基于红外吸收的光纤气体传感研究.doc

基于红外吸收的光纤气体传感研究随着人们对生活环境质量和生产安全的重视,气体监测、分析仪器或技术得到了飞速的发展。本课题利用具有优良光学性能的掺铒光子晶体光纤作为增益介质,研究了光纤气体传感的传感结构及传感光源对系统传感灵敏度的影响。本文首先根据气体检测的工作原理,归纳了目前常见的气体痕量技术,分析了各种技术的优缺点,指出光学分析法相比其它气体传感技术的优势。阐述了光谱吸收型光纤气体传感设备及方案的优良特性,综述了国内外光纤传感技术的研究现状。从应用角度从发,分析了光纤环形腔激光器应用于气体传感的优势。基于Er³⁺能级理论,阐述了激光的形成过程。利用激光速率方程导出光纤激光环形腔中反转粒子数及光子数量表达式。基于红外吸收光谱法的传感原理,结合光子数量与吸收强度表达式对提高气体传感灵敏度的方法进行了分析,讨论了激光器的泵浦方式对气体传感系统的影响。最后,分析了常见气体在近红外石英光纤低损耗窗口的吸收光谱。理论和实验分析了宽带激光光源的工作原理及输出特性,指出宽带激光光源存在一个最优气体传感泵浦功率。介绍了系统中的关键器件及作用,在最优气体传感泵浦功率条件下,阐述了耦合器的输出耦合比对外腔和内腔两种气体传感系统测量灵敏度及测量误差的影响,确定系统结构后,研究了气体压强对两种气体传感结构及传感灵敏度的影响,进行了乙炔气体的实验标定及浓度反演,比较了两种气体传感结构的传感性能。而后,针对吸收光谱与环境变化关系进行了研究。利用光纤布拉格光栅构建了输出性能良好的分布布拉格反射光纤激光器,其输出中心波长靠近乙炔吸收峰1532.82nm。采用外腔传感结构,以乙炔为气体样品探究该光源传感性能,由于吸收峰位于激光光谱的边缘,气体传感性能并不理想。针对这个问题,基于非线性偏振旋转效应研制了一个宽调谐窄线宽光纤激光器。对激光器的调谐原理和输出特性进行较为详细的分析,在乙炔传感的实验中,可调谐光纤激光器的输出峰值功率与乙炔浓度之间具有良好的线性响应关系。