一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結(jié)激光器的檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結(jié)激光器的檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]痕量氣體檢測技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、化工生產(chǎn)、資源開采、食品包裝等眾多行業(yè)和領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用需求，如何對有毒、有害、易燃、易爆氣體進(jìn)行準(zhǔn)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(cái)富的同時(shí)也把數(shù)十億噸計(jì)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(yù)警技術(shù)是有效治理大氣污染的一個(gè)先驅(qū)條件。另外在煤炭油氣等礦產(chǎn)資源的開采過程中，設(shè)計(jì)新型智能的氣體傳感器以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的在線監(jiān)測能有效的避免因可燃?xì)怏w泄漏而引起的火災(zāi)、爆炸、中毒等人身傷亡事故和財(cái)產(chǎn)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(yuǎn)程傳輸和復(fù)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(shí)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。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(jī)械強(qiáng)度、強(qiáng)約束能量、大倏逝場等特殊光學(xué)特性:雖然微納光纖的直徑尺度很小，其機(jī)械強(qiáng)度卻很高，實(shí)驗(yàn)表明，直徑為200nm微納光纖的極限抗拉強(qiáng)度可達(dá)1GPa;微納光纖對光場的約束能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)微米量級彎曲，制作更小尺度的波導(dǎo)器件；由于微納光纖直徑與傳輸光波尺度相當(dāng)，在傳輸過程中有相當(dāng)部分能量以倏逝場形式存在于纖芯物理邊界之外，計(jì)算表明，對于二氧化硅材料微納光纖，當(dāng)歸一化頻率為2.4時(shí)，有19 %的光能量存在于光纖邊界之外，當(dāng)歸一化頻率為I時(shí)，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(shí)，可以用來構(gòu)建超緊湊的傳感器。
[0004]微納光纖的制備技術(shù)以及微納光纖激光器的制作技術(shù)已經(jīng)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(dá)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(gòu)成結(jié)型微納光纖諧振腔，實(shí)驗(yàn)表明，該微納光纖環(huán)形結(jié)激光器可實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，線寬小于0.05nm，且當(dāng)栗浦功率為12.SmW時(shí)，輸出激光功率達(dá)到8mW。但是到目前為止，有關(guān)基于微納光纖的氣體傳感器方面的研究報(bào)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(shí)吸收路徑較短，探測靈敏度受到限制。
[0005]內(nèi)腔式光譜吸收技術(shù)，即激光內(nèi)腔檢測技術(shù)，是將氣體傳感單元置于激光器諧振腔中，通過調(diào)節(jié)增益，使得腔內(nèi)總損耗很小。由于光可以在低損耗諧振腔內(nèi)來回傳輸，這樣光可以通過氣體傳感單元很多次，相當(dāng)于大大增加了有效吸收路徑，氣體吸收的探測靈敏度也會(huì)提高幾個(gè)數(shù)量級。內(nèi)腔式光譜吸收技術(shù)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(shù)方案。因此，亟需一種新的有源氣體檢測裝置實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結(jié)激光器的檢測系統(tǒng)及方法，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(jié)激光器(Er3+doped-microf iber knot laser，簡稱ED-MFKL)，摻雜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(diào)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(yīng)用激光內(nèi)腔檢測技術(shù)，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(qiáng)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(gè)數(shù)量級，實(shí)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(shù)旨在提供快速、穩(wěn)定、可遠(yuǎn)距離在線檢測、具有高探測靈敏度和極大動(dòng)態(tài)范圍的氣體檢測系統(tǒng)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0008]一種基于摻鉺微納光纖環(huán)形結(jié)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(gè)栗浦光源通過其所帶尾纖分別與相應(yīng)的波分復(fù)用器的輸入端相連;已封裝的摻鉺微納光纖的環(huán)形結(jié)激光器的尾纖分別與波分復(fù)用器的輸出端相連接;選取其中一個(gè)波分復(fù)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(jìn)行運(yùn)算，加法器的輸出連接至激光器；
[0009]處理器同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)低頻鋸齒波信號及一個(gè)高頻正弦波信號，一個(gè)低頻鋸齒波信號及一個(gè)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(qū)動(dòng)電壓的大小來實(shí)現(xiàn)對輸出激光波長的調(diào)制，同時(shí)通過給鎖相放大器提供一個(gè)激光器高頻正弦波信號二倍頻的參考信號，進(jìn)行鎖相解調(diào)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(jìn)行平均處理，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示氣體濃度。
[0010]進(jìn)一步的，基于摻鉺微納光纖環(huán)形結(jié)激光器為摻鉺微納光纖環(huán)形結(jié)激光器，所述激光器由摻鉺的微納光纖作有源介質(zhì)，環(huán)形結(jié)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(lán)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(jié)；
[0012]兩段單模光纖，每個(gè)單模光纖的一端均制作為拉錐形與環(huán)形結(jié)的一端相連接，每個(gè)單模光纖的另外一端形為尾纖。
[0013]進(jìn)一步的，兩段單模光纖，每個(gè)單模光纖的一端均制作為拉錐形與環(huán)形結(jié)相連接，接入方法為熔接機(jī)直接熔接，環(huán)形結(jié)上有多個(gè)溶接點(diǎn)。
[0014]進(jìn)一步的，所述的環(huán)形結(jié)尾端分別與單模光纖相連接，單模光纖與環(huán)形結(jié)相連的一端被拉制為拉錐形。
[0015]進(jìn)一步的，所述的摻鉺的微納光纖的纖芯直徑在Ιμπι以下。
[0016]進(jìn)一步的，所述環(huán)形結(jié)直徑為2mm，通過調(diào)節(jié)環(huán)形結(jié)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(jìn)一步的，在封裝時(shí)，將摻鉺微納光纖環(huán)形結(jié)激光器的環(huán)形結(jié)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(jié)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(jié)激光器的尾纖進(jìn)行連接。
[0018]基于摻鉺微納光纖的環(huán)形結(jié)激光器載制作時(shí):
[0019]選取一塊摻鉺塊狀玻璃，借用藍(lán)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(shè)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(jié)；
[0020]選取兩段單模光纖，每個(gè)單模光纖的一端制作為拉錐形與環(huán)形結(jié)相連接，接入方法為熔接機(jī)直接熔接，每個(gè)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(jié)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(yīng)的輸出激光波長的摻鉺微納光纖的環(huán)形結(jié)激光器作為傳感基元，采用與該待測氣體相適應(yīng)的栗浦源，在該激光器的諧振腔內(nèi)，在產(chǎn)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(shí)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(qū)動(dòng)電壓的大小來實(shí)現(xiàn)對輸出激光波長的調(diào)制，當(dāng)這部分光的波長掃描過待測氣體吸收峰時(shí)，激光器產(chǎn)生的激光能量會(huì)因氣體吸收而產(chǎn)生一定比例的衰減；
[0024]最終激光器輸出激光經(jīng)過波分復(fù)用器的一端輸出并經(jīng)過隔離器后由光電探測器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；
[0025]產(chǎn)生電流信號由負(fù)反饋放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大后進(jìn)入鎖相放大器，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列處理器同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)低頻鋸齒波和一個(gè)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(qū)動(dòng)電壓的大小來實(shí)現(xiàn)對輸出激光波長的調(diào)制；
[0026]通過給鎖相放大器提供一個(gè)激光器高頻正弦波信號二倍頻的參考信號進(jìn)行鎖相解調(diào)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(jìn)行平均處理，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示氣體濃度。
[0027]本發(fā)明的有益效果:
[0028]本發(fā)明中，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(diǎn)，還具有強(qiáng)倏逝場特性;其次，將微納光纖的強(qiáng)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(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了激光輸出與傳感一體化;第三，封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，抗電磁干擾，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，對有毒有害易燃易爆氣體可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線檢測。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明中的ED-MFKL結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明中的ED-MFKL的封裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)截面圖；
[0031]圖3是本發(fā)明中基于摻Er3+微納光纖倏逝場特性的有源氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖中，1-1、環(huán)形結(jié)，1-2、單模光纖，l、980nm栗浦光源(LD)，2、波分復(fù)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?dú)猓?2、圓柱形壓電陶瓷，13、金屬密閉容器，14、尾纖。