[发明专利]采用气体参考腔反馈补偿的半导体激光器气体检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，特别涉及一种用于实现气体浓度测量的、采用参考腔主动反馈补偿的半导体激光器气体检测系统和方法。

背景技术

每种气体分子都有自己的特征吸收谱，因此当光源的发射谱与气体吸收谱重叠时，可以利用由窄带光源或激光光源发出的光通过测量气体，通过对透射光强进行测量来确定气体的浓度。由于一般光源的谱线宽度较宽，而某些气体的吸收谱线非常窄，因而经过气室后引起的光功率变化不明显，导致测量灵敏度不会很高。而激光光源具有较窄的输出谱线，适合对对多种气体进行测量。

激光由于其高单色性（窄谱线）、高亮度和高方向性等独特的优越性而在现代光谱学中占有重要地位，发展成为新的激光光谱技术学科，已在现代农业及环境学、生物及医疗学、物理、化学及材料学和天体物理学等各种研究和工业过程监测中起到了重大应用价值。

激光用于气体检测在环境检测和分析以及各种工业过程控制等方面具有重要应用价值。每种气体分子都有其特征吸收谱线，因此利用激光窄线宽的特点可以检测某些特定的气体的含量。激光用于气体检测常用的方法之一就是把激光的发射波长调节或锁定在气体的特征吸收谱线上，让激光通过该气体腔，通过测量该激光通过气体腔后的衰减而测定该气体的含量。这种测试方法具有原理直观，结构简单的优点，然而由于一般光源的谱线宽度较宽，而某些气体的吸收谱线非常窄，因而经过气室后引起的光功率变化不明显，导致测量灵敏度不会很高，受到一定的限制，尤其是对微含量的气体检测比较困难。

传统的差分吸收法是基于共光路的二束光通过同一被测气体腔。其中一路激光的输出波长与气体的特征吸收谱线相同。而相邻的另一激光输出波长选择靠近被测气体的吸收谱线，但不在其吸收谱线上，用于作为参考光以消除光路中光强的不稳定性。但这种测量方案并不能消除由于检测光的波长不稳定带来的测量误差，而这种误差在实际测量中是不可忽略的。因此，在现有技术中对差分吸收法进行了改进，常用的改进方法均是通过对激光器实现稳定电流和稳定温度来实现其稳定波长，但这种方法是被动式的调节的，不能严格消除激光器的波动，因此改进的效果并不理想。

基于激光器开发现代光谱组成测试分析系统不仅将对激光光谱学发展具有重要意义而且使得激光光谱分析系统更加便携化，方便于现场机动使用。因此，能否利用激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出等一系列独特的优越性来应用于气体浓度检测领域，是本领域亟待解决的技术问题。由此使得需要一种能利用激光器的优点实现气体浓度测量的方法，同时兼具高灵敏高精度的气体检测方法和系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统,所述系统包括发出作为检测光束的第一波长光束的第一光源、发出作为参考光束的与所述第一波长不同的第二波长光束的第二光源,所述检测光束的第一波长与待测气体的特征吸收谱线相同；与所述第一光源和第二光源连接的第一波分复用器，用于将载有不同波长的第一光束和第二光束的光信号合成一束进行输出；与所述第一波分复用器连接的宽带耦合器，所述宽带耦合器用于将经所述第一波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成两路输出；参考气室，通入与待测气体成分一致且浓度已知的参考气体，并接收来自所述宽带耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自所述宽带耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；连接所述参考气室的第二波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；连接所述检测气室的第三波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；第一光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述第一和第二光源。

优选地，所述宽带耦合器按照1:1的功率比例分配两路输出。