一种全光纤多光谱气体检测系统的制作方法

1.本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种全光纤多光谱气体检测系统。


背景技术：

2.快速实时的检测气体的种类及浓度在安全生产、环境监测、公共安全等领域具有重要的意义。激光的高亮度、高准直度等特性，使得激光气体检测具有很高的探测灵敏度；激光可以遥测大气的时空分布，这不仅有助于详细了解大气的实况，而且对研究大气的扩散规律也很有价值。激光遥测大气可以弥补传统大气采样检测的不足之处，为大气监测提供了一种有应用前景的新手段。
3.气体检测激光雷达作为一种测量大气参量和气体成分很有前途的工具，由于其测量范围大、分辨率高、测量时间短等优点，在全球范围内得到了广泛的研究和应用。激光器是气体检测激光雷达的基础，光纤激光器具有良好的性能：（1）光束质量好。从光纤发射的激光数值孔径较小，容易实现高功率密度输出。（2）转换效率高。光纤作为激光的增益介质和导波介质，泵浦光和增益介质可以充分作用，而且光纤的纤芯直径小，功率密度高，提高了泵浦效率。（3）温度稳定性好。光纤的主要材料为二氧化硅，其受温度影响较小，而且光纤的表面积体积比较大，具有良好的散热效果。（4）结构简单，体积小。采用光纤器件，光路简单，而且光纤具有较小的弯曲半径，激光器的体积可以做的很小。（5）能胜任恶劣的工作环境。光路在光纤内部传输，受环境影响较小。全光纤主控振荡光功率放大器是将种子光和大功率放大器分开，分别进行独立的控制，在保持良好光束特性的同时，可以得到大输出功率。光纤气体检测激光雷达具有气体鉴别能力强、测量灵敏度高、易于实现远距离传输和实时在线遥测的优点，所以光纤气体检测激光雷达的研究倍受人们的关注。
4.现有技术中，近红外波段半导体激光器的可调谐范围窄，目前激光气体检测通常一种激光只能检测一种气体，由于回波信号弱，需要采用大的接收口径和高灵敏度探测器，光学系统复杂，气体检测系统体积大，搭建难度大，成本高。采用多个激光源时，每次也只能检测一种气体，需要切换激光源进行不同气体的检测，混合气体的检测能力弱。
5.因此如何克服现有技术的不足是目前气体检测技术领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，结合激光气体检测技术和光纤激光放大器原理，采用光纤光栅作为分光器件，设计一种全光纤多光谱气体检测系统，可对气体的种类和浓度进行远距离实时在线检测，体积小，环境适应性强。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种全光纤多光谱气体检测系统，包括：气体检测激光器、光纤耦合器、第一光纤隔离器、光纤环形器、光纤准直接收器、激光反射镜、泵浦激光器、波分复用器、第二光纤隔离器、光纤分束器和光纤分路；气体检测激光器有多个，且均与光纤耦合器相连；
光纤耦合器与第一光纤隔离器的输入端相连；第一光纤隔离器的输出端与光纤环形器的a端口相连；光纤环形器的b端口与光纤准直接收器的一端相连；光纤准直接收器5的输出端朝向激光反射镜；光纤环形器的c端口与波分复用器的输入端相连；泵浦激光器的输出端也与波分复用器的输入端相连；波分复用器的输出端与第二光纤隔离器的输入端相连；第二光纤隔离器的输出端与光纤分束器的输入端相连；光纤分束器的输出端连接有多条光纤分路；每条光纤分路包括光纤光栅、增益光纤、泵浦光剥离器和激光探测器；沿光线传播方向，增益光纤、泵浦光剥离器和激光探测器顺序连接，且在增益光纤的前后两端均设置有光纤光栅；多个气体检测激光器传来的激光经过光纤耦合器耦合在一起传输，经过第一光纤隔离器进入光纤环形器后，经由光纤准直接收器输出，由激光反射镜7反射激光回光纤准直接收器，然后经光纤环形器进入波分复用器，再经过第二光纤隔离器、光纤分束器分束后进入不同的光纤分路；进入每个光纤分路的激光经过由两个光纤光栅形成的激光谐振腔振荡，进入增益光纤中，与光纤光栅波段匹配的激光由泵浦激光器进行激发放大，之后在经泵浦光剥离器去除残余的泵浦光，放大的激光输出到激光探测器，对所有激光探测器的输出结果进行分析，从而获得检测结果。
8.进一步，优选的是，气体检测激光器为单波段激光源或为宽波段激光器。
9.进一步，优选的是，气体检测激光器数量设置为6个，分别为中心波长为1532nm、1540nm、1567nm、1579nm、1604nm、1625nm的半导体激光器。
10.进一步，优选的是，光纤耦合器为6合1光纤耦合器。
11.进一步，优选的是，光纤准直接收器的通光孔径为42.5mm。
12.进一步，优选的是，激光反射镜有多个，分别放置待检测空间的不同位置。
13.进一步，优选的是，泵浦激光器的工作波长为980nm的泵浦激光；泵浦光剥离器为980nm激光剥离器。
14.进一步，优选的是，增益光纤为掺铒增益光纤。
15.进一步，优选的是，激光探测器为带尾纤铟镓砷探测器。
16.本发明中，光纤准直接收器与激光反射镜之间的距离受激光发散角和激光接收口径影响，通常为几十米到几百米。添加激光反射镜的作用为增大回波信号的功率，提高气体检测能力。也可以无合作目标进行检测，光纤准直接收器直接接收激光漫反射回来的信号进行检测，这需要激光接收口径大，探测器检测灵敏度高。
17.本发明中，在增益光纤前后均有光纤光栅，两者形成激光谐振腔，光纤光栅成对使用但两者不完全一样，从入射激光方向看，第一个光纤光栅对增益激光全反射，第二个光纤光栅对增益激光部分反射，激光在谐振腔内震荡增强后由第二个光纤光栅输出。
18.本发明中，泵浦激光器的输出端也与波分复用器的输入端相连；泵浦激光器发射的泵浦激光经过波分复用器，再经过第二光纤隔离器、光纤分束器分束后进入不同的光纤分路的增益光纤中，对光纤准直接收器接收到的反射激光相应波段的光进行激发放大。
19.本发明与现有技术相比，其有益效果为：本发明结合激光气体检测技术和光纤激光放大器原理，采用光纤光栅作为分光器件，设计一种全光纤多光谱气体检测系统，可对气体的种类和浓度进行远距离实时在线检测，体积小，环境适应性强。
20.本发明采用多种激光光源合束的方式，发射激光直接包含多个波段的激光，光源具备同时检测多种气体的能力；采用光纤增益放大的方法，克服回波信号弱，需要增大激光接收口径和高灵敏度探测器的缺点，微弱的回波信号经过增益光纤放大器（包括泵浦激光器、波分复用器、第二光纤隔离器、光纤分束器、光纤光栅、增益光纤、泵浦光剥离器）提高了回波信号的功率，采用小口径光纤准直接收器和常规的激光探测器即可检测出回波信号；激光回波信号经过不同波段的增益光纤放大器后进入不同的激光探测器，可以同时检测多个波段回波信号的强度，对多种气体同时进行检测。
附图说明
21.图1为全光纤多光谱气体检测系统图；其中，1、气体检测激光器；2、光纤耦合器；3、第一光纤隔离器；4、光纤环形器；5、光纤准直接收器；6、气体云团；7、激光反射镜；8、泵浦激光器；9、波分复用器；10、第二光纤隔离器；11、光纤分束器；12、光纤光栅；13、增益光纤；14、泵浦光剥离器；15、激光探测器；图2为无气体和有气体时检测到的光谱响应图；图3为气体的光谱响应图。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
23.本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
24.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
25.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
28.如图1所示，一种全光纤多光谱气体检测系统，包括：气体检测激光器1、光纤耦合器2、第一光纤隔离器3、光纤环形器4、光纤准直接收器5、激光反射镜7、泵浦激光器8、波分复用器9、第二光纤隔离器10、光纤分束器11和光纤分路；气体检测激光器1有多个，且均与光纤耦合器2相连；光纤耦合器2与第一光纤隔离器3的输入端相连；第一光纤隔离器3的输出端与光纤环形器4的a端口相连；光纤环形器4的b端口与光纤准直接收器5的一端相连；光纤准直接收器5的输出端朝向激光反射镜7；光纤环形器4的c端口与波分复用器9的输入端相连；泵浦激光器8的输出端也与波分复用器9的输入端相连；波分复用器9的输出端与第二光纤隔离器10的输入端相连；第二光纤隔离器10的输出端与光纤分束器11的输入端相连；光纤分束器11的输出端连接有多条光纤分路；每条光纤分路包括光纤光栅12、增益光纤13、泵浦光剥离器14和激光探测器15；沿光线传播方向，增益光纤13、泵浦光剥离器14和激光探测器15顺序连接，且在增益光纤13的前后两端均设置有光纤光栅12；多个气体检测激光器1传来的激光经过光纤耦合器2耦合在一起传输，经过第一光纤隔离器3进入光纤环形器4后，经由光纤准直接收器5输出，由激光反射镜7反射激光回光纤准直接收器5，然后经光纤环形器4进入波分复用器9，再经过第二光纤隔离器10、光纤分束器11分束后进入不同的光纤分路；进入每个光纤分路的激光经过由两个光纤光栅12形成的激光谐振腔振荡，进入增益光纤13中，与光纤光栅12波段匹配的激光由泵浦激光器8进行激发放大，之后在经泵浦光剥离器14去除残余的泵浦光，放大的激光输出到激光探测器15，对所有激光探测器15的输出结果进行分析。当光路中没有目标气体云团6时，激光探测器15可以检测到光纤准直接收器5接收到的多个气体检测激光器1不同波段的激光强度，从而得到光路中无气体时的多光谱信息。当光路中有目标气体云团6时，由于目标气体云团6对气体检测激光器1相应波段激光的吸收，激光探测器15检测到的多光谱信息会发生变化，经过与光路中无目标气体云团6时检测到的多光谱信息进行相减，即可得到气体的吸收波段和吸收强度，从而可以计算出目标气体云团6的种类和浓度。
29.优选方案，气体检测激光器1为单波段激光源或为宽波段激光器。
30.优选方案，气体检测激光器1数量设置为6个，分别为中心波长为1532nm、1540nm、1567nm、1579nm、1604nm、1625nm的半导体激光器。
31.优选方案，光纤耦合器2为6合1光纤耦合器。
32.优选方案，光纤准直接收器5的通光孔径为42.5mm。
33.优选方案，激光反射镜7有多个，分别放置待检测空间的不同位置。
34.优选方案，泵浦激光器8的工作波长为980nm的泵浦激光；泵浦光剥离器14为980nm激光剥离器。泵浦激光器8优选设置多个，如图1所示，设置两个，目的是增加泵浦功率。
35.优选方案，增益光纤13为掺铒增益光纤。
36.优选方案，激光探测器15为带尾纤铟镓砷探测器。
37.如图1所示，气体检测激光器1对应气体吸收峰的单波段激光源或为宽波段激光器，采用多个气体检测激光器1可以同时检测多种气体。多个气体检测激光器1传来的激光经过光纤耦合器2耦合在一起传输，经过第一光纤隔离器3进入光纤环形器4。第一光纤隔离器3的作用是防止回波激光损坏器件，光纤环形器4的作用是从a端口入射的光纤从b端口输出，从b端口入射的光纤从c端口输出。
38.激光经由光纤准直接收器5输出，由激光反射镜7反射激光回光纤准直接收器5。如果光路中有气体云团6（即待检测气体），则光纤准直接收器5发射的激光经过气体云团6后由激光反射镜7反射激光经气体云团6回光纤准直接收器5。在空间中摆放多个激光反射镜7，调整光纤准直接收器5可以实现空间中多个方向的气体检测。接收到的激光经过光纤环形器4进入波分复用器9，经过第二光纤隔离器10，光纤分束器11分束后进入不同的光纤分路。第二光纤隔离器10的作用是为防止增益光纤13中的激光返回到泵浦激光器8，损伤泵浦激光器8。
39.不同光纤分路中具有不同中心波长的光纤光栅12，在增益光纤13中由泵浦激光器8进行激发放大，由泵浦光剥离器14去除残余的泵浦光，放大的激光输出到激光探测器15。由于不同光纤分路中光纤光栅12的中心波长不同，因此可以得到不同波段的检测结果，获得多个波段的光谱响应值。在气体检测激光器1和泵浦激光器8工作电流恒定的情况下，光路中无气体时获得的多光谱响应波动很小，当光路中有待测气体时，由于气体的吸收，该波段接收到的气体响应会减小，根据光谱响应的变化可以得到气体的吸收波段，从而可以判断出气体的种类。对光路中不同浓度的气体进行标定，得到探测器响应值变化大小和气体浓度的关系，实际检测中根据探测器响应的变化和标定值，可以得到光路中该气体的平均气体浓度。
40.应用实例波长1550nm附近的激光，在辐射人眼时，大部分会被晶状体吸收，只有少数到达视网膜，对人眼损伤低，因此这一波段内的激光被称为人眼安全激光。对于1.5~1.8μm的大气传输窗口，在大气中易于传播，对雾、霾以及战场烟雾的穿透能力强，尤其对于战场硝烟效果更好。对应于室温工作下的ingaas探测器的探测灵敏区，无需低温制冷，1570nm波段附近的铟镓砷探测器件量子效率非常高。在1.55
µ
m附近，很多气体都具有吸收峰，nh3的吸收峰为1532nm，hbr、hi、hcn的吸收峰为1540nm，co的吸收峰为1567nm，hs的吸收峰为1579nm，co2的吸收峰为1604nm，c2h4的吸收峰为1625nm。设计全光纤多光谱气体检测系统同时对这几种气体进行检测。气体检测激光器1数量设置为6个，分别为中心波长为1532nm、1540nm、1567nm、1579nm、1604nm、1625nm的半导体激光器，输出光纤为中心波长1550nm的单模光纤1550b-hp，工作波长为1460-1620nm，芯径9
µ
m，数值孔径0.13，包层直径125
µ
m，涂覆层直径245
µ
m。光纤耦合器2为6合1光纤耦合器，光纤类型为中心波长为1550nm的单模光纤1550b-hp。第一光纤隔离器3、光纤环形器4的光纤类型为中心波长为1550nm的单模光纤1550b-hp。
光纤准直接收器5的通光孔径为42.5mm，最大可接受数值孔径0.25，工作波段1050-1650nm。激光反射镜7为1-2
µ
m波段高反的激光反射镜，直径为50.8mm。反射激光入射到准直接收器5由c端口输出进入波分复用器9，再经过第二光纤隔离器10进入光纤分束器11。第二光纤隔离器10与第一光纤隔离器3相同。泵浦激光器8工作波长为980nm的泵浦激光，激光最大输出功率5w，数量2个，光纤类型为980-hp单模光纤，芯径3.6
µ
m，数值孔径0.2，包层直径125
µ
m，涂覆层直径245
µ
m.波分复用器9为2+1类型，主光纤为1550b-hp单模光纤，2个复用光纤为980-hp单模光纤。光纤分束器11为1分10，光纤类型为1550b-hp单模光纤。光纤光栅12成对设置，中心波长分别为1532nm、1542nm、1552nm、1562nm、1572nm、1582nm、1592nm、1602nm、1612nm、1622nm，半高宽为10nm。增益光纤13为掺铒增益光纤，芯径8
µ
m，数值孔径0.13，包层直径125
µ
m，涂覆层直径245
µ
m，每个光纤分路为10m长增益光纤。泵浦激光器8在增益光纤13内将接收到的回波信号放大，各个光路输出的激光波长分别为1532nm、1542nm、1552nm、1562nm、1572nm、1582nm、1592nm、1602nm、1612nm、1622nm，泵浦光剥离器15为980nm激光剥离器，去除残余的泵浦激光，激光探测器15为带尾纤铟镓砷探测器，激光探测器15共10支分别检测不同光路的响应。光路中无气体和有气体时的激光探测器15响应如图2所示，经过相减可得到气体的响应如图3所示，气体在1582nm和1602nm附件有强烈的吸收，根据气体的吸收峰可以识别出光路中的气体为hs和co2。采用不同标准浓度的气体对气体的响应峰值进行标定，可以获得待测气体的具体浓度。
41.本发明采用波长为1532nm、1540nm、1567nm、1579nm、1604nm、1625nm的半导体激光器，搭建小体积的全光纤多光谱气体检测系统，可以同时检测nh3、hbr、hi、hcn、co、hs、co2、c2h4气体，结构简单，成本低，抗干扰能力强，可以用于复杂的环境中。
42.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，包括：气体检测激光器（1）、光纤耦合器（2）、第一光纤隔离器（3）、光纤环形器（4）、光纤准直接收器（5）、激光反射镜（7）、泵浦激光器（8）、波分复用器（9）、第二光纤隔离器（10）、光纤分束器（11）和光纤分路；气体检测激光器（1）有多个，且均与光纤耦合器（2）相连；光纤耦合器（2）与第一光纤隔离器（3）的输入端相连；第一光纤隔离器（3）的输出端与光纤环形器（4）的a端口相连；光纤环形器（4）的b端口与光纤准直接收器（5）的一端相连；光纤准直接收器（5）的输出端朝向激光反射镜（7）；光纤环形器（4）的c端口与波分复用器（9）的输入端相连；泵浦激光器（8）的输出端也与波分复用器（9）的输入端相连；波分复用器（9）的输出端与第二光纤隔离器（10）的输入端相连；第二光纤隔离器（10）的输出端与光纤分束器（11）的输入端相连；光纤分束器（11）的输出端连接有多条光纤分路；每条光纤分路包括光纤光栅（12）、增益光纤（13）、泵浦光剥离器（14）和激光探测器（15）；沿光线传播方向，增益光纤（13）、泵浦光剥离器（14）和激光探测器（15）顺序连接，且在增益光纤（13）的前后两端均设置有光纤光栅（12）；多个气体检测激光器（1）传来的激光经过光纤耦合器（2）耦合在一起传输，经过第一光纤隔离器（3）进入光纤环形器（4）后，经由光纤准直接收器（5）输出，由激光反射镜（7）反射激光回光纤准直接收器（5），然后经光纤环形器（4）进入波分复用器（9），再经过第二光纤隔离器（10）、光纤分束器（11）分束后进入不同的光纤分路；进入每个光纤分路的激光经过由两个光纤光栅（12）形成的激光谐振腔振荡，进入增益光纤（13）中，与光纤光栅（12）波段匹配的激光由泵浦激光器（8）进行激发放大，之后在经泵浦光剥离器（14）去除残余的泵浦光，放大的激光输出到激光探测器（15），对所有激光探测器（15）的输出结果进行分析，从而获得检测结果。2.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，气体检测激光器（1）为单波段激光源或为宽波段激光器。3.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，气体检测激光器（1）数量设置为6个，分别为中心波长为1532nm、1540nm、1567nm、1579nm、1604nm、1625nm的半导体激光器。4.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，光纤耦合器（2）为6合1光纤耦合器。5.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，光纤准直接收器（5）的通光孔径为42.5mm。6.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，激光反射镜（7）有多个，分别放置待检测空间的不同位置。7.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，泵浦激光器（8）的工作波长为980nm的泵浦激光；泵浦光剥离器（14）为980nm激光剥离器。8.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，增益光纤（13）为掺
铒增益光纤。9.根据权利要求1所述的全光纤多光谱气体检测系统，其特征在于，激光探测器（15）为带尾纤铟镓砷探测器。

技术总结
本发明涉及一种全光纤多光谱气体检测系统，属于气体检测技术领域。该系统包括气体检测激光器、光纤耦合器、第一光纤隔离器、光纤环形器、光纤准直接收器、激光反射镜、泵浦激光器、波分复用器、第二光纤隔离器、光纤分束器和光纤分路。本发明系统结合激光气体检测技术和光纤激光放大器原理，采用光纤光栅作为分光器件，可对气体的种类和浓度进行远距离实时在线检测，体积小，环境适应性强，易于推广应用。易于推广应用。易于推广应用。


技术研发人员：李坤 杨智雄 丁瑞霖 余春超 胡耀航 袁明尧 王博洋 王国庆
受保护的技术使用者：昆明物理研究所
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/24