏逝场气体吸收，所述高双折射光纤的输出光依次经准直器、检偏装置后进入第一光电探测器和第二光电探测器，所述信号采集处理模块对第一光电探测器的输出信号和第二光电探测器的输出信号进行分析处理后生成待测气体浓度信息，所述第二光电探测器的输出信号为光强信号，信号采集处理模块同时还生成反馈信号控制相位控制模块，以保证系统工作于零背景状态；
系统工作时，通过拉伸光纤或实施温度控制，使得
Figure FDA0003675985070000021
其中m为整数，λ为光波长，B为高双折射光纤的双折射系数，L为吸收长度，而此时通过与x轴成θ角安装的检偏装置后抵达光电探测器的光强度
Figure FDA0003675985070000022
能够简化为
Figure FDA0003675985070000023
其中，Ix、Iy是从准直器出射的探测光在两个偏振轴方向上的能量，于是调整检偏装置方向使得
Figure FDA0003675985070000024
与
Figure FDA0003675985070000025
的常数部分相等并写为
Figure FDA0003675985070000026
则此时Is几乎为零，即实现了零背景检测功能。
7.根据权利要求6所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、外腔半导体激光器或者量子级联激光器。
8.根据权利要求6所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述基于保偏光纤的相位控制模块为缠绕有保偏光纤的压电陶瓷或者安装有保偏光纤的温控模块。
9.根据权利要求6所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述高双折射光纤为D型光纤、经腐蚀的熊猫光纤或者裸边孔光纤。
10.根据权利要求6所述的基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统，其特征在于：所述检偏装置为检偏器或者偏振分束器。
CN201910933129.0A 2019-09-29 2019-09-29 基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统 Active CN110632028B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910933129.0A CN110632028B (zh) 2019-09-29 2019-09-29 基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910933129.0A CN110632028B (zh) 2019-09-29 2019-09-29 基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110632028A CN110632028A (zh) 2019-12-31
CN110632028B true CN110632028B (zh) 2022-09-27

Family

ID=68973706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910933129.0A Active CN110632028B (zh) 2019-09-29 2019-09-29 基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110632028B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111399307B (zh) * 2020-03-12 2021-09-21 天津大学 一种由多级非线性介质组成的级联结构
CN112710248A (zh) * 2020-12-08 2021-04-27 北京信息科技大学 一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器
CN112986180B (zh) * 2021-02-06 2021-12-24 复旦大学 一种光谱式气体传感数据处理方法及系统
CN114460044A (zh) * 2022-02-18 2022-05-10 北京航空航天大学 反射式全光纤氢气浓度和湿度传感器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105136702A (zh) * 2015-08-25 2015-12-09 中国科学院合肥物质科学研究院 一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法
CN106840366A (zh) * 2017-04-21 2017-06-13 吉林大学 一种零差正交光纤干涉测振装置
CN208366829U (zh) * 2018-07-30 2019-01-11 河南师范大学 一种含保偏光纤利用光纤腔衰荡测量旋光溶液浓度的装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7409117B2 (en) * 2004-02-11 2008-08-05 American Air Liquide, Inc. Dynamic laser power control for gas species monitoring
WO2007034681A1 (ja) * 2005-09-07 2007-03-29 National University Corporation Nagoya University 分光方法及び分光装置
US9705277B2 (en) * 2015-05-20 2017-07-11 Lakehead University Technique for the detection of trace gases using intracavity fiber laser absorption spectroscopy (IFLAS)

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105136702A (zh) * 2015-08-25 2015-12-09 中国科学院合肥物质科学研究院 一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法
CN106840366A (zh) * 2017-04-21 2017-06-13 吉林大学 一种零差正交光纤干涉测振装置
CN208366829U (zh) * 2018-07-30 2019-01-11 河南师范大学 一种含保偏光纤利用光纤腔衰荡测量旋光溶液浓度的装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
broadly tunable fiber laser based on merges sagnac and intermodal interferences in few mode high birefringence loop mirror;GUOYONG SUN等;《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》;20100601;第22卷(第11期);全文 *
一种基于保偏光纤干涉结构的稳定光谱测量方法;宋秋衡等;《复旦学报（自然科学版）》;20171231;第56卷(第6期);全文 *
基于光纤倏逝场的折射率传感研究;唐海玉;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》;20151215(第12期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110632028A (zh) 2019-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110632028B (zh) 基于光纤偏振模间干涉的零背景激光吸收光谱检测系统
Stewart et al. Prospects for fibre-optic evanescent-field gas sensors using absorption in the near-infrared
EP3485254A1 (en) Photothermal interferometry apparatus and method
EP2982965A1 (en) Optical system for generating beam of reference light and method for splitting beam of light to generate beam of reference light
CN103499545A (zh) 采用气体参考腔反馈补偿的半导体激光器气体检测系统
CN106556574B (zh) 在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测装置
CN109696418B (zh) 一种应用于低信噪比下的tdlas直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法
CN111238772A (zh) 一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置和检测方法
CN109724584A (zh) 一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构
CN113721173A (zh) 一种基于反射式双向泵浦的光纤serf原子磁力仪装置
CN109490233A (zh) 基于fp干涉计级联增敏及光热技术的强度探测型气体传感器
Zhang et al. Improvement in QEPAS system utilizing a second harmonic based wavelength calibration technique
CN114252403A (zh) 高灵敏度双通道光子晶体光纤气体传感器及其测量方法
CN107976300B (zh) 一种保偏光纤拍长的测量方法
CN111486939B (zh) 一种基于sagnac原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置
CN109507128A (zh) 基于fp干涉计并联结构及光热技术的强度探测型气体传感器
CN105606536A (zh) 一种基于偏振光干涉的保偏光子晶体光纤氢气传感器
CN110207953B (zh) 基于光纤结构的线偏振光纤激光器消光比测试方法
CN109115722B (zh) 一种高灵敏相位解调光纤气体传感系统
JP2008134076A (ja) ガス分析装置
CN113655413B (zh) 一种光纤式原子磁力仪探头及其调节方法
CN107806981B (zh) 一种保偏光纤拍长的测量装置
CN113097842B (zh) 一种基于保偏光纤的超稳激光系统
CN105784594A (zh) 一种基于双频激光外差干涉的光纤spr传感测量光路
CN109781637A (zh) 基于光纤双腔结构增敏及光热技术的气体传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant