一種基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)，包括半導體激光器(1)并依次配合連至光收集與耦合單元(2)和氣體腔室(5)；氣體腔室的后端面設有反射鏡；另設有信號處理單元(3)，信號顯示終端(4)和調(diào)制激光器的驅(qū)動電路；所述的激光器的驅(qū)動電路產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器(1)的電壓信號；能調(diào)制的半導體激光器通過光收集與耦合單元發(fā)射出激光，并進入氣體腔室，由氣體腔室待測氣體吸收并由氣體腔室的后端面反射回調(diào)半導體激光器腔內(nèi)；所述信號處理單元連接半導體激光器中PD產(chǎn)生的光電流并轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)信號處理單元處理，輸出到信號顯示終端。
【專利說明】
-種基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明設及一種光學干設傳感技術(shù)，特別設及一種自混合型氣體吸收傳感技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體光譜學測量可W實現(xiàn)氣體濃度的非接觸定量測量，適用于復雜環(huán)境及有毒、 有害、有腐蝕性氣體檢測。吸收光譜法的測量氣體濃度的原理是當一束光經(jīng)過充滿氣體的 吸收池后，其出射光強會因為氣體分子吸收而衰減即Beer-Lambert定律，通過測量出射光 強大小，并根據(jù)入射光強和氣體吸收截面信息即可獲得氣體濃度大小。同時，結(jié)構(gòu)簡單、緊 湊、穩(wěn)定的自混合干設系統(tǒng)能夠放大氣體吸收信號，能夠獲得高靈敏度氣體吸收信號。自混 合干設是激光器輸出的激光由外界物體反射或散射進入激光腔內(nèi)并發(fā)生干設的現(xiàn)象。由于 反饋光攜帶了外界光程的相位信息，因此激光自混合干設信號頻率、強度能夠及時反映氣 體濃度的信息。在激光自混合干設系統(tǒng)，特別是激光器光源能夠同時作為傳感元件進行傳 感測量，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊降低測量系統(tǒng)成本，并能增強干設信號的信噪比W獲得高靈敏度探 測。
[0003] 目前進行氣體光譜學測量技術(shù)主要采用直接吸收法測量氣體濃度，信號較弱，因 此在遠距離、高靈敏度測量中受限。同時，該方法無法給出待測氣體的長度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是，為避免上述技術(shù)的不足之處，提供一種可一種高信噪比、高靈敏 度、易準直可用于遠距離氣體吸收傳感，具有商業(yè)化的潛在能力并易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的 自混合型氣體吸收傳感技術(shù)，具有較高的靈敏度和測量范圍。
[0005] 為了達到上述目的本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案，一種基于可調(diào)諧半導體激光的自 混合氣體吸收傳感系統(tǒng)，包括半導體激光器(1)并依次配合連至光收集與禪合單元(2)和氣 體腔室(5);氣體腔室(5)的后端面設有反射鏡;另設有信號處理單元(3)，信號顯示終端(4) 和調(diào)制激光器的驅(qū)動電路(6);所述的激光器的驅(qū)動電路(6)產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器（1)的 電壓信號；能調(diào)制的半導體激光器（1)通過光收集與禪合單元(2)發(fā)射出激光，并進入氣體 腔室(5)，由氣體腔室待測氣體吸收并由氣體腔室(5)的后端面反射回調(diào)半導體激光器（1) 腔內(nèi)；所述信號處理單元(3)連接半導體激光器(1)中PD產(chǎn)生的光電流并轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng) 信號處理單元(3)處理，輸出到信號顯示終端。
[0006] 所述的半導體激光器（1)包括符合氣體吸收譜線中屯、波長的半導體激光器，如 1653nmDFB半導體激光器可W作為甲燒氣體探測的光源等。
[0007] 所述的氣體腔室（5)為裝載氣體的腔體結(jié)構(gòu)，所述的腔體結(jié)構(gòu)包括封閉的腔室如 共振腔、微積分腔室等，所述的腔體結(jié)構(gòu)包括開放室的腔室如把任意反射面做反饋的空氣 腔室。
[000引一種基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感方法，基于半導體激光器（1) 自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)，激光器的驅(qū)動電路(6)產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器（1)的電壓信號， W獲得半導體激光器（1)的激光頻率和光強調(diào)制輸出，W達到覆蓋待測氣體吸收線寬的并 能夠獲得自混合干設距離測量信號的目的；能調(diào)制的半導體激光器（1)通過光收集與禪合 單元(2)發(fā)射出激光，進入氣體腔室(5)，由待測氣體吸收并由氣體腔室(5)的端面反射回調(diào) 半導體激光器(1)腔內(nèi)；此時半導體激光器（1)腔內(nèi)的自混合信號攜帶了待測氣體的濃度信 息;所述信號處理單元(3)中的接受半導體激光器(1)中PD產(chǎn)生的光電流并轉(zhuǎn)換為電壓信號 進行處理，最終輸出并由信號接收終端顯示。
[0009] 根據(jù)光譜學的基本原理，每種物質(zhì)都有自己特有的吸收光譜，結(jié)合內(nèi)調(diào)制半導體 激光器的自混合傳感技術(shù)的輸出光強關系式如上述。
[0010] 本發(fā)明有益效果:與已有技術(shù)相比，1)本發(fā)明采用自混合干設技術(shù)，其相對于直接 吸收法氣體測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的測量靈敏度，能夠保證遠距離、高靈敏度的傳感測量。 2)本發(fā)明采用內(nèi)調(diào)制技術(shù)，其相對于直接測量技術(shù)，能夠獲得激光器與待測氣體之間的距 離，能夠提供更多的信息，便于對待測氣體進行數(shù)據(jù)分析。
[0011] 總之，本發(fā)明采用自混合干設技術(shù)測量氣體的濃度信息，其相對于直接吸收法氣 體測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的測量靈敏度，同時能夠獲得激光器與待測氣體之間的距離，能 夠提供更多的信息，便于對待測氣體進行數(shù)據(jù)分析。
【附圖說明】
[0012] 圖1為可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)示意圖；
[0013] 圖2為自混合型氣體吸收傳感器原理。
[0014] 圖中標號：1半導體激光器;2光收集與禪合單元;3信號處理單元;4信號（接收）顯 示終端;5氣體腔室;6激光器的驅(qū)動電路。
【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明提供一種基于氣體直接吸收技術(shù)的自混合干設的氣體探測傳感系統(tǒng)，將待 測氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為光波的幅度、相位、頻率等參數(shù)變化的方法。本發(fā)明是采用氣體直接 吸收與自混合干設原理的傳感器，通過散射光將待測氣體信號反饋回激光器并轉(zhuǎn)換到自混 合干設信號的頻率、幅度變化中去，可實現(xiàn)待測信號的抗干擾和保密性強的傳輸。
[0016] 本發(fā)明基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)如圖1所示，采用半導 體激光器1并配合設置光收集與禪合單元2; -信號處理單元3; -信號顯示終端4; 一氣體腔 室5;-調(diào)制激光器的驅(qū)動電路6構(gòu)成了可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)。
[0017] 半導體激光器1并配合設置光收集與禪合單元2; -信號處理單元3;-信號顯示終 端4; 一氣體腔室5; -調(diào)制激光器的驅(qū)動電路6構(gòu)成了可調(diào)諧半導體激光光譜的自混合氣體 傳感系統(tǒng);所述的激光器的驅(qū)動電路6產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器1的電壓信號，W獲得半導體 激光器1的激光頻率和光強調(diào)制輸出，W達到覆蓋待測氣體吸收線寬的并能夠獲得自混合 干設距離測量信號的目的。調(diào)制的半導體激光器通過光收集與禪合單元即光纖準直器或者 準直透鏡組可整形激光光束并發(fā)射出激光，進入氣體腔室，由待測氣體吸收并由氣體腔室 的端面反射回調(diào)半導體激光器腔內(nèi)。此時半導體激光器腔內(nèi)的自混合信號攜帶了待測氣體 的濃度信息。所述信號處理單元中的接受半導體激光器中PD(光電二極管)產(chǎn)生的光電流并 轉(zhuǎn)換為電壓信號進行處理，最終輸出并由信號接收終端顯示。
[0018] 所述的半導體激光器包括符合氣體吸收譜線中屯、波長的半導體激光器，如 1653nmDFB半導體激光器可W作為甲燒氣體探測的光源等。
[0019] 所述的氣體腔室5為裝載氣體的腔體結(jié)構(gòu)，所述的腔體結(jié)構(gòu)包括封閉的腔室如共 振腔、微積分腔室等，所述的腔體結(jié)構(gòu)包括開放式的腔室如把任意反射面做反饋的空氣腔 室。
[0020] 所述的信號處理單元3包括光電流放大電路和鎖相放大電路，或者簡單的放大電 路與LabVIEW程序結(jié)合W獲得相應的信號等。
[0021] 所述的信號顯示終端4為任意的顯示終端，包括電腦顯示器、手機顯示器等。
[0022] 測甲燒氣體濃度實例：
[0023] 本實例采用可調(diào)諧半導體作為傳感器件測量甲燒氣體的濃度，選用技術(shù)成熟的 165化m的Di^半導體激光器作為傳感光源，在調(diào)制激光器的驅(qū)動電路的驅(qū)動下發(fā)出能被甲 燒氣體吸收，同時反射回激光器內(nèi)的反饋光使激光器產(chǎn)生干設信號，其輸出表達式如下式 所示
[0024] I = I〇(v,t)[l+nsin(wt)][l+me 邱{-2a(v)LeN}cos(2^TL)] (4)
[0025] 自混合干設信號的一次諧波項為自混合測距信號，可W得到待測氣體腔室的長度 Le，干設信號二次諧波項與待測氣體濃度N和氣室長度Le相關其長度一般在10米的量級，通 過鎖相放大獲得二次諧波信號并結(jié)合一次諧波獲得的氣體腔室長度Le可W獲得待測氣體 濃度。
[0026] 自混合型氣體吸收傳感器原理如圖2所示，自混合型氣體吸收傳感系統(tǒng)由在氣體 吸收譜線的半導體激光器和對激光有反射的氣體吸收腔室組成。激光器發(fā)出的激光由氣體 吸收腔室反射進入激光器腔內(nèi)，產(chǎn)生干設。半導體激光器的在無反饋無調(diào)制情況下的光強 和頻率分別是1〇和V0，內(nèi)調(diào)制電流對激光器的光強和頻率調(diào)制幅度為η和vf，Le為氣室的長 度，待測氣體的光譜譜線為α(ν)，α〇光譜吸收譜線強度，V。吸收峰中屯、頻率，Δ V吸收線半寬。 根據(jù)內(nèi)調(diào)制的自混合干設理論結(jié)合Beer-Lambed的吸收定律得到激光器輸出光強I為：
[0027] I = I〇(v,t)[l+nsin(wt)][l+me 邱{-2a(v)LeN}cos(2^TL)] (1)
[002引 v = vo+v 巧 in(wt) (2)
[0029] 式（1)中自混合的強度調(diào)制系數(shù)m在工作條件一定時為比例于反饋強度的常數(shù)，W 為內(nèi)調(diào)制的電流的角頻率。
[0030] -個標準大氣壓下，紅外光譜粒子的碰撞展寬起主要作用，氣體的吸收線型α(ν) 可用歸一化的Lorentz線型來描述，
[0031]
[0032] 式（1)可知，自混合干設信號的一次諧波項為自混合測距信號，可W得到待測氣體 腔室的長度Le，干設信號二次諧波項與待測氣體濃度N和氣室長度Le相關，通過鎖相放大獲 得二次諧波信號并結(jié)合一次諧波獲得的氣體腔室長度Le可W獲得待測氣體濃度。
[0033] 通過上式得到待測氣體腔室的長度Le和待測氣體濃度N?；诳烧{(diào)諧半導體激光 光譜的自混合氣體傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)的自混合干設技術(shù)測速與傳統(tǒng)的干設技術(shù)測速相比有 著更高的靈敏度，結(jié)構(gòu)更加緊湊。采用自混合干設技術(shù)作為氣體探測測量技術(shù)目前是首次 被提出。
【主權(quán)項】
1. 一種基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)，包括半導體激光器（1)并 依次配合連至光收集與耦合單元(2)和氣體腔室(5);氣體腔室(5)的后端面設有反射鏡;另 設有信號處理單元(3)，信號顯示終端(4)和調(diào)制激光器的驅(qū)動電路(6);所述的激光器的驅(qū) 動電路(6)產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器（1)的電壓信號；能調(diào)制的半導體激光器（1)通過光收集 與耦合單元(2)發(fā)射出激光，并進入氣體腔室(5)，由氣體腔室待測氣體吸收并由氣體腔室 (5)的后端面反射回調(diào)半導體激光器(1)腔內(nèi)；所述信號處理單元(3)連接半導體激光器(1) 中ro產(chǎn)生的光電流并轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)信號處理單元(3)處理，輸出到信號顯示終端。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)其特征 是，所述的半導體激光器(1)包括符合氣體吸收譜線中心波長的半導體激光器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)，其特征 是，半導體激光器1653nmDFB半導體激光器作為甲烷氣體探測的光源。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)其特征 是，所述的氣體腔室（5)為裝載氣體的腔體結(jié)構(gòu)，所述的腔體結(jié)構(gòu)包括封閉的腔室如共振 腔、微積分腔室等，所述的腔體結(jié)構(gòu)包括開放室的腔室如把任意反射面做反饋的空氣腔室。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)其特征 是，所述的信號處理單元(3)包括光電流放大電路和鎖相放大電路，或者簡單的放大電路與 LabVIEW程序結(jié)合以獲得相應的信號等。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)其特征 是，所述的信號顯示終端(4)為任意的顯示終端，包括電腦顯示器、手機顯示器等。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的基于可調(diào)諧半導體激光的自混合氣體吸收傳感系統(tǒng)進 行自混合氣體吸收傳感方法，其特征是激光器的驅(qū)動電路(6)產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器(1)的 電壓信號，以獲得半導體激光器(1)的激光頻率和光強調(diào)制輸出，以達到覆蓋待測氣體吸收 線寬的并能夠獲得自混合干涉距離測量信號；能調(diào)制的半導體激光器（1)通過光收集與耦 合單元(2)發(fā)射出激光，進入氣體腔室(5)，由待測氣體吸收并由氣體腔室(5)的端面反射回 調(diào)半導體激光器(1)腔內(nèi)；此時半導體激光器(1)腔內(nèi)的自混合信號攜帶了待測氣體的濃度 信息;所述信號處理單元(3)中的接受半導體激光器（1)中ro產(chǎn)生的光電流并轉(zhuǎn)換為電壓信 號進行處理，最終輸出并由信號接收終端顯示。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的自混合氣體吸收傳感方法，其特征是半導體激光器的在無反 饋無調(diào)制情況下的光強和頻率分別是1〇和vo,內(nèi)調(diào)制電流對激光器的光強和頻率調(diào)制幅度 為η和v f，Le為氣室的長度，待測氣體的光譜譜線為α(ν)，α〇光譜吸收譜線強度，V。吸收峰中 心頻率，Δ ν吸收線半寬。根據(jù)內(nèi)調(diào)制的自混合干涉理論結(jié)合Beer-Lambert的吸收定律得到 激光器輸出光強I為： I = Io(v，t)[ l+nsin(wt) ] [ l+mexp{-2a(v)LeN}cos(23Tvi：L) ] (1) v = vo+Vfsin(wt) (2) 式（1)中自混合的強度調(diào)制系數(shù)m在工作條件一定時為比例于反饋強度的常數(shù)，w為內(nèi) 調(diào)制的電流的角頻率； 一個標準大氣壓下，紅外光譜粒子的碰撞展寬起主要作用，氣體的吸收線型a(v)可用 歸一化的Lorentz線型來描述，式（1)可知，自混合干涉信號的一次諧波項為自混合測距信號，待測氣體腔室的長度 Le，干涉信號二次諧波項與待測氣體濃度N和氣室長度Le相關，通過鎖相放大獲得二次諧波 信號并結(jié)合一次諧波獲得的氣體腔室長度Le獲得待測氣體濃度。
【文檔編號】G01N21/01GK105823755SQ201610215008
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】趙剛, 杜正婷, 劉奕辰, 莫其金, 蔣旭東, 居盼盼, 李宇昕, 呂新杰, 祝世寧
【申請人】南京大學