采用参考腔主动反馈补偿的光纤激光器气体检测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种采用参考腔主动反馈补偿的光纤激光器气体检测系统,包括由依次连接的激光二极管泵浦源、波分复用器、有源光纤和布拉格光纤光栅构成的光纤激光器；与波分复用器耦合连接的光隔离器；耦合器，用于将经光隔离器隔离后的激光按照一定的功率比例分配为参考光束、测量光束和强度检测光束；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参考光束；检测气室，通入待测气体并接收测量光束；第一、第二和第三光电检测器，分别接收经过参考气室的参考光束、经过检测气室的检测光束和强度检测光束，生成第一、第二和第三光强度信号；反馈控制单元，比较第一、第二和第三光强度信号，反馈调节所述泵浦源和布拉格光纤光栅。

【技术实现步骤摘要】
采用参考腔主动反馈补偿的光纤激光器气体检测系统
本专利技术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分布反馈光纤激光器气体检测系统和方法。
技术介绍
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。很多气体都有其特征谱线，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λ1与气体的特征吸收谱线相同。而相邻的另一激光输出波长λ2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λ1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λ1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λ1的波动，因此改进的效果并不理想。光纤激光器是近年来迅速发展的新型激光器。光纤激光器由于采用光纤波导作为增益介质，光纤光栅作为反馈镜形成集成化光纤谐振腔，使得它具有结构紧凑小巧、激光线宽窄、光束质量高、激光系统可靠性高、稳定性好、免维修等独特的优越性，已对激光行业产生了巨大的冲击。基于光纤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光纤激光光谱分析系统更加便携化，方便于现场机动使用。因此，能否利用光纤激光器的结构紧凑、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光纤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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用参考腔主动反馈补偿的光纤激光器气体检测系统,所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、波分复用器、有源光纤和布拉格光纤光栅构成的光纤激光器；与所述波分复用器耦合连接的光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；连接所述光隔离器的耦合器，所述耦合器用于将经所述光隔离器隔离后的激光按照一定的功率比例分配为参考光束、测量光束和强度检测光束；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，并接收来自耦合器分配的参考光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自耦合器分配的测量光束并使其通过待测气体；第一光电检测器，连接至所述参考气室，接收经过参考气室的参考光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述检测气室，接收经过检测气室的检测光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述耦合器，接收所述强度检测光束，生成第三光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号和第三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泵浦源和布拉格光纤光栅。优选地，所述参考光束、测量光束和强度检测光束的功率之比为1:1:1。优选地，所述反馈控制单元的反馈控制方法包括如下步骤：a）判断所述光纤激光器的输出是否稳定，若不稳定，输出第一反馈控制信号调节所述泵浦源的功率输出直至稳定；b）判断所述光纤激光器输出的信号模式的波长范围是否覆盖待测气体的特征谱线，若不覆盖，则输出第二反馈控制信号调节所述布拉格光纤光栅的反射率直至覆盖；c）比较所述第一光强度信号和第二光强度信号的信号强度，得到待测气体与参考气体的浓度大小关系。优选地，所述步骤b）中通过比较所述第一或第二光强度信号的信号强度值是否显著小于第三光强度信号的信号强度来判断是否覆盖。优选地，还包括贴附在所述布拉格光纤光栅上的激光器控制单元，通过所述第二反馈控制信号来控制所述激光器控制单元的形变从而改变所述激光器的谐振腔腔长。优选地，所述激光器控制单元采用PZT压电陶瓷或TE温控单元来实现。优选地，所述波分复用器是1×2的波分复用器。优选地，还包括球面透镜，用于分别将参考光束和检测光束耦合进入参考气室和检测气室并耦合出射。优选地，所述有源光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、或铒镱共掺光纤。优选地，所述检测气室包括用于在测量前通入待检测气体的气体入口和排出气体的气体出口。根据本专利技术的气体检测系统可以利用光纤激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出的独特优越性来应用于气体浓度检测领域，同时利用了反馈调节实现了高灵敏高精度的气体检测方法。该方法和系统不仅仅局限于对气体含量的高灵敏度检测，也可容易地推广到对其它物质材料的高灵敏度检测和材料分析中。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出根据本专利技术的基于分布反馈式光纤激光器的气体检测系统的结构示意图；图2示意性示出根据本专利技术的反馈控制单元的反馈控制方法的流程图；图3示出了本专利技术的反馈调节激光器输出波长漂移的反馈的原理示意图。具体实施方式在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。针对本专利技术结合示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。本专利技术提供了一种基于分布反馈式（DistributedFeedBack,DFB）光纤激光器的气体检测系统，其特征是使用半导体激光器作为DFB光纤激光器的泵浦源，发出特定波长的激光，采用波分复用器（WavelengthDivisionMultiplexer,WDM）将激光耦合进入耦合器，耦合器将输入光分为三束后分别进入参考气室和测量气室进行差分对比，另一路光作为DFB激光器强度检测。结合光电探测器接收透射光束，通过对接收信号进行分析和处理，对DFB光纤激光器实现反馈控制。该系统消除了光强波动和外界干扰对测量所造成的干扰，实现了对被检测气体的精确测量。根据本专利技术的气体检测系统特别适合于某些特定场合的微量气体含量的阈值检测，从而实现气体安全报警。本专利技术充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用参考腔主动反馈补偿的光纤激光器气体检测系统,所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、波分复用器、有源光纤和布拉格光纤光栅构成的光纤激光器；与所述波分复用器耦合连接的光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；连接所述光隔离器的耦合器，所述耦合器用于将经所述光隔离器隔离后的激光按照一定的功率比例分配为参考光束、测量光束和强度检测光束；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，并接收来自耦合器分配的参考光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自耦合器分配的测量光束并使其通过待测气体；第一光电检测器，连接至所述参考气室，接收经过参考气室的参考光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述检测气室，接收经过检测气室的检测光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述耦合器，接收所述强度检测光束，生成第三光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号和第三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泵浦源和布拉格光纤光栅。

【技术特征摘要】
1.一种采用参考腔主动反馈补偿的光纤激光器气体检测系统,所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、波分复用器、有源光纤和布拉格光纤光栅构成的光纤激光器；与所述波分复用器耦合连接的光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；连接所述光隔离器的耦合器，所述耦合器用于将经所述光隔离器隔离后的激光按照一定的功率比例分配为参考光束、测量光束和强度检测光束；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，并接收来自耦合器分配的参考光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自耦合器分配的测量光束并使其通过待测气体；第一光电检测器，连接至所述参考气室，接收经过参考气室的参考光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述检测气室，接收经过检测气室的检测光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述耦合器，接收所述强度检测光束，生成第三光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号和第三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泵浦源和布拉格光纤光栅；所述气体检测系统还包括球面透镜，用于分别将参考光束和检测光束耦合进入参考气室和检测气室并耦合出射。2.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述参考光束、测量光束和强度检测光束的功率之比为1:1:1...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆飞，祝连庆，董明利，何巍，张荫民，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11