CN112432921A

CN112432921A - 基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法

Info

Publication number: CN112432921A
Application number: CN202011319662.7A
Authority: CN
Inventors: 陈达如; 管祖光; 邵杰
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112432921B

Abstract

本发明涉及一种基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法。本发明首先根据待测物质的特征吸收光谱谱线，选择一定长度的特种增益光纤；根据待测物质的特征吸收光谱谱线和特种增益光纤的工作波段，选择相应半导体激光器、泵浦激光器和光电探测器；其次根据特种增益光纤类型，选择合适的特种增益光纤接触待测物质方式，将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤；然后从特种增益光纤输出的激光经滤波器去除泵浦光、保留信号光，注入到光电探测器；最后多功能电路模块采集光电转换后的电信号，根据激光吸收光谱信号处理算法获得待测物质浓度信息。本发明利用特种增益光纤取代传统的多通池，从而有效延长信号光和待测物质的作用距离，具有灵敏度高、系统稳定等优点。

Description

基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法

技术领域

本发明涉及激光吸收光谱技术领域，涉及一种基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法。

背景技术

激光吸收光谱技术经过几十年的发展，在气体传感、微量元素分析、材料分析等方面取得了重大的应用成就。激光吸收光谱技术具有很多优点，比如灵敏度高、抗电磁干扰、实时、动态、多组分同时测量等，在环境保护、工业应用、医疗健康、科学研究等领域有广泛的应用。

可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术是应用最广的激光吸收光谱技术之一，其核心是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量，目前已经发展成为了常用的大气中痕量气体的高灵敏度监测技术。

为了提高可调谐半导体激光吸收光谱技术的探测灵敏度，通常要采用高强度的激光光源和往复式光路设计（增加光程长度）。因此，能够极大增加激光与待测物质作用光程（几百上千倍）的多通池成为实现激光吸收光谱技术方案的核心器件之一。多通池通常采用极高反射率的两个光学镜片构成一个精密的光学腔，并附加精密的位置调节，确保光束在光学腔内多次反射。多通池价格昂贵，体积较大，抗振抗压能力低，且受限于光学镜片反射率及光束质量，能够增加的光程仍然不大（一般在几十米水平），极大地限制了可调谐半导体激光吸收光谱技术的应用。

受益于光通讯技术的巨大进步，光纤技术已经成熟发展。普通通信光纤在1.5微米波段具有极低的传输损耗（0.15dB/km），意味着光传输20公里仅有3dB的损耗。同时，特种增益光纤也被发展起来，能够为在光纤中传输的光提供损耗补偿。本发明提出一种新型的可调谐半导体激光吸收光谱技术方法，用低损耗的特种增益光纤取代多通池，突破多通池光程放大倍数的限制，降低系统对振动等环境扰动的敏感性，提高系统灵敏度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法。

本发明包括以下步骤：

步骤（1）根据待测物质的特征吸收光谱谱线，选择一定长度的特种增益光纤；

所述的特种增益光纤的工作波段覆盖待测物质特征吸收光谱谱线；

所述的特种增益光纤具备在一定波长的激光泵浦情况下提供信号光增益放大功能，所述的信号光波长在待测物质特征吸收光谱谱线附近；

所述的特种增益光纤需要具备所传输的信号光和待测物质在空间上部分重叠，实现待测物质对信号光的吸收。

步骤（2）根据待测物质的特征吸收光谱谱线和特种增益光纤的工作波段，选择输出波长在特种增益光纤的工作波段范围内且在待测物质的特征吸收光谱谱线附近的半导体激光器，输出激光线宽小于待测物质的特征吸收光谱谱线宽度，半导体激光器通过调制电流实现波长调谐，波长调谐范围覆盖待测物质的特征吸收光谱谱线；

根据特种增益光纤的工作波段，选择能够为特种增益光纤内传输的信号光提供增益放大的泵浦激光器；

选择工作波段覆盖激光器波长的光电探测器；

选择一块多功能电路模块，实现以下功能：1）半导体激光器控制及波长调谐；2）泵浦激光器的控制；3）光电探测器信号采集；4）采集数据并处理。

步骤（3）根据特种增益光纤类型，选择合适的特种增益光纤接触待测物质方式。

步骤（4）将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤。

步骤（5）从特种增益光纤输出的激光经过滤波器去除泵浦光、保留信号光，最后注入到光电探测器。

步骤（6）多功能电路模块连接并控制半导体激光器，调制半导体激光器电流使得其输出激光频率在待测物质特征吸收谱线附近周期性变化。

多功能电路模块连接并控制泵浦激光器，使得半导体激光器输出的信号光在特种增益光纤内传输时能得到有效的损耗补偿，从而实现最后信号光注入到光电探测器能够被探测到。

多功能电路模块连接光电探测器，并采集光电转换后的电信号；当半导体激光器输出的信号光频率和待测物质特征吸收谱线一致的时候，在特种增益光纤内传输的激光一部分被待测物质吸收，光电探测器输出信号包含激光吸收信息；当半导体激光器输出的信号光频率因调制离开待测物质特征吸收谱线的时候，在特种增益光纤内传输的激光没有被待测物质吸收，光电探测器获得没有待测物质吸收的光强信息；根据可调谐半导体激光吸收光谱信号处理算法获得待测物质浓度信息。

本发明适用于特定气体的浓度探测，利用了特种增益光纤取代传统的多通池，能够通过泵浦光提供的增益补偿信号光传输损耗，从而有效延长信号光和待测物质的作用距离，极大地提高了系统探测极限，增强了系统抗干扰能力，本发明具有灵敏度高、系统稳定等优点。

附图说明

图1为偏心光纤横截面结构示意图；

图2为D型光纤横截面结构示意图；

图3为悬芯光纤横截面结构示意图；

图4为纤芯内挂光纤横截面结构示意图；

图5为半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤的一种方式；

图6为半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤的另一种方式；

图7是本发明的实施例。

图中：1、半导体激光器；2、泵浦激光器；3、二色镜；4、聚焦透镜；5、特种增益光纤；6、滤波器；7、光电探测器；8、多功能电路模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的方法包括以下几个步骤：

步骤（1）根据待测物质的特征吸收光谱谱线（波长W0），选择一段长度为L的特种增益光纤。

所述的特种增益光纤的工作波段覆盖待测物质特征吸收光谱谱线。目前成熟发展的石英基底光纤能够提供1微米至2微米波段范围内的增益能力，新发展的塑料光纤提供可见光波段的增益能力，硫系玻璃光纤提供3微米甚至更高波段范围的增益能力。

所述的特种增益光纤，具备在一定波长的激光泵浦情况下提供信号光（其波长在待测物质特征吸收光谱谱线附近）增益放大功能。已经成熟发展的增益光纤包括：1）稀土掺杂光纤，如1.5微米波段的掺铒光纤，在980nm半导体激光泵浦情况下可以实现1.5微米信号光的增益放大；2）非线性增益光纤，基于拉曼效应、布里渊效应实现信号光增益放大，如采用1.45微米泵浦激光注入普通单模光纤实现对1.55微米信号光的拉曼增益放大。

所述的特种增益光纤需要具备所传输的信号光和待测物质在空间上部分重叠。普通的增益光纤为固体实芯的纤芯、包层结构，信号光在纤芯传输，少部分光以倏逝波形式在包层内层传输，没有光外漏在空气部分，从而就没有光接触待测物质。本发明所述的特种增益光纤，光纤纤芯全部或部分外漏在空气中，从而能够和待测物质重叠，实现待测物质对信号光的吸收，特种增益光纤的光纤横截面结构包括但不仅限于以下几种：

图1所示的纤芯位于包层最边缘的偏心光纤横截面结构；

图2所示的D型光纤横截面结构；

图3所示的悬芯光纤横截面结构；

图4所示的纤芯位于大空芯光纤包层内壁的纤芯内挂横截面结构。

步骤（2）根据待测物质的特征吸收光谱谱线和特种增益光纤的工作波段，选择输出波长在特种增益光纤的工作波段范围内且在待测物质的特征吸收光谱谱线附近的半导体激光器，其激光波长为Ws，输出激光线宽小于待测物质的特征吸收光谱谱线宽度，输出激光功率为Ps，半导体激光器通过调制电流实现波长调谐，波长调谐范围覆盖待测物质的特征吸收光谱谱线；根据特种增益光纤的工作波段，选择能够为特种增益光纤内传输的信号光提供增益放大的泵浦激光器，其激光波长为Wp，输出激光功率为Pp；选择工作波段覆盖激光器波长Ws的光电探测器；选择一块多功能的电路板，其主要功能包括：1）半导体激光器控制及波长调谐；2）泵浦激光器的控制；3）光电探测器信号采集；4）采集数据并处理。

步骤（3）根据特种增益光纤类型，选择合适的特种增益光纤接触待测物质方式。对于偏心光纤横截面结构、D型光纤横截面结构等一类特种增益光纤，可以采用特种增益光纤直接浸入待测物质接触方式。对于悬芯光纤横截面结构、纤芯内挂光纤横截面结构等一类特种增益光纤，需要通过光纤端面或光纤侧面开孔后在附加泵等设施在特种增益光纤内部注入待测物质。

步骤（4）采用适当方式将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤，具体方法包括但不仅限于以下几种：

图5所示，半导体激光器和泵浦激光器以空间光束输出激光，通过光学透镜，将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光耦合注入特种增益光纤。

图6所示，半导体激光器和泵浦激光器以光纤输出激光，通过波分复用器，将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光耦合注入特种增益光纤。

步骤（6）多功能电路模块连接并控制半导体激光器，调制半导体激光器电流使得其输出激光频率在待测物质特征吸收谱线附近周期性变化；多功能电路模块连接并控制泵浦激光器，使得半导体激光器输出的信号光在特种增益光纤内传输时能得到有效的损耗补偿，从而实现最后信号光注入到光电探测器能够被探测到；多功能电路模块连接光电探测器，并采集光电转换后的电信号。当半导体激光器输出的信号光频率和待测物质特征吸收谱线一致的时候，在特种增益光纤内传输的激光一部分被待测物质吸收，光电探测器输出信号包含激光吸收信息；当半导体激光器输出的信号光频率因调制离开待测物质特征吸收谱线的时候，在特种增益光纤内传输的激光没有被待测物质吸收，光电探测器获得没有待测物质吸收的光强信息。根据现有成熟的可调谐半导体激光吸收光谱信号处理算法，以上信息就可以通过算法获得待测物质浓度信息。

实施例：

如图7所示，本实施例所涉及的装置包括半导体激光器1、泵浦激光器2、二色镜3、聚焦透镜4、特种增益光纤5、滤波器6、光电探测器7、多功能电路模块8，基于上述部件，本发明方法具体是：

步骤（1）根据待测物质乙炔（C₂H₂）气体在1.5微米波段的特征吸收光谱谱线（波长1531.56nm），选择一段长度为1000米的特种增益光纤5。

所述的特种增益光纤5为二氧化硅基底、纤芯掺锗光纤，其工作波段范围为1微米至2微米（覆盖乙炔气体特征吸收光谱谱线波长1531.56nm）。

所述的特种增益光纤5，具备在波长1435nm的激光泵浦情况下提供信号光（波长1531.56nm附近）增益放大功能。

所述的特种增益光纤5具有图3所示的悬芯光纤横截面结构，其纤芯直径为0.9微米，有3根支柱与光纤内壁连接，光纤内壁直径为100微米，光纤外径为125微米。当半导体激光器输出的激光（波长1531.56nm附近）在特种增益光纤中传输时，超过10%的激光能量分布在光纤内部空气部分，能够和待测的乙炔气体接触。

步骤（2）根据乙炔气体的特征吸收光谱谱线（波长1531.56nm），选择输出波长1531.5nm、输出激光线宽为1MHz、输出激光功率为10mW的半导体激光器1，通过调制电流实现半导体激光器1波长调谐，波长调谐范围覆盖乙炔气体的特征吸收光谱谱线（波长1531.56nm）；根据特种增益光纤5的工作波段，选择能够为特种增益光纤5内传输的信号光提供增益放大的泵浦激光器2，其激光波长为1435nm，输出激光功率为500mW；选择工作波段覆盖1435nm和1531nm的二色镜3和聚焦透镜4；选择通带波长1531nm（带宽2nm）、阻带1435nm（带宽10nm）的滤波器6；选择工作波段覆盖激光器波长1531.5nm的光电探测器7；选择一块多功能的电路板8，其主要功能包括：1）半导体激光器1控制及波长调谐；2）泵浦激光器2的控制；3）光电探测器7信号采集；4）采集数据并处理。

步骤（3）半导体激光器1和泵浦激光器2输出的激光注入到二色镜3合束后注入聚焦透镜4；激光从聚焦透镜4输出注入特种增益光纤5的纤芯的输入端，特种增益光纤5浸入待测乙炔气体环境中，特种增益光纤5的纤芯的输出端输出的激光注入到滤波器6中，残余泵浦光被滤波器6反射，信号光透过滤波器6注入到光电探测器7。多功能电路模块8分别和半导体激光器1、泵浦激光器2、光电探测器7用数据线连接。

步骤（4）通过多功能电路模块8控制并开启半导体激光器1，根据成熟的可调谐半导体激光吸收光谱技术中的调制信号要求以一定的调制信号调制其工作电流使得输出激光频率在乙炔气体特征吸收谱线附近周期性变化，同时控制并开启泵浦激光器2；半导体激光器1输出的信号光和泵浦激光器2输出的泵浦光通过二色镜3以空间合束的方式通过聚焦透镜4注入到特种增益光纤5中。基于二氧化硅基底光纤的拉曼效应，泵浦光对信号光提供增益放大，使得信号光在特种增益光纤5中的传输损耗得到补偿，保持特种增益光纤5输出的信号光的功率不低于输入信号光的功率。

步骤（5）从特种增益光纤5输出的激光经过滤波器6去除泵浦光、保留信号光，最后注入到光电探测器7。

步骤（6）多功能电路模块8连接光电探测器7，并采集光电转换后的交流电信号。当半导体激光器1输出的信号光频率和待测乙炔气体特征吸收谱线一致的时候，在特种增益光纤5内传输的激光一部分被乙炔气体吸收，光电探测器7输出信号包含激光吸收信息；当半导体激光器1输出的信号光频率因调制离开待测乙炔气体特征吸收谱线的时候，在特种增益5光纤内传输的激光没有被待测物质吸收，光电探测器7获得没有乙炔气体吸收的光强信息。根据现有成熟的可调谐半导体激光吸收光谱信号处理算法，以上信息就可以通过算法获得乙炔气体浓度信息。

本发明提供了新型的基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，采用了具有信号光增益能力的特种增益光纤作为激光长距离传输并与待测物质接触的媒介，确保了激光和待测物质的超长作用光程，同时受益于光纤方便盘绕和巧妙的微结构特性，使得本发明技术方案具有结构紧凑、灵敏度高、抗干扰能力强、系统稳定等优点。

Claims

1.基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

所述的特种增益光纤需要具备所传输的信号光和待测物质在空间上部分重叠，实现待测物质对信号光的吸收；

选择工作波段覆盖激光器波长的光电探测器；

选择一块多功能电路模块，实现以下功能：1）半导体激光器控制及波长调谐；2）泵浦激光器的控制；3）光电探测器信号采集；4）采集数据并处理；

步骤（3）根据特种增益光纤类型，选择合适的特种增益光纤接触待测物质方式；

步骤（4）将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤；

步骤（5）从特种增益光纤输出的激光经过滤波器去除泵浦光、保留信号光，最后注入到光电探测器；

步骤（6）多功能电路模块连接并控制半导体激光器，调制半导体激光器电流使得其输出激光频率在待测物质特征吸收谱线附近周期性变化；

多功能电路模块连接并控制泵浦激光器，使得半导体激光器输出的信号光在特种增益光纤内传输时能得到有效的损耗补偿，从而实现最后信号光注入到光电探测器能够被探测到；

2.根据权利要求1所述的基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，其特征在于：所述的特种增益光纤的截面结构为偏心光纤横截面结构或D型光纤横截面结构。

3.根据权利要求1所述的基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，其特征在于：所述的特种增益光纤的截面结构为悬芯光纤横截面结构或纤芯内挂横截面结构。

4.根据权利要求2所述的基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，其特征在于：特种增益光纤接触待测物质的方式为：特种增益光纤直接浸入待测物质。

5.根据权利要求3所述的基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，其特征在于：特种增益光纤接触待测物质的方式为：通过光纤端面或光纤侧面开孔后在特种增益光纤内部注入待测物质。

6.根据权利要求1所述的基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，其特征在于：步骤（4）具体是：半导体激光器和泵浦激光器以空间光束输出激光，通过光学透镜，将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光耦合注入特种增益光纤。

7.根据权利要求1所述的基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法，其特征在于：步骤（4）具体是：半导体激光器和泵浦激光器以光纤输出激光，通过波分复用器，将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光耦合注入特种增益光纤。