[發明專利]用于測量多組分氣體的多波長激光器及其測量方法

無效

• 申請號: 201010103750.3
• 申請日: 2010-01-29
• 公開（公告）號: CN101793822A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 張國林;蔡圣聞
• 申請（專利權）人: 南京樹聲科技有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;H04Q11/04
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 黃明哲

技術領域

本發明屬于氣體測量和檢測技術領域，涉及調諧半導體激光吸收光譜技術(TunableDiode?Laser?Absorption?Spectroscopy，TDLAS)，為一種用于測量多組分氣體的多波長激光器及其測量方法。

背景技術

氣體的測量和檢測，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的檢測，對工農業生產、人民生活、科學研究和國家安全至關重要。光學式氣體檢測技術具有許多其他檢測技術無法比擬的優點，如靈敏度高、響應速度快、動態范圍大等。激光具有的高單色性、方向性和高強度，使其成為氣體探測的理想工具，近年來迅速發展的調諧半導體激光吸收光譜技術為氣體檢測提供了相當高的檢測精度，已經在工業生產、環境保護等領域表現出廣泛的應用前景。TDLAS技術是利用改變半導體激光的驅動電流實現激光波長的快速調諧，通過對目標氣體的吸收線的連續掃描來實現氣體濃度的快速檢測。發明人張國林提出了一種基于半導體激光器注入電流直接調制的對數二次諧波技術的激光氣體遙測方法，參見現有技術1：張國林，“激光氣體遙測的方法和裝置”，專利號ZL200710133945.0。在該技術中，采用注入電流直接調制的半導體激光器作為發射光源，發射和接收光學系統采用收發同軸結構，采用對數二次諧波探測技術對氣體吸收信號進行探測和處理，具有測量信噪比高，結構簡單、體積小巧，便于便攜式應用的特點，提供了一種具有高穩定度、高靈敏度的適合便攜式應用的激光氣體遙方法和測裝置。但遺憾的是，現有調諧半導體激光器的電流調諧范圍十分有限，一個激光器的調諧范圍很難覆蓋不同氣體的吸收譜線，一般一個激光器只能測一種氣體。

因此，在檢測系統中多種待測氣體需要對應多個不同波長的半導體激光器，多組分氣體檢測就涉及到如何將多個波長不同激光器復用到同一檢測光路中形成多波長激光光源，以實現多氣體快速檢測的問題。許多工作者開展了相關的研究，并提出了多種實現方法。現有技術2：陳東，劉文清，張玉鈞，“調諧半導體激光光譜分時掃描多路方法”，光子學報，第38卷第8期中，提出了一種基于多激光分時掃描的激光時分多路方法，該方法先通過光纖耦合器將兩個半導體激光器的輸出光束復用同一個光路中，然后通過對兩個激光器輸出波長的分時掃描，在一個系統周期內實現多組分氣體的準同時快速檢測。但是，該技術采用光纖耦合器進行激光器復用，損失了50％的激光功率，如果復用更多的激光器，功率損失更大，極大降低了氣體檢測的信噪比和靈敏度。

在先技術3：KORMANNR，FISCHER，et?al.Application?of?a?multi-laser?tunablediode?laser?absorption?spectrometer?for?atmospheric?trace?gas?measurements?at?sub-ppbvlevels，[J].Spec?rochimica?Acta?A，2002，58，其中，KORMANNR等人采用時分多路技術，利用機械振鏡將多束檢測激光順序導入到檢測光路，實現了對多種大氣痕量氣體成分的分時順序檢測。此方法在原理上較為簡單，但機械振鏡的速度較慢，在數毫秒量級，而且抗干擾能力較差，因此存在檢測實時性差和穩定性差的問題。

發明內容

本發明要解決的問題是：現有通過調諧半導體激光吸收光譜技術對氣體的測量和檢測中，一個激光器的調諧范圍很難覆蓋不同氣體的吸收譜線，一般一個激光器只能測一種氣體，已有的能夠實現激光器復用的技術，激光功率損耗大，或復用中激光轉換速度慢，抗干擾能力差。

本發明的技術方案為：用于測量多組分氣體的多波長激光器，包括至少兩個半導體激光器、高速光纖復用器和輸出光纖準直器，每個半導體激光器對應連接一個激光電流溫度控制器，所有半導體激光器的輸出尾纖分別和高速光纖復用器的輸入端口光纖相連；高速光纖復用器包括透鏡光纖陣列、電光光束偏轉器、電光光束偏轉驅動控制器和光纖準直器，高速光纖復用器的輸入端口光纖連接透鏡光纖陣列，透鏡光纖陣列、電光光束偏轉器和光纖準直器依次連接，電光光束偏轉驅動控制器連接電光光束偏轉器，光纖準直器的輸出和輸出光纖準直器相連；其中電光光束偏轉器輸入端為多路光源，輸出端為一路光源，且為準直光；輸出光纖準直器的出射光為平行光。

半導體激光器的線寬小于待測氣體的吸收峰寬度的1/10，其波長掃描范圍大于待測氣體的吸收峰寬度。

優選半導體激光器為光纖耦合輸出的分布反饋DFB半導體激光器或分布布拉格反射DBR半導體激光器。