[發明專利]一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 202210266936.3
• 申請日: 2022-03-17
• 公開（公告）號: CN114577752A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 毛雪峰;紀笑嚴
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/17
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 廖曦

1.一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置，其特征在于：該裝置包括：傳感激光光源(1)、環形器(2)、鍍膜的單模光纖(3)、波分復用器(4)、光子帶隙光纖氣體池(5)、光纖反射鏡(6)、激勵激光光源(7)、隔離器(8)、光電探測器(9)、耦合器(10)、信號采集與處理電路(11)和計算機(12)；

其中，所述傳感激光光源(1)與環形器(2)相連接；

環形器(2)分別與鍍膜的單模光纖(3)和光電探測器(9)相連接；

波分復用器(4)分別與環形器(2)、鍍膜的單模光纖(3)和光子帶隙光纖氣體池(5)相連接；

激勵激光光源(7)分別與隔離器(8)、耦合器(10)、濾波器(13)和環形器(2)相連接；

光子帶隙光纖氣體池(5)與光纖反射鏡(6)相連接；

光電探測器(9)與信號采集與處理電路(11)相連接；

信號采集與處理電路(11)與計算機(12)相連接；

耦合器(10)與光電探測器(9)相連接；

信號采集與處理電路分別與傳感激光光源(1)和濾波器(13)相連接；

信號采集與處理電路(11)對激勵激光光源(7)進行波長調制，同時對傳感激光光源(1)進行光頻調制，光頻調制的傳感激光將會在光纖反射鏡(6)與鍍膜的單模光纖(3)構成的F-P腔內產生相位載波，激勵激光和傳感激光通過波分復用器(4)進入光子帶隙光纖氣體池(5)，激勵激光(2)激發光子帶隙光纖氣體池(5)中的待測氣體，光子帶隙光纖內的折射率和相位隨激勵光源調制頻率變化，攜帶變化信息的傳感激光通過光電探測器(9)轉換，再被信號采集與處理電路(11)將采集到的信號傳輸給計算機(12)，計算機通過相位生成載波PGC解調方法解調出待測信號，實現對微量氣體的高靈敏探測。

2.根據權利要求1所述的一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置，其特征在于：所述光纖反射鏡(6)是法拉第旋鏡，構成F-P腔的一個全反射面，利用法拉第旋轉鏡的目的是消除偏振衰落對干涉對比度的影響。

3.根據權利要求1所述的一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置，其特征在于：所述鍍膜的單模光纖(3)是在環形器(2)的單模光纖斷面上鍍半透半反TiO2膜，然后再將這個鍍膜的單模光纖(3)和波分復用器(4)的輸入端單模光纖進行熔融連接；

在光子帶隙光纖氣體池(5)在光纖反射鏡(6)和鍍膜的單模光纖(3)構成的光纖F-P腔內，光子帶隙光纖氣體池(5)與波分復用器(4)和光纖反射鏡(6)采用熔融的連接方式。

4.根據權利要求1所述的一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置，其特征在于：所述傳感激光光源(1)是波長可調諧的分布反饋DFB半導體激光器，通過波長調制方式在光纖F-P腔內實現相位載波；

所述激勵激光光源(7)是波長可調諧激光器；

激勵激光從波分復用器(4)傳輸到光子帶隙光纖氣體池(5)，經光纖反射鏡(6)反射回去，后經環形器返回到環形腔的光學回路中；

激勵激光光源(7)、隔離器(8)、耦合器(10)、濾波器(13)、環形器(2)、波分復用器(4)、光子帶隙光纖氣體池(5)和光纖反射鏡(6)共同組成環形腔。

5.根據權利要求4所述的一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置，其特征在于：所述隔離器(8)為光纖隔離器，保證激光在光路中是單行傳輸的。

6.根據權利要求4所述的一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置，其特征在于：所述濾波器(13)是帶通濾波器，作為選頻元件對輸出的激光波長進行選擇。

7.根據權利要求4所述的一種全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測裝置，其特征在于：所述耦合器(10)將一部分光輸出到光電探測器(9)，一部分繼續在光路中繼續振蕩，形成光學回路。

8.基于權利要求1～7中任一項所述裝置的全光纖激光內腔式光熱光譜的檢測方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

首先，信號采集與處理電路(11)接收計算機(12)的控制指令后，輸出兩路調制信號，一路調制信號輸入到傳感激光光源(1)實現對激勵激光波長的調制，另一路調制信號輸入到激勵激光光源(7)實現對激勵激光波長的調制和掃描；

同時，信號采集與處理電路(11)輸出另一路固定頻率的正弦信號作用到傳感激光光源(1)上，實現對傳感激光的頻率調制；激勵激光和傳感激光同時通過波分復用器(4)進入光子帶隙光纖氣體池(5)；傳感激光光源(1)發出的激光經波分復用器(4)入射到光子帶隙光纖氣體池(5)，激光在光子帶隙光纖氣體池(5)的沿徑向方向傳播；光子帶隙光纖氣體池(5)上有孔隙，氣體通過擴散的方式進入到光子帶隙光纖氣體池(5)中；光子帶隙光纖氣體池(5)中的待測氣體分子吸收光能后，部分分子被激勵到激發態，經過無輻射躍遷后回到基態，分子的能量以平動能的形式轉換為氣體的周期性溫度變化，使光子帶隙光纖氣體池(5)中產生光熱信號，引起相位的變化；激勵激光光源(7)發射出激勵激光經隔離器(8)、耦合器(10)、濾波器(13)、環形器(2)、波分復用器(4)、光子帶隙光纖氣體池(5)和光纖反射鏡(6)形成光學回路；

光電探測器(9)將探測的相位變化信號轉換為電信號后輸入到信號采集與處理電路(11)的信號輸入端，通過提取二次諧波信號的峰值，反演出待測微量氣體的濃度，最后在計算機(12)上顯示測量值。