光子晶体光纤气室有源内腔吸收型气体检测装置

摘要

本发明涉及光纤传感和光纤气体检测领域。为解决在气体污染物痕量检测中，光纤气体检测技术在氨气检测上由于氨气吸收系数小，检测困难，检测灵敏度低的困难；解决传统吸收型光纤氨气体检测技术中，单程气室由于受气体池长度的限制，导致吸收距离短，探测灵敏度低，长程气室由于气室内光学结构复杂，稳定性差等缺点，本发明采用的技术方案是：光子晶体光纤气室有源内腔吸收型气体检测装置，包括：980纳米半导体激光器1、980/1550纳米波分复用器2，掺铒光纤3，空心光子晶体光纤4，光纤反射镜5，可调谐光纤光栅6，光纤功率计7。本发明主要应用于光纤气体检测。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感和光纤气体检测领域，具体讲涉及光子晶体光纤气室有源内腔吸收 型气体检测装置。

背景技术

工业生产过程中，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和自动控 制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等行业亟待解决的重要问题之一。基于气体光谱吸收 方法，利用石英光纤的低损耗窗口(1～2μm)进行气体浓度检测已经获得了广泛的关注。在这 个波段内，发现许多污染性气体或有毒气体，例如乙炔(C₂H₂)，甲烷(CH₄)和一氧化碳(CO)， 氨气(NH₃)等气体，都有吸收谱线。其中，氨气是工业生产废气中常见的大气污染物之一， 由于氨气在近红外吸收峰吸收截面比较小，所以红外直接吸收型光纤氨气检测比较困难，灵 敏度低。通常改用光声氨气光纤检测技术和光学-微波双共振氨气光纤检测技术。自1992年 V.M.Baev等人成功利用二极管作为光源实现有源内腔气体探测以来，有源内腔吸收气体检测 技术开始受到人们的关注并迅速发展起来.近年来，得益于于光纤激光技术和光纤传感技术的 发展，光纤有源内腔气体检测技术也迅速发展起来，并成为气体检测技术的研究热点之一。

有源内腔气体检测技术是指将样品置于激光谐振腔内的检测技术，也就是说激光谐振腔 内除激光增益介质外还有样品吸收介质，腔内光束既是激光震荡谱线，又是样品吸收谱线.光 纤有源氨气检测通常利用掺铒光纤作为增益介质，主要原因是因为：第一，掺饵光纤增益范围 比较宽(图1)，并且包含氨气在近红外几个重要吸收峰吸(图2)；第二，掺饵光纤激光器功 率输出稳定.

基于掺饵光纤激光器有源内腔气体检测是在光纤激光器腔内插入样品室.图1是一种典型 的基于掺饵光纤激光器有源内腔气体检测系统.掺铒光纤激光器由980nm或1480nm半导体 激光器泵浦。通过在铒光纤与光纤反射镜之间植入气室实现内腔检测。传统的气室一般分为 单程气室和长程气室。单程气室通常由一对光纤准直器构成，由于光纤准直器工作距离一般 不超过50cm，使得气体的有效吸收距离很短，因此极大地限制了系统测试灵敏度。另一方面， 单程气室由于提高吸收距离导致气室体积大，使用起来不够灵活，不利于工业中现场活动利 用。长程气室主要依靠特殊的光路设计使得光线在气室内多次往复反射，从而增加了气体的 有效光程。长程气室相比于单程气室虽然体积小，有效吸收距离长，但结构较复杂，调试困 难，稳定性差。另外，由于光在气室内多次反射，会造成较大的传输损耗。空芯光子晶体光 纤是一种新型的传输光纤，其导光机制与普通的折射率导引型和全内反射型光纤都不同。空 芯光子晶体光纤纤芯为空气孔结构，包层是有周期排列的空气组成的二维光子晶体结构。该 结构能够支持包层的光子带隙内某个波长的模式在空气孔芯区中传播，并且可以实现95％以 上光被束缚在空气纤芯中。图3是丹麦NKT公司商品化生产的两种1.5微米波段空心光子晶 体光纤截面图。其中a中心区域去掉7个薄壁毛细管，其纤芯空气孔直径10微米，传输损 耗在中心波长1.55微米可低于0.03db/m.b是将中心区域抽去19个石英管制作的光子带隙光 纤，其中心空气孔直径为10微米，在1.57微米处得损耗已经可以降低至0.02dB/m。利用空 芯光子晶体光纤作为气室的全光纤光路可以有效解决传统的单程气室由于受气体池长度的限 制，导致吸收距离短，探测灵敏度低，长程气室存在气室内光学结构复杂，稳定性差等缺点。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决在气体污染物痕量检测中，光纤气体检测技术在氨气检测 上由于氨气吸收系数小，检测困难，检测灵敏度低的困难；解决传统吸收型光纤氨气体检测 技术中，单程气室由于受气体池长度的限制，导致吸收距离短，探测灵敏度低，长程气室由 于气室内光学结构复杂，稳定性差等缺点。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：光 子晶体光纤气室有源内腔吸收型气体检测装置，包括：980纳米半导体激光器1、980/1550纳 米波分复用器2，掺铒光纤3，空心光子晶体光纤4，光纤反射镜5，可调谐光纤光栅6，光 纤功率计7，980纳米半导体激光器1采用光纤耦合输出到980/1550纳米波分复用器2， 980/1550纳米波分复用器2另一端与掺铒光纤3熔接，掺铒光纤3另一端与光纤反射镜之间 活动接入1m长空芯光子晶体光纤，光纤反射镜5和980/1550纳米波分复用器2第三端熔接 的可调谐光纤光栅构成谐振腔，980纳米半导体激光器1调谐光纤光栅输出，并利用光纤功 率计7测输出功率和波长，空心光子晶体光纤4与掺铒光纤3之间连接采用活动连接，两光 纤端面间留出100um空隙，周围气体经过该空隙和空芯光子晶体光纤4端面进入空芯光子晶 体光纤4中心孔区域。

空芯光子晶体光纤4缠绕在一起成若干圈，以增大激光对气体的吸收光程。

掺铒光纤3和980纳米半导体激光器1构成掺铒光纤激光器，工作时掺铒光纤激光器首 先工作在稳定状态，然后逐渐降低抽运功率，使得掺铒光纤激光器运转在稍超过阈值的条件 下，以利用掺铒光纤激光器在阈值附近的非线性效应获得较高的探测灵敏度。

本发明其特点在于：采用空芯光子晶体光纤为气室，可以实现数米的有效吸收距离，有 利于提光纤氨气检测技术的检测度；采用基于掺铒光纤激光器的有源内腔吸收型气体检测技 术，可以大大提高氨气等气体检测灵敏度。

附图说明

图1为掺铒光纤典型吸收谱和增益曲线。横坐标为波长，单位纳米，纵坐标为吸收率， 单位db/m。

图2为氨气在1530nm-1542nm的吸收谱线。横坐标为波长，单位微米，纵坐标为交叉段， 单位cm²。

图3(a)为HC-1550-02空芯光子晶体光纤端面图。

(b)为HC19-1550-01空芯光子晶体光纤感端面。

图4光子晶体光纤气室有源内腔氨气检测系统结构图。其中：1为980半导体激光器、 980/15502为波分复用器、3为掺铒光纤、4为空心光子晶体光纤、5为光纤反射镜、6为可调 谐光纤光栅、7为光纤功率计。

具体实施方式

一种以空芯光子晶体光纤为气室，基于掺铒光纤激光器的有源内腔吸收型氨气检测技术。 它包括：980半导体激光器(1)、980/1550波分复用器2，掺铒光纤3，空心光子晶体光纤4， 光纤反射镜5，可调谐光纤光栅6，光纤功率计7，光子晶体光纤气室有源内腔氨气检测技术 的特点是：全光纤光路设计，调试简单，灵敏度高。灵敏度提高主要有以下几个原因：第一 是激光多次通过效应，激光腔是一个谐振腔，激光在腔内反复振荡，就好像光多次通过待测 样品。物质对单色光的吸收遵从比尔-朗伯定律。光束在谐振腔内的反射次数主要取决于输出 镜的反射率，如果光纤环形镜的反射率为100％，输出光栅的透射率为2％，于是腔内功率密 度为激光输出功率的50倍.倘若腔内功率密度并未使得相应的吸收达到饱和，则腔内吸收激 光强度变化量比腔外吸收时增大了50倍，也即腔内吸收最小可探测吸收值比腔外缩小50倍， 换句话说，探测灵敏度提高了50倍.第二是阈值附近激光增益的非线性效应。根据激光物理 学，在抽运功率恒定的情况下，在稍稍超过阈值工作区，腔内由于氨气吸收损耗的微小变化， 会引起激光功率的剧烈变化。第三是模式竞争效应。对于均匀增益介质激光器有一种模式竞 争效应，即虽然初始增益曲线包含有多个纵摸，但增益高的模强度增长要消耗其他模的强度， 使最终的振荡模只剩下一个。实际上，由于空间烧孔、铒光纤掺杂不均匀等原因，掺铒光纤 激光器的激光模式是很多的。氨气在近红外吸收为窄带吸收，当用宽带激光照射窄带吸收氨 气时，氨气对激光的不同谱线的吸收存在模式竞争，模式竞争的结果使吸收中心的吸收强度 大大增强，从而提高氨气检测灵敏度。第四，采用空芯光子晶体光纤做气室，由于光纤可缠 绕，增大了激光度氨气的有效吸收光程，从而大大提高了氨气检测灵敏度。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

图4为个光子晶体光纤气室有源内腔吸收型氨气检测系统结构示意图。整个系统通过将 空芯光子晶体气室置入光纤掺铒光纤激光器谐振腔来实现。掺铒光纤激光器由980半导体激 光器泵浦。泵浦980半导体激光器采用光纤耦合输出，输出光纤与980/1550波分复用器熔接。 波分复用器另一端与4m长掺铒光纤熔接。掺铒光纤另一端与光纤反射镜之间活动接入1m长 空芯光子晶体光纤。谐振腔由光线反射镜和波分复用器第三端熔接的可调谐光纤光栅构成。 激光又可调谐光纤光栅输出，并利用光纤波长功率计测输出功率和波长。空心光子晶体光纤 与掺铒光纤之间连接采用活动连接。两光纤端面间留出100um空隙。周围气体经过空心光子 晶体光纤端面进入中心其空中。空芯光子晶体光纤缠绕在一起成若干圈，以增大激光对氨气 的吸收光程。在抽运功率一定条件下，利用光纤可调谐光栅来调谐掺铒光纤激光器的输出波 长，并记录相应各个波长相应的输出功率，从而得到氨气在近红外吸收谱线。最后根据某个 吸收峰的吸光度和氨气在该吸收峰的吸收截面反演出待测气体样品中氨气的浓度。