[發(fā)明專利]采用氣體參考腔反饋補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310479226.X
• 申請(qǐng)日: 2013-10-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103499545A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 駱飛;祝連慶;董明利;何巍;張蔭民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京信息科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/31
• 分類號(hào): G01N21/31
• 代理公司: 北京律恒立業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11416
• 代理人: 顧珊;蔡艷園

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖激光器領(lǐng)域，特別涉及一種用于實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量的、采用參考腔主動(dòng)反饋補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

每種氣體分子都有自己的特征吸收譜，因此當(dāng)光源的發(fā)射譜與氣體吸收譜重疊時(shí)，可以利用由窄帶光源或激光光源發(fā)出的光通過(guò)測(cè)量氣體，通過(guò)對(duì)透射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定氣體的濃度。由于一般光源的譜線寬度較寬，而某些氣體的吸收譜線非常窄，因而經(jīng)過(guò)氣室后引起的光功率變化不明顯，導(dǎo)致測(cè)量靈敏度不會(huì)很高。而激光光源具有較窄的輸出譜線，適合對(duì)對(duì)多種氣體進(jìn)行測(cè)量。

激光由于其高單色性（窄譜線）、高亮度和高方向性等獨(dú)特的優(yōu)越性而在現(xiàn)代光譜學(xué)中占有重要地位，發(fā)展成為新的激光光譜技術(shù)學(xué)科，已在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及環(huán)境學(xué)、生物及醫(yī)療學(xué)、物理、化學(xué)及材料學(xué)和天體物理學(xué)等各種研究和工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)中起到了重大應(yīng)用價(jià)值。

激光用于氣體檢測(cè)在環(huán)境檢測(cè)和分析以及各種工業(yè)過(guò)程控制等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。每種氣體分子都有其特征吸收譜線，因此利用激光窄線寬的特點(diǎn)可以檢測(cè)某些特定的氣體的含量。激光用于氣體檢測(cè)常用的方法之一就是把激光的發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)節(jié)或鎖定在氣體的特征吸收譜線上，讓激光通過(guò)該氣體腔，通過(guò)測(cè)量該激光通過(guò)氣體腔后的衰減而測(cè)定該氣體的含量。這種測(cè)試方法具有原理直觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，然而由于一般光源的譜線寬度較寬，而某些氣體的吸收譜線非常窄，因而經(jīng)過(guò)氣室后引起的光功率變化不明顯，導(dǎo)致測(cè)量靈敏度不會(huì)很高，受到一定的限制，尤其是對(duì)微含量的氣體檢測(cè)比較困難。

傳統(tǒng)的差分吸收法是基于共光路的二束光通過(guò)同一被測(cè)氣體腔。其中一路激光的輸出波長(zhǎng)與氣體的特征吸收譜線相同。而相鄰的另一激光輸出波長(zhǎng)選擇靠近被測(cè)氣體的吸收譜線，但不在其吸收譜線上，用于作為參考光以消除光路中光強(qiáng)的不穩(wěn)定性。但這種測(cè)量方案并不能消除由于檢測(cè)光的波長(zhǎng)不穩(wěn)定帶來(lái)的測(cè)量誤差，而這種誤差在實(shí)際測(cè)量中是不可忽略的。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)差分吸收法進(jìn)行了改進(jìn)，常用的改進(jìn)方法均是通過(guò)對(duì)激光器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電流和穩(wěn)定溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定波長(zhǎng)，但這種方法是被動(dòng)式的調(diào)節(jié)的，不能嚴(yán)格消除激光器的波動(dòng)，因此改進(jìn)的效果并不理想。

基于激光器開(kāi)發(fā)現(xiàn)代光譜組成測(cè)試分析系統(tǒng)不僅將對(duì)激光光譜學(xué)發(fā)展具有重要意義而且使得激光光譜分析系統(tǒng)更加便攜化，方便于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)使用。因此，能否利用激光器的結(jié)構(gòu)緊湊、可發(fā)射窄譜線激光輸出等一系列獨(dú)特的優(yōu)越性來(lái)應(yīng)用于氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。由此使得需要一種能利用激光器的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量的方法，同時(shí)兼具高靈敏高精度的氣體檢測(cè)方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種采用氣體參考腔補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體激光器氣體檢測(cè)系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括發(fā)出作為檢測(cè)光束的第一波長(zhǎng)光束的第一光源、發(fā)出作為參考光束的與所述第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)光束的第二光源,所述檢測(cè)光束的第一波長(zhǎng)與待測(cè)氣體的特征吸收譜線相同；與所述第一光源和第二光源連接的第一波分復(fù)用器，用于將載有不同波長(zhǎng)的第一光束和第二光束的光信號(hào)合成一束進(jìn)行輸出；與所述第一波分復(fù)用器連接的寬帶耦合器，所述寬帶耦合器用于將經(jīng)所述第一波分復(fù)用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成兩路輸出；參考?xì)馐?，通入與待測(cè)氣體成分一致且濃度已知的參考?xì)怏w，并接收來(lái)自所述寬帶耦合器分配的第一路輸出光束并使其通過(guò)參考?xì)怏w；檢測(cè)氣室，通入待測(cè)氣體，并接收來(lái)自所述寬帶耦合器分配的第二路輸出光束并使其通過(guò)待測(cè)氣體；連接所述參考?xì)馐业牡诙ǚ謴?fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述參考?xì)馐业墓馐凑账龅谝徊ㄩL(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束；連接所述檢測(cè)氣室的第三波分復(fù)用器，用于將經(jīng)過(guò)所述檢測(cè)氣室的光束按照所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)進(jìn)行分束；第一光電檢測(cè)器，連接至所述第二波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第一光強(qiáng)度信號(hào)；第二光電檢測(cè)器，連接至所述第二波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第二光強(qiáng)度信號(hào)；第三光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第一波長(zhǎng)的光束，生成第三光強(qiáng)度信號(hào)；第四光電檢測(cè)器，連接至所述第三波分復(fù)用器，接收經(jīng)過(guò)分束的第二波長(zhǎng)的光束，生成第四光強(qiáng)度信號(hào)；反饋控制單元，接收所述第一光強(qiáng)度信號(hào)、第二光強(qiáng)度信號(hào)、第三光強(qiáng)度信號(hào)和第四光強(qiáng)度信號(hào)并進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)調(diào)節(jié)所述第一和第二光源。

優(yōu)選地，所述寬帶耦合器按照1:1的功率比例分配兩路輸出。