一种基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统

摘要

本发明提供了一种基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统，包括：激光器、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、F‑P可调谐滤波器、第五耦合器、气室和光谱仪；其中，波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器依次连接形成环形腔状结构，激光器连接波分复用器，第五耦合器依次连接气室，气室连接光谱仪，第一耦合器和第二耦合器的输出端相对熔接，构成Mach‑Zehnder滤波结构，第三耦合器和第四耦合器的输出端相对熔接，并在其中一臂插入F‑P可调谐滤波器。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统。

背景技术

光纤激光器具有输出功率高、高信噪比和使用寿命长等优势，在光纤通信、光纤传感和光谱分析等领域有广泛应用。目前，国内外针对可调谐光纤激光器领域已经开展了多年的研究，并取得了一定的研究成果；但是随着信号传输容量的扩大，要求传输的信道数目不断增加，因此实现波长稳定可调谐的光纤激光输出成为本领域的热点。

目前对于波长可调谐的光纤激光器研究已经取得很大进展，利用M-Z滤波、Sagnac结构、光子晶体光纤、级联光纤光栅、光纤非线性效应等技术手段均能够实现波长可调谐的激光输出。2012年，杨秀峰等人利用非线性偏振旋转效应，使光纤激光器在室温下产生稳定的多波长输出，得到了波长间隔为0.35nm、最多17个波长的稳定激光输出，并且实现了输出波长在4nm范围内的连续可调谐；同年，H.Ahmad等人将微观的M-Z干涉仪加入线性腔中，通过改变两个干涉臂的长度进而影响到简谐振荡的波长，从而实现从1496nm到1507nm共10个波长的可调谐激光的输出。2013年，周赢武等人采用热扩芯光纤制作了一种全光纤M-Z干涉滤波器，将该M-Z滤波器嵌入Sagnac滤波器中，构建了一种新型可调谐Sagnac干涉滤波器，实现了激光器的输出波长在1540.3～1581.2nm范围内可调，可输出的波长为18个；同年，杜勇等人利用一对自由谱宽略有不同的光纤布喇格光栅法布里-珀罗腔(FBG-FP)作为模式选择器件，设计了一种新颖的环形腔光纤激光器，在1552.2～1552.9nm范围内，获得了8个由固定的稳定激光输出；2015年，钟敬武等人设计了一种基于M-Z光纤干涉滤波器的可调谐多波长掺铥环形光纤激光器，利用Sagnac光纤反射镜实现反射式滤波，通过调整偏振控制器实现了2μm波段可调谐多波长输出，观测到了3个波长的可调谐激光。同年，曹晔等人设计出了一种基于Sagnac环和M-Z级联滤波的可调谐掺铒光纤激光器，通过电路驱动偏振控制器，实现了6个波长激光在2.2nm范围内整体连续可调谐。

气体浓度测量在工业过程控制、环境污染监测等领域的重要程度越来越大。至今为止，我们发展了多种气体浓度测量的方法，其中基于激光吸收光谱学的气体浓度测量方法得到广泛应用。其原理是每种气体都有自己的特征吸收光谱，当吸收波长的光照在气体上时，该波长的光就会被吸收，光功率就会下降，气体浓度越大光功率的损耗就越大。利用多波长光纤激光器可以对不同的吸收谱的气体进行测量，待测气体浓度可以与参考气体池的已知浓度相关联而容易地测出。这种方法能够消除光源不稳定以及干扰气体的影响。而只有M-Z结构的系统很容易受外界环境的影响，导致偏振态改变，进而导致输出波长的跳变。当M-Z结构的两干涉臂受外界影响较大时，输出波长变化较大，难以实现激光的稳定可调谐输出。

因此，需要设计一种能够稳定测量气室成分的气体成分测试系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统，包括：激光器、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、F-P可调谐滤波器、第五耦合器、气室和光谱仪；

其中，波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器依次连接形成环形腔状结构，激光器连接波分复用器，第五耦合器依次连接气室，气室连接光谱仪，第一耦合器和第二耦合器的输出端相对熔接，构成Mach-Zehnder滤波结构，第三耦合器和第四耦合器的输出端相对熔接，并在其中一臂插入F-P可调谐滤波器。

优选地，所述激光器选自中心波长为976nm的半导体激光器进行泵浦，其工作阈值电流为26mA，长度为5m的增益光纤作为增益介质。

优选地，所述第五耦合器采用分光比为10:90的耦合器，其10％输出端口与所述光谱仪熔接。

优选地，所述光谱仪的分辨率为0.05nm。

优选地，所述第四耦合器和第五耦合器采用分光比为30：70的耦合器，

优选地，所述第四耦合器和第五耦合器的70％输出的一臂插入F-P可调谐滤波器。

优选地，所述F-P可调谐滤波器的调谐范围为1535～1565nm，分辨率为0.05nm。

优选地，所述第一耦合器和第二耦合器为3dB耦合器。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为根据本发明的基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统的结构示意图；

图2为M-Z滤波结构的结构示意图；

图3为M-Z滤波结构的透射谱图。其中图3(a)为1500-1600nm的波长范围内的透射谱图；图3(b)为1540-1560nm的波长范围内的透射谱图。

图4(a)为无F-P滤波器结构时光纤激光器所测得的振荡光谱图。

图4(b)为光纤激光器系统中插入F-P滤波器之后光谱仪所测得的连续可调谐的单波长激光输出。

图5为单波长1556.10nm输出时的激光光谱图。

图6(a)为1549.90nm波长和功率随时间的漂移量示意图。

图6(b)1556.47nm波长和功率随时间的漂移量示意图。

图6(c)1565.10nm波长和功率随时间的漂移量示意图。

具体实施方式

图1为根据本发明的基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统的结构示意图。本发明的基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统100的结构如图1所示，包括：激光器(LD)101、波分复用器(WDM)102、掺铒光纤(EDF)103、隔离器(ISO)104、第一耦合器(Coupler)105、第二耦合器106、第三耦合器107、第四耦合器108、F-P(Fabry-Perot)可调谐滤波器109、第五耦合器110、气室111和光谱仪112。激光器101优选中心波长为976nm的半导体激光器进行泵浦，其工作阈值电流为26mA，长度为5m的增益光纤作为增益介质。波分复用器102、掺铒光纤103、隔离器104、第一耦合器105、第二耦合器106、第三耦合器107、第四耦合器108、第五耦合器110依次连接形成环形腔状结构，激光器101连接波分复用器102，激光器101发出的泵浦光由波分复用器102进入可调谐光纤激光器。第五耦合器110连接气室111，从第五耦合器发出的输出光进入气室111，气室111后接光谱仪112，对气室111中的成分进行检测。

用于对待测气体的光谱检测和采集。优选地，第五耦合器110采用分光比为10:90的耦合器，其10％输出端口与光谱仪112熔接。优选地，光谱仪112的分辨率为0.05nm。

泵浦光由波分复用器102耦合进入掺铒光纤103，后受激辐射光在环形腔中进行振荡，经过光隔离器104后进入M-Z滤波结构进行滤波，由于M-Z滤波极容易受到外界环境的影响而产生跳变，因此在光路中插入F-P滤波器进行滤波，防止可调谐F-P滤波器滤除M-Z滤波结构的其他边峰。

第三耦合器108和第四耦合器110的输出端相对熔接，并在其中一臂插入F-P可调谐滤波器109，实现波长的可调谐输出。优选地，第四耦合器108和第五耦合器110采用分光比为30：70的耦合器，其70％输出的一臂插入F-P滤波器，能够通过调节F-P实现单波长激光调谐输出。优选地，F-P可调谐滤波器的调谐范围为1535～1565nm，分辨率为0.05nm。

第一耦合器105和第二耦合器106构成M-Z滤波结构，如图2所示，优选地，M-Z滤波结构200通过将两个3dB耦合器的两个输出端口相熔接构成。功率为P₀的一束连续光从入射端口入射，经过第一耦合器105顺时针和逆时针方向传播，经过一次往返之后产生相位移动，然后进入第二耦合器106中进行相干结合，两束光的相依包括整个系统引入的所有相移。利用耦合器的传输矩阵，则顺时针和逆时针传输的光场振幅为：

$A_1=\sqrt{\rho }{A}_0;A_2=i\sqrt{1-\rho }{A}_0---\left(1\right)$

式中，ρ＝cos²(kl_c)为耦合比，l_c为耦合长度。则进入第二耦合器的光场为：

$A_3=\sqrt{{\rho }_1}{A}_0\exp ({\mathrm{i\beta }}_1{L}_1+i\rho \gamma {\left|A_0\right|}^2{L}_1)---\left(2\right)$

$A_4=i\sqrt{1-{\rho }_1}{A}_0\exp ({\mathrm{i\beta }}_2{L}_2+i(1-{\rho }_1)\gamma {\left|A_0\right|}^2{L}_2)---\left(3\right)$

式中，L₁，L₂分别是M-Z滤波结构两臂的长度，₁，₂是两臂的传输常数。在这里同时考虑了线性和非线性相移。利用第二耦合器的传输矩阵：

$\left(\begin{array}{c}{A}_{O1}\\ A_{O2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sqrt{{\rho }_2}& i\sqrt{1-{\rho }_2}\\ i\sqrt{1-{\rho }_2}& \sqrt{{\rho }_2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_3\\ A_4\end{array}\right)---\left(4\right)$

可以得到M-Z滤波结构输出端口的光场，M-Z滤波结构输出端的透射率为：

式中，线性相移的和非线性相移部分分别为：

对于由两个3dB耦合器构成的对称M-Z滤波结构，有此时的透射率为：

其中，β＝2π/λ，由于线性相移和频率有关，所以透射率取决于入射光波长，所以输出的波长间隔与臂长差的关系可写为：

Δλ＝λ²/nΔL(8)

其中，n是有效折射率，为传播的光波长。

由此可知，M-Z滤波结构的输出的波长间隔与臂长差成反比，而直接决定了输出可调谐波长的间隔，故臂长差对输出产生重大影响。

首先，测出M-Z干涉仪的透射谱如图3所示。图3(a)示出了在LD的泵浦功率为60mW时得出了稳定明显的干涉图样，范围覆盖整个掺铒光纤的ASE光谱，通过图3(b)可以看出，在1550nm处波长间隔Δλ约为1.67nm。当传输波长λ为1550nm，有效折射率n为1.45，利用公式(8)可得到臂长差约为1mm。

若此时先将M-Z滤波器与10/90的耦合器相连测出自激振荡时的光谱，如图4(a)所示，图4(a)为无F-P滤波器结构时光纤激光器所测得的振荡光谱。激光器的阈值约为32mW，在1561nm的附近有跳模现象发生，这是因为只有M-Z结构，系统很容易受外界环境的影响，导致偏振态改变，进而导致输出波长的跳变。实验过程中，当两干涉臂受外界影响较大时，输出波长变化较大，难以实现激光的稳定可调谐输出。

在系统中插入F-P滤波器之后，固定好M-Z结构的位置，使其受到环境的影响降到最低。当泵浦光功率为60mW时，得到1547～1568nm内11个稳定输出的可调谐波长，最左端为1548.24nm，最右端为1565.10nm，每个调谐间距约为1.7nm。用光谱仪测得各个光谱如图4(b)所示。理论上，在两侧还可以得到波长输出，但是左侧限于F-P滤波器的滤波范围，再向左移时，就会在1561nm附近产生自激振荡的光；右端从图3(a)中可以看出1561nm刚好处于下降沿，功率比较低，而且1565nm是F-P滤波器的调谐极限因而很难形成单纵模激光输出。单个波长的光谱与图4(a)相比，其M-Z干涉的强度降低，即边模抑制比得到提高。实验中得到的每个波长的边模抑制比均大于55dB。其中，除了1548.2nm的激光的为55dB外其余10个模式的边模抑制比均大于60dB。图5显示的是1556.10nm的激光光谱，由图可以看出，3dB线宽约为0.037nm，小于0.1nm。

由于采用M-Z滤波结构容易发生跳摸，因此系统的波长和功率的稳定性就显得极为重要。如图6所示，图6为各波长和功率随时间的漂移量示意图。从两端和中间各选取一个波长分别为1549.90nm、1556.47nm、1565.10nm，如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，分别在30分钟内每分钟对输出波长、功率稳定性情况进行检测。从图中可以看出，波长的最大漂移量为0.06nm。1549.90nm的波长漂移量为60pm，功率漂移量为0.524dBm；1556.47nm的波长漂移量为70pm，功率漂移量为0.358dBm；1565.10nm的波长漂移量为80pm，功率漂移量为0.354dBm。每个波长的光均有良好的稳定性。

通过本发明的基于可调谐光纤激光器的气体成分测试系统，在泵浦功率为60mW通过调节F-P滤波器，可以实现1547nm到1568nm的可调谐激光输出，在21nm的范围共输出11个波长，波长间隔约1.7nm，每个波长的线宽均小于0.1nm，边模抑制比大于55dB，激光输出稳定，消除了M-Z结构所导致的输出波长的跳变，对于气室成分测定有利。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。