一种基于微纳掺铒光纤的激光器的检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤激光传感检测技术领域，尤其涉及一种基于微纳掺铒光纤的激光器的检测系统及方法。
【背景技术】
[0002]工农业生产以及日常生活中，如何对有毒、有害、易燃、易爆气体进行准确、快速检测已成为急需解决的重要问题之一。这些气体组分含量可能在百万分之一量级或者以下，针对这些痕量气体则需要高灵敏度的气体检测装置。光纤气体传感器以本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压，易远程传输和复用等优势越来越受到研究人员的重视。倏逝场型光纤气体传感器是利用待测气体与光纤中传输光场的相互作用来实现气体传感的一种新型传感器。与其它光纤气体传感器相比，具有结构相对简单、成本较低、可交叉分辨和形成分布式传感等优点。倏逝场型光纤气体传感器凭借其独特优点与应用潜力，在气体检测中崭露头角，引起人们的重视与研究。微纳光纤的出现为倏逝场型气体传感器提供了巨大的发展空间。当光纤直径接近微纳量级时，光场有很大一部分能量分布在光纤之外以倏逝场的形式进行传输，这部分能量比例甚至可以超过90%，与外界环境发生相互作用时，可以用来构建超紧凑的传感器。微纳光纤的制备技术以及微纳光纤器件的制作技术已经发展的相对成熟，Optics Express,vo1.14(12),pp.5055-5060,2006,Shi L1Chen X F,Liu H J,et al.“Fabricat1n of submicron-diameter silica fibers using electric stripheater，”提出利用电加热金属条作为熔融光纤热源的方法，获得了长达1cm且直径小于1μm的微纳光纤;Nanotechnology ,vol.16,pp.1445-1448,2005,L.Tong,J.Lou,Z.Ye,G.T.Svacha,and E.Mazur.“SeIf-modulated taper drawing of silica nanowires，，，提出了自调节拉伸法，利用这种方法可以制备出直径小至20nm的微纳光纤。App 1.Phys.Le11，vo1.86(15),pp.151122,2005,ff.Liang,Y.Y.Huang,Y.Xu,et al.“Highly sensitivefiber Bragg grating refractive index sensors，”提出利用两个微纳光纤Bragg光棚.构造了一个F-P谐振腔，并利用谐振腔共振波长的移动应用为了液体浓度传感器。但是到目前为止，有关基于微纳光纤的气体传感器方面的研究报道较少，最主要原因是由于微纳光纤的拉制长度不够长，作为倏逝场型气体传感器使用时吸收路径较短，探测灵敏度受到限制。
[0003]目前常用的气体检测方法中红外光谱吸收法一直受到广泛关注，其关键技术有差分吸收光谱技术、可调谐半导体激光吸收光谱技术以及光声光谱技术等。传统的吸收技术由于气体有效吸收光程有限，所以其检测灵敏度不会很高。
[0004]总之，现有的气体检测在灵敏度、快速、稳定上还不能满足目前的需求，因此，亟需一种新的有源气体检测系统。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于微纳掺铒光纤的激光器的检测系统及方法，本发明利用微纳掺Er3+光纤，制作出分布式布拉格反射-微纳光纤激光器(Distributed Bragg Ref lector-microf iber laser，简称DBR-MFL)，以DBR-MFL为传感基元可研制成倏逝场型光纤气体传感器，掺杂Er3+的光纤增益谱范围较宽，用掺Er3+光纤制作的激光器输出波长可调谐范围覆盖了乙炔(1532nm)、氨气(1544nm)、一氧化碳(1567nm)、二氧化碳(1573nm)、硫化氢(1578m)等常见气体。该传感器将微纳光纤的强倏逝场场置于光纤激光器谐振腔中，检测灵敏度可以提高几个数量级，实现了激光输出与传感一体化。本发明旨在提供快速、稳定、可远距离在线检测、具有高探测灵敏度和极大动态范围。
[0006]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:
[0007]一种基于微纳掺铒光纤的激光器的检测系统，该系统用于检测有源气体，包括已封装的分布式布拉格反射-微纳光纤激光器，该激光器与波分复用器的输入端相连，波分复用器的输出端分两路，一路与栗浦光源相连，另一路依次与隔离器、光电探测器及锁相放大器相连，所述锁相放大器还与处理器的输入端相连，处理器的输出端分别输出低频锯齿波信号及高频正弦波信号，所述低频锯齿波信号及高频正弦波信号均传输至加法器进行运算，加法器的输出连接至激光器；
[0008]处理器同时产生一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号，一个低频锯齿波信号及一个高频正弦波信号通过加法器接入激光器的气室，通过改变气室中压电陶瓷驱动电压的大小来实现对输出激光波长的调制，同时通过给锁相放大器提供一个激光器的高频正弦波信号二倍频的参考信号，进行锁相解调获得含有吸收气体浓度信息的二次谐波信号，最后通过处理器多次采样并进行平均处理，通过上位机实时显示气体浓度。
[0009]进一步的，所述栗浦光源通过其所带尾纤与波分复用器的输入端相连;激光器粘贴固定在长条形压电陶瓷上;激光器的尾纤与波分复用器的公共端相连接;波分复用器的输出端连接到隔离器的正向输入端，隔离器的输出端连接入气体处理单元。
[0010]进一步的，该气体处理单元包括光电探测器、锁相放大器和现场可编程逻辑门阵列处理器，其中光电探测器的输入端和隔离器的输出端相连接，光电探测器的输出端与锁相放大器输入端相连，锁相放大器的输出端接入现场可编程逻辑门阵列处理器。
[0011 ]进一步的，基于微纳掺铒光纤的激光器为分布式布拉格反射-微纳光纤激光器，所述激光器包括由掺铒的微纳光纤作有源介质，单模光纤刻入布拉格光栅作为谐振腔共同构成；
[0012]所述掺铒的微纳光纤为由一块掺铒块状玻璃借用蓝宝石光纤通过直接拉伸法拉制而成；
[0013]通过紫外光照射相位掩膜板的方法写入选取的两段单模光纤分别形成布拉格光栅，每个布拉格光栅两端的尾纤长度不相等；
[0014]将芯径拉伸到设定数值以下的掺铒的微纳光纤两端分别接入一个布拉格光栅，两个布拉格光栅接入端均为较短尾纤的一端，布拉格光栅上有多个恪接点，布拉格光栅上还设有涂覆层。
[0015]进一步的，将拉伸到设定数值以下的掺铒的微纳光纤两端分别接入一个布拉格光栅，接入方法为熔接机直接熔接。
[0016]进一步的，所述的掺铒的微纳光纤的纤芯直径在Ιμπι以下。
[0017]进一步的，在封装时，将分布式布拉格反射-微纳光纤激光器粘贴固定在长条形压电陶瓷上，使得中间的掺铒的微纳光纤以及已剥掉涂覆层的布拉格光栅部分都悬空在压电陶瓷中间的空隙中，粘贴位置为靠近光栅的且已剥掉涂覆层的尾纤部分，将粘贴上分布式布拉格反射-微纳光纤激光器的压电陶瓷固定入金属密闭容器中形成密封气室，气室与外界通过分布式布拉格反射-微纳光纤激光器的尾纤进行连接。
[0018]进一步的，掺铒的微纳光纤为裸纤，两个布拉格光栅的光栅部分以及较短尾纤部分均为剥掉涂覆层的裸纤。
[0019]基于微纳掺铒光纤的激