[发明专利]带有饱和吸收光纤的环形腔内腔光纤激光器气体检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，特别涉及一种用于实现气体浓度测量的带有饱和吸收光纤的环形腔内腔光纤激光器气体检测系统和方法。

背景技术

激光由于其高单色性（窄谱线）、高亮度和高方向性等独特的优越性而在现代光谱学中占有重要地位，发展成为新的激光光谱技术学科，已在现代农业及环境学、生物及医疗学、物理、化学及材料学和天体物理学等各种研究和工业过程监测中起到了重大应用价值。

激光用于气体检测在环境检测和分析以及各种工业过程控制等方面具有重要应用价值。很多气体都有其特征谱线，因此利用激光窄线宽的特点可以检测某些特定的气体的含量。激光用于气体检测常用的方法之一就是把激光的发射波长调节或锁定在气体的特征吸收谱线上，让激光通过该气体腔，通过测量该激光通过气体腔后的衰减而测定该气体的含量。这种测试方法具有原理直观，结构简单的优点，然而由于一般光源的谱线宽度较宽，而某些气体的吸收谱线非常窄，因而经过气室后引起的光功率变化不明显，导致测量灵敏度不会很高，受到一定的限制，尤其是对微含量的气体检测比较困难。

传统的差分吸收法是基于共光路的二束光通过同一被测气体腔。其中一路激光的输出波长λ₁与气体的特征吸收谱线相同。而相邻的另一激光输出波长λ₂选择靠近被测气体的吸收谱线，但不在其吸收谱线上，用于作为参考光以消除光路中光强的不稳定性。但这种测量方案并不能消除由于检测光λ₁的波长不稳定带来的测量误差，而这种误差在实际测量中是不可忽略的。因此，在现有技术中对差分吸收法进行了改进，常用的改进方法均是通过对激光器λ₁实现稳定电流和稳定温度来实现其稳定波长，但这种方法是被动式的调节的，不能严格消除λ₁的波动，因此改进的效果并不理想。

光纤激光器是近年来迅速发展的新型激光器。光纤激光器由于采用光纤波导作为增益介质，光纤光栅作为反馈镜形成集成化光纤谐振腔，使得它具有结构紧凑小巧、激光线宽窄、光束质量高、激光系统可靠性高、稳定性好、免维修等独特的优越性，已对激光行业产生了巨大的冲击。基于光纤激光器开发现代光谱组成测试分析系统不仅将对激光光谱学发展具有重要意义而且使得光纤激光光谱分析系统更加便携化，方便于现场机动使用。

因此，能否利用光纤激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出等一系列独特的优越性来应用于气体浓度检测领域，是本领域亟待解决的技术问题。由此使得需要一种能利用光纤激光器的优点实现气体浓度测量的方法，同时兼具高灵敏高精度的气体检测方法和系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一种基于饱和吸收光纤的环形腔内腔光纤激光气体检测系统,所述系统包括由依次连接的泵浦源、波分复用器、第一有源光纤、第一耦合器、布拉格光纤光栅和第二耦合器构成的环形光纤激光器；光隔离器，耦合连接在所述第一有源光纤和所述第一耦合器之间，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输，其中所述第一耦合器用于将经所述光隔离器隔离后的激光按照一定的功率比例分配为测量光束和强度检测光束；第二有源光栅，连接在所述布拉格光纤光栅和所述第一耦合器之间作为饱和吸收体；检测气室，连接在所述第一耦合器和第二耦合器之间并通入待测气体，并接收来自所述第一耦合器的测量光束并使其通过待测气体后输出给所述第二耦合器；第一光电检测器，连接至所述第一耦合器的输出，以检测所述环形光纤激光器输出的激光强度生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第二耦合器的输出，接收经过检测气室的检测光束，生成第二光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号和第二光强度信号，并生成反馈信号调节所述泵浦源和布拉格光纤光栅。

优选地，所述测量光束和强度检测光束的功率之比为98:2。

优选地，所述反馈控制单元的反馈控制方法包括如下步骤：a）判断所述光纤激光器的输出是否稳定，若不稳定，输出第一反馈控制信号调节所述泵浦源的功率输出直至稳定；b）判断所述光纤激光器输出的信号模式的波长范围是否覆盖待测气体的特征谱线，若不覆盖，则输出第二反馈控制信号调节所述布拉格光纤光栅的反射率直至覆盖；c）比较所述第二光强度信号和所述反馈控制单元保存的参考信号，得到待测气体的浓度变化结果。

优选地，所述步骤b）中通过比较所述第二光强度信号的信号强度值是否显著小于第一光强度信号的信号强度来判断是否覆盖。

优选地，所述步骤c）中若当前测量的第一光强度信号的强度值大于所保存的参考信号的信号强度值，则所检测气体的浓度下降；若小于，所检测气体浓度增大。