基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测装置及方法。本发明专利技术的探测装置包括泵浦激光器、高Q值微腔波导片、TEC制冷片、真空热沉金属腔体、滤波器、光隔离器、声光调制器、透镜、高反镜气体腔、温压传感装置、光电探头和计算机。本发明专利技术的探测方法是高Q值微腔激光器输出激光波长扫描气体特征吸收谱线λ附近的整个吸收光谱，就可获得待测气体的整体吸收曲线，通过对比数据库中标准吸收谱线，并考虑气体腔内部温度、压力信息带来的吸收谱线修正，获得待测气体的浓度信息。本发明专利技术利用了高Q值微腔激光器输出超窄线宽激光容易耦合进入高Q值光学谐振腔及其温控波长调谐的特性，提升了CRDS气体探测灵敏度和探测极限。升了CRDS气体探测灵敏度和探测极限。升了CRDS气体探测灵敏度和探测极限。

【技术实现步骤摘要】
基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测装置及方法


[0001]本专利技术涉及激光光谱气体探测
，涉及一种基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测装置及方法。

技术介绍

[0002]包括光腔衰荡光谱(Cavity ring
‑
down spectroscopy，CRDS)在内的激光光谱技术是气体高灵敏度探测的重要技术之一。在实现CRDS气体探测方法中通常采用线宽为1MHz左右的窄线宽半导体激光器作为激光光源，采用高反透镜构成高Q值光学谐振腔实现气体吸收光程的放大，通过动态扫描激光频率，让激光器输出的激光能够耦合进入高Q值光学谐振腔，通过关断激光并测量输出激光的衰荡时间来确定所探测气体的吸收光谱信息，从而实现气体浓度探测。在这一过程中，由于高Q值的光学谐振腔的模式线宽能够达到10kHz左右，相比于窄线宽半导体激光器约1MHz的线宽，低了两个数量级，从而限制了窄线宽半导体激光器输出激光注入到高Q值光学谐振腔的效率，并导致了注入激光功率的不稳定性，最终使得气体探测灵敏度降低，并限制了气体探测极限。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测装置及方法。
[0004]本专利技术的一方面提供了基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测装置，包括泵浦激光器、高Q值微腔波导片、TEC制冷片、真空热沉金属腔体、TEC制冷片控制器、滤波器、光隔离器、声光调制器、声光调制器驱动器、透镜、第一高反镜、第二高反镜、气体腔、温压传感装置、光电探头、数据采集处理模块和计算机。
[0005]所述泵浦激光器的输出端与高Q值微腔波导片的输入端光纤连接；高Q值微腔波导片与TEC制冷片的制冷面用导热胶连接；TEC制冷片的散热面与真空热沉金属腔体内壁一面用导热胶连接；TEC制冷片与TEC制冷片控制器连接；高Q值微腔波导片与TEC制冷片放置于真空热沉金属腔体的真空腔内部；高Q值微腔波导片的输出端与滤波器的输入端光纤连接；滤波器的输出端与光隔离器的输入端光纤连接；光隔离器的输出端作为温控波长调谐高Q值微腔激光器的输出端口。
[0006]所述的高Q值微腔波导片包括波导片基底、导入波导区、导入波导锥形区、耦合波导区、高Q值微腔、导出波导锥形区、导出波导区。泵浦光的传输方向为从导入波导区进入，通过波导锥形区进入耦合波导区，在耦合波导区传输的泵浦光部分耦合进入高Q值微腔，从高Q值微腔生产的信号光部分耦合到耦合波导区，信号光通过导出波导锥形区注入导出波导区，最后从导出波导区输出。
[0007]所述光隔离器的输出端与声光调制器的输入端光纤连接；声光调制器与声光调制器驱动器导线连接；声光调制器的输出端带有准直器功能，激光从声光调制器的输出端输出后注入透镜，从透镜输出的激光注入构成高Q值光学谐振腔的第一片高反镜。所述高Q值
光学谐振腔和温压传感装置置于气体腔内部，所述的气体腔含有进气口和出气口，待测气体从进气口进入气体腔，从出气口排出。当激光的频率、模式和高Q值光学谐振腔的频率及模式匹配时，一部分激光从高Q值光学谐振腔的第二片高反镜输出，注入光电探头，光电探头的一端与数据采集处理模块连接，温压传感装置与数据采集处理模块连接，数据采集处理模块与声光调制器驱动器连接，数据采集处理模块的另一端与计算机连接，使得计算机获得实时光强信号。
[0008]所述的计算机分别与TEC制冷片控制器、声光调制器驱动器、数据采集处理模块连接；计算机控制TEC制冷片控制器，由TEC制冷片控制器驱动TEC制冷片，实现高Q值微腔激光器输出激光的温控波长调谐；计算机通过数据采集处理模块获得光强信息和气体腔温度、压力信息。
[0009]本专利技术的另一方面，提供了一种基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测方法，具体是：
[0010]当待测气体进入气体腔后，开启泵浦激光器，温控波长调谐高Q值微腔激光器输出以气体特征吸收光谱谱线λ为中心的激光，根据不同的微腔Q值，输出激光线宽可达几kHz或几十kHz。
[0011]当激光输出稳定后，通过TEC制冷片控制器以一定频率调谐高Q值微腔波导片的温度，实现高Q值微腔波谐振波长周期性变化，从而实现高Q值微腔激光器输出激光波长在气体特征吸收谱线λ附近周期性变化；
[0012]当高Q值微腔激光器输出激光波长与高Q值光学谐振腔纵模一致时，激光注入到高Q值光学谐振腔，从高Q值光学谐振腔输出端的光电探测器测到光功率达到一定阈值时，声光调制器驱动器驱动声光调制关断激光通路，然后通过数据采集卡获取高Q值光学谐振腔内激光的衰荡时间，根据CRDS气体探测原理，该衰荡时间和气体在光学谐振腔内的吸收率直接相关；
[0013]当高Q值微腔激光器输出激光波长扫描气体特征吸收谱线λ附近的整个吸收光谱，就可获得待测气体的整体吸收曲线，通过对比数据库中标准吸收谱线，并考虑气体腔内部温度、压力信息带来的吸收谱线修正，获得待测气体的浓度信息。
[0014]本专利技术适用于激光光谱气体探测
，能够实现二氧化碳、二氧化氮、乙炔、甲烷等气体浓度探测，利用了高Q值微腔激光器输出超窄线宽激光容易耦合进入高Q值光学谐振腔及其温控波长调谐的特性，提升了CRDS气体探测灵敏度和探测极限。本专利技术可以应用于大气二氧化碳、甲烷等温室气体浓度探测，也可以用于石化、油气、化工行业中特殊气体浓度探测，具有成本低、灵敏度高等优点。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的结构示意图。
[0016]图2为本专利技术中高Q值微腔波导片的结构示意图。
具体实施方式
[0017]如图1所示，本实施例包括泵浦激光器1、高Q值微腔波导片2、TEC制冷片3、真空热沉金属腔体4、TEC制冷片控制器5、计算机6、滤波器7、光隔离器8、声光调制器9、声光调制器
驱动器10、透镜11、第一片高反镜12、第二片高反镜13、气体腔14、温压传感装置15、数据采集处理模块16和光电探头17。
[0018](1)根据所需要探测的二氧化碳气体的特征吸收光谱，同时考虑在采用二氧化硅材料拉曼光谱特性容易实现的1.5微米波段范围内，确定所需要探测的二氧化碳气体的特征吸收光谱谱线λ＝1572.335nm。
[0019](2)根据所需要探测的二氧化碳气体的特征吸收光谱谱线λ＝1572.335nm，选用以下器件构成输出激光波长在1572.335nm附近的温控波长调谐高Q值微腔激光器：输出激光波长1470nm、功率500mW的泵浦激光器1、以二氧化硅为基底的高Q值微腔波导片2、TEC制冷片3、真空热沉金属腔体4、TEC制冷片控制器5、滤波器7、光隔离器8。
[0020]所述的温控波长调谐高Q值微腔激光器，其器件连接如下：泵浦激光器1的输出端与高Q值微腔波导片2的输入端光纤连接；高Q值微腔波导片2与TEC制冷片3的制冷面用导热胶连接；TEC制冷片3的散热面与真空热沉金属腔体4内壁一面用导热胶连接；TEC制冷片3与TEC制冷片控制器5导线连接；高Q值微腔波导片2与TEC制冷片3放置于真本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于高Q值微腔激光器的CRDS气体探测装置，包括泵浦激光器、高Q值微腔波导片、TEC制冷片、真空热沉金属腔体、TEC制冷片控制器、滤波器、光隔离器、声光调制器、声光调制器驱动器、透镜、第一高反镜、第二高反镜、气体腔、温压传感装置、光电探头、数据采集处理模块和计算机；其特征在于：所述泵浦激光器的输出端与高Q值微腔波导片的输入端光纤连接；高Q值微腔波导片与TEC制冷片的制冷面用导热胶连接；TEC制冷片的散热面与真空热沉金属腔体内壁一面用导热胶连接；TEC制冷片与TEC制冷片控制器连接；高Q值微腔波导片与TEC制冷片放置于真空热沉金属腔体的真空腔内部；高Q值微腔波导片的输出端与滤波器的输入端光纤连接；滤波器的输出端与光隔离器的输入端光纤连接；光隔离器的输出端作为温控波长调谐高Q值微腔激光器的输出端口；所述的高Q值微腔波导片包括波导片基底、导入波导区、导入波导锥形区、耦合波导区、高Q值微腔、导出波导锥形区、导出波导区；泵浦光的传输方向为从导入波导区进入，通过波导锥形区进入耦合波导区，在耦合波导区传输的泵浦光部分耦合进入高Q值微腔，从高Q值微腔生产的信号光部分耦合到耦合波导区，信号光通过导出波导锥形区注入导出波导区，最后从导出波导区输出；所述光隔离器的输出端与声光调制器的输入端光纤连接；声光调制器与声光调制器驱动器导线连接；声光调制器的输出端带有准直器功能，激光从声光调制器的输出端输出后注入透镜，从透镜输出的激光注入构成高Q值光学谐振腔的第一片高反镜；所述高Q值光学谐振腔和温压传感装置置于气体腔内部，所述的气体腔含有进气口和出气口，待测气体从进气口进入气体腔，从出气口排出；当激光的频率、模式和高Q值光学谐振腔的频率及模式匹配时，一部分激光从高Q值光学谐振腔的第二片高反镜输出，注入光电探头，光电探头的一端与数据采集处理模块连接，温压传感装置与数据采集处理模块连接，数据采集处理模块与声光调制器驱动器连接，数据采集处理模块的另一端与计算机连接，使得计算机获得实时光强信号；所述的计算机分别与TEC制冷片控制器、声光调制器驱动器、数据采集处理模块连接；计算机控制TEC制冷片控制器，由TEC制冷片控制器驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈达如，张裕生，周雁，管祖光，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：