CN115326755B - 基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法 - Google Patents

基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法，所述装置包括第一半导体激光器、聚焦透镜、气室、石英音叉、布拉格光纤光栅、第二半导体激光器、光电探测器、控制与数据采集系统、计算机，第一半导体激光器经调制后输出激光，经聚焦透镜后入射到气室内，激光从气室出射并照射在石英音叉上；第二半导体激光器出射激光进入布拉格光纤光栅中，石英音叉振动引起布拉格光纤光栅栅距周期性变化，第二半导体激光器反射光光强产生周期性变化，由光电探测器探测反射光光强，该信号传输至控制与数据采集系统中进行信号的实时监测与采集，并输入到计算机中进行解调处理。本发明的装置具有噪声免疫、灵敏度高、成本低等优点。

Description

基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法，具体涉及一种基于布拉格光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法。
背景技术
石英增强光致热弹光谱技术是一种高灵敏度的痕量气体检测技术，可调谐半导体激光器输出激光经过准直后入射到气室内激发待测气体，气体吸收激光的部分能量，出射的激光照射在石英音叉根部上，由石英音叉吸收出射激光的剩余能量，并在音叉中产生光吸收-热膨胀-弹性形变的转换，由于激光受到调制，因此照射在音叉的激光能量会发生周期性的变化，音叉受到周期性激励产生了周期性的弹性形变进而产生了振动，当激光的调制频率与音叉的共振频率相等时，音叉会对该振动产生共振放大，从而使音叉有更大的振动幅度，由于压电效应使得弹性形变转换成电流信号，对该电流信号进行解调即可反演出气体浓度。该技术充分利用音叉式石英晶振在振动上具有高品质因数和高频率的特点，获取比传统技术更低的探测噪声，提高探测灵敏度。对于气体传感器而言，检测极限是其最重要的指标，是关乎能否满足应用的决定性因素，而检测极限又是由系统信噪比所决定的。因此，如何减少光热光谱系统噪声水平、进而提升系统信噪比是改善光热光谱传感器探测性能的重要问题。
在石英增强光致热弹光谱痕量气体检测技术中，激光经过气室激发待测气体后照射在石英音叉根部上产生光热信号，该信号的大小与激光功率成正比，即：
S～k×P (1)；
式中，S为光热信号幅值，k为系统常数，P为激光功率，因此，通过增加激光功率在理论上可以增强光热信号，从而进一步提高系统的信噪比。采用高功率的激光器可使光热光谱传感系统获得大的信号强度。
但在光热光谱技术中，直接照射在音叉上的激光会引起音叉热噪声，该噪声大小与激光功率成指数关系，即：
N～eP (2)。
随着激光功率的增大，热噪声比信号有更大的增长速率，系统的信噪比将随着激光功率的增大而逐渐降低，这使得光热光谱痕量气体传感器不能从更高的激光功率中获得益处，限制了通过采用增大激光器激发功率来实现传感器性能的提升。
发明内容
为了解决目前光致热弹光谱技术在增大激光功率激发下系统信噪比低，传感器性能不能从激光功率增大的方法中得到提升的问题，本发明利用布拉格光纤光栅原理，提出了一种基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法，即石英音叉用于接收激光功率，石英音叉振动引起布拉格光栅栅距变化，进而使入射光栅的特定波长的光功率发生周期性变化，测量光栅反射光信号与噪声即可获得传感器的信噪比。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，包括第一半导体激光器、聚焦透镜、气室、石英音叉、布拉格光纤光栅、第二半导体激光器、光电探测器、控制与数据采集系统、计算机，其中：
所述石英音叉的左侧或右侧放置布拉格光纤光栅；
所述第一半导体激光器经过控制与数据采集系统调制后输出激光，经聚焦透镜后入射到气室内，待测目标气体吸收激光能量后，激光从气室出射并照射在石英音叉上，石英音叉吸收出射激光能量发生周期性的弹性形变进而产生振动；
所述第二半导体激光器出射激光进入布拉格光纤光栅中，石英音叉振动引起布拉格光纤光栅栅距周期性变化，第二半导体激光器反射光光强产生周期性变化，由光电探测器探测反射光光强，该信号传输至控制与数据采集系统中进行信号的实时监测与采集，并输入到计算机中进行解调处理。
一种利用上述装置进行光致热弹光谱痕量气体检测的方法，包括如下步骤：
步骤一：控制与数据采集系统对第一半导体激光器的输出特性进行控制；
步骤二：第一半导体激光器输出的激光经过聚焦透镜后入射到气室内激发待测目标气体；
步骤三：从气室出射的激光照射在石英音叉上，石英音叉吸收出射激光的能量并伴随调制的激光源进行周期性的弹性形变进而产生振动声波；
步骤四：石英音叉周期性声波振动引起布拉格光纤光栅栅距周期性变化；
步骤五：第二半导体激光器产生激光入射到布拉格光纤光栅中；
步骤六：光电探测器探测到由第二半导体激光器入射到布拉格光纤光栅中反射出来的激光；
步骤七：光电探测器接入控制与数据采集系统进行信号的实时监测与采集，并输入到计算机中进行解调处理。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的探测装置具有噪声免疫、灵敏度高、成本低等优点。
2、本发明的方法避免了热噪声源，即减小了系统内噪声的引入。
附图说明
图1为本发明基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置的结构示意图；
图2为第一半导体激光器照射石英音叉及与第二半导体激光器、布拉格光栅之间的位置关系；
图3为传统光致热弹光谱技术和基于光栅解调的光致热弹光谱技术测量得到的噪声幅值对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
在石英增强光致热弹光谱技术中，准直后的激光在经过气室后照射在石英音叉根部上，根据石英材料固有的光吸收特性，在音叉上会发生光吸收-热膨胀-弹性形变的转换，也就是音叉会在激光的作用下发生共振振动。激光在使音叉产生光热信号的同时也会加剧激光在音叉上的热噪声，并且当激光功率增加时，音叉热噪声有比光热信号更大的增长速率，这使得在大激光功率下，系统信噪比更低，从而导致传感器的性能更差。
布拉格光纤光栅(FBG)是一种通过特定方法使光纤纤芯的折射率在轴向出现周期性变化，从而在纤芯内形成衍射光栅。光沿着光纤向前传播并在每个微小变化处(折射率发生变化的地方)发生反射，除了满足相位匹配条件的光以外，其他波长的光都会沿着光纤继续传播，满足相位匹配条件的光会沿着光纤原路返回。
运用电磁理论可以推导出布拉格波长λΒ由下式决定：
λB＝2NΛ (3)；
其中，N为激光在光纤内传播的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期。可以看出反射波长会受到光栅区域的物理或者机械特性的变化的影响，Λ会受到热膨胀和热收缩的影响，如等式(4)所示：
ΔλB＝λB(1-ρα)Δε+λB(α+ξ)ΔT (4)；
式中，ΔλΒ为布拉格波长的变化，ρα、α和ξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系数，Δε表示应变的变化，ΔT表示温度的变化。对于刻录在二氧化硅上波长为λB≈1550nm的典型光栅，应变和温度的灵敏度分别约等于1.2pm/με和10pm/℃。
本发明设计了一种基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法。由于音叉光致热弹效应会在激光的作用下发生共振振动，在该音叉的左侧或者右侧放置一个布拉格光纤光栅，由于应变效应，音叉的周期性振动会引起布拉格光纤光栅的栅距的变化，导致特定反射的光波长发生变化。当激光入射布拉格光纤光栅时，反射回特定波长的光功率相应发生周期性变化，通过测量反射光功率的变化，可以解调出音叉的振动幅度。由于利用布拉格光纤光栅间接解调可以避免直接对被激光照射的音叉振动进行解调，光栅没有受到激光照射，所以热噪声很小，甚至可以忽略，并且可通过增加照射第一个音叉的激光功率使布拉格光纤光栅栅距发生更大的变化，从而使测量到的光功率变化幅度增加，但不会增加其热噪声的大小。通过测量布拉格光纤光栅的反射光信号作为系统的探测信号，进而可以提高光致热弹光谱系统的信噪比，最终改善传感器的系统性能。
如图1所示，本发明提供的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置包括第一半导体激光器1、聚焦透镜2、气室3、石英音叉4、布拉格光纤光栅5、第二半导体激光器6、光电探测器7、控制与数据采集系统8、计算机9，经过调制的第一半导体激光器1输出激光，经聚焦透镜2后入射到气室3内，待测目标气体吸收激光能量后，激光从气室3出射并照射在石英音叉4上，石英音叉4吸收出射激光能量发生弹性形变，由于激光受到调制，石英音叉4会发生周期性的弹性形变进而产生了振动，在石英音叉4的左侧或右侧放置布拉格光纤光栅5，第二半导体激光器6出射激光进入布拉格光纤光栅5中(，第二半导体激光器6波长为布拉格光纤光栅反射波长)，根据布拉格光纤光栅原理，由于石英音叉4振动引起布拉格光纤光栅5栅距周期性变化，第二半导体激光器6反射光光强产生周期性变化，由光电探测器7探测反射光光强，该信号传输至控制与数据采集系统8和计算机9中进行解调与后续处理。
利用上述装置进行光致热弹光谱痕量气体检测的具体实现过程如下：
步骤一：控制与数据采集系统8对第一半导体激光器1的输出特性(功率、波长、调制速率等)进行控制。
步骤二：第一半导体激光器1输出的激光经过聚焦透镜2后入射到气室3内激发待测目标气体。
步骤三：从气室3出射的激光照射在石英音叉4上，石英音叉4由于光致热弹效应，吸收出射激光的能量并伴随调制的激光源进行周期性的弹性形变进而产生振动声波。
步骤四：在石英音叉4左侧或者右侧放置布拉格光纤光栅5，根据布拉格光纤光栅反射原理，由于石英音叉4周期性声波振动引起布拉格光纤光栅5栅距的变化。
步骤五：第二半导体激光器6产生激光入射到布拉格光纤光栅5中。
步骤六：光电探测器7探测到由第二半导体激光器6入射到布拉格光纤光栅5中反射出来的激光，由于栅距周期性变化，其光强产生周期性变化，变化幅度与栅距变化长短相关。
步骤七：光电探测器7接入控制与数据采集系统8进行信号的实时监测与采集，并输入到计算机9中进行解调处理。
本发明中，第一半导体激光器1为近红外连续可调谐单纵模输出的分布反馈式半导体激光器，线宽应不>10MHz。
本发明中，第一半导体激光器1可替换为高功率激发源。
本发明中，为提高系统信噪比，第一半导体激光器1的激光功率应＞20mW。
本发明中，第二半导体激光器6输出光束质量不应为多模，光束质量因子M2<2。
本发明中，第二半导体激光器6发射波长应处在光电探测器7的响应范围内。
本发明中，布拉格光纤光栅5的折射率变化周期应为0.1～10μm。
本发明中，布拉格光纤光栅5放置在石英音叉4的左侧或者右侧，两者处于等高的位置，且相距不超过5mm。
本发明中，为使石英音叉4有更大的振动幅度，激光应照射在石英音叉4叉股的根部位置(如图2所示)，在相同的激光功率下，该位置处可使音叉产生更大的弹性形变。
本发明中，第二半导体激光器6输出波长应该确定为布拉格光纤光栅5反射波长。
本发明中，采用波长调制技术来减小系统的噪声，控制与数据采集系统8对第一半导体激光器输出波长进行调制。
本发明中，计算机9连接控制与数据采集系统8，通过软件进行实时控制与信号采集处理。
图3为传统光致热弹光谱技术和基于光栅解调的光致热弹光谱技术中测量得到的噪声幅值对比图，在此研究中，测量所用的第一半导体激光器输出波长为1530.37nm，第二半导体激光器输出波长为1395nm，测试的气体为500ppm乙炔。由图3可知，在传统方法中，测量得到的噪声幅值(平均值)为10.63μV，标准差为0.85μV，而采用本发明基于光栅解调的光致热弹光谱技术中，噪声幅值(平均值)为2.70μV，标准差为0.22μV。由此可见，基于光栅解调的光致热弹光谱技术可显著抑制系统噪声，进而改善传感系统测探能力。

Claims (10)

1.一种基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括第一半导体激光器、聚焦透镜、气室、石英音叉、布拉格光纤光栅、第二半导体激光器、光电探测器、控制与数据采集系统、计算机，其中：
所述石英音叉的左侧或右侧放置布拉格光纤光栅；
所述第一半导体激光器经过控制与数据采集系统调制后输出激光，经聚焦透镜后入射到气室内，待测目标气体吸收激光能量后，激光从气室出射并照射在石英音叉上，石英音叉吸收出射激光能量发生周期性的弹性形变进而产生振动；
所述第二半导体激光器出射激光进入布拉格光纤光栅中，石英音叉振动引起布拉格光纤光栅栅距周期性变化，第二半导体激光器反射光光强产生周期性变化，由光电探测器探测反射光光强，该信号传输至控制与数据采集系统中进行信号的实时监测与采集，并输入到计算机中进行解调处理。
2.根据权利要求1所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第一半导体激光器为近红外连续可调谐单纵模输出的分布反馈式半导体激光器，线宽不>10MHz，激光功率＞20mW。
3.根据权利要求1所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第一半导体激光器替换为高功率激发源。
4.根据权利要求1所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第二半导体激光器输出光束质量不为多模，光束质量因子M2<2。
5.根据权利要求1所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第二半导体激光器发射波长处在光电探测器的响应范围内。
6.根据权利要求1所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述布拉格光纤光栅的折射率变化周期为0.1～10μm。
7.根据权利要求1或6所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述布拉格光纤光栅与石英音叉处于等高的位置，且相距不超过5mm。
8.根据权利要求1所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述激光照射在石英音叉叉股的根部位置。
9.根据权利要求1所述的基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第二半导体激光器输出波长为布拉格光纤光栅反射波长。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置进行光致热弹光谱痕量气体检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：控制与数据采集系统对第一半导体激光器的输出特性进行控制；
步骤二：第一半导体激光器输出的激光经过聚焦透镜后入射到气室内激发待测目标气体；
步骤三：从气室出射的激光照射在石英音叉上，石英音叉吸收出射激光的能量并伴随调制的激光源进行周期性的弹性形变进而产生振动声波；
步骤四：石英音叉周期性声波振动引起布拉格光纤光栅栅距周期性变化；
步骤五：第二半导体激光器产生激光入射到布拉格光纤光栅中；
步骤六：光电探测器探测到由第二半导体激光器入射到布拉格光纤光栅中反射出来的激光；
步骤七：光电探测器接入控制与数据采集系统进行信号的实时监测与采集，并输入到计算机中进行解调处理。
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