基于光纤内腔激光的光声光谱多组分气体检测系统及方法

1.本发明属于气体检测技术领域，具体涉及基于光纤内腔激光的光声光谱多组分气体检测系统及方法。


背景技术：

2.随着社会的进步和发展，环境问题变得尤为重要。快速准确地对气体进行检测在各行各业受到了广泛关注。作为环境监测的重要部分，气体检测技术不仅可以应用在大气的气体检测中，更能应用在人类日常生活、工业发展以及航空航天技术当中。在我国航天领域的建设中，飞行器、火箭等发射前需要对其内外进行严格的痕量气体的检测，以保证设备的正常运行以及工作人员的生命安全；在煤、石油、天然气的开采和运输当中，甲烷、乙炔等可燃气体的实时监测也显得尤为重要；同时工业废气、汽车尾气等有害气体的排放也使得气体检测技术更加重要。由于这些气体含量少，混在空气中不易察觉，因此，拟研究一种高检测灵敏度的光声光谱多组分气体检测系统及检测方法，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

3.为克服上述技术问题，本发明提供了基于光纤内腔激光的光声光谱多组分气体检测系统及方法，构建含有并联式c l波段结构的环形腔光纤激光器，并串联设置多种光纤光栅，实现多种波长输出，同时光声池的宽频特性有助于利用频分复用实现多组分解调，进而实现内腔多组分气体检测，最终达到实现多组分气体检测，提高检测灵敏度的效果。
4.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
5.泵浦源一，所述泵浦源一连接波分复用器一，所述波分复用器一连接c波段掺饵光纤，所述c波段掺饵光纤连接耦合器一；泵浦源二，所述泵浦源二连接波分复用器二，所述波分复用器二连接l波段掺铒光纤，所述l波段掺铒光纤连接耦合器一；所述耦合器一的输出端连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接光声池的一端，所述环形器的第三端口连接耦合器二，所述耦合器二连接波分复用器一和波分复用器二；所述光声池的另一端连接串连设置的多个光纤光栅，所述光纤光栅连接pzt执行器，所述pzt执行器连接pzt驱动器，所述pzt驱动器连接信号发生模块，所述泵浦源一和泵浦源二皆为980nm单模泵浦源，所述波分复用器一和波分复用器二皆为980/1550nm波分复用器，所述泵浦源一连接波分复用器一的980端口，所述泵浦源二连接波分复用器二的980端口，所述耦合器二连接波分复用器一和波分复用器二的1550端口，泵浦源一、波分复用器一和c波段掺铒光纤输出c波段光，泵浦源二、波分复用器二和l波段掺铒光纤输出l波段光，二者经耦合器一合束实现c l波段光输出，c l波段光波长涵盖1510nm-1590nm，其中包含多种气体吸收峰，所述pzt执行器和pzt驱动器控制光纤光栅实现波长的扫描和调制，对应光纤光栅反射波长的激光在光声池中与气体相互作用产生光声信号，同时光纤光栅反射波长对应气体吸收峰的中心波长，信号发生模块控制pzt驱动器，进而通过压电陶瓷控制光纤光栅周期性地伸缩，实现波长扫描和调制，最终实现多组分气体检测，由于要通过二次谐波解调技术实现气体检测，光
纤光栅的调制频率应设置为光声池共振频率的一半。
6.c l波段光中被光纤光栅选频出来的光经第二耦合器分成两路，分别进入波分复用器一和波分复用器二，实现光路循环并形成内腔激光器，激光内腔具有高功率密度和往返特点，可提高气体检测的灵敏度。
7.所述光声池输出连接信号输出装置，所述信号输出装置包括与光声池的输出端连接的前置放大器，所述前置放大器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接信号采集系统，所述信号采集系统连接计算机；光声池输出的电流信号通过前置放大器转化为电压信号并进行放大，锁相放大器将电压信号解调为二次谐波，信号采集系统将解调后的数据采集下来，然后将数据传输到计算机进行信号处理和气体浓度的计算。
8.所述光声池为共振式光声池，带有气体缓冲池，有助于提高气体检测的稳定性，内部含有微音器用来检测声波信号，通过共振腔进一步放大，同时光声池的宽频特性有助于利用频分复用实现多组分解调。
9.基于光纤内腔激光的光声光谱多组分气体检测方法，包括以下步骤：
10.s1.同时启动泵浦源一和泵浦源二，泵浦源一发射的980nm光进入波分复用器一，然后传输至c波段掺铒光纤输出c波段光，泵浦源二发射的980nm光进入波分复用器二，然后传输至l波段掺铒光纤输出l波段光，两种波段光经过耦合器一合束，输出c l波段光；
11.s2.pzt执行器和pzt驱动器控制光纤光栅实现波长的扫描和调制，对应光纤光栅反射波长的激光在光声池中与气体相互作用产生光声信号，同时光纤光栅反射波长对应气体吸收峰的中心波长，信号发生模块控制pzt驱动器，进而控制光纤光栅周期性地伸缩，实现波长扫描和调制；
12.s3.c l波段光通过环形器和光声池后由光纤光栅选频反射出来的光经第二耦合器分成两路，分别进入第一波分复用器和第二波分复用器，实现光路循环并形成内腔激光器；
13.s4.c l波段光波长涵盖1510nm-1590nm，谱线宽可以实现多种气体检测，c l波段光经环形器、光声池进入光纤光栅反射出气体传感所需要的多种窄带波长，环形器出来的光经过光声池，在光声池中光与气体相互作用，实现多种气体检测；
14.s5.从光声池输出的电流信号通过前置放大器转化为电压信号并被放大，随后被锁相放大器解调为二次谐波，然后通过信号采集系统将数据采集下来，最后传输到计算机，进行信号处理和气体浓度的计算。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.1.本发明设置泵浦源一、波分复用器一和c波段掺铒光纤输出c波段光，设置泵浦源二、波分复用器二和l波段掺铒光纤输出l波段光，c波段光和l波段光经耦合器一合束实现c l波段光输出，c l波段光波长涵盖1510nm-1590nm，其中包含多种气体吸收峰，设置pzt执行器和pzt驱动器控制光纤光栅实现波长的扫描和调制，对应光纤光栅反射波长的激光在光声池中与气体相互作用产生光声信号，同时光纤光栅反射波长对应气体吸收峰的中心波长，设置信号发生模块控制pzt驱动器，进而通过压电陶瓷控制光纤光栅周期性地伸缩，实现波长扫描和调制，最终实现多组分气体检测；
17.2.本发明中c l波段光中被光纤光栅选频出来的光经第二耦合器分成两路，分别进入波分复用器一和波分复用器二，实现光路循环并形成内腔激光器，激光内腔具有高功
率密度和往返特点，提高气体检测的灵敏度。
附图说明
18.图1是本发明整体示意图；
19.图2是本发明中光声池示意图。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.基于光纤内腔激光的光声光谱多组分气体检测系统，包括：
22.泵浦源一，所述泵浦源一连接波分复用器一，所述波分复用器一连接c波段掺饵光纤，所述c波段掺饵光纤连接耦合器一；泵浦源二，所述泵浦源二连接波分复用器二，所述波分复用器二连接l波段掺铒光纤，所述l波段掺铒光纤连接耦合器一；所述耦合器一的输出端连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接光声池的一端，所述环形器的第三端口连接耦合器二，所述耦合器二连接波分复用器一和波分复用器二；所述光声池的另一端连接串连设置的多个光纤光栅，所述光纤光栅连接pzt执行器，所述pzt执行器连接pzt驱动器，所述pzt驱动器连接信号发生模块；所述光声池输出连接信号输出装置。
23.所述泵浦源一和泵浦源二皆为980nm单模泵浦源。所述波分复用器一和波分复用器二皆为980/1550nm波分复用器。所述泵浦源一连接波分复用器一的980端口，所述泵浦源二连接波分复用器二的980端口，所述耦合器二连接波分复用器一和波分复用器二的1550端口，所述光声池为共振式光声池。
24.所述信号输出装置包括与光声池的输出端连接的前置放大器，所述前置放大器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接信号采集系统，所述信号采集系统连接计算机。
25.基于光纤内腔激光的光声光谱多组分气体检测方法，包括以下步骤：
26.s1.同时启动泵浦源一和泵浦源二，泵浦源一发射的980nm光进入波分复用器一，然后传输至c波段掺铒光纤输出c波段光，泵浦源二发射的980nm光进入波分复用器二，然后传输至l波段掺铒光纤输出l波段光，两种波段光经过耦合器一合束，输出c l波段光；
27.s2.pzt执行器和pzt驱动器控制光纤光栅实现波长的扫描和调制，对应光纤光栅反射波长的激光在光声池中与气体相互作用产生光声信号，同时光纤光栅反射波长对应气体吸收峰的中心波长，信号发生模块控制pzt驱动器，进而控制光纤光栅周期性地伸缩，实现波长扫描和调制；
28.s3.c l波段光通过环形器和光声池后由光纤光栅选频反射出来的光经第二耦合器分成两路，分别进入第一波分复用器和第二波分复用器，实现光路循环并形成内腔激光器；
29.s4.c l波段光波长涵盖1510nm-1590nm，谱线宽可以实现多种气体检测，c l波段光经环形器、光声池进入光纤光栅反射出气体传感所需要的多种窄带波长，环形器出来的光经过光声池，在光声池中光与气体相互作用，实现多种气体检测；
30.s5.从光声池输出的电流信号通过前置放大器转化为电压信号并被放大，随后被
锁相放大器解调为二次谐波，然后通过信号采集系统将数据采集下来，最后传输到计算机，进行信号处理和气体浓度的计算。
31.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对以上实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。