基于激光瞬态特性的气体浓度光纤传感器

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1、第G=卷第!期"%%&年!月物理学报Z9O?G=，Y9?!，[-47-2P，"%%&!%%%C$"J%K"%%&KG（=%!）K%$%>C%GVEWVDFX<5EV<5Y5EV""%%&E*(4?D*P6?<9:?"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""基于激光瞬态特性的气体浓度光纤传感器!!）"）"）!）"）!）!）郭文刚杨秀峰罗绍均李勇男涂成厚!）#!）$）"）吕福云王宏杰李恩邦吕超!）（南开大学物理科学学院光电信息科学

2、系，天津$%%%&!）"）（’()*+,-./0/1-2+3/4+，546+(+7+/8925489:933;/6/-2:*，<(4)-192/=$&&"$）$）（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津$%%%&"）（"%%=年$月">日收到；"%%=年=月!日收到修改稿）报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型气体浓度传感器?用光纤环全反镜和光纤@2-))光栅（A@B）构成ACD线形腔，通过调节光栅的反射波长，使激光激射波长落在E"F"的一个较强的吸收峰!G$!HG=43?激光激射延迟时间与激光器谐振腔损

3、耗密切相关，气体浓度的改变将引起谐振腔损耗的改变，通过测量激光激射延迟时间可以获得气体的浓度?该装置分辨率及灵敏度由抽运光脉冲的高功率电平和低功率电平决定，传感器的动态测量范围由抽运光高功率电平决定?当高功率和低功率电平分别为"G3I和GHJ3I时，该传感器的灵敏度和分辨率分别为!%%113K!6和"%113?关键词：光纤传感，瞬态特性，激射延迟时间，气体浓度!"##：L">!D，L">!M［>—!%］［!!，!"］技术和有源内腔激光光谱检测技术?这是!H引言目前测量灵敏度最高的光谱吸收检测手段，但这种测量技

4、术对系统性能的要求极其严格，尚处于实验气体浓度检测在工业生产和环境监测中是十分研究阶段，离实用化还有一定的距离?重要的，尤其是可燃气体的检测，在工业安全生产中光纤气体传感技术具有使用安全、受环境影响更是占有相当重要的地位?到目前为止，基于光谱吸小、易于成网和适合于远距离测量等优点，在工业、收的气体测量技术的检测灵敏度已经达到了相当高军事和科研等领域受到越来越多的重视，从而衍生的水平?实现这种高灵敏度的检测技术主要有两类：出许多把气体吸收谱分析技术和光纤传感技术相结一类是利用波长调制或频率调制的光谱检测技术合的

5、新颖实用的气体传感技术?［!，"］（IS<或AS<）?高检测灵敏度的实现是利用光本文报道一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的T=调制和二次谐波测量来获得，一般可达113（!%）气体浓度传感器及其传感解调新方法?腔中插入量级?这类传感技术随着各种光通信器件诸如分布E"F"气体吸收室，不同浓度的气体引起不同的腔损反馈（MA@）激光器、可调谐窄带激光器和可调谐梳耗，这影响了激光器的瞬态特性，我们可以通过测量状滤波器等的发展，已经在光纤化和实用化方面取激光激射延迟时间获得被测气体的浓度?时域测量［$—&］得了长足的进步，

6、并向工程实用化方向发展?另使得信号检测变得简单、精确?测量信号为激光，具一类是利用各种内腔的光谱检测技术，使光多次通有高的信噪比?这种新型传感器的分辨率和灵敏度过被测气体，从而极大地增加了光与气体的有效作由控制抽运脉冲的高、低电平共同决定，动态测量范TJ用距离，测量分辨率一般能达到11U（!%）?内腔气围由抽运光高功率电平决定?在抽运脉冲高、低功率体测量技术有两种基本类型：;(4)C09,4腔光谱检测分别为"G3I，GHJ3I时，传感器的灵敏度和分辨!光电信息技术科学教育部重点实验室（南开大学、天津大学），国

7、家J&$计划项目（批准号："%%$E@$!LJ%=），国家自然科学基金（批准号：=%=&&%!$）和高等学校博士点基金（批准号："%%=%%GG%"!）资助的课题?#NC3-(O：O78PQ4-4R-(?/07?:4!期郭文刚等：基于激光瞬态特性的气体浓度光纤传感器A"=率分别为!""##$%和’"##$(!&A)实验装置及原理’)*’+’气体吸收光谱的测量气体浓度传感器的实验装置如图’所示(由光可调谐激光器（,-./012/.-324,50$0,&670$012纤环反射镜和带有温度补偿的光纤<7,--光栅&

8、8&20$，9!:;<）作光源，激光单次通过样品吸收室，（CG，用光功率计测量不同波长的光对应的传输损耗(可不受力时<7,--反射波长为!>A!)>’1$，对C1$—!:!"1$，最小加纵向应力，并用光谱仪（HIJ）监测激光激射波长，扫描步长")"">1$(样品吸收室连接?’，*’+’阀门使激光器的工作波长落在*’+