專利名稱：用于測量多組分氣體的多波長激光器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型屬于氣體測量和檢測技術(shù)領域，涉及調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，為一種用于測量多組分氣體的 多波長激光器。
背景技術(shù)：
氣體的測量和檢測，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的檢測，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民 生活、科學研究和國家安全至關重要。光學式氣體檢測技術(shù)具有許多其他檢測技術(shù)無法比 擬的優(yōu)點，如靈敏度高、響應速度快、動態(tài)范圍大等。激光具有的高單色性、方向性和高強 度，使其成為氣體探測的理想工具，近年來迅速發(fā)展的調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)為氣 體檢測提供了相當高的檢測精度，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護等領域表現(xiàn)出廣泛的應用前 景。TDLAS技術(shù)是利用改變半導體激光的驅(qū)動電流實現(xiàn)激光波長的快速調(diào)諧，通過對目標氣 體的吸收線的連續(xù)掃描來實現(xiàn)氣體濃度的快速檢測。發(fā)明人張國林提出了一種基于半導體 激光器注入電流直接調(diào)制的對數(shù)二次諧波技術(shù)的激光氣體遙測方法，參見現(xiàn)有技術(shù)1 張 國林，“激光氣體遙測的方法和裝置”，專利號ZL200710133945. 0。在該技術(shù)中，采用注入電 流直接調(diào)制的半導體激光器作為發(fā)射光源，發(fā)射和接收光學系統(tǒng)采用收發(fā)同軸結(jié)構(gòu)，采用 對數(shù)二次諧波探測技術(shù)對氣體吸收信號進行探測和處理，具有測量信噪比高，結(jié)構(gòu)簡單、體 積小巧，便于便攜式應用的特點，提供了一種具有高穩(wěn)定度、高靈敏度的適合便攜式應用的 激光氣體遙方法和測裝置。但遺憾的是，現(xiàn)有調(diào)諧半導體激光器的電流調(diào)諧范圍十分有限， 一個激光器的調(diào)諧范圍很難覆蓋不同氣體的吸收譜線，一般一個激光器只能測一種氣體。因此，在檢測系統(tǒng)中多種待測氣體需要對應多個不同波長的半導體激光器，多組 分氣體檢測就涉及到如何將多個波長不同激光器復用到同一檢測光路中形成多波長激光 光源，以實現(xiàn)多氣體快速檢測的問題。許多工作者開展了相關的研究，并提出了多種實現(xiàn)方 法?，F(xiàn)有技術(shù)2 陳東，劉文清，張玉鈞，“調(diào)諧半導體激光光譜分時掃描多路方法”，光子學 報，第38卷第8期中，提出了一種基于多激光分時掃描的激光時分多路方法，該方法先通過 光纖耦合器將兩個半導體激光器的輸出光束復用同一個光路中，然后通過對兩個激光器輸 出波長的分時掃描，在一個系統(tǒng)周期內(nèi)實現(xiàn)多組分氣體的準同時快速檢測。但是，該技術(shù)采 用光纖耦合器進行激光器復用，損失了 50%的激光功率，如果復用更多的激光器，功率損失 更大，極大降低了氣體檢測的信噪比和靈敏度。在先技術(shù)3 :K0RMANNR，F(xiàn)ISCHER，et al. Application of a multi-laser tunablediode laser absorption spectrometer for atmospheric trace gas measurements at sub-ppbvlevels, [J]. Spec rochimica Acta A, 2002, 58,其中，K0RMANNR 等人采用時分多路技術(shù)，利用機械振鏡將多束檢測激光順序?qū)氲綑z測光路，實現(xiàn)了對多 種大氣痕量氣體成分的分時順序檢測。此方法在原理上較為簡單，但機械振鏡的速度較慢， 在數(shù)毫秒量級，而且抗干擾能力較差，因此存在檢測實時性差和穩(wěn)定性差的問題。發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的問題是現(xiàn)有通過調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)對氣體的測 量和檢測中，一個激光器的調(diào)諧范圍很難覆蓋不同氣體的吸收譜線，一般一個激光器只能 測一種氣體，已有的能夠?qū)崿F(xiàn)激光器復用的技術(shù)，激光功率損耗大，或復用中激光轉(zhuǎn)換速度 慢，抗干擾能力差。本實用新型的技術(shù)方案為用于測量多組分氣體的多波長激光器，包括至少兩個 半導體激光器、高速光纖復用器和輸出光纖準直器，每個半導體激光器對應連接一個激光 電流溫度控制器，所有半導體激光器的輸出尾纖分別和高速光纖復用器的輸入端口光纖相 連；高速光纖復用器包括透鏡光纖陣列、電光光束偏轉(zhuǎn)器、電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器和光纖 準直器，高速光纖復用器的輸入端口光纖連接透鏡光纖陣列，透鏡光纖陣列、電光光束偏轉(zhuǎn) 器和光纖準直器依次連接，電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器連接電光光束偏轉(zhuǎn)器，光纖準直器的 輸出和輸出光纖準直器相連；其中電光光束偏轉(zhuǎn)器輸入端為多路光源，輸出端為一路光源， 且為準直光；輸出光纖準直器的出射光為平行光。半導體激光器的線寬小于待測氣體的吸收峰寬度的1/10，其波長掃描范圍大于待 測氣體的吸收峰寬度。優(yōu)選半導體激光器為光纖耦合輸出的分布反饋DFB半導體激光器或分布布拉格 反射DBR半導體激光器。進一步的，透鏡光纖陣列的排列形狀為一維或者兩維。電光光束偏轉(zhuǎn)器的材料為 高電光系數(shù)的晶體或陶瓷材料，電光系數(shù)大于17pm/V，其電極形狀和電極級聯(lián)數(shù)量根據(jù)半 導體激光器數(shù)量進行設計。作為優(yōu)選，光纖準直器發(fā)散角為10毫弧度量級；輸出光纖準直器發(fā)散角為1毫弧
度量級。本實用新型引入光纖通信技術(shù)中的時分復用思想，采用基于電光光束偏轉(zhuǎn)器的高 速光纖復用器對不同波長的激光器進行高速時分復用，將不同波長的多個激光器通過高速 光纖復用器復用到同一檢測光路中，形成多波長激光光源。通常電光光束偏轉(zhuǎn)器的應用都 是在電光效應下將一路光源偏轉(zhuǎn)為不同路輸出，本實用新型利用光束可逆原理，反過來將 不同路的激光輸入偏轉(zhuǎn)為一路輸出，在光纖準直器的配合下，實現(xiàn)高速時分復用，本實用新 型技術(shù)方案既不存在先技術(shù)2中采用光纖耦合器進行復用存在的激光功率損失問題，又不 存在先技術(shù)3中采用機械振鏡復用存在的穩(wěn)定性和實時性差的問題。本實用新型具有以下特點和優(yōu)點引入光纖通信技術(shù)中的時分復用思想，采用基 于電光光束偏轉(zhuǎn)器的高速光纖復用器對不同波長的激光器進行高速時分復用，將不同波長 的多個激光器通過高速光纖復用器復用到同一檢測光路中，形成多波長激光光源。與其他 先技術(shù)相比，具有激光功率損耗小、復用速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。能夠更好地滿足激光測 量多組分氣體所需的實時性、高靈敏度和高穩(wěn)定性的要求。

圖1為本實用新型多波長激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型高速光纖復用器采用的電光光束偏轉(zhuǎn)器原理圖。
具體實施方式
本實用新型為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于激光測量多組分氣體的多波長激光光源。本實用新型引入高速光纖復用器，將不同波長的多個激光器通過高速光纖復 用器復用到同一檢測光路中，形成多波長激光光源。將克服現(xiàn)有技術(shù)中損失激光功率、檢測 實時性差、穩(wěn)定性差的問題，可用于基于調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)原理的氣體遙測或 者光纖氣體傳感應用場合。如圖1所示，本實用新型包括至少兩個半導體激光器2、高速光纖復用器3和輸出 光纖準直器8，每個半導體激光器2對應連接一個激光電流溫度控制器1，所有半導體激光 器2的輸出尾纖分別和高速光纖復用器3的輸入端口光纖相連；高速光纖復用器3包括透 鏡光纖陣列4、電光光束偏轉(zhuǎn)器5、電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器6和光纖準直器7，高速光纖復 用器3的輸入端口光纖連接透鏡光纖陣列4，透鏡光纖陣列4、電光光束偏轉(zhuǎn)器5和光纖準 直器7依次連接，電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器6連接電光光束偏轉(zhuǎn)器5，光纖準直器7的輸出 和輸出光纖準直器8相連；其中電光光束偏轉(zhuǎn)器5輸入端為多路光源，輸出端為一路光源， 且為準直光；輸出光纖準直器8的出射光為平行光。激光電流溫度控制器1為半導體激光 器2提供直流偏置、電流掃描、交流調(diào)制和溫度控制。半導體激光器2出射的中心波長分別 為λ 1、λ 2、…λη的被調(diào)制的連續(xù)窄線寬激光，這些激光通過光纖準直器7分別在不同時 間段Τ1、Τ2、…Tn導通到輸出光纖準直器8中出射。在相應時間段Τ1、Τ2、…Tn內(nèi)，出射 激光λ1、λ2、…λ η分別用于測量不同待測氣體。不同波長的半導體激光器的激光入1、 入2、…λη輸入電光光束偏轉(zhuǎn)器5，可以同時輸入，沒有特別要求；因為激光通過透鏡光纖 陣列4輸入到電光光束偏轉(zhuǎn)器5中，沒有角度要求。其中，高速光纖復用器3的工作原理可用圖2說明，在一塊電光材料的上下表面鍍 上三角形電極，如圖2灰色部分，當在電極上施加電場E時，電極覆蓋的三角形區(qū)域的折射 率由于電光效應將發(fā)生變化，從η0變化至nl。當一束光從左面入射時，由光折射原理可知， 輸出光束將在覆蓋電極和沒有覆蓋電極之間的界面上發(fā)生折射偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角beta取決 于電光材料的電光系數(shù)K、施加電場E、三角形電極的夾角alpha，也就是入射光路與折射界 面的夾角。這樣，當在電光材料的右面不同位置放置多個光纖時，通過改變施加電場大小， 就可以將一路輸入光束導通輸出到不同路的光纖中。同樣，根據(jù)光束可逆原理，施加不同大 小的電場，右面不同光纖中的各路光束同樣可以導通到左邊的同一光路中，由于電光效應 的高速響應特性，這種導通的切換速度非?？?，在納秒量級。本實用新型采用高速光纖復用 器就是基于這一原理構(gòu)成。所說的激光電流溫度控制器1、激光電流溫度控制器2、激光電流溫度控制器3的 功能是為半導體激光器4、半導體激光器5和半導體激光器6提供直流偏置、電流掃描、交流 調(diào)制和溫度控制。本實用新型中，半導體激光器2的線寬應該遠遠小于待測氣體的吸收峰寬度，其 波長掃描范圍應該大于待測氣體的吸收峰寬度。一般可以為光纖耦合輸出的分布反饋DFB 半導體激光器或分布布拉格反射DBR半導體激光器。高速光纖復用器3對不同波長的激光器進行高速時分復用，將不同波長的多個激 光器發(fā)出的激光束復用到同一檢測光路中，形成多波長激光光源。其中透鏡光纖陣列4為 高速光纖復用器3提供高的輸入耦合效率，其排列形狀可以是一維或者兩維；電光光束偏轉(zhuǎn)器5的材料可以是高電光系數(shù)的晶體或陶瓷材料，電光系數(shù)大于17pm/V，例如鈮酸鋰晶體，摻鑭鋯鈦酸鉛(PLZT)透明電光陶瓷等，其電極形狀和電極級聯(lián)數(shù)量可以根據(jù)復用的半 導體激光器數(shù)量進行優(yōu)化設計；電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器6控制施加在電光光束偏轉(zhuǎn)器5 上的電場大小和導通時間；光纖準直器7為高速光纖復用器3提供高的輸出耦合效率，其入 射光束為準直光。輸出光纖準直器8出射光為平行光的的光纖元件。光纖準直器7和輸出光纖準直 器8的原理和結(jié)構(gòu)沒有差別，但在參數(shù)有差別光纖準直器7用于高速光纖復用器3內(nèi)部光 束低損耗耦合，其工作距離較短，光束準直要求較低，發(fā)散角一般在10毫弧度量級；輸出光 纖準直器8的輸出直接用于氣體測量，當探測距離較遠時，發(fā)散角一般在1毫弧度量級。下面說明本實用新型的具體實施如圖1所示的結(jié)構(gòu)，其中，半導體激光器2分別采用波長為1.65微米、1.56微米、 1. 57微米的分布反饋DFB半導體激光器，輸出功率10毫瓦，分別對應甲烷、一氧化碳、二氧 化碳的氣體吸收峰，半導體激光器2分別由對應的激光電流溫度控制器1提供直流偏置、電 流掃描、交流調(diào)制和溫度控制，電流掃描采用三角波，頻率為10Hz，交流調(diào)制采用正弦調(diào)制， 正弦波頻率為10kHz，溫控精度約為攝氏0. 1度。高速光纖復用器3中的電光光束偏轉(zhuǎn)器5 采用摻鑭鋯鈦酸鉛PLZT透明電光陶瓷，透鏡光纖陣列4采用單模保偏光纖構(gòu)成，采用一維 排列形式，光纖準直器7和輸出光纖準直器8為單模光纖準直器。測量時，半導體激光器2發(fā)出的不同波長的激光經(jīng)過高速光纖復用器3復用到同 一檢測光路中，形成多波長激光光源，并在不同時間段導通到輸出光纖準直器8中出射。在 相應時間段內(nèi)，出射激光分別用于測量甲烷、一氧化碳、二氧化碳。高速光纖復用器3對不 同波長激光的時分復用由于電光效應的高速響應特性，切換速度非常快，在納秒量級，檢測 實時性非常好，可以很好的滿足一臺激光器快速穩(wěn)定測量多種組分氣體的使用要求。本實施例只是以甲烷、一氧化碳和二氧化碳三種氣體探測為例來說明，并不限于 這三種氣體測量。只需增加高速光纖復用器3的輸入端口數(shù)量，就可以增加復用的半導體 激光器數(shù)量，就可以測量相應數(shù)量的多組分氣體。例如，乙烯吸收峰為1532. 8nm，氨氣為 1544nm，水蒸汽為944nm，氧氣為760nm等。
權(quán)利要求用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是包括至少兩個半導體激光器(2)、高速光纖復用器(3)和輸出光纖準直器(8)，每個半導體激光器(2)對應連接一個激光電流溫度控制器(1)，所有半導體激光器(2)的輸出尾纖分別和高速光纖復用器(3)的輸入端口光纖相連；高速光纖復用器(3)包括透鏡光纖陣列(4)、電光光束偏轉(zhuǎn)器(5)、電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器(6)和光纖準直器(7)，高速光纖復用器(3)的輸入端口光纖連接透鏡光纖陣列(4)，透鏡光纖陣列(4)、電光光束偏轉(zhuǎn)器(5)和光纖準直器(7)依次連接，電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器(6)連接電光光束偏轉(zhuǎn)器(5)，光纖準直器(7)的輸出和輸出光纖準直器(8)相連；其中電光光束偏轉(zhuǎn)器(5)輸入端為多路光源，輸出端為一路光源，且為準直光；輸出光纖準直器(8)的出射光為平行光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是半導體激 光器(2)的小于待測氣體的吸收峰寬度的1/10，其波長掃描范圍大于待測氣體的吸收峰寬 度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是半導體激光 器(2)為光纖耦合輸出的分布反饋DFB半導體激光器或分布布拉格反射DBR半導體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是透 鏡光纖陣列(4)的排列形狀為一維或者兩維。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是電 光光束偏轉(zhuǎn)器(5)的材料為高電光系數(shù)的晶體或陶瓷材料，電光系數(shù)大于17pm/V，其電極 形狀和電極級聯(lián)數(shù)量根據(jù)半導體激光器數(shù)量進行設計。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是電光光束偏 轉(zhuǎn)器(5)的材料為高電光系數(shù)的晶體或陶瓷材料，其電極形狀和電極級聯(lián)數(shù)量根據(jù)半導體 激光器數(shù)量進行設計。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是光 纖準直器(7)發(fā)散角為10毫弧度量級；輸出光纖準直器(8)發(fā)散角為1毫弧度量級。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是光纖準直器 (7)發(fā)散角為10毫弧度量級；輸出光纖準直器(8)發(fā)散角為1毫弧度量級。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是光纖準直器 (7)發(fā)散角為10毫弧度量級；輸出光纖準直器(8)發(fā)散角為1毫弧度量級。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于測量多組分氣體的多波長激光器，其特征是光纖準直 器(7)發(fā)散角為10毫弧度量級；輸出光纖準直器(8)發(fā)散角為1毫弧度量級。
專利摘要用于測量多組分氣體的多波長激光器，包括至少兩個半導體激光器、高速光纖復用器和輸出光纖準直器，每個半導體激光器對應連接一個激光電流溫度控制器，所有半導體激光器的輸出尾纖分別和高速光纖復用器的輸入端口光纖相連；高速光纖復用器包括透鏡光纖陣列、電光光束偏轉(zhuǎn)器、電光光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動控制器和光纖準直器，透鏡光纖陣列、電光光束偏轉(zhuǎn)器和光纖準直器依次連接，光纖準直器的輸出和輸出光纖準直器相連；其中電光光束偏轉(zhuǎn)器輸入端為多路光源，輸出端為一路光源，且為準直光。本實用新型引入時分復用思想，將不同波長的多個激光器復用到同一檢測光路中，形成多波長激光光源，具有激光功率損耗小、復用速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。
文檔編號H01S5/06GK201594074SQ20102010742
公開日2010年9月29日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者張國林, 蔡圣聞 申請人:南京樹聲科技有限公司