（光学工程专业论文）基于光纤激光器和光纤放大器的光声光谱仪.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 大气污染监测、电力系统设备故障判断以及人类健康医学诊断等很多领域都涉及到 微量气体检测，光纤传感和激光光谱等技术在微量气体检测中得到了广泛的应用。基于 气体吸收的近红外光声光谱技术具有高灵敏度、大动态范围、响应时间快、能够在线测 量等优点，得到的广泛的研究和应用。 本论文首先以双能级系统为模型，详细的分析了光声光谱技术理论，包括光吸收和 光声信号的产生；详细的介绍了波长调制技术以及与其相关的二次谐波检测技术，为光 声光谱气体检测实验提供理论依据。 本文首次将掺铒光纤激光器和掺铒光纤放大器相结合作为光声信号激发光源应用 于光声光谱系统，论文详细的介绍了铒离子的光放大原理，详细的介绍了环形腔掺铒光 纤激光器的原理与结构，以及双向泵浦结构的掺铒光纤放大器结构，并将掺铒光纤激光 器与半导体激光器进行对比，阐述了光纤激光器用于光声光谱系统的优势。 本论文研制了基于可调谐光纤激光器和掺铒光纤放大器的光声光谱系统，选择乙炔 和氨气在1 5 9 m 带的吸收对分别对其进行了光声光谱检测。同时结合波长调制和锁相放 大器的二次谐波探测技术，提高了系统的信噪比，得到了较高的检测极限灵敏度。实验 结果表明，在常温常压下，对乙炔和氨气的检测极限灵敏度分别为1 3 p p b 和6 p p b ，并 且谐波峰值与气体浓度成良好的线性关系。本论文的意义在于：1 ) 对乙炔和氨气的检 测结果满足了环境污染监测、工业、农业和医学等领域对乙炔和氨气检测的需要； 2 ) 进一步推广了近红外光声光谱系统的应用，加快了近红外光声光谱系统走出实验室的步 伐。 关键词：气体检测；光声光谱；掺铒光纤激光器；掺铒光纤放大器；波长调制 基于光纤激光器和光纤放大器的光声光谱仪 p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o m e t e rb a s e do nc o m b i n a t i o no ff i b e rl a s e ra n d f i b e ra m p l i f i e r a b s t r a c t t r a c eg a sd e t e c t i o np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l d so fa t m o s p h e r i cp o l l u t i o n m o n i t o r i n g ，p o w e rt r a n s f o r m e rd i a g n o s i s ，h u m a nh e a l t hd i a g n o s i s t e c h n o l o g i e ss u c ha s o p t i c a ls e n s o r sa n dl a s e rs p e c t r u ma r ew i d e l ya p p l i e di nt r a c eg a sd e t e c t i o n n e a ri n f r a r e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p yi sw i d e l ys t u d i e da n da p p l i e df o ri t sa d v a n t a g e s s u c ha sh i g h s e n s i t i v i t y ，l a r g ed y n a m i cd e t e c t i o nr a n g e ，f a s tr e s p o n s e ，a n do n l i n ed e t e c t i o ni nt r a c eg a s d e t e c t i o n t h et h e o r yo fp h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y i n c l u d i n gp h o t o n i ca b s o r p t i o na n dt h e g e n e r a t i o no fp h o t o a c o u s t i cs i g n a li s d i s c u s s e di nd e t a i lu n d e rt h ea s s u m p t i o no fd o u b l e e n e r g yl e v e ls y s t e m a n da l s o ，t e c h n o l o g i e so fw a v e l e n g t hm o d u l m i o na n ds e c o n dh a r m o n i c d e t e c t i o na r ei n t r o d u c e d ，w h i c ha r et h et h e o r e t i c a lb a s i s f o rt r a c eg a sd e t e c t i o nb a s e do n p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y a sw ek n o wt h a ti ti st h ef i r s tt i m et h ec o m b i n a t i o no ft u n a b l ee r b i u md o p e df i b e rl a s e r ( t e d f l ) a n de r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) i sa p p l i e dt op h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y d e t e c t i o n t h ep r i n c i p l eo fl i g h ta m p l i f i c a t i o no fe r b i u mi o n , t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f r i n go p t i c a lf i b e rl a s e ra n de d f a 、析t hd o u b l e d i r e c t i o n p u m pa r ei n t r o d u c e d a d v a n t a g e so f t h et e d f lb a s e dp h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p ys y s t e ma r ea l s og i v e no u ta f t e rt h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt e d f la n dt u n a b l ed i o d el a s e r s ( t d l ) ap h o t o a c o u s t i cs p e c t r o m e t e rb a s e do nt e d f la n de d f ai sb u i l t u pa n dt r a c e a c e t y l e n ea n da m m o n i aa r ed e t e c t e db yc h o o s i n ga b s o r p t i o nl i n e si n1 5 哪b a n d 谢也t h e s y s t e m s i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) i si m p r o v e db yu s i n gw a v e l e n g t hm o d u l a t i o na n ds e c o n d h a r m o n i cd e t e c t i o n n ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fr o o m t e m p e r a t u r ea n da t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，t h ed e t e c t i o nl i m i to fa c e t y l e n ea n da m m o n i ar e a c h e s 1 3 p p ba n d6 p p br e s p e c t i v e l ya n dt h e r ei sa ne x c e l l e n tl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e c o n d h a r m o n i cp e a kv a l u e sa n dc o n c e n t r a t i o n s s i g n i f i c a n c e so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y ， t h es y s t e md e t e c t i o ns e n s i t i v i t yl i m i t sf o ra c e t y l e n ea n da m m o n i ag a s e sc o u l dm e e tm o s t d e m a n d so fa c e t y l e n ea n da m m o n i ad e t e c t i o ni nt h ef i e l d so fe n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ， i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，a n dm e d i c i n e a n dt h i sw o r kw o u l db eh e l p f u lf o rp u s h i n gt h ew i d e a p p l i c a t i o no fp h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p 3 7t e c h n i q u e a n d a c c e l e r a t i n g t h e s t e p st h a t p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p yw a l k so u tf r o ml a bt oi n d u s t r y 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：t r a c eg a sd e t e c t i o n ；p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y ；t e d f l ；e d f a ；w a v e l e n g t h m o d u l a t i o i l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理l 久学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题依据及意义 我们生活的现代社会，由于产业和经济的发展，使得生活非常方便而舒适。但是， 作为其代价，环境污染也迫在眉睫。尤其是产业革命以后，工业迅速发展，人类排放到 大气中的污染物大量增加。大气中的污染物主要来源于石油化工、冶金、电力、汽车、 动力燃料的煤以及天然气等燃料的燃烧过程产生的一氧化碳、碳氢化合物、二氧化硫、 氮氧化物等。这些污染气体有的经过化学反应能生成一系列新的污染物气体。如氮氧化 物和碳氢化合物受太阳紫外线的作用发生光化学反应，生成臭氧，而臭氧是光化学烟雾 的主要成分；二氧化硫经过一系列的氧化反应生成三氧化硫，溶于水形成酸雨。虽然这 些气体在大气中以微量的形式存在，但是也足以对环境及人类的健康和生命造成威胁， 如1 9 5 2 年英国伦敦污染事件等u 】。 随着现代科学技术的发展，人们发现微量气体的释放还可以用来进行设备故障诊断 以及人类的疾病诊断。电能是现代社会应用最为广泛和不可缺少的能源，而变压器是输 配电系统的心脏，一旦变压器出现故障，将会造成停电事故，所以要求变压器要始终在 安全可靠的条件下运行叩j 。充油式变压器主要采用油纸作为绝缘介质，在长期的运行过 程当中，由于放电和过热现象的存在油纸将老化裂解，产生乙炔等气体溶解于油中。如 果变压器内部存在潜伏性过热或者放电故障时，就会加快乙炔的产生速度，当乙炔产生 速度大于乙炔在油中的溶解速度时，乙炔就会进入气体继电器。乙炔气体的浓度和变压 器的运行状况和故障程度有明显的对应关系，所以乙炔可以作为变压器产生故障的一种 特征气体。如果能够实时的监测和分析变压器中乙炔气体的含量，就能够实时的监测变 压器的运行状态，从而预防和尽早发现变压器故障的产生1 4 5 j 。 不仅仅是变压器等没有生命的设备在产生故障时有特征气体，入在患有某些疾病的 时候，呼出气体中各种成分与含量也不尽相同。中医中的“闻”就能通过患者呼出气体 的气味来判断所得的疾病。临床上，慢性肾衰竭患者口腔中的“氨味 是非常常见的， 并且已经有研究表明患者呼出气体中氨气的含量与其血液中血尿素氮( b u n ) 的含量具 有确定的线性关系1 6 。如果能够快速而简便的对肾衰竭患者呼出的氨气进行检测，不仅 能够准确的评价患者血液透析程度，延长其生存时间，而且能够减轻由于频繁血检而造 成的失血和疼痛。另外，由于氨气具有刺激性气味，具有吸附性，是工业、农业、养殖 业和家庭装修等领域中公认的污染气体之一，因此对其进行检测具有重要意义。 基于光纤激光器和光纤放大器的光声光谱仪 综上所述，对微量乙炔和氨气进行检测，首先在环境监测和生活生产上具有重要价 值和意义；其次，在设备健康检测和人类疾病临床应用上也具有独特的优势；因此，微 量气体检测技术研究具有广阔的应用前景和商业价值。 1 2 红外光谱气体检测方法概述 大部分气体在红外区域内都有其特有的红外吸收谱线，其特征吸收波长是具有红外 活性气体本身一种固有的属性，具有唯一性，不会因为气体所处环境、温度等条件的改 变而改变。光通过气体时，气体分子或原子吸收光子能量，这一过程导致了入射光能量 的变化。出射光能量、入射光能量和气体浓度的关系遵循l a m b e e r 定律，该定律由b e e r 于1 8 5 2 年提出，具体表达如下： ，( y ) = l oe x p ( - c t ( v ) l c ) ( 1 1 ) 式中，( y ) 一光通过气体后的投射光强； 厶光通过气体前的初始光强； 口( y ) 气体在某波长处的吸收系数； 三一光在气体中通过的路径长度； c 一气体浓度； 根据上式，可以把光谱法分为直接吸收光谱法和间接吸收光谱法。直接吸收光谱法 直接探测通过气体后的出射光与入射光能量比值来反映出气体的浓度。但是当气体的浓 度较低或气体吸收较弱的时，出射光强与入射光强相比几乎没有衰减，此时光电探测器 的噪声以及光源功率波动将直接影响检测的极限灵敏度，因此限制了该方法在吸收气体 浓度极低情况下的应用。 间接吸收光谱法是通过检测气体吸收光能量后产生的其他信号【7 1 ，如荧光、声音和 热等信号来反映气体浓度的检测方法。气体吸收相应波长的光能量后，由振动基态跃迁 到激发态，然后通过快速的辐射跃迁或者无辐射跃迁过程回到基态。通过辐射跃迁回到 基态的过程中，气体分子发出比吸收光波长长的荧光，荧光的强度与气体的浓度有关， 通过测量荧光强度来反映气体浓度，这种方法称作荧光光谱法。气体分子通过无辐射跃 迁过程回到基态会产生热能，导致气体温度的升高。如果对入射光以某一频率进行强度 或者波长调制，那么气体的温度也会按照相同的频率进行相同周期的变化。气体温度的 变化以压强变化的形式表现出来，产生声音信号，如果调制频率在音频范围内 ( 2 0 2 0 k h z ) ，声音信号就可以通过麦克风进行检测。麦克风检测到的声音信号与气体 浓度、入射光功率以及气体对光吸收强弱、吸收光程等因素有关，这种方法称作光声光 人连理工大学硕+ 学位论文 谱检测法。入射波长在红外范围内时，处于激发态的气体分子无辐射跃迁寿命小于辐射 跃迁寿命，因此气体分子在回到基态的过程中，无辐射跃迁占据主导，这时采用光声光 谱法具有相对高的检测极限灵敏度。并且相对与其他光谱检测技术，光声光谱具有如下 的优点： ( 1 ) 光声检测的光声信号直接取决于气体吸收光能的大小，所以反射光、散射光等 对光声检测的干扰就很小：对于弱吸收气体式样，可以通过提高光功率以提高检测的信 噪比，因此，可以说光声测量是一种没有背景噪声的检测技术，具有很高的极限灵敏度。 ( 2 ) 在气体光声气体检测技术中，气体本身既是被研究的对象，又是吸收光辐射的 探测器，可以在很大一个光波长范围内进行研究而不必改变检测系统。 另外，光声光谱技术不仅仅可以用来进行气体样品检测，同时可以用来检测各种式 样，透明的或不透明的固体、液体、粉末、胶体、晶体或晶态等物质的吸收或吸收光谱， 并且是唯一可用来检测式样剖面吸收光谱的方法。在众多光声光谱技术中，气体光声光 谱理论最先被完善并且易于理解和解释，发展速度最快。下面介绍一下气体光声光谱技 术发展的历史和现状。 1 3 气体光声光谱技术发展历史及现状 1 3 1 气体光声光谱技术发展的初始阶段 该阶段起始于1 9 世纪8 0 年代，是光声效应的发现阶段。1 8 8 0 年，b e l l 首先【8 】在固 体中观察到光声转换现象，并在给美国科学进展协会的报告中描述了有关实验结果，称 这种光声转换的现象为光声效应。1 8 8 1 年，t y n d a l l l 9 j 进行了气体光声光谱实验。该时期， 由于气体基本定律已经建立，气体样品中的光声效应得到了圆满的解释。然而与液体和 固体有关的光声效应却没有得到解释，并且相关实验报道也是寥寥无几。当时，由于传 声装置的限制，人们只能用耳朵作为声音信号的检测器，不能定量的进行实验，b e l l 开 创性的工作引起人们对于光声效应的兴趣在不长时间内就消失了，光声效应的实验也随 即停止，很多研究仅作为文献载入物理学史册罩。 1 3 2 气体光声光谱技术初步应用阶段 该阶段起始于2 0 世纪4 0 年代。光声效应在传声器问世前长达5 0 年的时间里无人 过问。直到1 9 3 8 年，苏联列宁格勒国家光学研究所的v e i n g e r o v 利用光声效应对混合气 体中c 0 2 和c h 4 的含量进行测量i 1 0 1 ，再次引起人们对光声效应的关注。他利用绕有电 热丝的炉子所产生的热辐射作为红外波段激发源，利用静电传声器测定充电电容传声膜 片之间的电压变化，该系统能测出氮气中体积浓度小到2 的二氧化碳。因为气体样品 基于光纤激光器和光纤放大器的光声光谱仪 的光声光谱实验最容易进行，结果也易于解释，所以该阶段的光声效应研究只要集中于 气体样品。但是受限于光源和声电弱信号检测技术，这个时期的检测极限灵敏度比较低， 总体来说，光声效应的研究处于缓慢发展阶段。 1 3 3 气体光声光谱技术蓬勃发展阶段 该阶段起始于2 0 世纪6 0 年代。该时期是激光器诞生和电子检测技术高度发展的时 期。得益于相位敏感的锁相探测弱信号检测技术的发展和高灵敏度声音检测装置的出 现，光声光谱技术的研究进入了新的春天，在光源、调制技术、光声池结构以及光声光 谱的应用等方面都得到了广泛深入的研究，呈现多元化趋势。1 9 6 8 年，k e r r 和a t w o o d ! 】 首次报道了以一台脉冲红宝石激光器作为光源，应用光声光谱技术检测了空气中水分子 的吸收光谱。1 9 7 1 年，k r e u z e r 1 2 j 从理论上分析了利用染料激光光源和高灵敏度传声器 的光声技术的检测极限为l o 1 3 p p t ( p p t ，p a r t p e r t r i l l i o n ) 量级。1 9 7 7 年，k o e h 和l a l l m 锄【1 3 】 设计了一种腔外多次反射、第一角共振光声谐振腔，对s 0 2 的最低检测极限达0 i p p b 。 1 9 8 0 年，g e r l a c h 和a m e r i l 4 1 根据共振式光声池光声信号声波模式和光强耦合的特点， 设计了一种以布儒斯特角入射或无窗片的角向共振光声池，该光声池具有较高到的q 值，可以对流动气体进行测量。1 9 8 2 年，同济大学设计了一种低频耦合共振光声池f l5 1 。 1 9 9 0 年，f j m h a r r e n ，j r e u s s 1 6 l 设计了基于c 0 2 激光器的腔内吸收光声光谱仪，并 对兰花凋谢时释放的乙烯进行的测量。k u h n e m a n t j 等人在1 9 9 8 年设计了一套基于光参 量振荡器的光声光谱系统，对乙烷的检测灵敏度达到了0 5 p p b 。2 0 0 1 年，于清旭【1 8 , 1 9 1 等人设计了一套基于差频激光光源的光声光谱监测系统。2 0 0 2 年，荷兰n i j m e g e n t 2 0 l 大 学的一个小组利用光参量振荡器激励的光声光谱系统，对乙烷的检测极限达到l o p p t 。 同年s t e p h a n es c h i l t 2 l j 等人利用室温量子级联激光器作为光源设计了一台乙烯光声光 谱仪，检测极限为6 0 p p m 。2 0 0 5 年，a n a t o l i ya k o s t e r e v l 2 2 j 等人引用石英增强光声光 谱的方法( q e p a s ) ，用一个微型的石英音叉代替麦克风，有效的屏蔽了外界噪声，对氨 气的检测灵敏度到达了6 5 0 p p b 。概括来说，在这个阶段，光声光谱的发展主要可以总结 以下几个方面：1 不同波长及功率激光器的发展，使得光声光谱可检测气体种类增多； 2 低噪声、高灵敏度共振式光声池设计和激光谐振腔内光声光谱测量系统的实现，进一 步提高了系统的检测极限灵敏度；3 出现了新的声音信号检测装置取代传统的麦克风， 降低了外界噪声的影响，迸一步提高了系统的检测灵敏度。表1 1 给出了在光声光谱中 应用较为广泛的激光器1 2 引。其中，c 0 2 激光器由于它的大功率、线性可调谐、易操作和 多种气体在其操作波长范围内有吸收，曾被广泛的应用于光声光谱气体检测。但是由于 c 0 2 激光器的体积比较大，移动性和便携性差，限制了基于c 0 2 激光器光声光谱系统在 大连理t 大学硕十学位论文 很多现场实时测量的应用。可调谐半导体激光器凭借其带宽窄、连续可调、体积小、重 量轻、可在室温工作和能与光纤耦合等有点，近年来成为光声光谱系统光源的热门选择。 2 0 0 0 年，m i c h a e le w e b b e r l 2 4 1 等人利用波长范围在1 5 “m 的半导体激光器对氨气分子在 此波段的6 条特征谱线进行了测量和比较。2 0 0 2 年，b o z p k i l 2 5 j 等人报道了利用1 5 p m 半导体激光器进行长程吸收测量和光声光谱测量的研究结果，对氨气的检测极限达到 6 0 0 p p b 。2 0 0 3 年m i c h a e le w e b b e r l z 6 1 等人首次报道了使用可调谐半导体激光器( t d l ) 配合掺铒光纤放大器( e d f a ) 作为光源的微量气体光声光谱测量，对氨气和乙炔的极限检 测灵敏度分别为6 p p b 和2 p p b 。2 0 0 5 年j e a n p h i l i p p eb e s s o n 2 7 】使用可调谐半导体激光器 结合掺铒光纤放大器作为光源，对氨气检测极限达0 6 p p b ，利用基于半导体激光器的光 声光谱系统首次实现对氨气的检测极限达到s u b p p b 量级。然而半导体激光器的价格昂 贵、单个激光器可调谐范围小等因素限制了基于可调谐半导体激光器的光声光谱检测系 统的推广。因此需要寻找新的光源，它既具有半导体激光器的优点，能降低成本的同时 还具有比较大的可调谐范围，这正是本论文的任务之一。 表1 1 光声光谱中应用较为广泛的激光器 t a b 1 1l a s e r st h a tw i d e l yu s e di np h o t o a e o u s t i cs p e c t r o s c o p y 1 3 4 商品化的光声光谱气体检测系统 目前，国外已经有商业化的基于光声光谱原理的气体检测系统，这些系统在很多领 域中得到了应用，并且具有其他气体传感系统不具备的优势。如英国k e l m a n 公司的 t r a n s f i x 系列，主要用于变压器油气在线监测，可以同时检测油中溶解的8 种气体，检 测灵敏度达p p m 量级；美国p r a n a l y t i c a 公司生产的n i t r o l u x 是商品化的氨气检测系统， 对氨气的检测灵敏度达1 0 0 p p b ，能够应用于医疗、环境、工业和国土安全等领域；丹麦 的l u m a s e n s e 公司生产的i n n o v a 系列功能更强大，几乎能检测在红外具有吸收的任 基于光纤激光器和光纤放人器的光声光谱仪 何气体，并且具有多种气体同时检测功能，现已经在医疗手术室、发酵工厂、温室气体 监测和电力系统中得到应用；瑞士o m n i s e n s 公司( s p i n o f f c o m p a n yo f t h es w i s s f e d e r a l i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的t g a 系列氨气检测系统，主要应用与环境检测和半导体工业 中氨气检测。k e l m a n 公司和l u m a s e n s e 公司等已经在全世界很多国家设立了办事处， 为其带来了巨大的商业利润。随着社会的进步和发展，痕量气体检测的领域将越拓越宽， 光声光谱检测系统的应用也会更加广泛，而国内现在这方面的研究还没有完全走出实验 室，因此加快国内光声光谱系统走出实验室的步伐，推广应用势在必行。 1 4 光纤激光器与光纤放大器的发展 光纤激光器与光纤放大器可以说是同步发展的，掺稀土光纤激光器和光纤放大器都 是利用所掺杂的稀土元素的光放大效应实现光放大。人们对稀土掺杂光纤的放大特性研 究可以追溯到上个世纪6 0 年代。1 9 6 1 年，美国光学公司e s n i t z e r 等就利用一根芯径 为3 0 0 p m 的掺钕( n d ) 玻璃光纤研制出世界上第一台光纤激光器，在光纤激光器领域 做了开创性的工作，并且他们在1 9 6 3 年和1 9 6 4 年1 2 8 , 2 9 j 先后分别发表了多组分玻璃光纤 中的光放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的构思。1 9 6 6 年，k a o 和h o c l ( 1 1 a i i l 【3 0 1 首先讨论了利用光纤作为通信介质的可能性，讨论了光纤通信的新观点。在1 9 7 5 - - 1 9 8 5 年这十年中，光纤通信进入了实用化阶段。在这十年中许多发展光纤激光器所必须的工 艺技术趋于成熟，如低损耗的硅单模光纤和半导体激光器都已商品化并得到了广泛的应 用，而且还进行了氟化锆光纤的制作和完善了基于硅光纤的定向耦合器的制作。这些都 为光纤激光器研制铺平了道路。8 0 年代半导体激光器的发展，尤其是高功率而且符合铒 离子泵浦带如8 0 0 n m 、9 8 0 n m 、和1 4 8 0 n m 输出的半导体激光器的发展，为光纤激光器 和光纤放大器提供了可靠的泵浦源，推动了其实用化，而熔硅型定向耦合器则对激光器 的全光纤结构设计起着举足轻重的作用。 1 9 8 5 年，英国s o u t h a m p t o n 大学的s b p o o l e 等【3 1 ，3 2 谰化学气相沉积法c m c v d ) 制成了低损耗的单模掺铒光纤( e r b i u m d o p e df i b e r , e d f ) ，引起了人们对掺铒光纤放 大器( e d f a ) 的研究热情，为光纤激光器以及掺铒光纤放大器的发展带来了新的前景。 英国通信研究实验室( b t r l ) 于1 9 8 7 年p 3 1 报道了其研究结果，并向人们展示了用各种 定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置，并制成了利用半导体激光器作为泵浦源的光 纤激光器和光纤放大器。在e d f a 和e d f l 的研究领域内发表过研究成果的还有德国汉 堡技术大学、n 1 v r 、日本三菱、g t e 等。我国在该领域的起步比较晚，从上世纪9 0 年 大连理工大学硕士学位论文 代开始，清华大学、中国科技大学、南开大学、天津大学、吉林大学以及邮电部和电子 部所属的一些研究单位等开始了这方面的研究并取得了一定的成果。 最近，美国i p g ( p h o t o n i c s ) 公司异军突起，不仅展示了s 、c 和l 波段的各种光纤 放大器，而且推出喇曼光纤激光器和双波长喇曼光纤激光器。从发展态势看，光纤激光 器与光纤放大器不仅在光纤通信领域有重要作用，而且迅速地向其他更为广阔的激光应 用领域扩展。 将光纤激光器与光纤放大器相结合使用，在光纤通信领域能够克服“电子瓶颈 效应，对光信号的传输速率和数据调制格式透明；以光一光放大过程代替了传统光一电 一光中继放大，能够有效的增加信号传输距离，降低了误码率：在光纤传感等领域，鉴 于掺铒光纤激光器的宽谱调谐范围，可以实现多点、多参量的分布式传感测量；在光谱 分析中，很多物质在近红外有很强的振动基频和相对较强的泛频吸收，并已建立起相应 的数据库。而且由前面叙述可知，1 5 1 a m 半导体激光器已经被成功的用于吸收光谱和光 声光谱测量系统中，只是限于其某些缺点不能得到广泛的应用。掺铒光纤激光器的操作 波长恰好位于1 5 i _ t m ，并且有较宽的调谐范围，可以进行更多种类的气体检测。结合 e d f a 使用，能够提高系统的灵敏度。 1 5 课题开展的工作及论文的主要内容 本课题首次以可调谐光纤激光器和掺铒光纤放大器相结合作为光声光谱系统光源， 实现了乙炔和氨气的低浓度检测，利用波长调制和锁相放大器进行谐波探测，对乙炔和 氨气的检测极限灵敏度分别达到了1 3 p p b 和6p p b 。课题开展的工作主要包括： ( 1 ) 乙炔和氨气在1 5 “m 吸收带的吸收线的选择与讨论。 ( 2 ) 基于光纤激光器和掺铒光纤放大器的光声光谱系统的搭建与优化。 ( 3 ) 针对乙炔和氨气的特点，对系统进行改进与调试，对乙炔和氨气进行测量。 以下是论文的主要章节及内容： 第一章为绪论部分，在介绍了近红外光谱气体检测技术的基础上，着重介绍了光声 光谱微量气体检测技术的发展历史和趋势，给出了现在已经商品化的基于光声光谱原理 的气体检测仪器。同时还简单的介绍了光纤激光器和光纤放大器的发展历史与现状。 第二章是理论部分，首先介绍了光声光谱技术的原理，包括光的吸收和声音的产生， 并详细的分析了共振式光声池光声振幅的表达。其次介绍了波长调制和二次谐波探测技 术涉及到的理论。 第三章介绍了掺铒光纤激光器和掺铒放大器的原理，给出使用掺铒光纤激光器和 e d f a 的依据以及优点。 基于光纤激光器和光纤放人器的光声光谱仪 第四章是本论文的重点，给出了基于可调谐掺铒光纤激光器与e d f a 的光声光谱系 统的原理以及利用其对乙炔和氨气的检测结果与分析。 人连理_ 人学硕士学位论文 2 气体光声光谱检测技术 气体光声光谱是基于光声转换检测吸收气体浓度的一种技术，其基本原理如图2 1 所示。气体分子吸收相应波长的光子能量之后由基态跃迁到激发态，然后通过快速的无 辐射跃迁过程回到基态，使得吸收气体的温度升高，导致压强随之变化，产生声音信号， 即光声信号。如果对光源发出的光进行调制( 强度调制或者频率调制) ，气压也以与调 制频率相同的频率进行变化。如果调制频率在声波频率内，则产生的声音信号就可以用 麦克风进行检测，声音信号的强度能够反映气体浓度的变化。 图2 1 光声光谱原理图 f i g 2 1p r i n c i p l es c h e m a t i co fp h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y 2 1光声信号的产生原理 2 1 1 光的吸收 光声信号的产生，首先是目标气体吸收一定频率调制的光，形成周期性的热源，下 面就来讨论一下气体吸收光能量后产生的热能表达式。 某个气体吸收频率为u 的光子后，从基态磊跃迁到激发态e ，两个能级的能量差为 巨一e 0 = h u 。受激分子与其中任何一个分子相互碰撞，经过无辐射弛豫过程转变为互相 碰撞的两个分子的平动能，即热能，使得两个分子得到加热。如果光强的调制频率小于 该弛豫过程的弛豫频率，那么光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制，激发出相 应的声波，用麦克风等传声装置就可以检测这个光声信号。对于简单的双能级系统来说， 光强为i ( r ，f ) 、频率为u 的光束入射到光声池内，气体因吸收光能而在气体内形成一热 功率密度源h ( r ，f ) ( w c m 3 ) ，在非饱和吸收情况下，h ( r ，f ) 可表示为： 基于光纤激光器和光纤放大器的光声光谱仪 h ( r ，f ) = a i ( r ，f ) ( 2 1 ) 式中，口为气体样品的吸收系数，单位为c m 。设分子数浓度为n ( 分子数c m 3 ) 的气体中，处于激发态巨和基态昂的分子数浓度分别为l 和一m ，骂和e o 之间跃迁 的谱线强度为s ，跃迁的谱线宽度为a u ，则m 随时间的变化率为： 警= 一l ( e 。+ 。- 1 + 。- 1 ) + ( 一1 ) 马。 ( 2 2 ) 式中，乞- 1 和0 - 1 分别为气体分子在能级巨上的碰撞弛豫时间和无辐射弛豫时间， 骂。= 为分子由岛一岛或e o 一巨的受激辐射爱因斯坦系数。由于本论文实验是 t z o ，z - d 在室温条件下的，所以上式忽略了在低能态磊上的分子通过碰撞而激发到高能态互的 几率。 若，( ，f ) 随时间f 的变化很慢，则可以认为掣：0 ，由式( 2 2 ) 可以得到 a t 生n 赤 ( 2 3 ) 2 蜀o + 气叫+ ，- 1 当光强，( ，f ) 满足2 骂o x傅m 基。r 光纤激光器和光纤放大器的光声光谱仪 3 掺铒光纤激光器和掺铒光纤放大器 3 1铒离子的光放大原理 掺铒光纤激光器( e d f l ) 和掺铒光纤放大器( e d f a ) 是光纤通信领域的研究热点， 两者都是利用光纤中掺杂的铒离子的光放大效应实现光放大，它们的发展可以说是相互 促进，密不可分的。在此领域的研究机构中，美国光学公司、英国南安普顿大学和英国 通信研究实验室等都扮演了相当重要的角色。国内，清华大学、北京邮电大学、南开大 学以及上海科技大学等也在该领域取得了阶段性的成果。 在激光系统中，活性原子或离子有三种跃迁过程：受激吸收、自发辐射和受激辐射。 以具有两个能级互( 低能级) 、丘( 高能级) 系统为例，受激吸收是粒子吸收外部能 量( a e = 巨一互) 实现由e 跃迁到巨的过程，铒离子的泵浦过程( 泵浦能量h v = 丝) 就是受激吸收光程。粒子受激吸收后处于不稳定的激发态，很快向低能级跃迁，并以光 子的形式向外辐射能量。如果这个辐射过程是自发的，就是自发辐射，以荧光形式发射 能量，其与粒子自身性质相关；如果受具有一定能量光子的激发而发生的跃迁，并辐射 与激发光子同频率同相位的光子，就是受激辐射过程。 图3 1 铒离子能级示意图 f i g 3 1e n e r g yl e v e ls c h e m a t i co fe r b i u mi o n m 可以利用爱因斯坦受激辐射原理对铒离子光放大机理进行解释。铒离子在未受任何 外界激励的情况下，电子处于基态。在半导体泵浦光的作用下，电子向高能级跃迁，最 终形成粒子数反转。许多光波长可以用来泵浦铒离子，其中最有效的泵浦波长是9 8 0 n m 大连理：j ：大学硕士学位论文 和1 4 8 0 n m 。对于波长为9 8 0 n m 泵浦源来说，硅光纤中掺杂的铒离子可以简化成三能级 系统【3 9 】，即铒离子的吸收与受激辐射过程主要考虑发生在们、3 ，2 和4 i i 5 1 2 之间，如 图3 1 所示。铒离子吸收9 8 0 n m 的光子能量之后，由基态( 4 们) 跃迁到高能态( 4 m ) ， 铒离子在高能态上的寿命很短，约6 扯s ，迅速向4 厶扪能级非辐射弛豫( 即不辐射光子， 而是通过释放声子等形式释放能量) ，铒离子在4 厶狮能级具有较长寿命，约1 0 m s ，又 称4 厶抛能级为亚稳态能级，这样在基态和亚稳态之间形成粒子数反转。当外部有波长为 1 5 5 0 n m 的信号光到达时，铒离子即被该信号光诱发而从亚稳态跃迁回到基态，同时发 射与入射光完全相同的光波，即波长和相位完全相同，从而使入射光得到放大。而对于 1 4 8 0 n m 泵浦源来说，铒离子可以被看作双能级系统，光子的吸收与受激辐射主要考虑 在4 3 ，2 和4 5 ，2 两个能级之间。考虑到4 ，：能级分裂，铒离子吸收1 4 8 0 n m 光子能量之后， 直接被激发到4 抛的高能级，然后迅速的无辐射跃迁到4 厶扪的低能级，再通过受激辐射 实现对入射光信号的放大，所以对于1 4 8 0 n m 泵浦源来说，铒离子又被称为准三能级系 统【4 们。 3 2 掺铒光纤激光器( e d f l ) e d f l 是掺稀土光纤激光器大家族中的一个成员，也是现在应用最为广泛的光纤激 光器，其能够提供光纤通信第三窗口( 1 5 5 0 n m ) 宽谱可调谐窄带激光光源，而且具有低 阈值、高功率、高信噪比、高温度稳定性、易于与光纤系统集成等优点，因此成为未来 高速大容量光纤通信系统的理想选择。同时，也可为系统测试和光纤传感系统提供理想 的光源，因此引起广泛的研究兴趣，被认为是未来长距离、大容量的超高速光纤通信、 光孤子通信系统以及各类光传感系统与光谱分析中的理想光源。 m 1m 2 e d f ，u m p r p u t 图3 2 线形腔掺铒光纤激光器 f i g 3 2 e r b i u md o p e df i b e rl a s e rw i t hl i n er e s o n a n tc a v i t y e d f l 的谐振腔有两种基本结构，即线形谐振腔和环形谐振腔。图3 2 给出了线形 谐振腔的光纤激光器的基本结构。线形腔e d f l 中，掺铒光纤( e d f ) 夹在两个反射镜 基丁光纤激光器和光纤放大器的光声光谱仪 之间，构成f p 线形谐振腔，泵浦光从m 1 耦合到e d f 中，在两个反射镜之间形成激光 振荡，最终激光从m 2 输出。m l 对激光波长全反射，m 2 对激光波长部分反射，形成激 光反馈和输出，调节m 1 和m 2 之间的距离就可以选择激光的输出波长。环形腔e d f l 通常利用具有滤波功能的器件选择振荡波长，然后通过耦合器( c o u l p e r ) 的一端对不同 波长激光进行输出。具体的滤波器件有多种，如f 。p 滤波器【4 1 1 、声光滤波器 4 2 4 3 】、光纤 光栅滤波器m j 、分光镜等 4 5 j ，本论文实验中使用的是基于f p 滤波器的环形腔可调谐掺 铒光纤激光器( t e d f l ) ，其基本结构如图3 3 所示，下面对其进行详细的介绍。 图3 3 基于f - p 滤波器的环形腔可调谐掺铒光纤激光器 f i g 3 3 t u n a b l er i n gc a v i t ye r b i u md o p e df i b e rl a s e rb a s e do nf pf i l t e r 由图3 3 可知，基于f p 滤波器的环形腔t e d f l 系统中，半导体激光器( d l ) 作为 泵浦源，增益介质为掺铒光纤( e d f ) ，还包括波分复器( w d m ) 、输出耦合器( c o u p l e r ) 、 光隔离器( i s o ) 和f p 可调谐滤波器( t u n a b l ef pf i l t e r ) 。各部分的作用和性能描述 如下： ( 1 ) 泵浦源( d l ) 根据前面叙述，利用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 的激光作为泵浦源最为有效。系统中使用的 是武汉电信器件公司生产的峰值波长为9 8 0 n m 的半导体激光器作为泵浦源，该激光器的 最大驱动电流为8 0 m a ，最大泵浦功率为1 2 0 m w ，此条件下，铒离子可以看作三能级系 统。 ( 2 ) 波分复用器( w d m ) 人造理【人学硕十学何沧文 w d m 足将不同波长的光耦台到_ = _ j 根光 r 中的无源光纤器件。木系统t 需要将泵 浦光耦合到光纤环形谐振腔中，掺饵光纤中的铒离了吸收泵浦光之后产生波长范围位于 c 波段的受激辐