[发明专利]基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法。本发明通过测量布拉格波长的变化得到待测物质的种类和浓度，具有极高的抗噪能力、极高的分辨率和测量精度，非常适合高温、高湿度和易燃易爆等恶劣环境中进行远距离探测；光纤光栅具有极强的复用能力，布设不同监测点，能够实现多点、组网监测以及不同对象监测，有效降低系统的成本；采用可调谐光纤珐珀滤波器干涉解调法测量光纤光栅的布拉格波长变化，使系统具有极高的分辨率以及极强的复用能力。

技术领域

本发明涉及痕量物质激光红外吸收光谱探测技术领域，具体为一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法。

背景技术

痕量物质探测技术不仅对于大气污染监控、工业生产过程监测以及爆炸物检测等领域具有重要的意义，而且可以广泛应用于食品安全监测、火灾预警及环境监测等领域。激光红外吸收光谱技术可以对气态、固态和液态等形态的各种物质进行检测，具有检测精度高、灵敏度高、光谱分辨率高、不依赖于被测物质数量和质量，已成为当前最主要和最重要的痕量物质探测技术发展方向和研究热点之一。

激光红外吸收光谱技术是待测物质吸收特定波长激光后，通过探测光强、声波或热量等物理量的变化来获得待测物质在特征吸收波长范围内的吸收光谱，从而实现待测物质成分和浓度的探测。诸如激光光声光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术等常见的激光红外吸收光谱技术通常需要光声池来提高信号强度，从而限制了该方法在远距离探测方面的应用。为了实现痕量物质远距离探测，研究工作者对现有技术进行了改进。比如，美国马里兰大学的XingChen利用反射镜将待测物吸收光能产生的声波汇聚到位于远处的麦克风，实现了异丙醇蒸气探测实验，但是该方法极易受到外界噪声干扰，抗噪能力差。美国橡树岭国家实验室的Van Neste等采用氮化硅-铝双层复合结构微悬臂梁探测远处待测物吸收后的光能，并在1m处对TNT、RDX和PETN三种爆炸物样品进行了探测。Juan Sun等采用石英音叉探测远处待测物吸收后的光能，在30m处完成了对乙醇和丙酮的探测。由于微悬臂梁材料和石英音叉吸光率较低且吸收光谱范围窄，因而无法在超宽光谱范围内实现多种物质探测。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法解决了远距离探测困难的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，包括激励激光器、反射物、凹面镜、光纤光栅传感器、连续宽带激光器、光纤、耦合器、可调谐光纤珐珀滤波器、光电探测器、数据处理系统和驱动电路，所述光纤包括第一光纤、第二光纤、第三光纤和第四光纤，所述激励激光器、反射物和凹面镜位于同一光路上，所述激励激光器和反射物的光路上设有待测物质，所述光纤光栅传感器位于凹镜面的焦点处，所述连续宽带激光器通过第一光纤与耦合器连接，所述耦合器通过第二光纤与光纤光栅传感器连接，所述耦合器通过第三光纤与可调谐光纤珐珀滤波器连接，所述可调谐光纤珐珀滤波器通过第四光纤与光电探测器连接，所述光电探测器的输出端与数据处理系统的信号输入端连接，所述数据处理系统的信号输出端通过驱动电路与可调谐光纤珐珀滤波器连接。

进一步地：所述光纤光栅传感器包括依次设置的光纤光栅、纳米银黑薄膜层和聚甲基苯基硅氧烷层，所述光纤光栅为均匀光纤布拉格光栅，所述光纤光栅采用相位掩膜法对光敏单模光纤进行曝光制备，所述纳米银黑薄膜层采用化学沉积法生长在光纤光栅表面，所述聚甲基苯基硅氧烷层采用旋涂法生长在纳米银黑薄膜层表面。

一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测方法，包括以下步骤：

S1、通过激励激光器发出的脉冲调制激光照射位于远处的待测物质，通过待测物质吸收后的激光被反射物反射至凹面镜；

S2、通过凹面镜将激光聚焦到光纤光栅传感器的表面上，使光纤光栅传感器中的光纤光栅产生应变，得到应变情况下的布拉格波长；