（生物医学工程专业论文）基于掺铒光纤激光器的环腔式气体分析技术研究.pdf

中文摘要 检测有毒有害气体和易燃易爆气体对于环境保护和安全生产具有重要的意 义。实现对多种气体的现场检测是气体分析领域一直追求的目标，但是传统气体 检测的方法或是有局限性，或是需要化学试剂，或是成本太高，无法实现这一目 标。本课题旨在研究一种可以定性定量检测多种气体的高灵敏度气体分析技术一 基于掺铒光纤环腔激光器的环腔式气体检测技术。 基于掺铒光纤激光器的环腔式气体检测技术将气室置于激光谐振腔内，利用 光子在腔内谐振形成激光的过程多次经过气室，大大增加了有效光程长，提高了 气体检测的灵敏度；结合掺铒光纤激光器宽波长覆盖范围，可以完成多种气体的 定性定量测量；并将波长调制技术应用于本系统中，进一步提高了检测灵敏度和 精度。本课题以乙炔为例，探讨了腔内传感技术的可行性，分析了其定性定量检 测的精度。 本课题主要完成以下工作： 首先搭建基于掺铒光纤环腔激光器的腔内气体传感系统，研究影响其灵敏度 的主要因素。并利用布拉格光栅定标实现高波长准确性的定性检测，为多种气体 成分的检测奠定了基础。最后对系统的定量检测的性能做出评价，通过测量已知 浓度的标准气体，对系统的重复性、检测精度和检测极限等进行评价，分析误差 产生的原因及消除办法。 针对基于掺铒光纤环腔激光器的腔内气体传感系统噪声大、受背景连续光谱 包络影响等特点，研究谱线去噪和提取的算法。根据小波变换多分辨率的特点， 对受噪声污染的光谱信号进行小波变换，按照b i r g e m a s s a r t 策略对其小波系数 进行阈值处理，实现在保留吸收峰信息的同时去除噪声的目的。结合小波变换零 交叉法对去噪后的光谱信号进行连续谱拟合，拟合精度高，降低了吸收峰强度的 提取的误差，提高了浓度反演的精度。 将波长调制技术应用于本系统中，通过数值模拟证明谐波检测技术在本系统 中的可行性。通过测量已知浓度的标准气体，证明应用波长调制技术比静态扫描 光谱在重复性、检测精度和检测极限等方面都有明显的改善。 关键词：气体检测掺铒光纤激光器腔内吸收光谱静态扫描光谱小波变换 波长调制技术谐波检测 a b s t r a c t n ed e t e c t i o no fp o l l u t a n t ，f l a m m a b l eo r e x p l o s i v eg a s e si s a n i m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n t ot h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n d s a f e t y o f m a n u f a c t u r i n g u n f o r t u n a t e l yt h ec o n v e n t i o n a lg a sm o n i t o r i n gm e t h o d s a r en o ta b l et od e t e c ta n d m e a s u r em u l t i - - g a sr e a l - t i m ea n ds i m u l t a n e o u s l yf o rs o m ea r es e n s i t i v et oj u s to n e c e r t a i ng a s ，n e e d i n gc h e m i c a lr e a g e n t ，o rs i m p l ya r et o oe x p e n s i v e t h e r e f o r et h eg o a l o ft h i sw o r kw a st od e v e l o pam u l t i - g a sm o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hc o u l dr e a l t i m e ， s i m u l t a n e o u s l y a n ds e n s i t i v e l yd e t e c ta n dm e a s u r e m u l t i g a sq u a l i t a t i v e l ya n d q u a n t i t a t i v e l y t h em a i ni d e aa n ds c h e m et oa c h i e v et h eg o a la r ea st h ef o l l o w i n g ：w i t h i n t r a - c a v i t yg a ss e n s o r sb e i n gp l a c e di n s i d et h ee r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e rc a v i t y , s e n s i t i v i t ym a yb eg r e a t l yi m p r o v e d a l s o ，t h ew i d es p e c t r u mr a n g eo ft h e e r b i u m d o p e df i b e r l a s e rc o v e r st h eo v e r t o n ea b s o r p t i o n l i n e so fan u m b e ro f i m p o r t a n tg a s e s ，t h u sm a y a l l o wf o rm u l t i - g a sd e t e c t i o nw i t h i nt h es y s t e m i na d d i t i o n ， w a v e l e n g t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yc o u l db ea p p l i e dt ot h i ss y s t e mt of u r t h e ri m p r o v e i t sm e a s u r i n gs e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o n a c e t ，7 l e n ec a nb eu s e da sa ne x a m p l et o e x p l o r et h ef e a s i b i l i t yo ft h i si n t r a c a v i t ya b s o r p t i o ns y s t e ma n da n a l y z ei t sp r e c i s i o n o fq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t t of u l f i l lt h eg o a lm e n t i o n e da b o v e ，t h em a i nw o r kc o m p l e t e di sa sf o l l o w s ： f i r s t ，ap r o t o t y p eo ft h ei n t r a - c a v i t yg a sd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt h e e r b iu m d o p e df i b e rr i n gl a s e rh a sb e e nb u i l ta n ds o m ep r i m a r yf a c t o r sa f f e c tt h e s e n s i t i v i t yo ft h es y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e d h i g ha c c u r a c yq u a l i t a t i v ed e t e c t i o ni s a c h i e v e db yu s i n gf i b e rb r a g gg r a t i n g st od e t e r m i n et h ew a v e l e n g t ho ft h ea b s o r p t i o n l i n e ，w h i c he n s u r e st h ef e a s i b i l i t yo fm u l t i g a sm e a s u r e m e n t t h ep e r f o r m a n c e so f q u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t s ，i n c l u d i n gr e p e a ta c c u r a c y m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n d d e t e c t i o nl i m i ta n ds oo n ，h a v ea l s ob e e ne v a l u a t e db yc a l c u l a t i n gt h ea b s o r b a n c eo f s t a n d a r dg a s f a c t o r si n d u c i n ge r r o r sa sw e l la st h em e t h o d st oe l i m i n a t et h e ma r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r s e c o n d ，d a t ap r o c e s s i n ga p p r o a c h e s ，w h i c ha r ed e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t ht h e f e a t u r e so ft h es c a n n i n gs p e c t r u mo fi n t r a - c a v i t yg a sd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt h e e r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e r ，h a v eb e e ns t u d i e dt oe l i m i n a t et h e 。i n f l u e n c eo f b a c k g r o u n dn o i s ea n dt h ec o n t i n u o u ss p e c t r u me n v e l o p e d u et ot h em u l t b r e s o l u t i o n f e a t u r eo ft h ew a v e l e tt r a n s f o i t i i ，t h es i g n a lt h a ti sr e c o n s t r u c t e d ，a f t e ru s i n gt h e b i r g e - m a s s a r ts t r a t e g yt od e a lw i t ht h ew a v e l e tc o e f f i c i e n t ，c o u l db ed e n o i s e d w i t h o u tl o s i n gt h ep o w e ro ft h ea b s o r p t i o nl i n e w a v e l e tt r a n s f o r mz e r o - c r o s s i n g m e t h o di ss h o w nt oh a v et h ea b i l i t yt of i tt h ec o n t i n u o u ss p e c t r u me n v e l o p ew i t hh i g h s i m i l a r i t y , t h u sr e d u c i n gt h ee r r o r so fs p e c t r u me x t r a c t i o na n di m p r o v i n g t h er e t r i e v a l a c c u r a c y t h i r d ，t h ea p p l i c a t i o n o ft h ew a v e l e n g t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h i s i n t r a - c a v i t ys y s t e m h a sb e e ni n v e s t i g a t e d f i r s t ，t h e f e a s i b i l i t y o fw a v e l e n g t h m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sv a l i d a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e n ，e x p e r i m e n t sh a v e b e e nc o m p l e t e dw h i c hc o n f i r mt h ea d v a n t a g e so ft h es e c o n dh a r m o n i cs p e c t r u m e x p e r i m e n t ss h o wt h a ts i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t sc a nb ea c h i e v e di nr e p e a ta c c u r a c y , m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n dd e t e c t i o nl i m i tb ym e a n so ft h ew a v e l e n g t hm o d u l a t i o na s o p p o s e dt ou s eo f t h es t a t i cs c a n n i n gs p e c t r u m k e yw o r d s ：g a sd e t e c t i o n ，e r b i u md o p e d f i b e rr i n gl a s e r , i n t r a c a v i t ya b s o r p t i o n s p e c t r u m ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，w a v e l e n g t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , h a r m o n i c d e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：萎距汲 签字日期：埘年易月广日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：委v 遥远翩虢鸱 签字日期：矽钾年易月厂日 签字日期可譬年月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 气体检测在众多行业中都有广泛的应用，检测有毒有害气体和易燃易爆气体的 浓度对于环境保护和安全生产具有极其重要的意义。一方面，资源和环境是人类赖 以生存、繁衍发展的基本条件。“保护人类生存环境，实施可持续发展战略”是2 1 世纪国际社会“和平与发展”和“环境与发展”两个主题之一。但是，人类的生产 活动和社会活动严重污染了大气环境，造成全球气候异常变化、全球气候变暖和臭 氧层空洞；产生酸雨和光化学烟雾；致使全球生物多样性锐减、森林遭到破坏、土 地荒漠化和海洋污染加剧等。环境问题涉及到政治、经济、科技、外交和商贸等众 多领域，直接或潜在威胁着人类的生存和发展。另一方面，在工业生产过程中，有 毒有害气体和易燃易爆气体不仅污染环境，而且有产生爆炸、火灾和使人中毒的危 险。对这些气体的迅速准确检测将有效地保障煤矿、钢铁和化工等行业工人人身安 全和生产安全。因此，面对日益严重的全球环境问题和生产安全问题，各国政府和 企业投入了巨大的财力、物力和人力来评估气体污染程度，采取各种措施来监测、 治理大气污染和工业气体的排放。 在人类监测、控制和治理大气污染过程中，近红外吸收光谱技术发挥了越来越 重要的作用。但是传统的方法或是需要对气体进行预处理( 如测定c o 的不分光红 外法) ，或是只能对特定气体进行检测( 如可调谐二极管激光吸收光谱技术) ，或是 结构复杂，价格昂贵，不利于现场测量( 如傅立叶变换型分析仪) ，均难以满足环 境监测或是工业生产监控的需要。而基于掺铒光纤激光器的腔内气体分析技术结合 了气体吸收光谱和光纤传感的优点，无须对样品进行预处理，结构简单，对环境要 求低，易于实现多点、远距离测量。另外，将气体池置于激光器谐振腔内，光子在 谐振腔内多次穿过气体池而大大增加了光与气体的有效作用长度，将小的吸收信号 放大，大大提高了灵敏度。再者，掺铒光纤环腔激光器输出光谱范围宽 ( 1 5 2 0 1 5 8 0 n m ) ，在此范围内有多种污染气体存在吸收峰，如二氧化碳、甲烷、 一氧化碳、乙炔、氨气等，可以实现多种气体同时检测，降低了单气体检测的成本。 因此，这是一种很有潜力的新型气体监测检测技术。 1 2 近红外吸收光谱检测基本原理 近红j l - 光是一种电磁波，具有“波、“粒 二重性。近红外光子的能量可以用 第一章绪论 e = 伽表示，其中，h 为普兰克常数，v 为光的频率。从光源发出的近红外光照射 到由一种或多种分子组成的物质上，如果分子振动与转动状态的能量变化或分子振 动或转动状态在不同能级间跃迁所需的能量，等于近红外光谱区域某波长处光子的 能量，则产生近红外光谱吸收。 分子的能量跃迁包括基频跃迁( 对应于分子振动状态在相邻振动能级之间的跃 迁) 、倍频跃迁( 对应于分子振动状态在相邻一个或几个振动能级之间的跃迁) 和 合频跃迁( 对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁) 1 2 j 。近红外光谱信息来 源于分子内部振动的倍频与合频，并且主要反映分子中c h ，n h ，0 h ，c n ， c 0 ，c = o ，c = n 基团的倍频与合频振动吸收。因此，近红外光谱常用来测定含有 这些基团的有机物含量。 根据光谱吸收峰的位置和形状可以用来推断未知物的化学结构，进行定性分 析。光谱是由不同能级的跃迁产生的，其频率由所吸收的光子的能量决定。在理想 状态下，每条谱线对应一个确定的频率，即光谱轮廓只用一条没有宽度的几何线来 表示。但实际上，对任何一条光谱线进行测量，它们总是具有一定的频率展宽，而 且每条谱线的光谱宽度也不一样，用线型函数g ( v ) 描述光谱线型，其定义为【3 j ：若 一条光谱线的总辐射强度为，。，而在频率v v + 咖范围内的辐射强度为l ( v ) d v ， 则有i ( v ) d v = i o g ( v ) d v ，即： g ( v ) = i ( v ) i o ( 1 一1 ) 如图1 1 中为一条实际光谱线型函数，其中v 。表示光谱线型函数取得极大值时 的频率，称为中心频率。血表示g ( v ) 从极大值下降到最大值一半处所对应的频率 间隔，称为半值半峰宽。 v ov v 图1 - 1 光谱线型函数 光谱线展开的主要原因有三种：自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽。 1 自然展宽是在没有外界因素的影响下，由于自发辐射是不稳定的，具有一 2 第一章绪论 定的寿命而引起的展宽，它取决于原子结构本身的性质。 光谱线的自然展宽越宽。自然展宽的线型函数为 洲= 等= 而丽a v n 激发态的平均寿命越短， ( 1 2 ) 式中，血为自然展宽的半值半峰宽。自然展宽线型函数为洛伦兹分布函数。 2 碰撞展宽是因辐射分子与干扰分子相互碰撞而引起的谱线展宽。与自然展 宽一样，也取决于粒子在激发态的平均寿命。换言之，碰撞展宽线型函数也是洛伦 兹分布函数。只是用碰撞展宽半宽_ l ，代替自然半宽血。如公式( 1 3 ) ： 删2 等2 而丽a v l ( 1 - 3 ) 3 多普勒展宽是由原子在空间做无规则运动产生多普勒效应引起的。气体分 子在不停地热运动过程中，在任何时候都有一些辐射朝接收装置运动，一些远离 接收装置运动，而且运动速率是连续分布的。因此，观察到的光谱线不可能是单 一频率，而是在一定频率范围内的连续分布。这就是多普勒展宽的物理过程。多 普勒展宽的线型函数如公式( 1 - 4 ) ： g d ( 咖等= 击( 等烛p 【- 嚣旷订】( 1 - 4 ) 式中，血n 为多普勒展宽的半峰宽。由多普勒效应产生的光谱线展宽是高斯线型。 近红外特征吸收谱强度则可以表征被测组分浓度，对被测物进行定量分析，其 理论依据是朗伯比尔( l a m b e r t b e e r ) 定掣4 j ： k = 1 9 了i o = 口( v ) 吐 ( 1 - 5 ) 其中，k 为吸光度，厶为入射光辐射强度，为透射光辐射强度，口( y ) 为物质在 频率为v 处的吸收系数，c 为浓度，为光程长。由公式( 1 5 ) 可知，增加光程可 以增加吸光度，提高气体检测灵敏度。 朗伯比尔定律具有可加性，由n 种组分混合而成的气体，在任一波数f 处的 其中，k 为第f 个波数处n 种组分的总吸光度，口，为组分，在波数f 处的吸收系数， ， c ，为组分，的浓度，三为光程长。 由于近红外光谱测量分子振动的倍频或合频，比中红外( 基频) 的能量要低， 比紫外、可见光谱( 电子跃迁) 要低2 3 个数量级，因此对于大气污染等痕量气体 的检测，信号很容易淹没在噪声中，需要采用一定的手段来提高检测灵敏度。通常 采用的方法是长光程气体池和波长调制技术。 ，石l 、， m ：、乞 爿 o 己 勺 卢 = 墨 为度光 吸 总 第一章绪论 1 3 现有气体监测方法 目前常用的气体检测方法主要有光谱吸收法、化学分析法和色谱分析法【5 】【6 j 。 化学分析法是以化学反应为基础进行物质分析的方法( 如测量二氧化硫的碘量 法和测量氟化物的离子选择电极法) 。该方法操作方便、快速、准确率高，但是需 要对气体进行采样和预处理，且存在传感器漏液、交叉污染和催化剂中毒等问题。 色谱分析法是一种分离和分析的方法，它是基于不同物质在两相( 固定相和流 动相) 中的不同分配系数将物质进行分离和检测。色谱法具有高效、灵敏、快速、 应用范围广、样品用量少等优点，但是该方法操作复杂，不利于实时检测。 光谱吸收法相对于其他方法，有测量范围宽、灵敏度高、选择性良好、不中毒、 寿命长等一系列优点【7 1 ，受到国内外广泛重视。其中紫外吸收光谱利用分子对光辐 射的特征吸收进行气体分析( 如测量氮氧化物的紫外分光光度法) ，通过分析吸收 光谱不但可以定性的确定某些成分的存在，而且还可以定量的分析这些成分的含 量，其检测灵敏度可达0 5 p p b 。但是，紫外吸收光谱法容易受到水的吸收干扰。而 红外吸收光谱法是基于分子振动和转动理论建立的光谱技术，它利用分子基团的特 征吸收频率对物质进行定性和定量分析，吸收系数小，分析过程简单【引。 红外光谱吸收按其光源可以分为常规光谱技术和激光光谱技术，常规光谱技术 采用钨灯、溴钨灯或者普通发光二极管等光谱覆盖范围宽的光源，并采用一定的手 段将光源发射的连续光变成单色光【9 1 ，在应用上又可分为不分光红外分析仪和分光 型红外分析仪。而激光光谱采用激光作为光源，激光具有极高单色性和相干性，极 好方向性，极高功率密度和可以快速调节等优点b o ，提高了近红外检测的灵敏度 和分辨率，极大的促进了光谱技术的发展。红外光谱分析按波长又可分为近红外光 谱分析( 0 7 8 9 m - 2 5 岬) 、中红外光谱分析( 2 5 岬5 岬) 和远红外光谱分析 ( 2 5 u m 1 0 0 0 岬) ，其中近红外光谱法无需对样品进行前处理，水的吸收干扰相对 小、且处于石英或玻璃的低吸收光谱区，易于与光纤结合，因此得到了广泛的关注。 常用的红外光谱检测方法有： 1 傅立叶变换光谱仪( f t i r ) 【i i j f t i r 是目前红外及可见波段最有代表性的光谱分析工具之一。其工作过程为： 由光源发出的光经准直系统变成平行光进入迈克尔逊干涉仪，经干涉仪调制得到干 涉光，干涉光通过样气到达检测器变成电信号，该电信号是一时间函数，绘制出来 就是干涉图，其横坐标是动镜移动时间或距离，经傅立叶变换即得到以波数为横坐 标的频域光谱。傅立叶变换型近红外光谱信噪比高、分辨率高、准确性好，但是价 格比较昂贵，设备体积庞大。 2 声光可调滤波型近红外光谱仪( a o t f ) i l 列 a o t f 是2 0 世纪9 0 年代近红外光谱技术最突出的进展。入射自然光在射频信 4 第一章绪论 号的驱动下同时出现e 光和。光两束衍射光，其余波长的衍射光直接从器件透射。 改变射频驱动信号的频率将有不同波长的衍射光从器件出射以电调谐实现波长扫 描。声光可调滤波型光谱仪采用声光部件分光，无机械移动部件，测量速度快、精 度高、准确性好，但是同样价格比较昂贵。 3 可调谐二极管激光吸收光谱技术( t d l a s ) 0 3 t d l a s 技术是基于可调谐二极管激光器，特别是分布反馈式激光二极管 ( d f b ) 而发展起来的一项技术。通过控制二极管激光器的温度或者注入电流，能 够实现输出激光波长的微调，在一个扫描周期内能够获得包含被测气体信息的单线 吸收谱线和不包含被测气体信息的背景谱线，从而对气体进行定性和定量分析。结 合波长调制技术和多次反射长光程气体池，其检测灵敏度可达到p p b 级，得到了广 泛的关注。但是由于d f b 激光二极管价格相对比较高，特别是用于气体检测所需 的非通信波长的激光二极管，其价格尤为昂贵；而且由于d f b 激光二极管波长调 谐范围通常只有几a m ，不能同时覆盖多个气体吸收峰，光源利用率低。 4 r i n g d o w n 腔光谱检测技术1 4 】 r i n g d o w n 是指光脉冲在腔中往返传播而衰减。两个高反射率的平面镜构成一 个谐振腔，此谐振腔被直接当作气体盒，待测气体注入腔内后，光在腔内的损耗就 反映了气体吸收的强弱。当激光器发出的单个脉冲进入此低损耗腔，且脉宽的持续 时间小于光在腔内往返一次的时间，则由于此腔的损耗极低，光脉冲可以在其中往 返多次，甚至数万次。这就相当于光与气体的有效作用距离增加了数万倍。但是 r i n g - d o w n 技术需要高反射率来实现低损耗腔，对于某些波段，这个要求很难满足； 另外，由于测量结果对反射镜的反射率非常敏感，当反射镜受到污染时，测量结果 也随之改变，因此设计中需要对反射镜加以保护，这就大大增加了系统的复杂程度； 而对于低损耗腔的高要求，无法检测某些损耗大的样品，也就限制了测量的动态范 围。 5 有源腔内光谱检测技术 腔内吸收法是在激光基础上发展起来的一种特殊吸收光谱法，是人们在研究 染料激光器的过程中发现的一种反常现象，即在染料激光器输出光谱带中常存在 一凹陷。这种现象的产生，是由于谐振腔的缺陷或染料中存在痕量的吸收物质。 也就是说，谐振腔内存在使激光能量损耗的因素，将导致在特定波长处光谱能量 的降低。1 9 7 1 年，t h r a s h 和p e t e r s o n 等人在染料器的谐振腔内放入一弱窄带吸 收体，同样发现了上述现象，即在吸收体吸收波长处激光输出减弱了。 有源腔内光谱检测技术在激光腔内放入气室，通过测量激光器输出光谱因气 体吸收而引起的变化，反演出所测量气体的浓度。光子在谐振腔内的振荡使光与 气体多次相互作用，增加了有效吸收光程。由于气体吸收本身就是激光器的组成 部分，这时气体吸收的损耗是激光器腔内损耗的一部分，这种附加损耗对激光器 第一章绪论 的输出造成巨大的影响，因此这种测量方法灵敏度很高。掺铒光纤腔内气体检测 系统因其光源调谐范围宽、输出激光线宽窄、灵敏度高、结构简单，成为一种很 有潜力的气体检测技术【l 列。香港工业大学靳伟课题组从2 0 0 2 年开始基于掺铒光 纤激光器的腔内气体检测系统的研究1 16 1 ，并联合清华大学、苏格兰斯特莱斯克 莱德大学在这方面进行了深入的探讨：提出了多点复用的基于掺铒光纤激光器腔 内气体检测系统结构【0 7 】；研究了掺铒光纤腔内气体检测灵敏度与泵浦驱动功率 的关系【1 8 】；并将波长调制- - 次谐波检测技术运用于掺铒光纤腔内检测系统1 19 。 韩国h a ny o u n gr y u ，w o n k y ul e e 等人也对掺铒光纤气体检测进行了研究，并用 此方法研究了乙炔谱线的展宽【2 0 1 。但是前述研究将激光器的输出波长锁定在乙 炔气体某个吸收峰附近来探测气体吸收的衰减，并未利用到掺铒光纤腔内激光器 可调谐范围宽的优势；而且没有探讨气体衰减与浓度之间的关系。本文采用波长 扫描的方法，可检测到乙炔气体多个吸收峰或是多种气体的吸收峰，利用光纤布 拉格参考光栅来标定吸收峰的位置，反演吸收峰对应的波长，并根据吸收峰衰减 的幅度解调出气体的浓度。 1 4 本论文的主要内容 本论文的主要工作是以国内外已有的相关理论和研究成果为基础，结合本课题 组现有的实验条件，搭建了基于掺铒光纤环腔激光器的腔内气体传感系统，探讨了 系统在定性监测和定量检测方面的性能，分析了光谱数据处理的方法，最后讨论了 波长调制技术在本系统中的应用。 第一章为绪论部分。首先从环境保护和安全生产的需求方面提出了课题的意 义，介绍了近红外光谱检测的基本原理，并总结了现有的气体检测的方法及其优缺 点。最后对本论文各部分的安排进行了介绍。 第二章为基于掺铒光纤环腔激光器的腔内气体传感系统设计。首先介绍了掺铒 光纤放大器、法布里珀罗腔及掺铒光纤激光器的原理；给出了基于掺铒光纤激光 器的腔内传感系统的基本结构；并分析了系统各个组成部分的功能和参数；分析了 系统用于气体检测的优势。 第三章为系统性能分析及实验。首先讨论了影响系统的灵敏度增强因子的因 素，并通过实验进行了验证；接着探讨了系统在定性分析方面的性能，讨论了吸收 峰对应波长反演的准确度；然后研究了系统在定量检测方面的性能，讨论了其浓度 检测的检测极限和精度等性能指标。一i 一 第四章为信号处理的方法。介绍了小波变换的基本原理；在分析谱线特征的基 础上提出了小波变换阈值法去噪和小波变换零交叉法拟合连续谱的方法，并通过与 其它方法的对比验证了算法的有效性。 6 第一章绪论 第五章为波长调制技术的应用。首先介绍了波长调制技术的基本原理；然后分 析了f - p 滤波器的迟滞效应、f p 滤波器的响应速度和功率调制对谐波检测的影响； 最后通过实验验证了谐波检测光谱相对于静态扫描光谱在信噪比和精度等方面性 能的提高。 第六章为总结部分。总结了全文的工作，并提出了进一步研究方向。 7 第二章基于掺铒光纤激光器的腔内气体传感系统设计 第二章基于掺铒光纤激光器的腔内气体传感系统设计 2 1 掺铒光纤激光器原理 激光的产生是一个受激辐射放大积累的过程。当光束通过某种介质时，入射 光子携带的能量将使介质中的电子被激发到较高的能级上。电子处于高能级时， 通过辐射与非辐射跃迁释放能量返回基态。从高能级到低能级的辐射跃迁包括自 发辐射与受激辐射两种形式，其中受激辐射是产生激光的基础。一个能量和激发 能级与基态能级的能量差相等的光子入射到介质中，就会诱发受激辐射，产生一 个和入射光子同相位的光子，因此由受激辐射所产生的光子表现出一定的相干 性。受激辐射产生的光子又不断诱发新的受激辐射，使信号光增强，对于激光波 长，流出一段激光介质的光子流如果大于进入这段介质的光子流，则完成了光放 大，当这种放大克服腔损耗达到阈值时，便可产生激光1 2 。 掺铒光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到 反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分 组成。掺铒光纤激光器的增益介质为掺杂铒离子的一段光纤。光纤中铒离子在受 到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形 成对信号光的相干放大。 掺铒光纤激光器从腔结构上看，可以分为线形腔和环行腔激光器。如图2 - 1 、 2 - 2 所示。本系统采用的是环形腔结构。 图2 1线形腔掺铒激光器基本结构 掺铒光纤 一r 一- - - - - - 葡岬 图2 - 2 环形腔掺铒激光器基本结构 2 1 1 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的原理及其特性 2 2 1 2 3 1 e d f a ( e r b i u m d o p e do p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r ) 是一种有源激光放大器，其放 大的机理是掺杂的铒离子在泵浦光的作用下形成粒子数反转，从而对入射光信号 形成增益。铒离子在泵浦光的作用下，从基态能级跃迁到高能态能级。由于高能 第二章基于掺铒光纤激光器的腔内气体传感系统设计 态能级到亚稳态能级的弛豫时间很短，高能态能级上的粒子很快跃迁到亚稳态能 级，高能态上的粒子数基本可以认为是0 。亚稳态能级到基态能级的弛豫时间比 较长，约为m s 量级，当波长为1 5 5 0 r i m 左右的信号光子输入时，亚稳态能级的 粒子受激辐射向基态能级跃迁，产生与入射光子同频、同相、同方向的光子，于 是入射光得到放大。 为了实现粒子数反转，必须对激光工作介质进行泵浦，使工作介质中的更多 粒子吸收外界泵浦能量从低能级跃迁到较高的能级上。铒离子在泵浦的作用下， 可以看作是一个三能级系统。如图2 3 所示。其中e 。为基态能级，激光工作的下 能级，粒子数为n ；e ，为激光工作的上能级，一般称为亚稳能级，粒子数为2 铒离子在亚稳态的寿命比较长，约为1 0 m s ，正因为掺铒光纤放大器亚稳态的寿 命较长，因此可以用连续激光泵浦而获得高粒子数反转，得到所需的高增益和低 噪声；b 为泵浦高能级，粒子数为n 3 ；铒离子的总掺杂浓度为0 。铒离子在上 述能级间的跃迁过程如下： jl l ii v ，p 1p !；3 lan 4 jl l 上2 ll ： 11，2 广 图2 3 三能级系统跃迁示意图 e l 在外界泵浦源的作用下，基态能级巨上的粒子吸收泵浦能量而跃迁到e 3 能级上，其泵浦几率为，w p = 0 4 矿枷p ，其中，巴为泵浦功率，h v p 为 泵浦光子能量，彳。矿为泵浦光的有效面积，仃印为泵浦光的吸收截面，同时，e ，能 级上的粒子也能以相同的跃迁几率受激跃迁到基态能级e 上。 e 能级上的粒子主要通过非辐射跃迁迅速转移到激光上能级e ，上，其几 率为s ，：。s ，：= 1 乃，其中f ，为泵浦能级的非辐射衰减时间。另外，能级e ，上的 粒子也能以自发辐射和非辐射跃迁的方式返回e ：和巨上，其几率分别为彳，：、 4 和最。但这些因素对激光的工作效率带来不利影响，应尽量抑制。 9 第二章基于掺铒光纤激光器的腔内气体传感系统设计 激光上能级e 为亚稳态。在粒子数反转之前，e ，能级上的粒子返回基态 能级的方式以自发辐射为主，其几率为彳，。，而非辐射跃迁回基态的可能很小， 其几率为s 2 l 。上能级的光子寿命f ：= l ( a ：。+ s ：。) 。对于铒离子来说，其粒子在 上能级停留相当长的时间，约为1 0 m s 。当能级e ：和e ，间形成粒子数反转时，即 n ， n 时，这两个能级间以受激吸收和受激辐射为主，受激吸收和受激辐射的 几率分别为彤：和吸。形：和。正比于环腔掺铒光纤激光器中的光子数量 即。= 告吒，：= 导吒，其中，r 。为纤芯内信号光所占的比例，s 为 o j l c o 。i c 纤芯面积，吒和吒为激光的辐射和吸收截面，f 。是光子在环腔中循环一周的时 间。 各能级粒子随时间变化的微分方程如下： 警也叫峨) l 一等 d n 2 ：丝一n 2 一一? i s ( o e 2 一。n 1 ) ， d t 乃f 2s r c 。1 n t + n 2 + n 3 = n o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 在小信号情况下，上下能级间的受激辐射和受激吸收几率很小，可以忽略。 由式( 2 1 ) ( 2 3 ) 可得，在小信号情况下，粒子反转数州。= 2 一l = 睨r 2 ， 取决于泵浦功率和受激辐射上能级寿命。当泵浦功率大于阈值功率时，增大泵浦 功率可以增大小信号粒子反转数。但是，随着入射光强增大，受激辐射作用增强， 导致上能级粒子数急剧减少，即反转粒子数减少，这种现象称为反转粒子数饱和。 e d f a 的增益特性表征了光放大器的放大能力，增益系数g 定义为光放大器 输出光功率对输入光功率的比值。对于给定的掺铒激光放大器，掺杂密度和掺铒 光纤长度已经确定，e d f a 增益系数g 与反转粒子数成正比。在小信号输入情况 下，放大器的增益不随入射光信号的增加而变化，表现为恒定不变，且大于大信 号输入时的增益系数。这是由于输入信号功率增大到一定值后，由于入射光在介 质中传输时，通过受激辐射获得增益的同时消耗了大量反转粒子数，反转粒子数 的饱和导致增益系数也发生饱和。当泵浦功率大于阈值功率时，e d f a 小信号增 益随着泵浦功率按指数函数规律增加，即随着泵浦功率的增加，增益系数增加， 但当泵浦功率超过一定值后，增益的增加变缓，放大器的增益效率随着泵浦功率 的增加而下降。图2 4 和2 5 分别表示小信号增益系数与泵浦功率及输入光功率 的关系。 e d f a 的增益带宽特性如图2 - 6 所示。可以看出，e d f a 的增益谱是相当宽 的( 1 5 2 0 1 5 8 0 n m ) ，但形状不规则。在1 5 3 0 n m 附近有个增益尖峰；在1 5 5 0 n m l o 第二章基于掺铒光纤激光器的腔内气体传感系统设计 附近的增益较低，但相对平坦。 一 e d f a 噪声特性可用噪声指数来度量。其定义为e d f a 的输入信噪比与输出 信噪比的比值。在掺铒光纤中，除了受激辐射外，亚稳态能级上的粒子还存在着 自发辐射( a s e ) 。e d f a 的自发辐射谱与其增益带宽特性完全一致。a s e 是e d f a 噪声的主要来源之一，不仅与信号竞争，消耗高能级粒子，降低信号增益，而且 会造成输出功率不稳定。e d f a 的噪声功率由两部分组成，一部分是每一小段光 纤产生的自发辐射，而大部分是该段光纤对前部分光纤产生的自发辐射的放大， 即放大的自发辐射。e d f a 的噪声指数随着泵浦功率的增大而减小。这是由于 泵浦功率越大，虽然输出噪声功率随泵浦功率的增大而增大，但信号同样也获得 增益，因而每一段光纤产生的自发辐射的比重较小，所以总的信噪比提高，噪声 指数下降。如图2 7 所示。 增 益 系 数 g p m 泵浦功率p 图2 4e d f a 增益系数随泵浦功率变化 图2 _ 6e d f a 的增益带宽特性 a t t , , t _ 孽砖摹l d 跏) 图2 - 5e d f a 增益系数随输入光功率变化 辕入功率( d a m ) 图2 7e d f a 噪声系数 2 1 2 掺铒光纤激光器波长调节及可调法布里珀罗滤波器的原理 掺铒光纤放大器增益带宽很宽，约为6 0 n m ，因此要形成窄带激光输出，必 须经过选频器件，使只有固定能量的光子在环腔中振荡形成激光。常用的选频器 件有原子共振光学滤波器、双折射滤波器、法拉第反常色散滤波器、法布里- 珀 第二章基于掺铒光纤激光器的腔内气体传感系统设计 罗( f p ) 滤波器等【2 引。本系统采用的是f p 滤波器。 f p 滤波器基于多光束干涉原理【2 5 】，如图2 8 所示。光束0 入射到折射率为 n 、厚度为h 、表面反射率为r 的膜时，入射光在上表面分割为反射光束1 和折 射光束( 折射角为0 ) ，折射光束在下表面反射的同时，还有一部分能量投射过 去，形成透射光束l 。当从下表面反射回来的光再次透过上表面形成光束2 的同 时，也还是有一部分能量反射回去，在下表面形成透射光束2 。如此反复的折射 和反射形成无数多的反射光束1 、2 、3 和无穷多的透射光束l 、2 、3 ：。 再利用几何光学计算出各透射光束的光程差后，运用合成振幅的方法最终可以求 得透射光的强度为 t = l + 4 r s i n 2 ( 2 n n h c o s 酬见) 】( 1 一r ) 2 q ( 2 - 4 ) 由上式可以看出，能够全部透射的波长必定满足以下条件 2 n h c o s o = m 以 ( 2 5 ) 其中，m 为整数。显然，在确定整数m 后，通过选定n 、h 、a ，可以在以以为 中心波长的条件下进行滤光。 0 1 ，2 3 、 h 弋专卜 l2 3 图2 8f - p 滤波器原理 要使宽带光在通过f p 滤波器之后，透射光中只有一个干涉亮条纹，f - p 滤 2 2 12 波器的腔长h 必须满足条件：h 尝。即m ，、i s ，其中，五。为透射光波的最 厶 厶h 短波长。m 称为可调f p 滤波器的自由光谱范围( f s r ) 。可以看出，f s r 与 f p 腔长是反比关系。对于f p 滤波器，在自由光谱范围内的干涉级数都是相同 的，即当可调f p 滤波器工作时，式( 2 5