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一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法技术方案

技术编号:13365458 阅读:90 留言:0更新日期:2016-07-18 19:38
本发明专利技术公开了一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法,该激光器为掺铒微纳光纤环形结激光器,所述激光器由掺铒的微纳光纤作有源介质,环形结作为谐振腔;所述掺铒的微纳光纤为由一块掺铒块状玻璃借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法拉制而成;所述掺铒微的纳光纤制成为环形结;将微纳光纤的强倏逝波场置于光纤激光器谐振腔中,检测灵敏度可以提高几个数量级,实现了激光输出与传感一体化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤激光传感检测
,尤其涉及一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法
技术介绍
痕量气体检测技术在环境保护、化工生产、资源开采、食品包装等众多行业和领域存在广泛的应用需求,如何对有毒、有害、易燃、易爆气体进行准确、快速检测已成为急需解决的重要问题之一。工业文明和城市发展,在为人类创造巨大财富的同时也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中,人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。发展对工业烟尘、汽车尾气等主要空气污染物的检测预警技术是有效治理大气污染的一个先驱条件。另外在煤炭油气等矿产资源的开采过程中,设计新型智能的气体传感器以实现快速准确的在线监测能有效的避免因可燃气体泄漏而引起的火灾、爆炸、中毒等人身伤亡事故和财产损失。光纤气体传感器以本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压,易远程传输和复用等优势越来越受到研究人员的重视。倏逝波型光纤气体传感器是利用待测气体与光纤中传输光场的相互作用来实现气体传感的一种新型传感器。与其它光纤气体传感器相比,具有结构相对简单、成本较低、可交叉分辨和形成分布式传感等优点。微纳光纤的出现为倏逝波型气体传感器提供了巨大的发展空间。作为较为特殊的光纤种类,微纳光纤不仅具有常规光纤的基本光纤性能,还有高机械强度、强约束能量、大倏逝场等特殊光学特性:虽然微纳光纤的直径尺度很小,其机械强度却很高,实验表明,直径为200nm微纳光纤的极限抗拉强度可达10GPa;微纳光纤对光场的约束能力强,可实现微米量级弯曲,制作更小尺度的波导器件;由于微纳光纤直径与传输光波尺度相当,在传输过程中有相当部分能量以倏逝场形式存在于纤芯物理边界之外,计算表明,对于二氧化硅材料微纳光纤,当归一化频率为2.4时,有19%的光能量存在于光纤边界之外,当归一化频率为1时,约有94%的光能量以倏逝场形式传输;与外界环境发生相互作用时,可以用来构建超紧凑的传感器。微纳光纤的制备技术以及微纳光纤激光器的制作技术已经发展的相对成熟,OpticsExpress,vol.14(12),pp.5055-5060,2006,ShiL,ChenXF,LiuHJ,etal.“Fabricationofsubmicron-diametersilicafibersusingelectricstripheater,”提出利用电加热金属条作为熔融光纤热源的方法,获得了长达10cm且直径小于1μm的微纳光纤;AppliedPhysicsLetters,89:143513,2006,XiaoshunJiang,QingYang,GuillaumeVienne,etal,“Demonstrationofmicrofiberknotlaser,”提出利用直接拉伸法,由铒镱共掺块状玻璃拉制微纳光纤并构成结型微纳光纤谐振腔,实验表明,该微纳光纤环形结激光器可实现单纵模输出,线宽小于0.05nm,且当泵浦功率为12.8mW时,输出激光功率达到8mW。但是到目前为止,有关基于微纳光纤的气体传感器方面的研究报道较少,最主要原因是由于微纳光纤的拉制长度不够长,作为倏逝波型气体传感器使用时吸收路径较短,探测灵敏度受到限制。内腔式光谱吸收技术,即激光内腔检测技术,是将气体传感单元置于激光器谐振腔中,通过调节增益,使得腔内总损耗很小。由于光可以在低损耗谐振腔内来回传输,这样光可以通过气体传感单元很多次,相当于大大增加了有效吸收路径,气体吸收的探测灵敏度也会提高几个数量级。内腔式光谱吸收技术是解决微纳光纤气体传感器的吸收路径较短、探测灵敏度不够的重要技术方案。因此,亟需一种新的有源气体检测装置实现两种技术的优势互补。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足,本专利技术公开了一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统及方法,利用掺Er3+块状玻璃拉制成掺Er3+微纳光纤,制作出掺Er3+微纳光纤环形结激光器(Er3+doped-microfiberknotlaser,简称ED-MFKL),掺杂Er3+的光纤增益谱范围较宽,用掺Er3+光纤制作的激光器输出波长可调谐范围覆盖了乙炔(1532nm)、氨气(1544nm)、一氧化碳(1567nm)、二氧化碳(1573nm)、硫化氢(1578m)等常见气体;应用激光内腔检测技术,将ED-MFKL封装为气体检测传感元件,以ED-MFKL为传感基元可研制成倏逝场型光纤气体传感器,该传感器将微纳光纤的强倏逝场场置于光纤激光器谐振腔中,检测灵敏度可以提高几个数量级,实现了激光输出与传感一体化,而且不受电磁干扰、适合在易燃易爆环境中工作。该技术旨在提供快速、稳定、可远距离在线检测、具有高探测灵敏度和极大动态范围的气体检测系统。为实现上述目的,本专利技术的具体方案如下:一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,该系统用于检测有源气体,该系统的泵浦方式为双向泵浦,两个泵浦光源通过其所带尾纤分别与相应的波分复用器的输入端相连;已封装的掺铒微纳光纤的环形结激光器的尾纤分别与波分复用器的输出端相连接;选取其中一个波分复用器的输出端连接到隔离器的正向输入端,隔离器的输出端依次与光电探测器及锁相放大器相连,所述锁相放大器还与处理器的输入端相连,处理器的输出端分别输出低频锯齿波信号及高频正弦波信号,所述低频锯齿波信号及高频正弦波信号均传输至加法器进行运算,加法器的输出连接至激光器;处理器同时产生一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号,一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号通过加法器接入激光器的气室,通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制,同时通过给锁相放大器提供一个激光器高频正弦波信号二倍频的参考信号,进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号,最后通过处理器多次采样并进行平均处理,通过上位机实时显示气体浓度。进一步的,基于掺铒微纳光纤环形结激光器为掺铒微纳光纤环形结激光器,所述激光器由掺铒的微纳光纤作有源介质,环形结作为谐振腔;所述掺铒的微纳光纤为由一块掺铒块状玻璃借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法拉制而成;所述掺铒微的纳光纤制成为环形结;两段单模光纤,每个单模光纤的一端均制作为拉锥形与环形结的一端相连接,每个单模光纤的另外一端形为尾纤。进一步的,两段单模光纤,每个单模光纤的一端均制作为拉锥形与环形结相连接,接入方法为熔接机直接熔接,环形结上有多个溶接点。进一步的,所述的环形结尾端分别与单模光纤相连接,单模光纤与环形结相连的一端被拉制为拉锥形。进一步的,所述的掺铒的微纳光纤的纤芯直径在1μm以下。进一步的,所述环形结本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,其特征是,该系统用于检测有源气体,该系统的泵浦方式为双向泵浦,两个泵浦光源通过其所带尾纤分别与相应的波分复用器的输入端相连;已封装的掺铒微纳光纤的环形结激光器的尾纤分别与波分复用器的输出端相连接;选取其中一个波分复用器的输出端连接到隔离器的正向输入端,隔离器的输出端依次与光电探测器及锁相放大器相连,所述锁相放大器还与处理器的输入端相连,处理器的输出端分别输出低频锯齿波信号及高频正弦波信号,所述低频锯齿波信号及高频正弦波信号均传输至加法器进行运算,加法器的输出连接至激光器;处理器同时产生一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号,一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号通过加法器接入激光器的气室,通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制,同时通过给锁相放大器提供一个激光器高频正弦波信号二倍频的参考信号,进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号,最后通过处理器多次采样并进行平均处理,通过上位机实时显示气体浓度。

【技术特征摘要】
1.一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,其特征是,该系统用于检测有源气
体,该系统的泵浦方式为双向泵浦,两个泵浦光源通过其所带尾纤分别与相应的波分复用器
的输入端相连;已封装的掺铒微纳光纤的环形结激光器的尾纤分别与波分复用器的输出端相
连接;选取其中一个波分复用器的输出端连接到隔离器的正向输入端,隔离器的输出端依次
与光电探测器及锁相放大器相连,所述锁相放大器还与处理器的输入端相连,处理器的输出
端分别输出低频锯齿波信号及高频正弦波信号,所述低频锯齿波信号及高频正弦波信号均传
输至加法器进行运算,加法器的输出连接至激光器;
处理器同时产生一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号,一个低频锯齿波信号及一
个高频正弦波信号通过加法器接入激光器的气室,通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小
来实现对输出激光波长的调制,同时通过给锁相放大器提供一个激光器高频正弦波信号二倍
频的参考信号,进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号,最后通过处理器
多次采样并进行平均处理,通过上位机实时显示气体浓度。
2.如权利要求1所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,其特征是,基于
掺铒微纳光纤环形结激光器为掺铒微纳光纤环形结激光器,所述激光器由掺铒的微纳光纤作
有源介质,环形结作为谐振腔;
所述掺铒的微纳光纤为由一块掺铒块状玻璃借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法拉制而成;
所述掺铒微的纳光纤制成为环形结;
两段单模光纤,每个单模光纤的一端均制作为拉锥形与环形结的一端相连接,每个单模
光纤的另外一端形为尾纤。
3.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,其特征是,两段
单模光纤,每个单模光纤的一端均制作为拉锥形与环形结相连接。
4.如权利要求3所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,其特征是,接入
方法为熔接机直接熔接,环形结上有多个溶接点。
5.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,其特征是,所
述的环形结尾端分别与单模光纤相连接,单模光纤与环形结相连的一端被拉制为拉锥形。
6.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光纤环形结激光器的检测系统,其特征是,所述
的掺铒的微纳光纤的纤芯直径在1μm以下。
7.如权利要求2所述的一种基于掺铒微纳光...

【专利技术属性】
技术研发人员:王朋朋王仁德朱存光王光伟陶雪辰郑志丽孟双双崔婷婷
申请(专利权)人:济南大学
类型:发明
国别省市:山东;37

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