一种基于环形光纤谐振腔的受激拉曼气体传感系统的制作方法

本发明属于光学气体传感技术领域，具体涉及一种基于环形光纤谐振腔的受激拉曼气体传感系统。

背景技术：

在以深海深空开发、环境污染监测、医学疾病诊断为代表的诸多领域中，精确测量关键痕量气体的种类和浓度具有重要意义，高灵敏光学气体传感技术必不可少。受激拉曼光谱是一种多功能气体传感技术，泵浦光和斯托克斯光同时与气体分子作用，当两者之间的光频差δν与气体分子的拉曼频移νgas相等时，斯托克斯光会得到受激拉曼放大。此过程可提供分子气体的分子振动或转动的指纹谱，所测拉曼频移和谱线强度分别对应气体的种类和浓度。在此气体传感技术中，受激拉曼放大倍数与泵浦光的功率成正比，但受激拉曼气体传感系统常用的半导体激光器的输出功率仅为毫瓦量级，难以满足当前对气体分子的高灵敏测量需求。

为了提高泵浦光的光功率，最常用的方法是用光功率放大器将半导体激光器的输出放大。然而，光功率放大器的使用不仅增加了系统的整体功耗和体积，而且其固有的、宽谱的放大自发辐射是成为导致斯托克斯光噪声的主要因素，明显影响传感系统的检测灵敏度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于环形光纤谐振腔的受激拉曼气体传感系统，解决了现有技术中泵浦光功率低，导致斯托克斯光噪声大的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于环形光纤谐振腔的受激拉曼气体传感系统，该系统包括：泵浦光光源、斯托克斯光光源、环形光纤谐振腔、相位调制器、精确锁定单元、信号光电探测器和数据采集卡；所述泵浦光光源作为环形光纤谐振腔的种子光，发出的光经过相位调制器后，通过泵浦光和精确锁定单元调整环形光纤谐振腔的长度，使得环形光纤谐振腔的腔模式锁定到泵浦光光源的出射光光频，进而利用腔共振增强技术，使泵浦光能在环形光纤谐振腔内相干叠加，功率得到增强；待测气体导入环形光纤谐振腔，斯托克斯光光源发出的光穿过待测气体；当泵浦光和斯托克斯光两者之间的光频差δν与待测气体分子的拉曼频移νgas相等时，斯托克斯光穿过待测气体得到受激拉曼放大，由信号光电探测器探测放大后的斯托克斯光信号，由所述数据采集卡采集斯托克斯光信号，经过数据处理后反演气体浓度。

优选的，所述泵浦光光源为近红外半导体激光器。

优选的，所述环形光纤谐振腔包括：2×2光纤耦合器、压电陶瓷、输出密集波分复用器、输出对接耦合器、输入对接耦合器、输入密集波分复用器、单模光纤和空芯光子晶体光纤；所述2×2光纤耦合器输入端口为a和b，输出端口为c和d；所述泵浦光光源发出近红外激光，经过相位调制器后通过所述单模光纤与所述2×2光纤耦合器的输入端口a连接；所述2×2光纤耦合器的输出端口c通过所述单模光纤与所述输出密集波分复用器连接，所述此段单模光纤缠绕在所述压电陶瓷上；所述输出密集波分复用器、输出对接耦合器、输入对接耦合器和输入密集波分复用器依次通过光纤串联连接，其中所述输出对接耦合器和输入对接耦合器由所述空芯光子晶体光纤连接；所述输入密集波分复用器的另一端与所述2×2光纤耦合器的输入端口b通过单模光纤连接。

优选的，所述输入对接耦合器和输出对接耦合器均由两个同轴的光纤陶瓷插芯和一个包裹所述光纤陶瓷插芯的光纤陶瓷套筒构成，两个光纤陶瓷插芯之间的狭缝<1μm。

优选的，所述空芯光子晶体光纤通过所述光纤陶瓷插芯固定安装。

优选的，所述待测气体通过所述光纤陶瓷插芯的狭缝导入到空芯光子晶体光纤内。

优选的，所述斯托克斯光光源发出的光依次通过所述输入密集波分复用器、输入对接耦合器、输出对接耦合器和输出密集波分复用器后，由所述信号光电探测器和所述数据采集卡探测并采集。

优选的，所述精密锁定单元包括：相位调制器、锁频光电探测器、射频信号源、电子混频器和伺服控制器；所述射频信号源控制相位调制器产生边带，与环形光纤谐振腔的泄漏激光通过所述2×2光纤耦合器的输出端口d在锁频光电探测器上产生拍频信号，进而以射频信号源为参考由电子混频器提取相位信息，然后由伺服控制器产生误差信号来调节压电陶瓷两端的电压进而控制环形光纤谐振腔腔长,最终环形光纤谐振腔模式锁定到泵浦光光源的出射光光频，泵浦光在环形光纤谐振腔内实现相干叠加。

本发明的有益效果是：

(1)所用的环形光纤谐振腔由2×2光纤耦合器、输入密集波分复用器、输入对接耦合器、输出对接耦合器、输出密集波分复用器构成，为全光纤结构，结构紧凑，易于集成；

(2)使用精密锁定单元实现泵浦光光频与环形光纤谐振腔腔模式紧密锁定，使得激光在环形光纤谐振腔得到相干叠加，获得高功率泵浦光的同时不会引入额外的放大自发辐射噪声；

(3)将待测气体导入空芯光子晶体光纤，只需要μl量级的极少量样品气体；

(4)将空芯光子晶体光纤置于共振增强腔内，充分利用了环形光纤谐振腔内高泵浦功率，提高斯托克斯光的受激拉曼放大倍数。

附图说明

图1本发明一种基于环形光纤谐振腔的受激拉曼气体传感系统结构示意图。

图中：1、泵浦光光源；2、相位调制器；3、2×2光纤耦合器；4、压电陶瓷；5、输出密集波分复用器；6、输出对接耦合器；7、输入对接耦合器；8、输入密集波分复用器；9、锁频光电探测器；10、射频信号源；11、电子混频器；12、伺服控制器；13、斯托克斯光光源；14、信号光电探测器；15、数据采集卡

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于环形光纤谐振腔的受激拉曼气体传感系统，该系统包括：泵浦光光源1、相位调制器2、斯托克斯光光源13、环形光纤谐振腔、精确锁定单元、信号光电探测器14和数据采集卡15；所述泵浦光光源1作为环形光纤谐振腔的种子光，发出的光经过相位调制器2后，通过泵浦光和精确锁定单元调整环形光纤谐振腔的长度，利用腔共振增强技术，使泵浦光能在环形光纤谐振腔内相干叠加，功率得到增强；待测气体导入环形光纤谐振腔，斯托克斯光光源13发出的光穿过待测气体；当泵浦光和斯托克斯光两者之间的光频差δν与待测气体分子的拉曼频移νgas相等时，斯托克斯光穿过待测气体得到受激拉曼放大，由信号光电探测器14探测放大后的斯托克斯光信号，由所述数据采集卡采集斯托克斯光信号，经过数据处理后反演气体浓度。

在本实施例中，所述泵浦光光源为近红外半导体激光器。所述环形光纤谐振腔包括：2×2光纤耦合器3、压电陶瓷4、输出密集波分复用器5、输出对接耦合器6、输入对接耦合器7、输入密集波分复用器8、单模光纤和空芯光子晶体光纤；所述泵浦光光源1发出近红外激光，经过所述相位调制器2后通过所述单模光纤与所述2×2光纤耦合器3的输入端口a连接，与所述2×2光纤耦合器3输出端口c连接的单模光纤缠绕在所述压电陶瓷4上；本实施例中，连接在所述2×2光纤耦合器3的光纤的数量为4根；缠绕在所述压电陶瓷4上的单模光纤与所述输出密集波分复用器5连接，所述输出密集波分复用器5、输出对接耦合器6、输入对接耦合器7和输入密集波分复用器8依次通过光纤串联连接，其中所述输出对接耦合器6和输入对接耦合器7由所述空芯光子晶体光纤连接；所述输出密集波分复用器5和输出对接耦合器6通过单模光纤连接，所述输入对接耦合器7和输入密集波分复用器通8过单模光纤连接；所述输入密集波分复用器8另一端通过单模光纤与所述2×2光纤耦合器3输入端口b连接。

其中所述输入对接耦合器6和输出对接耦合器7均由两个同轴的光纤陶瓷插芯和一个包裹所述光纤陶瓷插芯的光纤陶瓷套筒构成，所述光纤陶瓷套筒上设有狭缝，两个光纤陶瓷插芯之间设有狭缝，狭缝<1μm。所述空芯光子晶体光纤通过所述输出对接耦合器6和输入对接耦合器7上的光纤陶瓷插芯固定安装。在检测时所述待测气体通过所述光纤陶瓷插芯的狭缝和所述光纤陶瓷套筒的狭缝导入到空芯光子晶体光纤内。

斯托克斯光的传播方向与泵浦光的传播方向截然相反，所述斯托克斯光源13发出的光依次通过所述输入密集波分复用器8、输入对接耦合器7、输出对接耦合器6和输出密集波分复用器5，在所述输入对接耦合器7和输出对接耦合器6间的空芯光子晶体光纤受激拉曼放大后，由所述信号光电探测器14和所述数据采集卡15探测并采集。

所述精密锁定单元包括：锁频光电探测器9、射频信号源10、电子混频器11和伺服控制器12；所述射频信号源10控制相位调制器2产生边带，与环形光纤谐振腔的泄漏激光通过所述2×2光纤耦合器3的输出端口c在锁频光电探测器9上产生拍频信号，进而以射频信号源10为参考由电子混频器11提取相位信息，然后由伺服控制器12产生误差信号来调节压电陶瓷4两端的电压进而控制环形光纤谐振腔腔长，最终环形光纤谐振腔模式锁定到泵浦光光源1的出射光光频，泵浦光在环形光纤谐振腔内实现相干叠加。