[发明专利]一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置

说明书

技术领域：

本发明属于光学和光谱学技术领域，主要涉及半导体激光器调制光谱的实现方法和结构，具体是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置。应用于气体检测和气体吸收光谱分析等领域。

背景技术：

气体检测通常使用到红外吸收光谱技术。红外吸收光谱技术使用红外光作为检测光源。半导体激光器具有的体积小、单色性好和波长连续可调等特点，使其成为红外吸收光谱技术中普遍采用的光源器件。

半导体激光器进行气体检测使用波长调制光谱方法。波长调制是指利用电流连续变化驱动半导体激光器输出波长连续可变的激光。采用双频电流驱动半导体激光器可进一步提高气体检测的灵敏度。电流驱动激光器的连续输出波长范围是有限的。在双频电流驱动下这种输出波长范围进一步的缩小。利用电流连续变化驱动的半导体激光器一般仅能用于一种气体检测。实现多组份气体的检测就需要多支半导体激光器和相应数量的电流驱动电子线路。具体的半导体激光器的数量取决于检测气体组份的多少。就成本和系统稳定性而言，利用电流驱动的半导体激光器吸收光谱技术实现多组份气体检测存在成本高昂的缺点，使半导体激光光谱气体检测技术的应用受到限制。量子级联半导体激光器吸收光谱技术可实现高精度多组份气体检测，但量子级联半导体激光器造价昂贵，目前仅用于实验研究。

已报道文献和专利中，关于半导体激光器吸收光谱多组份气体检测技术较少。专利文献(US8155890)提出了一种汽车尾气成分的半导体激光吸收光谱检测方法及装置，该方法使用一支半导体激光器进行一种成分的检测，多种气体成分检测则需要多支激光器，相应的驱动和接收电路也要相应成倍增加，造成利用半导体激光光谱方法进行多组分气体检测存在电路结构繁复、成本高、调试困难和体积大等劣势，进而使用于气体高精度检测的半导体激光光谱方法在实际使用中受到限制。

本发明申请人在互联网上就本主题，在国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有技术存在的半导体激光器一般仅能用于一种气体检测的问题，提出了一种采用温度调制光谱扫描，扫描光谱范围宽，造价低，可靠性高，用单支半导体激光器实现多种气体同时检测的半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置。

下面对本发明进行说明：

本发明是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，包括有：配有热电制冷器的半导体激光器、可调恒流源、温控器、扫描信号源、气体吸收池、平衡探测器、信号采集卡和计算机，半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，其中一路直接被平衡探测器接收，其中的另一路入射气体吸收池，经气体吸收池中气体吸收后出射，被平衡探测器接收，经平衡探测器输出的电信号，进而由信号采集卡和计算机进行分析和给出气体检测结果，半导体激光器同时接有温控器和可调恒流源，本发明的气体检测装置为温度参与半导体激光器输出激光频率调谐控制的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，半导体激光器同时接有温控器和可调恒流源，扫描信号源同时与温控器和数据采集卡相连，扫描信号源一路输出的信号送给温控器，扫描信号源产生的另一路同步信号控制信号采集卡对平衡探测器的信息采集，通过信号采集卡输出的光谱信息，送入计算机中进行处理分析，完成多组份的气体检测。本发明利用温度连续变化驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，大大拓展半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流连续驱动半导体激光器输出波长范围窄，一支激光器仅能用于一种气体检测的缺陷，提供了一种光谱扫描范围宽，单支半导体激光器实现多种气体同时检测的半导体激光光谱气体检测装置。

本发明的实现还在于：半导体激光器输出的激光波长是连续变化的波长，激光波长连续变化是通过温控器控制半导体激光器的工作温度连续变化而形成的。温控器通过改变接在半导体激光器内部的热电制冷器件的电流实现温度控制，温控器在扫描信号源信号控制下形成连续变化的温度控制信号，进而控制半导体激光器输出频率连续变化的激光。

本发明还是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法，采用温度变化和恒流信号共同控制调制半导体激光器，其实现包括：

(1)可调恒流源产生恒定电流注入半导体激光器，该恒定电流大于半导体激光器的阈值电流，使半导体激光器输出波长恒定的激光。

(2)温控器在扫描信号源扫描信号控制下产生连续变化的温度控制信号，控制半导体激光器，输出波长连续变化的激光。