[实用新型]用于测量多组分气体的多波长激光器

说明书

技术领域

本实用新型属于气体测量和检测技术领域，涉及调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，为一种用于测量多组分气体的多波长激光器。

背景技术

气体的测量和检测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的检测，对工农业生产、人民生活、科学研究和国家安全至关重要。光学式气体检测技术具有许多其他检测技术无法比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大等。激光具有的高单色性、方向性和高强度，使其成为气体探测的理想工具，近年来迅速发展的调谐半导体激光吸收光谱技术为气体检测提供了相当高的检测精度，已经在工业生产、环境保护等领域表现出广泛的应用前景。TDLAS技术是利用改变半导体激光的驱动电流实现激光波长的快速调谐，通过对目标气体的吸收线的连续扫描来实现气体浓度的快速检测。发明人张国林提出了一种基于半导体激光器注入电流直接调制的对数二次谐波技术的激光气体遥测方法，参见现有技术1：张国林，“激光气体遥测的方法和装置”，专利号ZL200710133945.0。在该技术中，采用注入电流直接调制的半导体激光器作为发射光源，发射和接收光学系统采用收发同轴结构，采用对数二次谐波探测技术对气体吸收信号进行探测和处理，具有测量信噪比高，结构简单、体积小巧，便于便携式应用的特点，提供了一种具有高稳定度、高灵敏度的适合便携式应用的激光气体遥方法和测装置。但遗憾的是，现有调谐半导体激光器的电流调谐范围十分有限，一个激光器的调谐范围很难覆盖不同气体的吸收谱线，一般一个激光器只能测一种气体。

因此，在检测系统中多种待测气体需要对应多个不同波长的半导体激光器，多组分气体检测就涉及到如何将多个波长不同激光器复用到同一检测光路中形成多波长激光光源，以实现多气体快速检测的问题。许多工作者开展了相关的研究，并提出了多种实现方法。现有技术2：陈东，刘文清，张玉钧，“调谐半导体激光光谱分时扫描多路方法”，光子学报，第38卷第8期中，提出了一种基于多激光分时扫描的激光时分多路方法，该方法先通过光纤耦合器将两个半导体激光器的输出光束复用同一个光路中，然后通过对两个激光器输出波长的分时扫描，在一个系统周期内实现多组分气体的准同时快速检测。但是，该技术采用光纤耦合器进行激光器复用，损失了50％的激光功率，如果复用更多的激光器，功率损失更大，极大降低了气体检测的信噪比和灵敏度。

在先技术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等人采用时分多路技术，利用机械振镜将多束检测激光顺序导入到检测光路，实现了对多种大气痕量气体成分的分时顺序检测。此方法在原理上较为简单，但机械振镜的速度较慢，在数毫秒量级，而且抗干扰能力较差，因此存在检测实时性差和稳定性差的问题。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：现有通过调谐半导体激光吸收光谱技术对气体的测量和检测中，一个激光器的调谐范围很难覆盖不同气体的吸收谱线，一般一个激光器只能测一种气体，已有的能够实现激光器复用的技术，激光功率损耗大，或复用中激光转换速度慢，抗干扰能力差。

本实用新型的技术方案为：用于测量多组分气体的多波长激光器，包括至少两个半导体激光器、高速光纤复用器和输出光纤准直器，每个半导体激光器对应连接一个激光电流温度控制器，所有半导体激光器的输出尾纤分别和高速光纤复用器的输入端口光纤相连；高速光纤复用器包括透镜光纤阵列、电光光束偏转器、电光光束偏转驱动控制器和光纤准直器，高速光纤复用器的输入端口光纤连接透镜光纤阵列，透镜光纤阵列、电光光束偏转器和光纤准直器依次连接，电光光束偏转驱动控制器连接电光光束偏转器，光纤准直器的输出和输出光纤准直器相连；其中电光光束偏转器输入端为多路光源，输出端为一路光源，且为准直光；输出光纤准直器的出射光为平行光。

半导体激光器的线宽小于待测气体的吸收峰宽度的1/10，其波长扫描范围大于待测气体的吸收峰宽度。

优选半导体激光器为光纤耦合输出的分布反馈DFB半导体激光器或分布布拉格反射DBR半导体激光器。