采用气体参考腔反馈补偿的半导体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气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统,所述系统包括发出不同波长光束的第一光源和第二光源和与其连接的第一波分复用器，将载有不同波长的光束合成一束并输出到宽带耦合器进行功率分束，分束后的光束分别通入到参考气室和检测气室，连接参考气室的第二波分复用器以及连接检测气室的第三波分复用器，用于将经过参考气室和检测气室的光束按照所述波长不同进行分束；第一和第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器；第三和第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，生成第一至第四光强度信号；反馈控制单元，接收第一至第四光强度信号，并将比较结果作为反馈信号调节第一和第二光源。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统,所述系统包括发出不同波长光束的第一光源和第二光源和与其连接的第一波分复用器，将载有不同波长的光束合成一束并输出到宽带耦合器进行功率分束，分束后的光束分别通入到参考气室和检测气室，连接参考气室的第二波分复用器以及连接检测气室的第三波分复用器，用于将经过参考气室和检测气室的光束按照所述波长不同进行分束；第一和第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器；第三和第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，生成第一至第四光强度信号；反馈控制单元，接收第一至第四光强度信号，并将比较结果作为反馈信号调节第一和第二光源。【专利说明】采用气体参考腔反馈补偿的半导体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 腔主动反馈补偿的半导体激光器气体检测系统和方法。
技术介绍
每种气体分子都有自己的特征吸收谱，因此当光源的发射谱与气体吸收谱重叠 时，可以利用由窄带光源或激光光源发出的光通过测量气体，通过对透射光强进行测量来 确定气体的浓度。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。而激光光源具有较窄的输出 谱线，适合对对多种气体进行测量。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。每种气体分子都有其特征吸收谱线，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 输出波长与气体的特征吸收谱线相同。而相邻的另一激光输出波长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 消除激光器的波动，因此改进的效果并不理想。基于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气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统， 所述系统包括发出作为检测光束的第一波长光束的第一光源、发出作为参考光束的与所述第一波长不同的第二波长光束的第二光源，所述检测光束的第一波长与待测气体的特征 吸收谱线相同；与所述第一光源和第二光源连接的第一波分复用器，用于将载有不同波长 的第一光束和第二光束的光信号合成一束进行输出；与所述第一波分复用器连接的宽带耦 合器，所述宽带耦合器用于将经所述第一波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分 配后分成两路输出；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 自所述宽带耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体， 并接收来自所述宽带耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；连接所述参考气 室的第二波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行 分束；连接所述检测气室的第三波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第 一波长和第二波长进行分束；第一光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束 的第一波长的光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器， 接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述第三 波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；第四光电检测器，连 接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；反馈控 制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并 进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述第一和第二光源。优选地，所述宽带耦合器按照1:1的功率比例分配两路输出。优选地，反馈控制单元的反馈控制方法包括如下步骤:a)判断所述第一光源和第 二光源的输出是否稳定，若不稳定，输出反馈控制信号调节所述光源的功率输出直至稳定；b)判断所述第一光源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，则输出反馈控制信号调节所述第一光源的输出波长直至覆盖；c)判断所述第二光强度 信号和第四光强度信号的信号强度是否有差异，若有则将所述差异信号用于第一光强度信 号和第三光强度信号的补偿；d)比较所述第一光强度信号和第三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三光强度信号的信号强度值是否显 著小于第二或第四光强度信号的信号强度来判断是否覆盖。优选地，所述第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器是1X2的波分复用器。优选地，所述第一光源和第二光源为分布反馈式半导体激光器。优选地，所述系统还包括球面透镜，用于分别将所述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。优选地，所述第二波长靠近被测气体的吸收谱线，但其波长与所述第一波长相隔一段距离。优选地，所述宽带耦合器为尾纤为1X2的宽带耦合器。根据本专利技术的气体检测系统可以利用激光器的结构紧凑、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，并消除了由于测量环境的漂移产生的测量误差。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。【专利附图】【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示出了根据本专利技术的采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统的 结构示意图；图2示意性示出根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统,所述系统包括发出作为检测光束的第一波长光束的第一光源、发出作为参考光束的与所述第一波长不同的第二波长光束的第二光源,所述检测光束的第一波长与待测气体的特征吸收谱线相同；与所述第一光源和第二光源连接的第一波分复用器，用于将载有不同波长的第一光束和第二光束的光信号合成一束进行输出；与所述第一波分复用器连接的宽带耦合器，所述宽带耦合器用于将经所述第一波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成两路输出；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，并接收来自所述宽带耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自所述宽带耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；连接所述参考气室的第二波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；连接所述检测气室的第三波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；第一光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四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第一和第二光源。...

【技术特征摘要】

【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：