通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法技术

本发明专利技术提出了通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，包括：基于激光器波长随激光器温度变化的关系获得当前激光器所处环境温度对应的波长值；选择距离上述波长值最近的气体吸收峰作为特选吸收峰，以使吸收峰对应的激光器温度和环境温度保持最小温差；通过TEC调整激光器温度，使激光器输出波长与所述吸收峰的波长吻合，然后进行气体测量。由于采用了环境温度和吸收峰对应的激光器温度温差最小的方法来选择不同的吸收峰，所以通过TEC将激光器波长稳定在不同吸收峰所用地功耗最小，从而使激光器在整个工作温度范围内所需要的功耗最小，结果降低了整个气体传感器功耗。耗。耗。

【技术实现步骤摘要】
通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法


[0001]本专利技术属于气体测量
，尤其涉及一种通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，即，不同环境温度下，利用QCL激光器的大波长温度调谐能力和一氧化碳气体的多个吸收峰，实现QCL半导体激光器在大环境温度范围中低功耗控温的测量方法。

技术介绍

[0002]煤矿中甲烷、一氧化碳、乙烯、乙炔等都是无色无味、易燃易爆甚至有毒的危险气体，是煤矿安全生产的大敌。所述多种气体组分的浓度也是煤矿井下自燃发火的重要指标之一，特别是一氧化碳气体的浓度，可以判断煤炭氧化过程，从而提前采取灭火措施，保障煤炭的安全生产。在光谱中红外波段内，上述多种气体普遍具有光谱吸收线强、光谱吸收特征谱线彼此无交叉干扰的特点。这些特点使得在中红外波段对上述气体进行高精度吸收光谱检测具有显著优势。以量子级联激光器(QCL)为代表的中红外可调谐半导体激光器是当前较为广泛使用的典型气体传感器光源。但是在使用QCL激光器时，需要将QCL激光器的输出波长稳定在一定范围内，以便对一氧化碳浓度测量。
[0003]一般而言，当采用一个固定的吸收峰进行测量时，当环境温度升高时，为了保证激光器输出波长的稳定性，需要给激光器制冷，激光器工作温度与环境温度温差越大，制冷所需要的能量越大，传感器的功耗越高。相反，当环境温度降低时，为了保证激光器输出波长的稳定性，需要给激光器加热，激光器工作温度与环境温度温差越大，加热所需要的能量越大，传感器的功耗越高。当环境温度变化范围很大时，激光器的工作温度就可能和环境温度有较大差距，为了保持激光器温度不变，就需要温控电路提供更大的能量去加热或者制冷激光器，从而带来了功耗过大的问题。激光器的工作温度和环境温度的温差越大，制冷器消耗的功耗就越高，这种高功耗的工作方式就会限制这类气体传感器在一些应用场景的使用。例如，在煤矿井下对传感器功耗要求较高的场合，这类传感器的应用范围就会受到限制。
[0004]因此，如何解决QCL激光器在大范围环境温度下低功耗稳定运行的问题，扩大中红外气体传感器的应用范围成为了急需解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法。即，将激光器在不同温度下的不同波长分别和气体的多个吸收峰波长来对比和匹配，这样就可以根据不同的环境温度，将激光器温度分别稳定在不同的气体吸收峰对应的温度区间，同时保证在该温度区间有一个吸收峰来满足气体测量的要求，使所选吸收峰对应激光器温度和环境温度始终保持最小温差。采用本专利技术可以有效的减少激光器运行所需要的功耗，并且可以使QCL激光器在比较大范围环境温度下以较小的功耗稳定运行。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0007]第一方面，公开了一种通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，包括：
[0008]基于激光器波长随激光器所处环境温度变化的关系获得当前激光器所处环境温度对应的波长值，即激光器初始波长；
[0009]选择距离上述初始波长值最近的气体吸收峰波长作为特选吸收峰；这时，吸收峰对应激光器温度和环境温度的差值为最小温差值。
[0010]通过使用TEC调整激光器的温度，使激光器输出波长与所述吸收峰的波长吻合，即，使激光器的波长扫描区间包含了吸收峰波长。由于所选吸收峰波长距离激光器初始波长最近，所以通过TEC将激光器波长调整成和吸收峰波长吻合所用的功耗就最小。
[0011]作为一种实施例子，还包括：实时检测激光器热敏电阻的电压值，以此监测激光器工作温度。
[0012]作为一种实施例子，为使得吸收峰对应温度和环境温度保持最小温差，具体包括：
[0013]测量环境温度，用该环境温度减去吸收峰对应的激光器温度；
[0014]如果此时的温度差为正值，对激光器制冷，使其波长减小，直到激光器工作温度与所选吸收峰对应的温度一致；
[0015]如果温度差为负值，对激光器加热，使其波长增加，直到激光器工作温度与吸收峰对应的温度一致。
[0016]作为一种实施例子，激光器波长随激光器温度变化的关系获得方式为：
[0017]通过实验标定，得到激光器温度与其输出中心波长的线性关系模型，将所述模型进行存储。
[0018]作为一种实施例子，当环境温度和吸收峰对应的激光器工作温度的温差不在是最小温差时，且温度差为正时，重新选择波长较长的吸收峰，并以新吸收峰对应的激光器温度为参考，通过TEC升高激光器温度，使激光器输出波长调整到与新的吸收峰波长吻合；
[0019]当环境温度和吸收峰对应的激光器工作温度的温差不在是最小温差时，且温度差为负时，重新选择波长较短的吸收峰，并以新吸收峰对应的激光器温度为参考，通过TEC降低激光器温度，使激光器输出波长调整到与新的吸收峰波长吻合。
[0020]作为一种实施例子，激光器工作在不同吸收峰对应的温度下时，采用不同的标定系数，来测量被测气体浓度。
[0021]作为一种实施例子，将激光器在不同温度下的不同波长分别和气体的多个吸收峰波长来对比和匹配，根据不同的环境温度，将激光器温度分别稳定在不同的工作温度区间，同时保证在该温度区间有一个吸收峰来满足气体测量的要求。
[0022]第二方面，公开了一种气体测量方法，包括：
[0023]基于所述一种通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法获得激光器在不同环境温度下工作波长；
[0024]扫描激光器波长，波长扫描范围将包含所述吸收峰波长；
[0025]根据选择该吸收峰对应参数反演出气体浓度，实现对气体的浓度进行测量。
[0026]作为一种实施例子，通过调整激光器温度，使得激光器能够在不同环境温度下，切换到不同的吸收峰的工作方式来适用于不同的环境温度。
[0027]本专利技术首先给激光器施加特定的脉冲扫描式驱动电流，让激光器处于测量状态。然后通过比较环境温度和不同吸收峰对应的激光器温度，选择温度差最小的吸收峰作为当前的工作吸收峰，然后，通过TEC对激光器升温或降温，使得激光器的温度与当前工作吸收峰对应的温度吻合，待激光器温度稳定后，采集光谱信号。针对不同的吸收峰，采用对应的标定系数，反演气体浓度。由于采用了环境温度和吸收峰对应的激光器温度温差最小的方法来选择不同的吸收峰，所以通过TEC将激光器波长稳定在不同吸收峰所用的功耗最小，从而使激光器在整个工作温度范围内所需要的功耗最小，结果降低了整个气体传感器功耗。由于每个吸收峰波长都有对应的标定系数，在气体浓度测量过程中针对不同地吸收峰采用不同的标定系数，就可以保证传感器对被测气体的精准测量。
[0028]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0029]通过采用本专利技术所述方案，由于激光器工作在吸收峰所对应温度，而该温度和环境温度始终保持着最小的温差，所以，通过TEC在将激光器温度调整到并稳定在吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，其特征是，包括：基于激光器波长随激光器温度变化的关系获得当前激光器所处环境温度对应的波长值；将激光器在当前环境温度下的波长和被测气体的几个吸收峰波长相比较；选择距离上述激光器波长值最近的气体吸收峰作为特选吸收峰，这时特选吸收峰对应温度即激光器工作温度和环境温度温差为最小；通过TEC调整激光器温度，使激光器输出波长与所述吸收峰的波长吻合；扫描激光器波长，波长扫描范围将包含所述吸收峰波长；根据选择该吸收峰对应参数反演出气体浓度，实现对气体的浓度进行测量。2.如权利要求1所述的通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，其特征是，还包括：实时检测激光器热敏电阻的电压值，以此监测激光器工作温度。3.如权利要求1所述的通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，其特征是，为使得所选吸收峰对应温度和环境温度保持最小温差，具体包括：测量环境温度，用该环境温度减去所选吸收峰对应的激光器温度，根据温度差正负，对激光器调节，使得激光器温度与所选吸收峰对应的温度一致。4.如权利要求3所述的通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，其特征是，如果此时的温度差为正值，对激光器制冷，使其波长减小，直到激光器工作温度与所选吸收峰对应的温度一致。5.如权利要求3所述的通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，其特征是，如果温度差为负值，对激光器加热，使其波长增加，激光器温度与所选吸收峰对应的温度一致。6.如权利要求1所述的通过调节QCL激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，其特征是，激光器波长随激光器温度变化的关系获得方式为：通过实验标定，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡杰，刘统玉，马春飞，宁雅农，金光贤，王兆伟，
申请(专利权)人：广东感芯激光科技有限公司山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：