CN1995973A - 基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法及其传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法和使用的传感器，其特征在于利用目标气体对激光器产生的特定波长激光的吸收特性进行气体浓度测量，也利用目标气体对同一激光器产生的相近特定波长激光的透过特性作为参比信号以抵消其他损耗和波动的影响。所使用的气体传感器的核心是一只具有稳定单模输出和跳模特性半导体激光器和一只光电探测器，适合于不同的气体光路，电路部分构成较简单，易于一体化、小型化和集成化。本发明所述的测量方法及使用的传感器是一种普适的采用半导体激光的气体传感器，具有很好的通用性。

Description

基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法及其传感器

技术领域

本发明涉及一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，更确切地说，本发明提供一种利用半导体激光器跳模特性产生吸收和参比激光信号的气体传感解决方案，包括激光器驱动、跳模波长控制、吸收和参比信号提取及处理等一系列特殊方法。属于半导体光电子器件、信号处理及气体传感技术领域。

背景技术

自上世纪六十年代半导体激光器发明以来，其结构已由简单的同质结发展到异质结、量子阱、分布反馈、面发射以及量子级联等等，其基本结构也已由双极型扩展到单极型，激射波长由近红外、可见波段拓展到中红外、远红外以及紫外波段，很多种类的激光器已实现了商品化并应用于众多领域。随着半导体激光器理论及材料生长技术的进步，一些新型的半导体激光器在近十年中有了长足的发展。

在半导体激光器的应用方面，利用气体在红外波段具有特异性的选择吸收特性进行气体种类的鉴别及其浓度的测量是一个新兴的领域，其基本原理均基于所谓可调二极管激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)方法。TDLAS方法简单地说就是针对气体的某一具有较高吸收强度的特异性吸收波长，利用激射波长可在一定范围内调谐的半导体激光二极管通过波长扫描的方法获得气体的吸收光谱特征，从而获得相关的气体种类及浓度等信息。由此可见，TDLAS方法的关键是要求使用的激光二极管具有一定的波长连续调谐范围，此范围可覆盖一种(或多种)目标气体的强吸收和非吸收区域以获得吸收和参比信号，从而获得所需信息。各种不同的TDLAS方案对半导体激光器也有不同的具体要求。

过去的一系列TDLAS方案中一个通道都是采用一只半导体激光器，通过改变其驱动电流或热沉温度进行波长调谐(改变电流的实质也是改变激光器芯片的温度)，或是采用外腔调谐的方法。对实时的气体测量，要求波长调谐能达到一定的速度和重复性。对半导体激光器而言，在TDLAS应用中，连续改变其驱动电流一方面使驱动电路甚复杂，另一方面也会影响到其模式特性的稳定；而改变热沉温度一方面不易快速进行，另一方面稳定性也有问题。对于外腔调谐，一方面光路复杂，另一方面在现场应用中稳定性和可靠性也难保证。这些都限制了TDLAS方法的推广。本发明旨在提供一种普适的半导体激光气体传感器方案，它具有简单稳定的特点，还可以避免前述半导体激光器在TDLAS应用中的一些缺点，并可满足小型化、模块化的要求。

发明内容

本发明提供一种用于气体浓度检测的基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，其要点在于：利用半导体激光器的跳模特性使其在不同的时间产生两个波长相近且波长差固定的激光输出，这样可以利用目标气体对其中一个波长的吸收特性进行气体浓度测量，而利用目标气体对另一个波长激光的透过特性作为参比信号以抵消其他损耗和波动的影响。采用此种方法构成的气体传感器中包括：1.封装于温控模块中的具有单模输出及跳模特性的半导体激光器(简称跳模激光器)、2.用于激光器热沉温度控制的热电控温部件及控温电路、3.具有驱动电流开关式调节功能的激光器时分驱动电路、4.用于吸收和参比光信号探测的光电探测器、5.用于放大和解调吸收和参比电信号的放大及时分解调电路、6.对已解调的两路吸收和参比电信号进行比较并产生一路比例于目标气体浓度信号的比较电路及显示输出电路等。进行气体浓度测量时，由跳模激光器分时产生的两个特定波长的单模激光信号通过气体池或其他吸收光路后由光电探测器接收，转换成对应吸收和参比信息的分时电信号，这两个信号经放大、解调及比较后产生气体浓度信号，用于显示或输出(参见图1)。激光器的热沉温度由热电控温部件及控温电路进行控制以使波长稳定并满足测量要求，激光器由具电流开关式调节功能的时分驱动电路驱动。此气体传感器的核心是一具有单模输出和稳定跳模特性半导体激光器及一光电探测器，其他电路部分的构成都较简单，易于一体化、小型化和集成化。因此，本发明的传感器是一种普适的采用半导体激光的气体传感器，具有很好的通用性。以下对本发明的各个部分构成、特点和功能等进行详细说明。

一、跳模激光器部分：

跳模激光器用于产生波长相近、波长差固定的两路激光信号，其中一个波长与目标气体的某一吸收线峰值对准，作为气体吸收信号；另一个波长落于吸收波长附近其他不产生吸收的区域，作为参比信号。对于半导体激光器，特别是具有较窄条宽的脊波导型激光器，在合适的驱动条件下可以产生稳定的单模输出，而采用合适的辐度改变驱动电流也可产生稳定的跳模，这是构成本发明中跳模激光器的基础。对于特定半导体激光器，其单模和跳模特性及其波长温度关系都需事先进行精确的测量标定，以使其满足目标气体的要求。由于此方案中只用一只激光器就产生吸收和参比激光，这两个波长的激光由同一激光器发出，不需分别调节，这给光路安排带来很大方便。对此激光器，靠不同的驱动电流就可以使两个激光器跳模波长有一个固定的差别。

二、热电控温部件及温度控制电路部分：

由于半导体激光器的激射波长对温度十分敏感，因此在各种TDLAS应用中对其进行精密控温都是必需的。本发明中的跳模激光器要求能对其热沉温度进行调节，以使激射波长能满足目标气体吸收及参比的要求，同时也要求所设定的温度能够稳定并有足够的精度，因此激光器热沉需安装在半导体热电控温部件上并有温度传感器将热沉温度信号送至闭环温度控制电路。作为传感器应用，在所需参数固定以后，实际使用中并不需要对温度等进行调节，因此温度控制电路可以采用通用的单片电路，也不需要温度显示电路等，但需有半固定调节元件并留有调试时所需的测量端口等。本发明在温控方面与其他TDLAS方案相比并未有特殊要求。

三、激光器时分驱动电路：

本发明中吸收和参比光信号采用同一探测器接收，因此两个波长的激光采用时分的方法加以区别，激光器的驱动电流按时序通过开关晶体管开关串接于激光器驱动回路中的电阻进行变化，此时序可用同一脉冲发生器产生。为使激光器的模式稳定和简化相关电路等，在满足数据更新速率的要求下可以选取较低的时序及脉冲频率。

四、光电探测器：

由于本发明中采用了单片双芯激光器，大大简化的光路设计，因此只用一个光电探测器即可。此光电探测器只需与激光器的波长匹配并有合适的灵敏度即可，室温工作的光伏型探测器是优先选择。由于工作频率不高，响应速度方面并无特殊要求。与其他采用两个光电探测器的方案相比，本发明的方案中采用同一光电探测器检测吸收和参比信号，这样就取消了对两个探测器一致性和同步稳定性方面的要求，且所检测的是两路信号的相对强度，这样就大大降低了对光电探测器稳定性方面的特殊要求。

五、放大及时分解调电路：

包含有吸收和参比信息的光信号经光电探测器转换成合成的电信号后采用与探测器阻抗匹配的放大器放大至合适的电平，时分解调电路用于将合成的电信号解调出吸收和参比两路信号。放大器的放大倍数要求将取决于气体吸收光路的有效长度以及气体吸收强度等，由于此放大器也同时放大参比光产生的信号，因此应有足够的动态范围。由于信号频率较低，时分解调电路用常规的触发保持集成电路即可完成。激光器的时分驱动电路和探测器的时分解调电路之间可用信号线进行触发或同步锁定。

六、比较及显示输出电路：

比较电路用于对时分解调电路输出的吸收和参比两路信号进行比较，得出扣除了光路损耗及其他波动影响的目标气体浓度信号。此发明方案中并不要求两个波长激光输出幅度一致，可以有较大的差别，因此比较电路的输入端应具有半固定的调节元件并保证有较大的调节范围。比较电路输出的模拟信号根据具体要求对其幅度进行比例调整后可直接送至显示部件(如数字电压表)进行显示，也可输出或转换成数字信号用于其他目的。

综上所述，本发明提供的气体测量方法及使用的传感器特征在于：

利用目标气体对激光器产生的特定波长激光的吸收特性进行气体浓度测量，也利用目标气体对同一激光器产生的另一相近的特定波长激光的透过特性作为参比信号以抵消其他损耗和波动的影响；

两个波长相近的激光信号由同一激光器的跳模特性产生，此激光器可为具有F-P腔的半导体激光器，在特定驱动条件下具有稳定的单模输出；

半导体激光器在两个不同的固定电流驱动下可在两个固定的输出模式间稳定转换，这两个输出模式波长差固定；

半导体激光器两个输出模式由串接接于半导体激光器的可调电阻及脉冲开关控制，改变可调电阻可以获得稳定的跳模，利用脉冲开关将两个模式的激光形成时分光输出；

半导体激光器的激光波长由改变热沉温度进行调节，以使一个输出模式与目标气体的吸收峰相匹配，另一个模式不产生吸收，热沉温度由半导体制冷器进行精密控制；

两个输出模式的时分光信号经由含目标气体的气体池或自由光路后由光电探测器接收，经放大后由时分电路形成正比于两个模式光强的两路电信号，脉冲开关及时分电路由同一脉冲发生器进行同步控制；

两路电信号经比较电路后形成目标气体浓度的输出信号，其中已扣除了光路损耗及其他波动的影响；

所述的气体传感器的核心是一个具稳定的单模输出和跳模特性半导体激光器和一只光电探测器，适合于不同的气体光路，电路部分构成较简单，易于一体化、小型化和集成化。本发明所述的测量方法及使用的传感器是一种普适的采用半导体激光的气体传感器，具有很好的通用性。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量所使用的传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图的实施例进一步说明本发明的实质性特点和先进性，但绝非限制本发明，也即本发明绝非局限于实施例。

实施例：基于半导体激光器跳模特性的气体浓度测量

测量实施步骤：

1、中红外激光器为室温连续工作的F-P法布里-泊罗腔锑化物多量子阱激光器，将此激光器芯片用铟烧结于TO3型激光器管壳的热沉上，采用热压焊方法用金丝引出正电极至一管脚，与管壳外壳相连的另一个管脚为激光器的负电极。激光器的激射波长约2微米，驱动电流约200mA，驱动电压约1V。

2、TO3封装的中红外激光器装入具有半导体热电控温元件及热敏电阻测温元件的半导体激光器控温部件中，激光器的二根引线及控温元件和热敏电阻的四根引线分别用接插件引至相关电路。由于半导体激光器的激射波长与温度直接相关，因此热沉温度控制是必需的。

3、中红外激光器采用时分驱动方案，由可调直流电源驱动，开关器件并联于激光器驱动回路中的串连电阻上，由具互补输出的方波脉冲发生电路控制，这样吸收和参比两个波长激光信号在方波脉冲的高电平和低电平状态时分别激射产生时分的效果，方波频率选取为～1KHz。直流电源采取软起动及防止电流浪涌的措施以避免损坏激光器。驱动中加入半固定调节元件以微调驱动电流。

4、激光器温度控制采用商品单片集成电路(如MAX1978)配上外围元件，控制精度可以满足要求。控制电压约为±4V，电流约为±3A，对于近室温工作的激光器已可满足控温功率要求。温度调节采用半固定调节元件。

5、光电探测器选用室温工作的波长扩展InGaAs光伏探测器，零偏工作，未采用温度控制及稳定部件。

6、光电探测器放大电路采用低噪声运放，放大倍数及频响用外围元件调节，吸收和参比信号时分采用运放及数字电路组成，引入激光器时分驱动电路中的方波脉冲信号进行同步控制。

7、比较电路仍采用运放比较器，其输入端加入电平调节以平衡无吸收时两激光器输出功率的固有差别。

8、采用常规的数字电压表模块作为气体浓度模拟信号显示部件，需要数字信号输出时可直接利用数字电压表模块上的数字信号输出端。

9、进行气体浓度测量时，由跳模激光器分时产生的两个特定波长的单模激光信号通过气体池或其他吸收光路后由光电探测器接收，转换成对应吸收和参比信息的分时电信号，这两个信号经放大、解调及比较后产生气体浓度信号，用于显示或输出(参见图1)。

Claims (10)

1、一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，其特征在于利用半导体激光器的跳模特性使其在不同的时间产生两个波长相近且波长差固定的激光输出，利用目标气体对其中一个波长的吸收特性进行气体浓度测量，利用目标气体对另一个波长激光的透过特性作为参比信号以抵消其他损耗和波动的影响。

2、按照权利要求1所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，其特征在于所述的半导体激光器是在两个不同的固定电流驱动下，在两个固定的输出模式间稳定转换，这两个输出模式波长差固定。

3、按照权利要求2所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，其特征在于所述的半导体激光器的两个输出模式是由串接接于半导体激光器的可调电阻及脉冲开关控制，改变可调电阻可以获得稳定的跳模，利用脉冲开关将两个模式的激光形成时分光输出。

4、按照权利要求1或2所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，其特征在于半导体激光器的激光波长由改变热沉温度进行调节，以使一个输出模式与目标气体的吸收峰相匹配，另一个模式不产生吸收，热沉温度由半导体制冷器进行精密控制。

5、按照权利要求2所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，其特征在于两个输出模式的时分光信号经由含目标气体的气体池或自由光路后由光电探测器接收，经放大后由时分电路形成正比于两个模式光强的两路电信号，脉冲开关及时分电路由同一脉冲发生器进行同步控制。

6、按照权利要求1所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法，其特征在于吸收和参比信号采用同一探测器接收。

7、使用如权利要求1-6所述的基于半导体激光器跳模特性的气体测量方法的传感器，其特征在于所述的气体传感器是由：①封装于温控模块中的具有单模输出及跳模特性的半导体激光器，②用于激光器热沉温度控制的热电控温部件及控温电路，③具有驱动电流开关式调节功能的激光器时分驱动电路，④用于吸收和参比光信号探测的光电探测器，⑤用于放大和解调吸收和参比电信号的放大及时分解调电路，⑥对已解调的两路吸收和参比电信号进行比较并产生一路比例于目标气体浓度信号的比较电路及显示输出电路组成。

8、按照权利要求7所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体传感器，其特征在于激光器热沉安装在半导体热电控温部件上，且由温度传感器将热沉温度信号送至闭环温度控制电路。

9、按照权利要求7所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体传感器，其特征在于所述的激光器为单片双芯或具有法布里-泊罗腔的半导体激光器。

10、按照权利要求7或9所述的一种基于半导体激光器跳模特性的气体传感器，其特征在于所述的激光器的驱动电流按时序通过开关晶体管开关串接于激光器驱动回路中的电阻进行变化，且所述的时序用同一脉冲发生器产生。

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