[发明专利]基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统

说明书

技术领域

基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，主要涉及一种基于有源腔注入锁模技术的全光纤高灵敏度气体检测技术。

背景技术

在工业生产过程中，不可避免地会产生一些易燃、易爆、有害的气体，这些气体不仅会严重威胁生产安全，也会对生态环境造成一定的危害。因此，及时准确地对有害气体进行远程监测和监控已成为亟待解决的重要问题之一，研究高精度的气体检测系统势在必行。

传统上有不少测量气体的方法，如电化学气体检测法、红外气体检测等。但是电化学类气体传感器易中毒、测量精度低、抗干扰能力差。红外气体传感器由于吸收光谱比较宽，容易受其它气体的交叉吸收而影响检测效果，常出现误测等问题，实际使用中受到了很大限制。近几年也有不少近红外直接吸收法气体传感器被研究和关注，由于气体在该波段一般吸收较弱，所以检测灵敏度受到限制，特别是像一氧化碳等在近红外吸收系数较弱的气体，较短的气体吸收腔很难实现高灵敏度气体检测。要增加吸收光程，有不少方案通过采用怀特池来增加气体的吸收光程，怀特池由几片高反射凹面镜构成，使得光在怀特池内多次反射从而实现增加光程的目的，怀特池同时结合谐波检测技术可以提高气体的检测灵敏度，但是怀特池对反射镜要求非常高，现有报道中常提到的怀特池采用的反射镜的反射率往往要求达到99.99%以上，否则光程达到几十米时光功率已经损耗非常严重，同时光经过长光程的空间传输后发散非常严重，而且这种方法机械结构和电路结构复杂，不利于工业的广泛推广和应用。

作为一种新型的光纤气体传感方法, 有源内腔气体检测技术可以在不需增加气室尺寸的情况下，极大地提高气体的监测灵敏度，该方法的关键技术之一是如何使光纤激光器稳定地单模运转。目前基于该技术开展的研究主要是采用环形腔和直线腔两种方式。环形腔中多是采用窄带可调滤波器进行激光波长的选择，该方法存在的问题是：价格昂贵，不适合大规模推广应用；直线腔中主要采用光纤光栅进行激光波长的选择，由于光纤光栅随温度等环境的影响较大，因此该方法的检测精度和稳定性不高。

发明内容

基于目前气体检测技术存在的一些不足，本发明设计了一种基于激光注入锁模技术的高灵敏度的气体检测系统。

本方案是通过如下技术措施来实现的：基于激光注入锁模技术的有源腔气体检测系统，其特征是它包括980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器、隔离器以及作为注入锁模激光种子光源的DFB半导体激光器；波分复用器的980端与泵浦光源相连，波分复用器的1550端和环形器的反射端相连；环形器的入射端和DFB半导体激光器的激光输出端相连，环形器的出射端和气室的一端通过普通单模光纤相连，气室的另一端通过普通单模光纤和耦合器的输入端相连；耦合器分光为90%的输出端与隔离器的入射端相连，隔离器的出射端和稀土掺杂光纤相连，稀土掺杂光纤的另一端和波分复用器的公共端相连，由所述980nm泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成环形腔光纤激光器；DFB半导体激光器的控制端与驱动模块相连；耦合器分光为10%的输出端与探测器相连，探测器和数据处理模块相连。

本方案的具体特点还有，所述的DFB半导体激光器发出的激光通过一个光纤环形器注入到环形腔光纤激光器的激光谐振腔内，对环形腔光纤激光器进行注入锁模，进而获得稳定的单模窄带激光。

所述激光谐振腔为由波分复用器、稀土掺杂光纤、环形器、气室、耦合器和隔离器构成的环形腔。由于注入锁模效应，光纤激光器输出激光的波长与注入的种子光源波长一致，可以通过DFB半导体激光器来控制环形腔光纤激光器的输出波长。

所述的DFB半导体激光器在锯齿波驱动调制下，输出波长至少可以覆盖待测气体的一个吸收峰。

所述的气室在环形光纤激光器谐振腔内，属于其激光谐振腔的一部分，环形腔光纤激光器产生的光子在形成激光的过程中将多次经过气室，从而将较小的气室长度等效为很大的有效吸收光程。

采用增益谱在气体吸收峰波段的稀土掺杂光纤用于对激光进行放大，稀土掺杂光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤或铒镱共掺光纤。改变掺杂粒子可以扩大光纤激光器的输出波段，进而可以测量更多种类的气体。这些种类的稀土掺杂光纤区别为掺杂稀土粒子的种类不同，因此用于该系统后产生的光放大效果也不同，特别是放大的波长不同，例如采用掺铒光纤时，其放大波长主要集中在1.5um到1.6um波段之间，可以用于在此波段有吸收峰的气体的检测，而如果采用掺铥光纤则主要集中在1.9um-2.1um波段，可以用于检测吸收峰位置在1.9um至2.1um波段的气体。