一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统，包括半导体激光器(1)并依次配合连至光收集与耦合单元(2)和气体腔室(5)；气体腔室的后端面设有反射镜；另设有信号处理单元(3)，信号显示终端(4)和调制激光器的驱动电路；所述的激光器的驱动电路产生驱动半导体激光器(1)的电压信号；能调制的半导体激光器通过光收集与耦合单元发射出激光，并进入气体腔室，由气体腔室待测气体吸收并由气体腔室的后端面反射回调半导体激光器腔内；所述信号处理单元连接半导体激光器中PD产生的光电流并转换为电压信号经信号处理单元处理，输出到信号显示终端。
【专利说明】
-种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种光学干设传感技术，特别设及一种自混合型气体吸收传感技术。
【背景技术】
[0002] 气体光谱学测量可W实现气体浓度的非接触定量测量，适用于复杂环境及有毒、 有害、有腐蚀性气体检测。吸收光谱法的测量气体浓度的原理是当一束光经过充满气体的 吸收池后，其出射光强会因为气体分子吸收而衰减即Beer-Lambert定律，通过测量出射光 强大小，并根据入射光强和气体吸收截面信息即可获得气体浓度大小。同时，结构简单、紧 凑、稳定的自混合干设系统能够放大气体吸收信号，能够获得高灵敏度气体吸收信号。自混 合干设是激光器输出的激光由外界物体反射或散射进入激光腔内并发生干设的现象。由于 反馈光携带了外界光程的相位信息，因此激光自混合干设信号频率、强度能够及时反映气 体浓度的信息。在激光自混合干设系统，特别是激光器光源能够同时作为传感元件进行传 感测量，结构简单、紧凑降低测量系统成本，并能增强干设信号的信噪比W获得高灵敏度探 测。
[0003] 目前进行气体光谱学测量技术主要采用直接吸收法测量气体浓度，信号较弱，因 此在远距离、高灵敏度测量中受限。同时，该方法无法给出待测气体的长度。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是，为避免上述技术的不足之处，提供一种可一种高信噪比、高灵敏 度、易准直可用于远距离气体吸收传感，具有商业化的潜在能力并易于实现批量化生产的 自混合型气体吸收传感技术，具有较高的灵敏度和测量范围。
[0005] 为了达到上述目的本发明采用如下的技术方案，一种基于可调谐半导体激光的自 混合气体吸收传感系统，包括半导体激光器(1)并依次配合连至光收集与禪合单元(2)和气 体腔室(5);气体腔室(5)的后端面设有反射镜;另设有信号处理单元(3)，信号显示终端(4) 和调制激光器的驱动电路(6);所述的激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器（1)的 电压信号；能调制的半导体激光器（1)通过光收集与禪合单元(2)发射出激光，并进入气体 腔室(5)，由气体腔室待测气体吸收并由气体腔室(5)的后端面反射回调半导体激光器（1) 腔内；所述信号处理单元(3)连接半导体激光器(1)中PD产生的光电流并转换为电压信号经 信号处理单元(3)处理，输出到信号显示终端。
[0006] 所述的半导体激光器（1)包括符合气体吸收谱线中屯、波长的半导体激光器，如 1653nmDFB半导体激光器可W作为甲烧气体探测的光源等。
[0007] 所述的气体腔室（5)为装载气体的腔体结构，所述的腔体结构包括封闭的腔室如 共振腔、微积分腔室等，所述的腔体结构包括开放室的腔室如把任意反射面做反馈的空气 腔室。
[000引一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感方法，基于半导体激光器（1) 自混合气体吸收传感系统，激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器（1)的电压信号， W获得半导体激光器（1)的激光频率和光强调制输出，W达到覆盖待测气体吸收线宽的并 能够获得自混合干设距离测量信号的目的；能调制的半导体激光器（1)通过光收集与禪合 单元(2)发射出激光，进入气体腔室(5)，由待测气体吸收并由气体腔室(5)的端面反射回调 半导体激光器(1)腔内；此时半导体激光器（1)腔内的自混合信号携带了待测气体的浓度信 息;所述信号处理单元(3)中的接受半导体激光器(1)中PD产生的光电流并转换为电压信号 进行处理，最终输出并由信号接收终端显示。
[0009] 根据光谱学的基本原理，每种物质都有自己特有的吸收光谱，结合内调制半导体 激光器的自混合传感技术的输出光强关系式如上述。
[0010] 本发明有益效果:与已有技术相比，1)本发明采用自混合干设技术，其相对于直接 吸收法气体测量技术能够实现更高的测量灵敏度，能够保证远距离、高灵敏度的传感测量。 2)本发明采用内调制技术，其相对于直接测量技术，能够获得激光器与待测气体之间的距 离，能够提供更多的信息，便于对待测气体进行数据分析。
[0011] 总之，本发明采用自混合干设技术测量气体的浓度信息，其相对于直接吸收法气 体测量技术能够实现更高的测量灵敏度，同时能够获得激光器与待测气体之间的距离，能 够提供更多的信息，便于对待测气体进行数据分析。
【附图说明】
[0012] 图1为可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统示意图；
[0013] 图2为自混合型气体吸收传感器原理。
[0014] 图中标号：1半导体激光器;2光收集与禪合单元;3信号处理单元;4信号（接收）显 示终端;5气体腔室;6激光器的驱动电路。
【具体实施方式】
[0015] 本发明提供一种基于气体直接吸收技术的自混合干设的气体探测传感系统，将待 测气体浓度信号转化为光波的幅度、相位、频率等参数变化的方法。本发明是采用气体直接 吸收与自混合干设原理的传感器，通过散射光将待测气体信号反馈回激光器并转换到自混 合干设信号的频率、幅度变化中去，可实现待测信号的抗干扰和保密性强的传输。
[0016] 本发明基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统如图1所示，采用半导 体激光器1并配合设置光收集与禪合单元2; -信号处理单元3; -信号显示终端4; 一气体腔 室5;-调制激光器的驱动电路6构成了可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统。
[0017] 半导体激光器1并配合设置光收集与禪合单元2; -信号处理单元3;-信号显示终 端4; 一气体腔室5; -调制激光器的驱动电路6构成了可调谐半导体激光光谱的自混合气体 传感系统;所述的激光器的驱动电路6产生驱动半导体激光器1的电压信号，W获得半导体 激光器1的激光频率和光强调制输出，W达到覆盖待测气体吸收线宽的并能够获得自混合 干设距离测量信号的目的。调制的半导体激光器通过光收集与禪合单元即光纤准直器或者 准直透镜组可整形激光光束并发射出激光，进入气体腔室，由待测气体吸收并由气体腔室 的端面反射回调半导体激光器腔内。此时半导体激光器腔内的自混合信号携带了待测气体 的浓度信息。所述信号处理单元中的接受半导体激光器中PD(光电二极管)产生的光电流并 转换为电压信号进行处理，最终输出并由信号接收终端显示。
[0018] 所述的半导体激光器包括符合气体吸收谱线中屯、波长的半导体激光器，如 1653nmDFB半导体激光器可W作为甲烧气体探测的光源等。
[0019] 所述的气体腔室5为装载气体的腔体结构，所述的腔体结构包括封闭的腔室如共 振腔、微积分腔室等，所述的腔体结构包括开放式的腔室如把任意反射面做反馈的空气腔 室。
[0020] 所述的信号处理单元3包括光电流放大电路和锁相放大电路，或者简单的放大电 路与LabVIEW程序结合W获得相应的信号等。
[0021] 所述的信号显示终端4为任意的显示终端，包括电脑显示器、手机显示器等。
[0022] 测甲烧气体浓度实例：
[0023] 本实例采用可调谐半导体作为传感器件测量甲烧气体的浓度，选用技术成熟的 165化m的Di^半导体激光器作为传感光源，在调制激光器的驱动电路的驱动下发出能被甲 烧气体吸收，同时反射回激光器内的反馈光使激光器产生干设信号，其输出表达式如下式 所示
[0024] I = I〇(v,t)[l+nsin(wt)][l+me 邱{-2a(v)LeN}cos(2^TL)] (4)
[0025] 自混合干设信号的一次谐波项为自混合测距信号，可W得到待测气体腔室的长度 Le，干设信号二次谐波项与待测气体浓度N和气室长度Le相关其长度一般在10米的量级，通 过锁相放大获得二次谐波信号并结合一次谐波获得的气体腔室长度Le可W获得待测气体 浓度。
[0026] 自混合型气体吸收传感器原理如图2所示，自混合型气体吸收传感系统由在气体 吸收谱线的半导体激光器和对激光有反射的气体吸收腔室组成。激光器发出的激光由气体 吸收腔室反射进入激光器腔内，产生干设。半导体激光器的在无反馈无调制情况下的光强 和频率分别是1〇和V0，内调制电流对激光器的光强和频率调制幅度为η和vf，Le为气室的长 度，待测气体的光谱谱线为α(ν)，α〇光谱吸收谱线强度，V。吸收峰中屯、频率，Δ V吸收线半宽。 根据内调制的自混合干设理论结合Beer-Lambed的吸收定律得到激光器输出光强I为：
[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)中自混合的强度调制系数m在工作条件一定时为比例于反馈强度的常数，W 为内调制的电流的角频率。
[0030] -个标准大气压下，红外光谱粒子的碰撞展宽起主要作用，气体的吸收线型α(ν) 可用归一化的Lorentz线型来描述，
[0031]
[0032] 式（1)可知，自混合干设信号的一次谐波项为自混合测距信号，可W得到待测气体 腔室的长度Le，干设信号二次谐波项与待测气体浓度N和气室长度Le相关，通过锁相放大获 得二次谐波信号并结合一次谐波获得的气体腔室长度Le可W获得待测气体浓度。
[0033] 通过上式得到待测气体腔室的长度Le和待测气体浓度N。基于可调谐半导体激光 光谱的自混合气体传感系统与传统的自混合干设技术测速与传统的干设技术测速相比有 着更高的灵敏度，结构更加紧凑。采用自混合干设技术作为气体探测测量技术目前是首次 被提出。
【主权项】
1. 一种基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统，包括半导体激光器（1)并 依次配合连至光收集与耦合单元(2)和气体腔室(5);气体腔室(5)的后端面设有反射镜;另 设有信号处理单元(3)，信号显示终端(4)和调制激光器的驱动电路(6);所述的激光器的驱 动电路(6)产生驱动半导体激光器（1)的电压信号；能调制的半导体激光器（1)通过光收集 与耦合单元(2)发射出激光，并进入气体腔室(5)，由气体腔室待测气体吸收并由气体腔室 (5)的后端面反射回调半导体激光器(1)腔内；所述信号处理单元(3)连接半导体激光器(1) 中ro产生的光电流并转换为电压信号经信号处理单元(3)处理，输出到信号显示终端。2. 根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统其特征 是，所述的半导体激光器(1)包括符合气体吸收谱线中心波长的半导体激光器。3. 根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统，其特征 是，半导体激光器1653nmDFB半导体激光器作为甲烷气体探测的光源。4. 根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统其特征 是，所述的气体腔室（5)为装载气体的腔体结构，所述的腔体结构包括封闭的腔室如共振 腔、微积分腔室等，所述的腔体结构包括开放室的腔室如把任意反射面做反馈的空气腔室。5. 根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统其特征 是，所述的信号处理单元(3)包括光电流放大电路和锁相放大电路，或者简单的放大电路与 LabVIEW程序结合以获得相应的信号等。6. 根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统其特征 是，所述的信号显示终端(4)为任意的显示终端，包括电脑显示器、手机显示器等。7. 根据权利要求1-6之一所述的基于可调谐半导体激光的自混合气体吸收传感系统进 行自混合气体吸收传感方法，其特征是激光器的驱动电路(6)产生驱动半导体激光器(1)的 电压信号，以获得半导体激光器(1)的激光频率和光强调制输出，以达到覆盖待测气体吸收 线宽的并能够获得自混合干涉距离测量信号；能调制的半导体激光器（1)通过光收集与耦 合单元(2)发射出激光，进入气体腔室(5)，由待测气体吸收并由气体腔室(5)的端面反射回 调半导体激光器(1)腔内；此时半导体激光器(1)腔内的自混合信号携带了待测气体的浓度 信息;所述信号处理单元(3)中的接受半导体激光器（1)中ro产生的光电流并转换为电压信 号进行处理，最终输出并由信号接收终端显示。8. 根据权利要求7所述的自混合气体吸收传感方法，其特征是半导体激光器的在无反 馈无调制情况下的光强和频率分别是1〇和vo,内调制电流对激光器的光强和频率调制幅度 为η和v f，Le为气室的长度，待测气体的光谱谱线为α(ν)，α〇光谱吸收谱线强度，V。吸收峰中 心频率，Δ ν吸收线半宽。根据内调制的自混合干涉理论结合Beer-Lambert的吸收定律得到 激光器输出光强I为： I = Io(v，t)[ l+nsin(wt) ] [ l+mexp{-2a(v)LeN}cos(23Tvi：L) ] (1) v = vo+Vfsin(wt) (2) 式（1)中自混合的强度调制系数m在工作条件一定时为比例于反馈强度的常数，w为内 调制的电流的角频率； 一个标准大气压下，红外光谱粒子的碰撞展宽起主要作用，气体的吸收线型a(v)可用 归一化的Lorentz线型来描述，式（1)可知，自混合干涉信号的一次谐波项为自混合测距信号，待测气体腔室的长度 Le，干涉信号二次谐波项与待测气体浓度N和气室长度Le相关，通过锁相放大获得二次谐波 信号并结合一次谐波获得的气体腔室长度Le获得待测气体浓度。
【文档编号】G01N21/01GK105823755SQ201610215008
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】赵刚, 杜正婷, 刘奕辰, 莫其金, 蒋旭东, 居盼盼, 李宇昕, 吕新杰, 祝世宁
【申请人】南京大学