第31卷，第8期 2011年8月
谱学与光诺分析光
Spectroscopy and Spectral Analysis
基于内腔光纤激光器的痕量气体光谱检测
张红霞1.2，刘
1.2*，贾大功1,2，刘铁根1,2，彭纲定1.3，汪 1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072
2.光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学)，天津300072 3.澳大利业新南威尔士大学电工与电信学院，澳大利亚悉尼2052
Vol. 31,No. 8 pp20402043
August,2011
曦"，张以谟1,2
因为器件性价比高、可复用、远距离探测，抗电磁辐射等优势，基于内腔光纤激光器的气体光谱检
摘
要
测方法受到了广泛的关注。通过精心设计气室和反射镜，建立了内腔光纤激光器气体检测系统。在锯齿波电压驱动下，F-P可调谱滤波器连续调谱，实现了波长扫描，可获得多条气体吸收谱线，一次扫描相当于多次测量，极大的提高了测量灵敏度。实验结果表明，检测误差可控制在100Ppm内，相对误差小于实际气体浓度的3%。
内腔光纤激光器；气体光谱检测；波长扫描
关键调
中图分类号：TN247
言引
文献标识码：A
DOI: 10, 3964/i.issn. 1000-0593(2011)08-2040-04
高气体检测浓度。
工业生产中，如何对有毒、有害、易燃、易爆气体进行准确、快速和高精度检测已成为化工、石油、煤炭、电力等行业急需解决的重要间题之一["，基于气体光谱吸收方法，利用石英光纤的低损耗窗口(1~2μm)进行气体浓度检测已经获得了广泛的关注。在这个波段内，发现许多污染性气体或有毒气体，例如乙炔（CH），甲烷（CH）和一氧化碳(CO)等气体，都有吸收谱线3]，但是在这个谱段内的倍频光谱吸收比基频吸收小很多，所以很多研究提高气体检测灵敏度["]。
基于光纤内腔激光器的气体吸收是近红外气体光谱检测的一种有效方法，它是将气室置于激光腔内，通过测量激光器输出光谱因气体吸收而引起的变化，反演所测量气体的浓度。这个方法因为可以使用通讯波段的光器件，具有高性价比，远距离探测和复用能力而具有竞争力。在内腔法气体检测中，波长扫描技术(6)，灵敏度增强技术()以及波长调制技术(*)都用于提高气体检测灵敏度。但是由于各种噪声影响，尤其是放大自发辐射噪声，气体浓度检测极限一直没有达到良好的效果。本文详细描述了改进的实验系统，气室和反射镜经过精心设计，运用波长扫描技术获得多谱线吸收数据，通过数据反演得到气体浓度，实验结果表明，可以有效地提
光谱吸收原理及检测灵敏度
在内腔法气体吸收中，光子在请振腔内的操荡使光与气体多次相互作用，增加了有效吸收光程。根据气体吸收Lam bert-Beer定律，吸收光谱的强度为t)
I() I(v)exp[a(v)dL
(1)
式中，I(v)和I(v)分别为内腔有气体吸收和无气体吸收时的激光输出光强。α(s)和c分别是气体的吸收截面和浓度。L 是气体的吸收光程。
则吸收强度K为(10)
K=n
1
(2)
其中△I为气体吸收导致的光强摄耗。由于△/I。，故式(2) 可近似为
K
To
(3)
定义吸收强度K与附加损耗之比为气体传感灵敏度，即
K-A。
A
(A)
(4)
式中，A和B分别是光纤激光器参数。定义比ASE噪声高3 dB时的激光功率对应的气体浓度值为气体传感分辨率。根
收稿日期：2010-09-15，修订日期：2010-12-10
基金项目：国家(973计划)项目(2010CB327806)和教育部新教师博士点基金项目(200800561022)资励
作者简介：张红霞，女，1977年生，天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授
*通讯联系人
万方数据
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