一种全光纤激光内腔式光热光谱的检测装置及方法

1.本发明属于气体检测技术领域，涉及一种全光纤激光内腔式光热光谱的检测装置及方法。


背景技术：

2.激光光热光谱的检测具有高灵敏度，稳定性好，远距离的便捷性和多点测量、抗干扰能力强等众多优点，它可以检测极其微弱的光谱吸收；可以实现气体样品中测量无机和有机成分的高灵敏度的分析测试；可以实现大气污染的远程遥测，可以用于指纹的显微成像，在分析测试和无损检测领域都有着优秀的应用。
3.光热光谱法是通过调制或脉冲光来激发待测样品，随后由非辐射衰减造成光热效应，与此同时用f-p腔内的相位变化来探测待测气体的浓度，是一种以光热转换为特征的光谱学方法。其中待测样品的光吸收可以由波长相关的吸收度
[0004][0005]
其中β(λ)为待测样品的吸收系数，光热光谱法在选择频率时比较困难，并且应该考虑到待测样品的热学参数，以了解信号产生过程。在仪器的灵敏度和时间的分辨率上也是具有很大的问题。
[0006]
文献1[coufal,h；tong,wang.photothermal and photoacoustic spectroscopy,foreign analytical instrumentation,1994(1):1-8]报道了通过检测所产生的热和声波进行检测的技术，但由于调整的频率范围有限，激发脉冲有可能对测试样品造成损伤或影响到对温度敏感的试样性质。
[0007]
文献2[yan zhao,wei jin,yuechuan lin,fan yang,and hoi lut ho,"all-fiber gas sensor with intracavity photothermal spectroscopy,"opt.lett.43,1566-1569(2018)]全光纤光热光谱传感器增强光热光谱信号，提高了测试气体浓度的灵敏度，但受到环形光纤激光器的稳定性和腔内损耗的限制，对ppb级的气体测量仍然具有局限性。
[0008]
综上所述，针对激光光热光谱传感器对微量气体的测量提出一种的高灵敏度、高稳定性的测量方法及系统具有重要的意义和实用价值。


技术实现要素：

[0009]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全光纤激光内腔式光热光谱的检测装置及方法。
[0010]
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0011]
一种全光纤激光内腔式光热光谱的检测装置，该装置包括：传感激光光源1、环形器2、镀膜的单模光纤3、波分复用器4、光子带隙光纤气体池5、光纤反射镜6、激励激光光源7、隔离器8、光电探测器9、耦合器10、信号采集与处理电路11和计算机12；
[0012]
其中，所述传感激光光源1与环形器2相连接；
[0013]
环形器2分别与镀膜的单模光纤3和光电探测器9相连接；
[0014]
波分复用器4分别与环形器2、镀膜的单模光纤3和光子带隙光纤气体池5相连接；
[0015]
激励激光光源7分别与隔离器8、耦合器10、滤波器13和环形器2相连接；
[0016]
光子带隙光纤气体池5与光纤反射镜6相连接；
[0017]
光电探测器9与信号采集与处理电路11相连接；
[0018]
信号采集与处理电路11与计算机12相连接；
[0019]
耦合器10与光电探测器9相连接；
[0020]
信号采集与处理电路分别与传感激光光源1和滤波器13相连接；
[0021]
信号采集与处理电路11对激励激光光源7进行波长调制，同时对传感激光光源1进行光频调制，光频调制的传感激光将会在光纤反射镜6与镀膜的单模光纤3构成的f-p腔内产生相位载波，激励激光和传感激光通过波分复用器4进入光子带隙光纤气体池5，激励激光2激发光子带隙光纤气体池5中的待测气体，光子带隙光纤内的折射率和相位随激励光源调制频率变化，携带变化信息的传感激光通过光电探测器9转换，再被信号采集与处理电路11将采集到的信号传输给计算机12，计算机通过相位生成载波pgc解调方法解调出待测信号，实现对微量气体的高灵敏探测。
[0022]
可选的，所述光纤反射镜6是法拉第旋镜，构成f-p腔的一个全反射面，利用法拉第旋转镜的目的是消除偏振衰落对干涉对比度的影响。
[0023]
可选的，所述镀膜的单模光纤3是在环形器2的单模光纤断面上镀半透半反tio2膜，然后再将这个镀膜的单模光纤3和波分复用器4的输入端单模光纤进行熔融连接；
[0024]
在光子带隙光纤气体池5在光纤反射镜6和镀膜的单模光纤3构成的光纤f-p腔内，光子带隙光纤气体池5与波分复用器4和光纤反射镜6采用熔融的连接方式。
[0025]
可选的，所述传感激光光源1是波长可调谐的分布反馈dfb半导体激光器，通过波长调制方式在光纤f-p腔内实现相位载波；
[0026]
所述激励激光光源7是波长可调谐激光器；
[0027]
激励激光从波分复用器4传输到光子带隙光纤气体池5，经光纤反射镜6反射回去，后经环形器返回到环形腔的光学回路中；
[0028]
激励激光光源7、隔离器8、耦合器10、滤波器13、环形器2、波分复用器4、光子带隙光纤气体池5和光纤反射镜6共同组成环形腔。
[0029]
可选的，所述隔离器8为光纤隔离器，保证激光在光路中是单行传输的。
[0030]
可选的，所述滤波器13是带通滤波器，作为选频元件对输出的激光波长进行选择。
[0031]
可选的，所述耦合器10将一部分光输出到光电探测器9，一部分继续在光路中继续振荡，形成光学回路。
[0032]
基于所述装置的全光纤激光内腔式光热光谱的检测方法，该方法包括以下步骤：
[0033]
首先，信号采集与处理电路11接收计算机12的控制指令后，输出两路调制信号，一路调制信号输入到传感激光光源1实现对激励激光波长的调制，另一路调制信号输入到激励激光光源7实现对激励激光波长的调制和扫描；
[0034]
同时，信号采集与处理电路11输出另一路固定频率的正弦信号作用到传感激光光源1上，实现对传感激光的频率调制；激励激光和传感激光同时通过波分复用器4进入光子
带隙光纤气体池5；传感激光光源1发出的激光经波分复用器4入射到光子带隙光纤气体池5，激光在光子带隙光纤气体池5的沿径向方向传播；光子带隙光纤气体池5上有孔隙，气体通过扩散的方式进入到光子带隙光纤气体池5中；光子带隙光纤气体池5中的待测气体分子吸收光能后，部分分子被激励到激发态，经过无辐射跃迁后回到基态，分子的能量以平动能的形式转换为气体的周期性温度变化，使光子带隙光纤气体池5中产生光热信号，引起相位的变化；激励激光光源7发射出激励激光经隔离器8、耦合器10、滤波器13、环形器2、波分复用器4、光子带隙光纤气体池5和光纤反射镜6形成光学回路；
[0035]
光电探测器9将探测的相位变化信号转换为电信号后输入到信号采集与处理电路11的信号输入端，通过提取二次谐波信号的峰值，反演出待测微量气体的浓度，最后在计算机12上显示测量值。
[0036]
本发明的有益效果在于：本发明利用pgc解调的f-p腔作为气体池和传感器，为远距遥测和多点测量提供了便利，而且从解调机理上解决了干涉仪工作点稳定问题，实现了感测单元的全光纤化，使系统具有电磁免疫、抗振动干扰能力，而且传感探测端的无机械部件设计也大大提高了系统的工作稳定性和可靠性。另外，待测气体充斥在光子带隙光纤的孔隙中，可以大幅提高气体对激光能量的吸收，提高激光的利用效率，降低了对气样量的要求，有助于系统的检测灵敏度。
[0037]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0039]
图1为本发明提供优选实施例本发明激光的传播结构图。
[0040]
附图标记：传感激光光源1、激励激光光源7、环形器2、镀膜的单模光纤3、波分复用器4、光子带隙光纤气体池5、光纤反射镜6、光电探测器9、信号采集与处理电路11、计算机12和滤波器13。
具体实施方式
[0041]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0042]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是
可以理解的。
[0043]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0044]
一种全光纤内腔式激光光热光谱的检测仪器，包括传感激光光源1、激励激光光源7、环形器2、镀膜的单模光纤3、波分复用器4、光子带隙光纤气体池5、光纤反射镜6、光电探测器9、信号采集与处理电路11和计算机12。
[0045]
首先，通过计算机12对信号采集与处理电路10的工作参数进行设置，而信号采集与处理电路11接收计算机12的控制指令后，输出调制信号由固定频率的正弦信号和锯齿波信号叠加而成，调制信号输入到激励激光光源7后改变激光器的工作电流，实现对激励激光波长的调制和扫描，同时，信号采集与处理电路11输出另一路固定频率的正弦信号作用到传感激光光源1上，实现对传感激光的频率调制；激励激光和传感激光同时通过波分复用器4进入光子带隙光纤气体池4；激光光源1发出的激光经波分复用器4入射到光子带隙光纤气体池5，激光在光子带隙光纤气体池5的池壁表面沿径向方向发生反射；光子带隙光纤气体池5上有孔隙，气体通过扩散的方式进入到光子带隙光纤气体池5中；光子带隙光纤气体池5中的待测气体分子吸收光能后，部分分子被激励到激发态，经过无辐射跃迁后回到基态，分子的能量以平动能的形式转换为气体的周期性温度变化，使光子带隙光纤气体池5中产生光热信号，引起相位的变化；光电探测器9将探测的相位变化信号转换为电信号后输入到信号采集与处理电路11的信号输入端，通过提取二次谐波信号的峰值，反演出待测微量气体的浓度，最后在计算机12上显示测量值。
[0046]
本发明的原理如下：对激励激光光源进行波长调制，对传感激光光源进行光频调制，光频调制的传感激光将会在光纤反射镜与内含反射面的单模光纤构成的f-p腔内产生相位载波，激励激光和传感激光通过波分复用器进入光子带隙光纤气体池，激励激光激发光子带隙光纤中的待测气体，光子带隙光纤内的折射率和长度随激励光源调制频率变化，携带这种变化信息的传感激光通过光电探测器转换，再被信号采集与处理电路将采集到的信号传输给计算机，计算机通过相位生成载波(pgc)解调方法解调出待测信号，实现对微量气体的高灵敏探测。
[0047]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。