一種基于微納摻鉺光纖的激光器的檢測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖激光傳感檢測技術領域，尤其涉及一種基于微納摻鉺光纖的激光器的檢測系統及方法。
【背景技術】
[0002]工農業生產以及日常生活中，如何對有毒、有害、易燃、易爆氣體進行準確、快速檢測已成為急需解決的重要問題之一。這些氣體組分含量可能在百萬分之一量級或者以下，針對這些痕量氣體則需要高靈敏度的氣體檢測裝置。光纖氣體傳感器以本征安全、抗電磁干擾、耐高溫高壓，易遠程傳輸和復用等優勢越來越受到研究人員的重視。倏逝場型光纖氣體傳感器是利用待測氣體與光纖中傳輸光場的相互作用來實現氣體傳感的一種新型傳感器。與其它光纖氣體傳感器相比，具有結構相對簡單、成本較低、可交叉分辨和形成分布式傳感等優點。倏逝場型光纖氣體傳感器憑借其獨特優點與應用潛力，在氣體檢測中嶄露頭角，引起人們的重視與研究。微納光纖的出現為倏逝場型氣體傳感器提供了巨大的發展空間。當光纖直徑接近微納量級時，光場有很大一部分能量分布在光纖之外以倏逝場的形式進行傳輸，這部分能量比例甚至可以超過90%，與外界環境發生相互作用時，可以用來構建超緊湊的傳感器。微納光纖的制備技術以及微納光纖器件的制作技術已經發展的相對成熟，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，”提出利用電加熱金屬條作為熔融光纖熱源的方法，獲得了長達1cm且直徑小于1μm的微納光纖;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，，，提出了自調節拉伸法，利用這種方法可以制備出直徑小至20nm的微納光纖。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，”提出利用兩個微納光纖Bragg光棚.構造了一個F-P諧振腔，并利用諧振腔共振波長的移動應用為了液體濃度傳感器。但是到目前為止，有關基于微納光纖的氣體傳感器方面的研究報道較少，最主要原因是由于微納光纖的拉制長度不夠長，作為倏逝場型氣體傳感器使用時吸收路徑較短，探測靈敏度受到限制。
[0003]目前常用的氣體檢測方法中紅外光譜吸收法一直受到廣泛關注，其關鍵技術有差分吸收光譜技術、可調諧半導體激光吸收光譜技術以及光聲光譜技術等。傳統的吸收技術由于氣體有效吸收光程有限，所以其檢測靈敏度不會很高。
[0004]總之，現有的氣體檢測在靈敏度、快速、穩定上還不能滿足目前的需求，因此，亟需一種新的有源氣體檢測系統。
【發明內容】
[0005]為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種基于微納摻鉺光纖的激光器的檢測系統及方法，本發明利用微納摻Er3+光纖，制作出分布式布拉格反射-微納光纖激光器(Distributed Bragg Ref lector-microf iber laser，簡稱DBR-MFL)，以DBR-MFL為傳感基元可研制成倏逝場型光纖氣體傳感器，摻雜Er3+的光纖增益譜范圍較寬，用摻Er3+光纖制作的激光器輸出波長可調諧范圍覆蓋了乙炔(1532nm)、氨氣(1544nm)、一氧化碳(1567nm)、二氧化碳(1573nm)、硫化氫(1578m)等常見氣體。該傳感器將微納光纖的強倏逝場場置于光纖激光器諧振腔中，檢測靈敏度可以提高幾個數量級，實現了激光輸出與傳感一體化。本發明旨在提供快速、穩定、可遠距離在線檢測、具有高探測靈敏度和極大動態范圍。
[0006]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0007]一種基于微納摻鉺光纖的激光器的檢測系統，該系統用于檢測有源氣體，包括已封裝的分布式布拉格反射-微納光纖激光器，該激光器與波分復用器的輸入端相連，波分復用器的輸出端分兩路，一路與栗浦光源相連，另一路依次與隔離器、光電探測器及鎖相放大器相連，所述鎖相放大器還與處理器的輸入端相連，處理器的輸出端分別輸出低頻鋸齒波信號及高頻正弦波信號，所述低頻鋸齒波信號及高頻正弦波信號均傳輸至加法器進行運算，加法器的輸出連接至激光器；
[0008]處理器同時產生一個低頻鋸齒波信號及一個高頻正弦波信號，一個低頻鋸齒波信號及一個高頻正弦波信號通過加法器接入激光器的氣室，通過改變氣室中壓電陶瓷驅動電壓的大小來實現對輸出激光波長的調制，同時通過給鎖相放大器提供一個激光器的高頻正弦波信號二倍頻的參考信號，進行鎖相解調獲得含有吸收氣體濃度信息的二次諧波信號，最后通過處理器多次采樣并進行平均處理，通過上位機實時顯示氣體濃度。
[0009]進一步的，所述栗浦光源通過其所帶尾纖與波分復用器的輸入端相連;激光器粘貼固定在長條形壓電陶瓷上;激光器的尾纖與波分復用器的公共端相連接;波分復用器的輸出端連接到隔離器的正向輸入端，隔離器的輸出端連接入氣體處理單元。
[0010]進一步的，該氣體處理單元包括光電探測器、鎖相放大器和現場可編程邏輯門陣列處理器，其中光電探測器的輸入端和隔離器的輸出端相連接，光電探測器的輸出端與鎖相放大器輸入端相連，鎖相放大器的輸出端接入現場可編程邏輯門陣列處理器。
[0011 ]進一步的，基于微納摻鉺光纖的激光器為分布式布拉格反射-微納光纖激光器，所述激光器包括由摻鉺的微納光纖作有源介質，單模光纖刻入布拉格光柵作為諧振腔共同構成；
[0012]所述摻鉺的微納光纖為由一塊摻鉺塊狀玻璃借用藍寶石光纖通過直接拉伸法拉制而成；
[0013]通過紫外光照射相位掩膜板的方法寫入選取的兩段單模光纖分別形成布拉格光柵，每個布拉格光柵兩端的尾纖長度不相等；
[0014]將芯徑拉伸到設定數值以下的摻鉺的微納光纖兩端分別接入一個布拉格光柵，兩個布拉格光柵接入端均為較短尾纖的一端，布拉格光柵上有多個恪接點，布拉格光柵上還設有涂覆層。
[0015]進一步的，將拉伸到設定數值以下的摻鉺的微納光纖兩端分別接入一個布拉格光柵，接入方法為熔接機直接熔接。
[0016]進一步的，所述的摻鉺的微納光纖的纖芯直徑在Ιμπι以下。
[0017]進一步的，在封裝時，將分布式布拉格反射-微納光纖激光器粘貼固定在長條形壓電陶瓷上，使得中間的摻鉺的微納光纖以及已剝掉涂覆層的布拉格光柵部分都懸空在壓電陶瓷中間的空隙中，粘貼位置為靠近光柵的且已剝掉涂覆層的尾纖部分，將粘貼上分布式布拉格反射-微納光纖激光器的壓電陶瓷固定入金屬密閉容器中形成密封氣室，氣室與外界通過分布式布拉格反射-微納光纖激光器的尾纖進行連接。
[0018]進一步的，摻鉺的微納光纖為裸纖，兩個布拉格光柵的光柵部分以及較短尾纖部分均為剝掉涂覆層的裸纖。
[0019]基于微納摻鉺光纖的激