[发明专利]基于双光栅调Q光纤激光器的光声光谱气体检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率光声光谱气体检测技术，具体讲的是一种基于双光栅调Q光纤激光器的光声光谱气体检测系统。属于光纤气体传感技术领域。

背景技术

随着石油、化工、车辆等高污染排放行业的发展，废气中有毒有害气体的检测日趋重要，气体检测技术成了不可或缺的一种技术。光声光谱法是目前常用的一种气体检测技术，具有测量范围较大，连续监测稳定性较高等优点。但是光声光谱法信号的大小与光功率的大小有很大的关系，因此光声光谱法需要一种高功率的光源。

目前光声光谱法常用的光源有量子级联激光器(QCL)、光学参量振荡器(OPO)、差频发生激光器(DFG)等，尽管这些激光器具有输出功率高或者调谐范围广等优点，但是它们存在体积庞大、价格昂贵、操作复杂等缺点，因此，将它们用于实验室气体光声检测的研究将是理想的激光光源，而把它们用于工业现场，形成在线监测装置，则很难满足现场的应用要求。在工业生产中，常用的光源是半导体激光器(DFB)，虽然半导体激光器体积小，结构简单，但半导体激光器功率低，导致气体检测的灵敏度降低。

《光谱学与光谱分析》，2011年，31卷8期，2040-2043页，作者为张红霞、刘琨、贾大功、刘铁根、彭纲定、汪曣、张以谟，题为《基于内腔光纤激光器的痕量气体光谱检测》的文章提出一种基于光纤激光器内腔设计的气体检测系统，但该系统结构复杂且存在环形器，耦合器等损耗元件，故光功率损耗很大，光功率仍有待加强。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种基于双光栅调Q光纤激光器的光声光谱气体检测系统，通过双光栅产生调Q效应，进而在光纤激光器谐振腔腔内产生高峰值功率脉冲，以用于气体检测，进而提高检测灵敏度。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于双光栅调Q光纤激光器的光声光谱气体检测系统，包括泵浦光源、隔离器、波分复用器、稀土掺杂光纤、光栅a、透射气室、微音器、光栅b、压电陶瓷、压电陶瓷驱动器、信号发生器、前置放大器、锁相放大器、计算机，其特征在于泵浦光源输出端通过光纤连接隔离器输入端，隔离器的输出端通过光纤连接波分复用器的一个输入端，波分复用器的复合端通过光纤连接稀土掺杂光纤的一端，稀土掺杂光纤的另一端连接光栅a，波分复用器的另一输入端通过光纤连接透射气室输入端，透射气室的输出端连接光栅b，光栅b粘到压电陶瓷上，压电陶瓷输入端连接压电陶瓷驱动器输出端，压电陶瓷驱动器输入端连接信号发生器；微音器置于透射气室中间，微音器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接锁相放大器的输入端，锁相放大器连接到计算机；

所述的前置放大器是CA3140电路模块。

所述的泵浦光源为半导体激光器。

所述的所述稀土掺杂光纤为掺铒光纤或掺镱光纤或掺铥光纤或铒镱共掺光纤。

所述的光栅a和光栅b为布拉格光栅。

本发明检测系统工作时，泵浦光源出射的光经过隔离器、波分复用器后，入射到稀土掺杂光纤中，产生宽谱光，然后入射到光栅a上，由光栅a选择波长，被光栅a反射后，进入透射气室，从透射气室出来的光照射到与光栅a具有相同中心波长的光栅b上，光栅b粘到压电陶瓷上，压电陶瓷由压电陶瓷驱动器驱动，压电陶瓷的输入信号是由信号发生器产生一定频率和占空比的电压信号，压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷拉伸，进而拉伸光栅b，使光栅b的中心波长不变，如图2所示，或完全偏离原中心波长，如图3所示，产生高峰值功率调Q脉冲。在透射气室中通入被测气体，被测气体分子吸收激光能量后而处于激发态,分子通过无辐射跃迁的方式回到基态，这期间，其吸收的激发能量转化会气体的内能，引起温度升高。进而引起气体膨胀，产生声信号。用微音器来探测声信号，并转换为电流信号，并经过前置放大器转换为电压信号，经过锁相放大器解调后，在计算机上显示被测气体信号的大小。

本发明系统与基于半导体激光器作为光源的光声光谱气体检测系统相比具有检测灵敏度高，功率高等优点。与基于量子级联激光器、光学参量振荡器、差频发生激光器作为光源的光声光谱气体检测系统相比具有体积小,成本低,结构简单等优点。

附图说明

图1是本发明检测系统的结构示意图。

其中：1、泵浦光源，2、隔离器，3、波分复用器，4、稀土掺杂光纤，5、光栅a，6、透射气室，7、微音器，8、光栅b，9、压电陶瓷，10、压电陶瓷驱动器，11、信号发生器，12、计算机，13、锁相放大器，14、前置放大器。

图2是本发明检测系统中的压电陶瓷拉伸光栅b，使其与光栅a的中心波长重合时的示意图。