采用气体参考腔反馈补偿的半导体激光器气体检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统,所述系统包括发出不同波长光束的第一光源和第二光源和与其连接的第一波分复用器，将载有不同波长的光束合成一束并输出到宽带耦合器进行功率分束，分束后的光束分别通入到参考气室和检测气室，连接参考气室的第二波分复用器以及连接检测气室的第三波分复用器，用于将经过参考气室和检测气室的光束按照所述波长不同进行分束；第一和第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器；第三和第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，生成第一至第四光强度信号；反馈控制单元，接收第一至第四光强度信号，并将比较结果作为反馈信号调节第一和第二光源。
【专利说明】采用气体参考腔反馈补偿的半导体激光器气体检测系统【技术领域】[0001]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、采用参考 腔主动反馈补偿的半导体激光器气体检测系统和方法。【背景技术】[0002]每种气体分子都有自己的特征吸收谱，因此当光源的发射谱与气体吸收谱重叠 时，可以利用由窄带光源或激光光源发出的光通过测量气体，通过对透射光强进行测量来 确定气体的浓度。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。而激光光源具有较窄的输出 谱线，适合对对多种气体进行测量。[0003]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。[0004]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。每种气体分子都有其特征吸收谱线，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。[0005]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 输出波长与气体的特征吸收谱线相同。而相邻的另一激光输出波长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 消除激光器的波动，因此改进的效果并不理想。[0006]基于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】
[0007]本发明的目的在于提供一种采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统， 所述系统包括发出作为检测光束的第一波长光束的第一光源、发出作为参考光束的与所述第一波长不同的第二波长光束的第二光源，所述检测光束的第一波长与待测气体的特征 吸收谱线相同；与所述第一光源和第二光源连接的第一波分复用器，用于将载有不同波长 的第一光束和第二光束的光信号合成一束进行输出；与所述第一波分复用器连接的宽带耦 合器，所述宽带耦合器用于将经所述第一波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分 配后分成两路输出；参考气室，通入与待测气体成分一致且浓度已知的参考气体，并接收来 自所述宽带耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体， 并接收来自所述宽带耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；连接所述参考气 室的第二波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行 分束；连接所述检测气室的第三波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第 一波长和第二波长进行分束；第一光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束 的第一波长的光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器， 接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述第三 波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；第四光电检测器，连 接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；反馈控 制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并 进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述第一和第二光源。[0008]优选地，所述宽带耦合器按照1:1的功率比例分配两路输出。[0009]优选地，反馈控制单元的反馈控制方法包括如下步骤:a)判断所述第一光源和第 二光源的输出是否稳定，若不稳定，输出反馈控制信号调节所述光源的功率输出直至稳定；b)判断所述第一光源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，则输出反馈控制信号调节所述第一光源的输出波长直至覆盖；c)判断所述第二光强度 信号和第四光强度信号的信号强度是否有差异，若有则将所述差异信号用于第一光强度信 号和第三光强度信号的补偿；d)比较所述第一光强度信号和第三光强度信号的信号强度， 得到待测气体与参考气体的浓度大小关系。[0010]优选地，所述步骤b)中通过比较所述第一或第三光强度信号的信号强度值是否显 著小于第二或第四光强度信号的信号强度来判断是否覆盖。[0011]优选地，所述第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器是1X2的波分复用器。[0012]优选地，所述第一光源和第二光源为分布反馈式半导体激光器。[0013]优选地，所述系统还包括球面透镜，用于分别将所述光束耦合进入参考气室和检 测气室并耦合出射。[0014]优选地，所述检测气室包括用于在测量前通入待检测气体的气体入口和排出气体 的气体出口。[0015]优选地，所述第二波长靠近被测气体的吸收谱线，但其波长与所述第一波长相隔一段距离。[0016]优选地，所述宽带耦合器为尾纤为1X2的宽带耦合器。[0017]根据本发明的气体检测系统可以利用激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出 的独特优越性来应用于气体浓度检测领域，同时利用了反馈调节实现了高灵敏高精度的气 体检测方法，并消除了由于测量环境的漂移产生的测量误差。该方法和系统不仅仅局限于对气体含量的高灵敏度检测，也可容易地推广到对其它物质材料的高灵敏度检测和材料分 析中。[0018]应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当 用作对本发明所要求保护内容的限制。【专利附图】
【附图说明】[0019]参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下 描述得以阐明，其中:[0020]图1示出了根据本发明的采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统的 结构示意图；[0021]图2示意性示出根据本发明的反馈控制单元的反馈控制方法的流程图；[0022]图3示出了本发明的反馈调节激光器输出波长漂移的反馈的原理示意图。【具体实施方式】[0023]在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同 或类似的部件，或者相同或类似的步骤。[0024]通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方 法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来 对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。[0025]针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示 器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限 制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。[0026]本发明提供了一种具有主动修正和主动稳频功能的半导体激光器测量气体浓度 的系统和方法，通过引入一个标准腔，在该标准腔内充有与被测气体相同的气体，并已知其 浓度，并完全密封。利用半导体激光器输出的激光，使其耦合后分别经过被测气体腔和标准 腔，从标准腔输出的信号一方面用于与对被测腔的输出进行比对进行主动修正，另一方面 可用于对检测光的波长进行主动稳频。该系统消除了光强波动和外界干扰对测量所造成的 干扰，实现了对被检测气体的精确测量。根据本发明的气体检测系统特别适合于某些特定 场合的微量气体含量的阈值检测，从而实现气体安全报警。[0027]本发明充分利用半导体激光器可发射窄谱线激光输出等一系列独特的优越性，实 现了具有高灵敏高精度的气体检测方法和系统，该方法和系统不仅仅局限于对气体含量的 高灵敏度检测，也可容易地推广到对其它物质材料的高灵敏度检测和材料分析中。[0028]常用的光谱吸收检测满足比尔-朗伯定律:[0029]I ( λ ) =10 ( λ ) exp [- α ( λ ) CL] (I)[0030]其中，I为光通过被检测介质后的透射光强，10为输入到被测介质的光强，α为摩 尔分子吸收系数，C是被测介质的浓度，L为被测气体吸收路径的长度。一般已知入射光的 光强Itl，该被测气体在其特征谱线的吸收系数α，以及用于对被测气体进行测量的气体采 样腔的长度L，则通过测量该特定波长的激光通过气体吸收腔后的光信号衰减就可以测量 出该气体的浓度C。[0031 ] 而一般光在传输光路中都会有各种干扰因素，如光路振动、激光输出波长的不稳定等各种因素。都会严重干扰实际测量结果，考虑到这些因素的影响，光谱吸收检测的原理可修正为:[0032]I ( λ ) =10( λ )K( λ ) exp [- a ( λ ) CL+ β ( λ ) ] (2)[0033]其中Κ(λ)为光源和光源传输路径的波动，β (λ)为由于激光光谱波动而引起的测量不确定性，因而采用通常的吸收法测量气体浓度就是如何有效减少Κ(λ)和β (λ)对测量的影响。[0034]根据本发明的系统将激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准，通过测量光经过气体时的损耗就可以检测气体的浓度。由于气体的吸收峰很窄，光源波长随环境(温度，驱动电流等)的漂移将引起光源中心波长偏离气体吸收峰中心波长，被测气体本身吸收系数也可能随温度等发送变化，因而也导致测量的不稳定。因此需要将光源波长精确地稳定在气体吸收峰中心波长上，波长的稳定可用根据下图所示的本发明的光源稳频和附加参考气室的方法来实现。图1是本发明的系统结构示意图。[0035]图1示出了根据本发明的采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统。根据本发明的气体检测系统100包括发射不同波长的光的第一光源101和第二光源102,第一光源101和第二光源102输出的光经过第一波分复用器103，再经过宽带耦合器104分光后输入到参考气室105和检测气室106，参考气室105和检测气室106分别连接第二波分复用器107和第三波分复用器108，经第二波分复用器107输出的光分别输入到第一光电检测器109和第二光电检测器110,经第三波分复用器108输出的光分别输入到第三光电检测器111和第四光电检测器112，将光信号转化为电信号用于分别检测经过各个气室后的光信号强度。第一光电检测器109、第二光电检测器110、第三光电检测器111和第四光电检测器112的输出端连接至反馈控制单元113，经过反馈调节控制后输入到第一光源101 从而对第一光源101进行反馈控制，并通过计算得到气体浓度检测的结果。[0036]第一光源101和第二光源102优选为半导体激光器，更优选为分布反馈式(DFB) 半导体激光器。第一光源101发出第一波长为λ I的第一光束作为检测光束,第二光源102 发出第二波长为λ 2的第二光束作为参考光束。第一波长λ if同于第二波长λ2。检测光束的第一波长λ工与待测气体的特征吸收谱线相同，而参考光束的第二波长λ 2靠近被测气体的吸收谱线，但其波长与其吸收谱线相隔一段距离。根据本发明的一个实施例，当待测气体为甲烷气体时，其特征吸收谱线为1.3 μ m，此时第一光束的第一波长X1S 1.3 μ m，而第二光束的第二波长λ 2为1.5 μ m,与第一波长λ ?间隔0.2 μ m。[0037]第一光源101和第二光源102共同输出到第一波分复用器(WDM) 103,从而将载有信息但波长不同的第一光束和第二光束的光信号合成一束进行输出。第一波分复用器103 的工作波长选择为覆盖第一光束和第二光束的波长并与之相同。根据上文的实施例，当待测气体为甲烷气体时，波分复用器103的工作波长可以是1310/1550nm附近。第一波分复用器103优选是1X2的波分复用器，即允许两路不同波长的光在同一光路中传输。[0038]通过第一波分复用器103合并后的光信号输出到宽带耦合器(Coupler)104，通过宽带耦合器104进行分束后分成两路输出，分别输出到其后连接的检测气室105和参考气室106中。宽带耦合器104的带宽应覆盖从第一光束的第一波长到第二光束的第二波长。 例如，在上文的实施例中，当第一光束的第一 波长A1S 1.3 μπι，而第二光束的第二波长入2为1.5 μ m时，宽带耦合器104的带宽覆盖优选为从1.3 μ m到1.5 μ m。宽带耦合器104优 选为尾纤为1X2的览带稱合器。[0039]宽带耦合器104连接有参考气室105和检测气室106，将包含不同波长信号的光束 根据功率大小进行分光后分别输入到参考气室105和检测气室106中进行对比检测。宽带 耦合器106按照一定的功率分光比例将输入光束分为二束光，即参考光束A和检测光束B。 宽带耦合器106的分光比可按需要来选择。根据本发明的一个优选实施例，由于要求经过 参考气室105和检测气室106的光束是一致的，因此经过这两个气室的光束功率是一致的。 根据本发明，优选的输出激光功率分配比例为二等分，即参考光束:测量光束(即分别为图 中所示光束A和B)的功率之比为1:1。[0040]然后，利用球面透镜105a和106a分别将分光后的两束光A和B分别耦合进入参 考气室105和检测气室106。然后再分别经过球面透镜105b和106b耦合出射。参考气室 105主要用于波长修正。在实际的测量中检测气室中可能会发生波长漂移，发生漂移的原因 可能是由于光源的波长漂移，传输路径的损耗变化(如有时传输路径可达几公里)，气室中 光学元件漂移等。检测气室106用来通入待检测的气体，检测气室106包括用于在测量前 通入待检测气体的气体入口 106c和排出气体的气体出口 106d。在测量的过程中，封闭出气 体入口 108c和气体出口 108d，系统进行静态测量。参考气室105用来判断激光器输出激光 的稳定性。参考气室105通入的参考气体是其气体成分与待测气体成分一致，且其浓度已 知的气体，并在测量时将参考气室105完全密封。[0041]经过参考气室105输出的光束再经过第二波分复用器(WDM)107进行分束，经过检 测气室106输出的光束再经过第三波分复用器(WDM) 108进行分束。第二波分复用器107 和第三波分复用器108用于将载有不同波长信息的光束的光信号按波长的不同进行分束 输出。第二波分复用器107和第三波分复用器108的工作波长选择为覆盖第一光束和第二 光束的波长并与之相同，从而将包含第一波长和第二波长的光束分为波长分别为第一波长 和第二波长的两束光信号。根据上文的实施例，当待测气体为甲烷气体时，第二波分复用器 107和第三波分复用器108的工作波长可以是1310/1550nm附近。第二波分复用器107和 第三波分复用器108优选是1X2的波分复用器，即允许两路不同波长的光在同一光路中传 输。[0042]第一光电检测器109、第二光电检测器110、第三光电检测器111和第四光电检测 器112用于检测输出的光强度信号，将光强度信号转化为电信号进行比较和处理。其中，第 一光电检测器109用于检测经过参考气室105、并经过第二波分复用器107分束后的波长为 第一波长X1的输出的光信号强度，以作为参考气室检测波长信号，即第一光强度信号；第 二光电检测器110用于检测经过参考气室105、并经过第二波分复用器107分束后的波长为 第二波长λ 2的输出的光信号强度，以作为参考气室参考波长信号，即第二光强度信号；第 三光电检测器111用于检测经过检测气室106、并经过第三波分复用器108分束后的波长为 第一波长λ i的输出的光信号强度，以作为检测气室检测波长信号，即第三光强度信号；第 四光电检测器112用于检测经过检测气室108、并经过第三波分复用器108分束后的波长为 第二波长λ 2的输出的光信号强度，以作为检测气室参考波长信号，即第四光强度信号。第 一光强度信号和第三光强度信号作为与所检测气体特征吸收谱线重合的信号以反映待测 气体的浓度，第二光强度信号和第四光强度信号作为未被待测气体吸收的参考信号以反映参考气室和检测气室的测量环境差异，如果参考波长出现偏差，可以在计算中将这个偏差考虑到测量波长的计算中用于补偿，亦可用于调整作为光源的激光器的输出波长，从而消除由于气室环境的干扰而带来的测量误差。[0043]输出的光强度可以通过功率计或光谱仪来检测。四路光强度信号输入到反馈控制单元113进行后续的控制操作。光电检测器优选使用光电二极管来实现，光电检测器的工作波长应覆盖激光器的输出波长。根据本发明的一个优选实施例，光电检测器的工作波长为 800-1700nm，带宽为 1.2GHz,上升时间〈1.0ns0[0044]反馈控制单元113用于接收第一光电检测器109、第二光电检测器110、第三光电检测器111和第四光电检测器112输出的光强度信号，通过对光强度信号进行比较和计算来输出反馈控制调节信号给第一光源101，用于实现反馈控制。反馈控制单元113可以用单片机、集成电路、专用电路或计算机来实现，其控制方法将在下文详述。[0045]图2示出了根据本发明的反馈控制单元113的反馈控制方法的流程图。[0046]在步骤201，读取经第一光电检测器109输出的第一光强度信号、经第二光电检测器110输出的第二光强度信号、经第三光电检测器111输出的第三光强度信号和第四光电检测器112输出的第四光强度信号。第一光强度信号反映了第一光源101输出的激光经过参考气室105后透射输出的光信号强度，作为参考气室的检测信号，第二光强度信号反映了第二光源102输出的激光经过参考气室105后透射输出的光信号强度，作为参考气室的参考信号，第三光强度信号反映了第一光源101输出的激光经过通入待测气体的检测气室 106后透射输出的光信号强度，作为检测气室的检测信号，第四光强度信号反映了第二光源 102输出的激光经过通入待测气体的检测气室106后透射输出的光信号强度，作为检测气室的参考信号。[0047]为了得到精确的测量结果，需要得到稳定且准确的第一、第二、第三和第四光强度信号，因此，首先需要在步骤202判断第一光源101和第二光源102的输出是否是稳定的。 稳定的激光输出通常反映为输出信号产生阶跃的强度信号。在系统刚开始工作时，为了保护系统的需要，通常将光源调节至较小的功率输出，随着光源的输出功率增大，逐渐达到激光器工作阈值，得到稳定的激光输出。当在步骤202判断出激光输出尚不稳定时，进入步骤 203，反馈调节第一光源101和第二光源102的功率输出，例如反馈调节用于逐渐增大光源的输出功率。重复步骤202直至激光器的输出达到稳定，即实现阶跃的输出信号，达到测量所需要的强度。[0048]接着进入步骤204，判断此时第一光源101的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。图3示出了根据本发明的反馈调节激光器的输出波长漂移的原理示意图。如图3所示，待测气体的吸收谱线的中心波长为Xe，激光器输出模式的中心波长为Xu若能够通过气体吸收激光的方式来进行待测气体浓度的检测，需要调节激光器的输出使得激光器输出的中心波长进行漂移，直到完全覆盖待测气体的吸收谱线的中心波长。理想状况下，当Xe和λ ^基本重合时，测量效果达到最佳，即激光器输出的激光完全被参考气体和待测气体吸收，激光在经过参考气室和检测气室后强度显著降低。[0049]第一光源101的激光器输出的信号模式是否覆盖待测气体的特征谱线可以通过比较第一或第三光强度信号与第二光源102发出的未经过气体吸收的第二或第四光强 度信号的强度大小来得到。若第一光源101的激光器输出的信号的中心波长与待测气体的特征谱线中心波长基本重合，则激光被完全吸收，第一或第三光强度信号的信号强度值则会 显著小于未经过气体吸收的第二或第四光强度信号。若波长不重合导致未被吸收，则第一 或第三光强度信号的强度值应与第二或第四光强度信号基本相同，第一或第三光强度信号 经过气室发生的衰减可忽略不计。激光被吸收后相较于未被吸收的光强度衰减的幅度取决 于所测量的气体浓度和吸收谱线的不同。[0050]当通过比较第一或第三光强度信号的强度值与第二或第四光强度信号的强度值 发现第一光源101的激光器输出的信号的中心波长未与待测气体的特征谱线中心波长重 合时，进入步骤205，由反馈控制单元113输出反馈控制信号到第一光源101，从而改变第一 光源101的输出波长，控制激光输出波长进行漂移，直到移动到与待测气体的特征吸收谱 线的中心波长基本重合。然后，进入步骤206。[0051]在步骤206，判断经参考气室105输出的第二光强度信号(即参考气室的参考波长 信号)和经检测气室106输出的第四光强度信号(即检测气室的参考波长信号)的信号强度 是否有差异。若判断出第二光强度信号和第四光强度信号的信号强度相同，则说明参考气 室105和检测气室106两者的测量环境相同，进入步骤208。若判断出该两者信号的强度 大小有差异，则进入步骤207用于进行波长修正，即将差异信号用于补偿以消除参考气室 和检测气室之间的环境差异所带来的气室干扰，从而导致的测量结果误差。在实际的测量 中，参考气室和检测气室中可能会发生波长漂移，发生漂移的原因可能是由于光源的波长 漂移，传输路径的损耗变化、气室中光学元件漂移等。该第二光强度信号和第四光强度信号 之间的差异量可以作为补偿量添加到第一和第三光强度信号中用于后续的比较计算，然后 进入步骤208。[0052]在步骤208，比较第一光强度信号(即参考气室的检测波长信号)和第三光强度信 号(即检测气室的检测波长信号)的信号强度，其强度大小差异即反应了待测气体与参考气 体的浓度大小的比较结果。例如，若第三光强度信号的强度值大于第一光强度信号的信号 强度值，则待测气室106内的待测气体浓度大于参考气室105内的气体浓度。优选地，可以 将比较结果输出至报警装置，在达到报警阈值时触发报警信号。根据本发明，由于对第三光 强度信号和第一光强度信号考虑了气室之间的干扰可能导致的差异，因此浓度的测量结果 更为精确，可以测量微量的气体浓度含量。[0053]根据本发明的气体检测系统可以根据所检测气体类型和浓度选择不同的元器件 参数进行匹配。例如，将本发明的气体检测系统应用于某工业场所的甲烷含量检测。在该 工业场所中，要求甲烷气体的含量不能高于4%，否则会引起爆炸。在使用根据本发明的气 体检测系统时，将参考气室充入甲烷含量为4%的参考气体，调节激光器使得激光器的输出 波长范围可以覆盖甲烷的吸收特征谱线的中心波长。然后，将该气体检测系统置于待测的 环境中，打开检测气室的气体入口，通入一定量的待测气体样品，然后关闭检测气室的气体 入口和气体出口。打开气体检测系统中的第一光源和第二光源，使激光器输出的激光分别 通过参考气室、检测气室，测量激光器的输出。再通过调节第一光源和第二光源的功率输出 及反馈调节第一光源的波长最终达到稳定且覆盖甲烷气体吸收谱线的激光输出，通过比较 通过参考气室和检测气室的激光的光强度大小，即可判断此场所中的甲烷气体浓度是否超 过阈值的含量，如超出则立即触发报警系统。[0054]根据本发明的气体检测系统可以利用激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出的独特优越性来应用于气体浓度检测领域，同时利用了反馈调节实现了高灵敏高精度的气 体检测方法。该方法和系统不仅仅局限于对气体含量的高灵敏度检测，也可容易地推广到 对其它物质材料的高灵敏度检测和材料分析中。[0055]结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员 都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均 由权利要求所限定。
【权利要求】
1.一种采用气体参考腔补偿的半导体激光器气体检测系统，所述系统包括发出作为检测光束的第一波长光束的第一光源、发出作为参考光束的与所述第一波长不同的第二波长光束的第二光源，所述检测光束的第一波长与待测气体的特征吸收谱线相同；与所述第一光源和第二光源连接的第一波分复用器，用于将载有不同波长的第一光束和第二光束的光信号合成一束进行输出；与所述第一波分复用器连接的宽带耦合器，所述宽带耦合器用于将经所述第一波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成两路输出；参考气室，通入与待测气体成分一致且浓度已知的参考气体，并接收来自所述宽带耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自所述宽带耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；连接所述参考气室的第二波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；连接所述检测气室的第三波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；第一光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述第一和第二光源。
2.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述宽带耦合器按照1:1的功率比例分配两路输出。
3.如权利要求1所述的气体检测系统，其中反馈控制单元的反馈控制方法包括如下步骤:a)判断所述第一光源和第二光源的输出是否稳定，若不稳定，输出反馈控制信号调节所述光源的功率输出直至稳定；b)判断所述第一光源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，则输出反馈控制信号调节所述第一光源的输出波长直至覆盖；c)判断所述第二光强度信号和第四光强度信号的信号强度是否有差异，若有则将所述差异信号用于第一光强度信号和第三光强度信号的补偿；d)比较所述第一光强度信号和第 三光强度信号的信号强度，得到待测气体与参考气体的浓度大小关系。
4.如权利要求3所述的气体检测系统，其中所述步骤b)中通过比较所述第一或第三光强度信号的信号强度值是否显著小于第二或第四光强度信号的信号强度来判断是否覆盖。
5.如权利要求1所述的气体检测系统，所述第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器是1X2的波分复用器。
6.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述第一光源和第二光源为分布反馈式半导体激光器。
7.如权利要求1所述的气体检测系统，还包括球面透镜，用于分别将所述光束耦合进入参考气室和检测气室并耦合出射。
8.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述检测气室包括用于在测量前通入待检测气体的气体入口和排出气体的气体出口。
9.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述第二波长靠近被测气体的吸收谱线， 但其波长与所述第一波长相隔一段距离。
10.如权利要求1所述的气体检测系统`，其`中所述宽带耦合器为尾纤为1X2的宽带耦合器。
【文档编号】G01N21/31GK103499545SQ201310479226
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】骆飞, 祝连庆, 董明利, 何巍, 张荫民 申请人:北京信息科技大学