[发明专利]一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置

说明书

本发明公开了一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其包括宽带红外光源、步进电机、波长调制盘、长程气体吸收池、光功率放大模块、光电探测模块和控制器。波长调制盘对宽带红外光源发射的宽带红外光进行波长选取，使以不同波长为中心的窄带探测光束依次进入长程气体吸收池内，光束被由光纤耦合镜、波分复用器、光纤放大器、光纤准直镜构成的光功率放大模块功率放大后再次入射到气体吸收池内，该光束在吸收池内多次反射折转直到光束从气室中出射并到达光电探测模块。本发明将低功耗宽带红外光源与长光程气体吸收池有效结合，充分发挥宽带红外光源波段宽、结构简洁、价格低廉的优势，实现低成本的高灵敏度多组分气体检测装置。

技术领域

本发明属于差分吸收光谱气体检测领域，涉及一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，主要应用于工业危险气体监测预警以及大气环境监测等领域。

背景技术

红外吸收光谱技术已经广泛应用于气体检测之中，与采用激光器作为主动探测光源相比，宽带红外光源(如氙灯、发热电阻等)具有辐射波段宽、结构简洁以及价格低廉等优点。然而，宽带红外光源在辐射红外波段探测光的同时会大量发热，如果采用大功率宽带红外光源，一方面大大增加检测系统的发热能耗，另一方面将不得不采用制冷系统来控制光源温度，从而抬高检测系统的复杂性以及相应的造价成本。采用功耗较小的宽带红外光源虽然有效降低了系统的发热能耗并可以省去制冷系统，但是由于辐射的探测光能较小，且宽带红外光源往往发光面积大、出射光发散角大，不易被简单光学系统准直，使得真正到达光电探测器光敏面处的探测光功率很小，难以引起探测器的响应。特别是与长光程气体吸收池相结合时，由于光程较长，探测光束随着传输的距离大量发散，到达光电探测器光敏面处的信号光更加微弱。然而，长光程气体吸收池是增强系统痕量气体检测灵敏度的有效模块，而宽带红外光源的上述特性却阻碍了其与长光程气室的结合使用，大大降低了检测系统的灵敏度。当前，尚缺少基于宽带红外光源与长光程气体吸收池相结合使用而形成的高灵敏度痕量气体检测装置。如果采取一定的技术手段，将低功耗宽带红外光源与长光程气体吸收池有效结合，充分发挥宽带红外光源辐射波段宽、结构简洁、价格低廉的优势，可以突破传统红外气体检测方法的瓶颈，基于红外吸收光谱技术实现低成本的高灵敏度多组分气体检测装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

将结构简单、价格低廉的低功耗宽带红外光源与长光程气体吸收池有效结合，在探测光束传输的中途对其进行适当的增益，从而保证最终到达探测器光敏面处的探测光功率；同时，利用宽带红外光源的宽波段辐射特性，采用多波长调制的差分吸收光谱方法，对气体吸收池内多个组分的气体同时进行检测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其包括：

窄带探测光束发射模块，用于发射待测气体组分特征吸收波长和参考波长的窄带探测光束到气体吸收池中，其中待测气体组分在该参考波长处无吸收特征；

气体吸收池，其容纳待测气体且包括一组反射镜，窄带探测光束在气体吸收池内的反射路径依次经过反射镜上的多个光束入射点；

至少一个光功率放大模块，包括光纤耦合镜、第一波分复用器、第二波分复用器、多个光纤放大器及光纤准直镜，其中光纤耦合镜穿设在反射镜上对应于一个光束入射点处，光纤耦合镜输入端为光功率放大模块输入端口，接收窄带探测光束，光纤耦合镜输出端连接至第一波分复用器输入端，第一波分复用器输出端分别连接至各光纤放大器输入端，所有光纤放大器输出端皆连接至第二波分复用器输入端，光纤准直镜穿设在反射镜上对应于反射路径中的后续光束入射点处，第二波分复用器输出端连接至光纤准直镜输入端，光纤准直镜输出端为光功率放大模块输出端口，光纤准直镜使经功率放大的窄带探测光束对准反射路径中的下一光束入射点射出，波分复用器的分光波长和光纤放大器的放大波长分别与窄带探测光束波长相对应；

光电探测模块，用于探测从气体吸收池出射的窄带光束，生成相应电信号；