一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光纖激光傳感檢測技術領域，尤其涉及一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]痕量氣體檢測技術在環(huán)境保護、化工生產、資源開采、食品包裝等眾多行業(yè)和領域存在廣泛的應用需求，如何對有毒、有害、易燃、易爆氣體進行準確、快速檢測已成為急需解決的重要問題之一。工業(yè)文明和城市發(fā)展，在為人類創(chuàng)造巨大財富的同時也把數(shù)十億噸計的廢氣和廢物排入大氣之中，人類賴以生存的大氣圈卻成了空中垃圾庫和毒氣庫。發(fā)展對工業(yè)煙塵、汽車尾氣等主要空氣污染物的檢測預警技術是有效治理大氣污染的一個先驅條件。另外在煤炭油氣等礦產資源的開采過程中，設計新型智能的氣體傳感器以實現(xiàn)快速準確的在線監(jiān)測能有效的避免因可燃氣體泄漏而引起的火災、爆炸、中毒等人身傷亡事故和財產損失。
[0003]光纖氣體傳感器以本征安全、抗電磁干擾、耐高溫高壓，易遠程傳輸和復用等優(yōu)勢越來越受到研究人員的重視。倏逝波型光纖氣體傳感器是利用待測氣體與光纖中傳輸光場的相互作用來實現(xiàn)氣體傳感的一種新型傳感器。與其它光纖氣體傳感器相比，具有結構相對簡單、成本較低、可交叉分辨和形成分布式傳感等優(yōu)點。微納光纖的出現(xiàn)為倏逝波型氣體傳感器提供了巨大的發(fā)展空間。作為較為特殊的光纖種類，微納光纖不僅具有常規(guī)光纖的基本光纖性能，還有高機械強度、強約束能量、大倏逝場等特殊光學特性:雖然微納光纖的直徑尺度很小，其機械強度卻很高，實驗表明，直徑為200nm微納光纖的極限抗拉強度可達1GPa;微納光纖對光場的約束能力強，可實現(xiàn)微米量級彎曲，制作更小尺度的波導器件；由于微納光纖直徑與傳輸光波尺度相當，在傳輸過程中有相當部分能量以倏逝場形式存在于纖芯物理邊界之外，計算表明，對于二氧化硅材料微納光纖，當歸一化頻率為2.4時，有19 %的光能量存在于光纖邊界之外，當歸一化頻率為I時，約有94%的光能量以倏逝場形式傳輸;與外界環(huán)境發(fā)生相互作用時，可以用來構建超緊湊的傳感器。
[0004]微納光纖的制備技術以及微納光纖激光器的制作技術已經發(fā)展的相對成熟，Optics Express,vol.14(12),pp.5055-5060,2006,Shi L,Chen X F,Liu H J,et al.“Fabricat1n of submicron-diameter silica fibers using electric stripheater，”提出利用電加熱金屬條作為熔融光纖熱源的方法，獲得了長達10cm且直徑小于1μm的微納光纖;Applied Physics Letters,89:143513,2006,Xiaoshun Jiang,Qing Yang,Guillaume Vienne,et al，“Demonstrat1n of microfiber knot laser,”提出利用直接拉伸法，由鉺鐿共摻塊狀玻璃拉制微納光纖并構成結型微納光纖諧振腔，實驗表明，該微納光纖環(huán)形結激光器可實現(xiàn)單縱模輸出，線寬小于0.05nm，且當栗浦功率為12.SmW時，輸出激光功率達到8mW。但是到目前為止，有關基于微納光纖的氣體傳感器方面的研究報道較少，最主要原因是由于微納光纖的拉制長度不夠長，作為倏逝波型氣體傳感器使用時吸收路徑較短，探測靈敏度受到限制。
[0005]內腔式光譜吸收技術，即激光內腔檢測技術，是將氣體傳感單元置于激光器諧振腔中，通過調節(jié)增益，使得腔內總損耗很小。由于光可以在低損耗諧振腔內來回傳輸，這樣光可以通過氣體傳感單元很多次，相當于大大增加了有效吸收路徑，氣體吸收的探測靈敏度也會提高幾個數(shù)量級。內腔式光譜吸收技術是解決微納光纖氣體傳感器的吸收路徑較短、探測靈敏度不夠的重要技術方案。因此，亟需一種新的有源氣體檢測裝置實現(xiàn)兩種技術的優(yōu)勢互補。
【實用新型內容】
[0006]為解決現(xiàn)有技術存在的不足，本實用新型公開了一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，利用摻Er3+塊狀玻璃拉制成摻Er3+微納光纖，制作出摻Er3+微納光纖環(huán)形結激光器(Er3+doped_microf iber knot laser，簡稱ED-MFKL)，慘雜Er3+的光纖增益譜范圍較寬，用摻Er3 +光纖制作的激光器輸出波長可調諧范圍覆蓋了乙炔( 1532nm)、氨氣(1544nm)、一氧化碳(1567nm)、二氧化碳(1573nm)、硫化氫(1578m)等常見氣體;應用激光內腔檢測技術，將ED-MFKL封裝為氣體檢測傳感元件，以ED-MFKL為傳感基元可研制成倏逝場型光纖氣體傳感器，該傳感器將微納光纖的強倏逝場場置于光纖激光器諧振腔中，檢測靈敏度可以提高幾個數(shù)量級，實現(xiàn)了激光輸出與傳感一體化，而且不受電磁干擾、適合在易燃易爆環(huán)境中工作。該技術旨在提供快速、穩(wěn)定、可遠距離在線檢測、具有高探測靈敏度和極大動態(tài)范圍的氣體檢測系統(tǒng)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的具體方案如下:
[0008]一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于檢測有源氣體，該系統(tǒng)的栗浦方式為雙向栗浦，兩個栗浦光源通過其所帶尾纖分別與相應的波分復用器的輸入端相連;已封裝的摻鉺微納光纖的環(huán)形結激光器的尾纖分別與波分復用器的輸出端相連接;選取其中一個波分復用器的輸出端連接到隔離器的正向輸入端，隔離器的輸出端依次與光電探測器及鎖相放大器相連，所述鎖相放大器還與處理器的輸入端相連，處理器的輸出端分別輸出低頻鋸齒波信號及高頻正弦波信號，所述低頻鋸齒波信號及高頻正弦波信號均傳輸至加法器進行運算，加法器的輸出連接至激光器；
[0009]處理器同時產生一個低頻鋸齒波信號及一個高頻正弦波信號，一個低頻鋸齒波信號及一個高頻正弦波信號通過加法器接入激光器的氣室，通過改變氣室中壓電陶瓷驅動電壓的大小來實現(xiàn)對輸出激光波長的調制，同時通過給鎖相放大器提供一個激光器高頻正弦波信號二倍頻的參考信號，進行鎖相解調獲得含有吸收氣體濃度信息的二次諧波信號，最后通過處理器多次采樣并進行平均處理，通過上位機實時顯示氣體濃度。
[0010]進一步的，基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器為摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器，所述激光器由摻鉺的微納光纖作有源介質，環(huán)形結作為諧振腔；
[0011]所述摻鉺的微納光纖為由一塊摻鉺塊狀玻璃借用藍寶石光纖通過直接拉伸法拉制而成;所述摻鉺微的納光纖制成為環(huán)形結；
[0012]兩段單模光纖，每個單模光纖的一端均制作為拉錐形與環(huán)形結的一端相連接，每個單模光纖的另外一端形為尾纖。
[0013]進一步的，兩段單模光纖，每個單模光纖的一端均制作為拉錐形與環(huán)形結相連接，接入方法為熔接機直接熔接，環(huán)形結上有多個溶接點。
[0014]進一步的，所述的環(huán)形結尾端分別與單模光纖相連接，單模光纖與環(huán)形結相連的一端被拉制為拉錐形。
[0015]進一步的，所述的摻鉺的微納光纖的纖芯直徑在Ιμπι以下。
[0016]進一步的，所述環(huán)形結直徑為2mm，通過調節(jié)環(huán)形結直徑的大小來改變諧振腔的尺寸，從而改變激光器輸出激光的波長。
[0017]進一步的，在封裝時，將摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的環(huán)形結部分粘貼固定在圓柱形壓電陶瓷上，將粘貼上摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的壓電陶瓷固定入金屬密閉容器中形成密封氣室，氣室與外界通過摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的尾纖進行連接。
[0018]基于摻鉺微納光纖的環(huán)形結激光器載制作時:
[0019]選取一塊摻鉺塊狀玻璃，借用藍寶石光纖通過直接拉伸法將摻鉺塊狀玻璃拉制成直徑在設定數(shù)值以下的摻鉺微納光纖，將摻鉺微納光纖制作為環(huán)形結；
[0020]選取兩段單模光纖，每個單模光纖的一端制作為拉錐形與環(huán)形結相連接，接入方法為熔接機直接熔接，每個單模光纖的另外一端形成為尾纖。
[0021]一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)的工作方法，該系統(tǒng)用于檢測有源氣體，包括以下步驟:
[0022]根據(jù)待測氣體選取與該氣體相適應的輸出激光波長的摻鉺微納光纖的環(huán)形結激光器作為傳感基元，采用與該待測氣體相適應的栗浦源，在該激光器的諧振腔內，在產生激光過程中有一部分能量的激光以倏逝場的形式外溢到纖芯外表面的空氣中傳播并與待測氣體相互作用；
[0023]此時將激光器固定在壓電陶瓷上并裸露在待測氣體中，通過改變壓電陶瓷驅動電壓的大小來實現(xiàn)對輸出激光波長的調制，當這部分光的波長掃描過待測氣體吸收峰時，激光器產生的激光能量會因氣體吸收而產生一定比例的衰減；
[0024]最終激光器輸出激光經過波分復用器的一端輸出并經過隔離器后由光電探測器接收并進行光電轉換；
[0025]產生電流信號由負反饋放大電路轉換為電壓信號，經放大后進入鎖相放大器，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列處理器同時產生一個低頻鋸齒波和一個高頻正弦波通過加法器接入氣室，通過改變氣室中壓電陶瓷驅動電壓的大小來實現(xiàn)對輸出激光波長的調制；
[0026]通過給鎖相放大器提供一個激光器高頻正弦波信號二倍頻的參考信號進行鎖相解調獲得含有吸收氣體濃度信息的二次諧波信號，最后通過處理器多次采樣并進行平均處理，通過上位機實時顯示氣體濃度。
[0027]本實用新型的有益效果:
[0028]本實用新型中，首先，ED-MFKL不僅具有輸出激光為單模單頻、低噪聲、窄線寬等特點，還具有強倏逝場特性;其次，將微納光纖的強倏逝波場置于光纖激光器諧振腔中，檢測靈敏度可以提高幾個數(shù)量級，實現(xiàn)了激光輸出與傳感一體化;第三，封裝結構設計簡單，抗電磁干擾，靈敏度高，動態(tài)范圍大，對有毒有害易燃易爆氣體可實現(xiàn)遠程實時在線檢測。
【附圖說明】

[0029]圖1是本實用新型中的ED-MFKL結構示意圖；
[0030]圖2是本實用新型中的ED-MFKL的封裝設計結構截面圖；
[0031]圖3是本實用新型中基于摻Er3+微納光纖倏逝場特性的有源氣體檢測系統(tǒng)的結構示意圖；
[0032]圖中，1-1、環(huán)形結，1-2、單模光纖，l、980nm栗浦光源(LD)，2、波分復用器(WDM)，3、已封裝ED-MFKL，4、隔離器(ISO)，5、光電探測器，6、鎖相放大器，7、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)處理器，8、低頻鋸齒波信號，9、高頻正弦波信號，10、加法器，11、氮氣，12、圓柱形壓電陶瓷，13、金屬密閉容器，14、尾纖。
【具體實施方式】
:
[0033]下面結合附圖對本實用新型進行詳細說明:
[0034]實施例1:
[0035]本實用新型實施例1如圖3所示，一種基于摻Er3+微納光纖環(huán)形結激光器的氣體檢測系統(tǒng)，包括980nm栗浦光源(LD)1、波分復用器(WDM)2、隔離器(IS0)4、已封裝ED-MFKL 3、以及氣體處理單元。980nm栗浦光源I通過其所帶尾纖與波分復用器(WDM)2的980nm輸入端相連;波分復用器(WDM)2的公共端與已封裝ED-MFKL3的尾纖14連接;波分復用器(WDM)2的1550nm端接到隔離器(IS0)4的正向輸入端，隔離器(IS0)4的另一端連接入氣體處理單元；氣體處理單元包括光電探測器5、鎖相放大器6和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)處理器7，其中光電探測器5的輸入端和隔離器4相連接，光電探測器5的輸出端與鎖相放大器6相連，鎖相放大器的輸出端接入現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)處理器7，F(xiàn)PGA同時產生一個低頻鋸齒波信號8和一個高頻正弦波信號9通過加法器10接入已封裝DBR-MFL3，通過改變已封裝DBR-MFL3中壓電陶瓷驅動電壓的大小來實現(xiàn)對輸出激光波長的調制，同時通過給鎖相放大器6提供一個高頻正弦波信號9 二倍頻的參考信號，進行鎖相解調獲得含有吸收氣體濃度信息的二次諧波信號，最后通過FPGA多次采樣并于底層程序中進行平均處理，通過上位機軟件處理分析并實時顯示氣體濃度。
[0036]其中待測氣體為乙炔，ED-MFKL輸出激光波長為1532nm。
[0037]所述的光電探測器是PIN光電探測器。
[0038]ED-MFKL是由摻Er3+微納光纖中的Er3+作有源介質，摻Er3+微納光纖構成的微小環(huán)形結作為諧振腔共同構成。
[0039]如圖1所示，ED-MFKL是由摻Er3+微納光纖作為有源介質，微小環(huán)形結1-1作為諧振腔所構成。摻雜Er3+的微納光纖是借用藍寶石光纖通過直接拉伸法將摻Er3+塊狀玻璃拉制成。
[0040]摻雜Er3+微納光纖的纖芯直徑在Ιμπι以下。
[0041]所述的微小環(huán)形結1-1直徑為2mm左右，通過調節(jié)環(huán)形結1-1直徑的大小來改變諧振腔的尺寸，從而改變激光器輸出激光的波長。
[0042]環(huán)形結1-1尾端與普通單模光纖1-2相連接，單模光纖1-2的一端被拉制為拉錐形，連接方式為熔接機直接熔接。
[0043]如圖2所示，制作時，選取一塊摻Er3+塊狀玻璃，借用藍寶石光纖通過直接拉伸法將摻Er3+塊狀玻璃拉制成直徑在Ιμπι以下的摻Er3+微納光纖，將摻Er3+微納光纖制作為直接約2mm的微小環(huán)形結1-1，選取兩段普通的單模光纖1-2，單模光纖1-2的一端制作為拉錐形與環(huán)形結1-1相連接，接入方法為熔接機直接熔接，單模光纖1-2的另外一端形成為ED-MFKL的尾纖。
[0044]封裝時，將ED-MFKL的環(huán)形結部分粘貼固定在圓柱形壓電陶瓷12上，將粘貼上ED-MFKL的壓電陶瓷固定入金屬密閉容器13中形成密封氣室，氣室與外界通過ED-MFKL的尾纖14進行連接。輸入氣體為氮氣11。
[0045]工作原理:本實用新型是選取輸出激光波長靠近待測氣樣特征吸收峰的ED-MFKL，比如待測氣樣為乙炔時，選取輸出激光波長為1532nm的ED-MFKL作為傳感基元，采用980nm栗浦源，在ED-MFKL諧振腔內，在產生激光過程中有很大一部分能量的激光以倏逝波的形式外溢到纖芯外表面的空氣中傳播并與待測氣體乙炔相互作用。此時將ED-MFKL固定在壓電陶瓷上并裸露在待測氣體中，可通過改變壓電陶瓷驅動電壓的大小來實現(xiàn)對輸出激光波長的調制，當這部分光的波長掃描過乙炔氣體吸收峰時，ED-MFKL產生的激光能量會因氣體吸收而產生一定比例的衰減。最終激光器輸出激光經過WDM的1550nm端輸出并經過隔離器(ISO)后由光電探測器接收并進行光電轉換。產生電流信號由負反饋放大電路轉換為電壓信號。經放大后進入7230鎖相放大器，通過給鎖相放大器提供一個與激光器高頻調制信號同頻的參考信號進行鎖相解調獲得含有吸收氣體濃度信息的二次諧波信號，最后通過FPGA多次采樣并于底層程序中進行平均處理，通過上位機軟件處理分析并實時顯示氣體濃度。
[0046]實施例2:
[0047]和實時例I相同，只是待測氣體為氨氣，ED-MFKL輸出激光波長為1544nm。
[0048]實施例3:
[0049]和實時例I相同，只是待測氣體為一氧化碳，ED-MFKL輸出激光波長為1567nm。
[0050]實施例4:
[0051 ]和實時例I相同，只是待測氣體為二氧化碳，ED-MFKL輸出激光波長為1573nm。
[0052]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)用于檢測有源氣體，該系統(tǒng)的栗浦方式為雙向栗浦，兩個栗浦光源通過其所帶尾纖分別與相應的波分復用器的輸入端相連;已封裝的摻鉺微納光纖的環(huán)形結激光器的尾纖分別與波分復用器的輸出端相連接;選取其中一個波分復用器的輸出端連接到隔離器的正向輸入端，隔離器的輸出端依次與光電探測器及鎖相放大器相連，所述鎖相放大器還與處理器的輸入端相連，處理器的輸出端分別輸出低頻鋸齒波信號及高頻正弦波信號，所述低頻鋸齒波信號及高頻正弦波信號均傳輸至加法器進行運算，加法器的輸出連接至激光器。2.如權利要求1所述的一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，其特征是，基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器為摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器，所述激光器由摻鉺的微納光纖作有源介質，環(huán)形結作為諧振腔； 所述摻鉺的微納光纖為由一塊摻鉺塊狀玻璃借用藍寶石光纖通過直接拉伸法拉制而成;所述摻鉺微的納光纖制成為環(huán)形結； 兩段單模光纖，每個單模光纖的一端均制作為拉錐形與環(huán)形結的一端相連接，每個單模光纖的另外一端形為尾纖。3.如權利要求2所述的一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，其特征是，兩段單模光纖，每個單模光纖的一端均制作為拉錐形與環(huán)形結相連接。4.如權利要求3所述的一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，其特征是，接入方法為熔接機直接熔接，環(huán)形結上有多個溶接點。5.如權利要求2所述的一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，其特征是，所述的環(huán)形結尾端分別與單模光纖相連接，單模光纖與環(huán)形結相連的一端被拉制為拉錐形。6.如權利要求2所述的一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，其特征是，所述的摻鉺的微納光纖的纖芯直徑在Iwn以下。7.如權利要求2所述的一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，其特征是，所述環(huán)形結直徑為2mm，通過調節(jié)環(huán)形結直徑的大小來改變諧振腔的尺寸，從而改變激光器輸出激光的波長。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器的檢測系統(tǒng)，該激光器為摻鉺微納光纖環(huán)形結激光器，所述激光器由摻鉺的微納光纖作有源介質，環(huán)形結作為諧振腔；所述摻鉺的微納光纖為由一塊摻鉺塊狀玻璃借用藍寶石光纖通過直接拉伸法拉制而成；所述摻鉺微的納光纖制成為環(huán)形結；將微納光纖的強倏逝波場置于光纖激光器諧振腔中，檢測靈敏度可以提高幾個數(shù)量級，實現(xiàn)了激光輸出與傳感一體化。
【IPC分類】G01N21/39
【公開號】CN205384221
【申請?zhí)枴緾N201620191293
【發(fā)明人】王朋朋, 王仁德, 朱存光, 王光偉, 陶雪辰, 鄭志麗, 孟雙雙, 崔婷婷
【申請人】濟南大學
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年3月11日