專利名稱：基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種全光學(xué)的基于分布反饋光纖激光器(DFB-FL)的光聲光譜氣 體檢測系統(tǒng)，具體講是一種利用分布反饋光纖激光器作為光學(xué)微音器進行光聲光譜氣體檢 測的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光聲效應(yīng)是基于物質(zhì)吸收調(diào)制光后通過無輻射熱馳豫放熱而激發(fā)出聲波的效應(yīng)， 早在1880年Bell等就發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)。在諸多進行氣體濃度檢測的吸收光譜法中，光聲光 譜技術(shù)具有以下優(yōu)點測試范圍廣。光聲技術(shù)是檢測物質(zhì)通過無輻射躍遷直接吸收的光能 信號，而不是測量透射過樣品的光能信號，這樣樣品對入射光的反射、散射不會影響到測量 結(jié)果，完全不透明和高散射的樣品也能測量，測量范圍幾乎遍及樣品的所有狀態(tài)，比如氣、 液、固、凝膠、粉末、薄膜、膠體等，但早期由于光聲效應(yīng)太弱，一致沒有得到重視，直到20實 際70年代，隨著激光技術(shù)和微弱信號探測技術(shù)的發(fā)展，特別是1971年Kreuzer利用可調(diào)諧 激光器做光源，測得濃度低至10-7 μ g/L的氣體吸收譜，并從理論上分析了使用激光光源 和高靈敏度微弱信號探測器可對氣體光聲光譜檢出限數(shù)量級達到10_13，在此以后，光聲光 譜測量得以迅速發(fā)展。另一個優(yōu)點就是光聲信號強度在樣品吸收光能沒達到飽和的情況 下，與入射光強度成正比，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，提高入射光的能量以增加檢測靈敏度變得 相對容易。由于光聲光譜分析儀具有的高靈敏度、大動態(tài)范圍、實時檢測等突出優(yōu)點，使得人 們對光聲光譜檢測技術(shù)有極大興趣，不斷開發(fā)新光源，研究聲傳感技術(shù)和微弱信號檢測技 術(shù)，完善光聲光譜理論，使得基于光聲光譜技術(shù)的分析儀各方面性能有了顯著提高，近幾年 來，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、軍事戰(zhàn)場上對微量氣體監(jiān)測領(lǐng)域相繼開發(fā)了不少基于光聲光 譜的氣體檢測裝置。光聲光譜氣體分析儀主要由六部分組成單色光源、調(diào)制器、光聲池、 聲傳感器、信號放大及檢測，數(shù)據(jù)記錄和傳輸。商用定型的光聲光譜儀很少，在實際應(yīng)用中 一般需要根據(jù)研究對象及實驗室的條件自行設(shè)計搭建。光聲效應(yīng)激發(fā)的光聲信號由高靈敏 度的聲傳感器來探測，通常使用駐極體式電容微音器。一般設(shè)計的光聲光譜儀其單色光源、 信號的放大和檢測系統(tǒng)位于現(xiàn)場，但在一些特殊場合，如1)強磁電和放射性的環(huán)境，由于 物理特性制約著普通麥克風(fēng)的操作，外部的強電磁場的影響能夠引起這些設(shè)備功能的喪失 甚至破壞他們。傳統(tǒng)的微音器，包括電容器、駐極體和動態(tài)的微音器，使用依靠含電容器或 線圈的電子線路。這些在微音器中的電子組件對電子的或電磁的干擾是非常敏感的；2)瓦 斯環(huán)境，比如在煤礦挖掘現(xiàn)場?，F(xiàn)場中電火花是禁止出現(xiàn)的，這意味著需要將相干光源的激 發(fā)放在遠程，將光源遠程放置，通過光纖導(dǎo)入到光聲池中，也就意味著電子的微音器存在安 全的隱患；3)在環(huán)境污染物監(jiān)測和戰(zhàn)場環(huán)境中毒物檢測應(yīng)用中，因為氣體檢測設(shè)備分散布 置，現(xiàn)場往往不能提供電源，這就需要提供現(xiàn)場無源、結(jié)構(gòu)小巧、集成度和高靈敏性高的光 聲池，以實現(xiàn)檢測的便捷。<中國電機工程學(xué)報>2008,28(34) :p40 46.作者為云玉新、陳偉根、孫才新、潘柳，名稱為“變壓器油中甲烷氣體的光聲光譜檢測方法”文章中提出了一種基于光聲效應(yīng)的 新型微量氣體檢測技術(shù)，具有靈敏度高，選擇性好，動態(tài)檢測范圍大等優(yōu)點，但這種檢測技 術(shù)受限于測量環(huán)境，當(dāng)存在外部的電磁場時，嚴重影響到測量精度，甚至檢測設(shè)備的功能會喪失。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本實用新型提出了一種全光學(xué)的基于分布 反饋光纖激光器(DFB-FL)的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)。本實用新型的技術(shù)方案是按以下方式實現(xiàn)的—種基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括相干光源、調(diào)制器、 光聲池、980泵浦半導(dǎo)體激光器(LD)、波分復(fù)用器(WDM)、分布反饋光纖激光器(DFB-FL)、隔 離器(ISO)和波長解調(diào)系統(tǒng)，相干光源通過自帶尾纖連接到調(diào)制器，調(diào)制器通過較長的普 通光纖連接到氣體環(huán)境的光聲池，光強周期性變化的單色光作用于待測氣體，產(chǎn)生微小聲 音，組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導(dǎo)體激光器通過尾纖和波分復(fù)用器的980nm端相連 接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光器作為探測聲音的傳感器固 定在光聲池里，其一端經(jīng)普通光纖連接到波分復(fù)用器的公共端上；波分復(fù)用器的1550nm端 和隔離器相連接，隔離器輸出端經(jīng)普通光纖和遠端的波長解調(diào)系統(tǒng)相連接。所述的波長解調(diào)系統(tǒng)是通用的波長解調(diào)儀，如美國Optiphase公司生產(chǎn)的型號為 0PD-4000的波長解調(diào)儀。本實用新型氣體檢測系統(tǒng)在使用時，將本實用新型系統(tǒng)中的光聲池置于需要檢測 的氣體環(huán)境或?qū)怏w抽取到光聲池中，利用全光纖的分布反饋光纖激光器作為微小聲音傳 感器取代電子的微音器，當(dāng)單色光進入光聲池，待測氣體吸收光后，產(chǎn)生微小聲音，聲壓引 起DFB-FL波長的漂移，通過檢測波長的漂移從而確定聲壓，進而推出氣體的濃度。具體講 即相干光源產(chǎn)生單色光后，通過調(diào)制器，光強產(chǎn)生周期性的變化，通過較長的普通光纖連接 到遠端的光聲池，注入光聲池，與待測氣體作用，產(chǎn)生聲音。980nm的半導(dǎo)體激光器，和WDM 的980nm端連接，從WDM的公共端輸出，通過較長的普通光纖連接到DFB-FL，WDM的1550端 連到隔離器上，隔離器輸出端連接到波長解調(diào)系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術(shù)所用的光聲光譜氣體檢測原理如圖(1)所示，相干光源輻射出能夠被待 測氣體吸收的單色光，經(jīng)過調(diào)制器的調(diào)制變成光強周期性改變的單色光，進入光聲池，氣體 吸收單色光后，引起它的周期性無輻射弛豫，宏觀上表現(xiàn)為壓力的周期性變化，即形成聲 波；聲傳感器探測到壓力波后將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，該電信號由鎖相放大器或Boxcar積分器 來檢測，并記錄下來，也可以送給遠程計算機分析處理或存盤。本實用新型的具體作用原理如下980nm的半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)生980nm的激光，通 過WDM進入DFB-FL，作為泵浦光，激發(fā)DFB-FL，產(chǎn)生1550nm附近的窄線寬的激光，當(dāng)聲音作 用到DFB-FL上時，DFB-FL的波長改變，相干光源產(chǎn)生的可被探測氣體吸收的單色光，經(jīng)過 調(diào)制后形成光強周期性改變的激光，進入光聲池后，被氣體吸收，產(chǎn)生聲波，受到聲壓的影 響，封裝好的DFB-FL的波長也發(fā)生周期性的改變，由于WDM的濾波作用，前向的DFB-FL光 只進入隔離器(IS0)，再進入波長解調(diào)系統(tǒng)，我們可以將波長的變化解調(diào)出來，這樣波長的 變化反應(yīng)了聲壓的強度，而聲壓的強度和氣體的濃度有著直接的關(guān)系，通過合適的算法即可表示出氣體的濃度。本實用新型具有以下的優(yōu)點在具有光聲光譜方法高靈敏度的同時，無電子組件 連接在光纖探頭上，任何的電磁性或靜電干擾對微音器不起作用，可在強電磁、放射性環(huán)境 中正常使用；全光纖的聲音探測系統(tǒng)，不與瓦斯等易燃易爆氣體發(fā)生作用，可用于特殊氣體 環(huán)境的檢測；基于光纖的系統(tǒng)，便于多個復(fù)用，組成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點的遠距離監(jiān)控。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)光聲光譜氣體檢測的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、相干光源、2、調(diào)制器、3、光聲池、4、微音器、5、信號放大及檢測部分，6、數(shù) 據(jù)記錄和傳輸部分。圖2是本實用新型氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中7、相干光源、8、調(diào)制器、9、普通光纖，10、光聲池、ll、980nm半導(dǎo)體激光器 泵浦，12、波分復(fù)用器(WDM)，13、普通光纖，14、分布反饋光纖激光器(DFB-FL)，15、隔離器 (IS0)，16、波長解調(diào)系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明，但不限于此。實施例本實用新型實施例如圖2所示，包括相干光源7、調(diào)制器8、光聲池10、980泵浦 半導(dǎo)體激光器(LD)ll、波分復(fù)用器(WDM) 12、分布反饋光纖激光器(DFB-FL) 14、隔離器 (ISO) 15和波長解調(diào)系統(tǒng)16，相干光源7通過自帶尾纖和調(diào)制器8相連接，調(diào)制器8通過較 長普通光纖9連接到遠端的光聲池10，輸出的光強周期性變化的激光作用于待測氣體，產(chǎn) 生微小聲音，組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導(dǎo)體激光器(LD) 11通過尾纖和波分復(fù)用 器(WDM) 12的980nm端相連接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光 器(DFB-FL) 14作為探測聲音的傳感器固定在光聲池10里，其一端經(jīng)較長的普通光纖13連 接到遠端的波分復(fù)用器(WDM) 12的公共端上；波分復(fù)用器(WDM) 12的1550nm端和隔離器 (ISO) 15相連接，隔離器(ISO) 15輸出端經(jīng)普通光纖和波長解調(diào)系統(tǒng)16相連接。
權(quán)利要求一種基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括相干光源、調(diào)制器、光聲池、980泵浦半導(dǎo)體激光器、波分復(fù)用器、分布反饋光纖激光器、隔離器和波長解調(diào)系統(tǒng)，相干光源通過自帶尾纖連接到調(diào)制器，調(diào)制器通過較長的普通光纖連接到氣體環(huán)境的光聲池，光強周期性變化的單色光作用于待測氣體，產(chǎn)生微小聲音，組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導(dǎo)體激光器通過尾纖和波分復(fù)用器的980nm端相連接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光器作為探測聲音的傳感器固定在光聲池里，其一端經(jīng)普通光纖連接到波分復(fù)用器的公共端上；波分復(fù)用器的1550nm端和隔離器相連接，隔離器輸出端經(jīng)普通光纖和遠端的波長解調(diào)系統(tǒng)相連接。
專利摘要基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，屬氣體檢測技術(shù)，包括相干光源及分布反饋光纖激光器等，相干光源通過自帶尾纖和調(diào)制器相連接，調(diào)制器通過普通光纖連接到光聲池組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導(dǎo)體激光器通過尾纖和波分復(fù)用器的980nm端相連接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光器作為探測聲音的傳感器固定在光聲池里，其一端經(jīng)普通光纖連接到波分復(fù)用器的公共端上；波分復(fù)用器的1550nm端和隔離器相連接，隔離器輸出端經(jīng)普通光纖和遠端的波長解調(diào)系統(tǒng)相連接。本實用新型可在強電磁、放射性環(huán)境中正常使用，可用于特殊氣體環(huán)境的檢測；便于多個復(fù)用，組成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多點的遠距離監(jiān)控。
文檔編號G01N21/25GK201749080SQ20102027358
公開日2011年2月16日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者公培軍, 孔德龍, 宋復(fù)俊, 常軍, 張燕, 王偉杰, 王宗良 申請人:山東大學(xué)