摘要

 

知网论文查重入口本课题提出的基于共轭干涉光学气体检测方法的稳频激光器，是基于光谱吸收原理，结合气体共轭干涉滤波与环形腔激光器技术，探索形成气体参考稳频激光器的技术与方法，该激光器无需复杂的反馈控制即能保证输出光频率锁定在气体吸收峰，能较好的应用于新型气体传感方法中。本课题对基于共轭干涉式滤波器的窄带光源进行了分析，包括线性腔单波长、多波长窄带光源，另外为提高共轭干涉式滤波器级联宽带光源输出光强较弱的问题，采用了一种光环形腔的结构，将共轭干涉式滤波器作为选频光器件连入光环形腔结构内。本课题提出的基于共轭干涉的光学气体检测稳频激光器将弥补现有气体传感技术的不足，为气体传感所用激光器提供新的研究思路。

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的、意义

工业生产中所排放的有毒有害、易燃易爆气体，对环境污染和生产安全造成严重的威胁，为了尽可能地减轻这一危害，就必须对这些气体进行实时监测，及时掌握这些气体的泄露、排放和分布情况，并采取有效的控制措施。另外，气体浓度检测对于资源勘探和研究气体变化等领域也是必不可少的。因此，研究准确和快速的气体检测方法已成为传感技术领域中一个重要前沿课题。
现有的气体浓度检测技术种类很多，传统的气体浓度测量方法多以电化学、气相色谱法为主，其中电化学传感器存在寿命短、精度低、响应慢、稳定性差、调校困难，对气体选择性差等缺点；气相色谱法所用检测设备昂贵，不适合在线实时检测。光学气体传感技术是一种新型的气体检测技术，该技术利用气体的光学特性来检测气体浓度，按激励可划分为：荧光型、折射率变化型、消逝场型、光声光谱型和光谱吸收型，其中光谱吸收型与其他方式相比，具有高精度，低交叉敏感，快速响应，易于成网等优点，应用前景较好。
光谱吸收法是指通过检测样气投射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的特征吸收谱（气体吸收峰），光源的发射谱与气体吸收谱重叠的部分产生吸收，吸收后的光强将发生变化。特定波长的光的强度变化，反应特定气体的浓度变化，因此，光谱吸收法具有好的选择性和鉴别性。根据检测方式的不同，光谱吸收式气体检测技术主要有腔衰荡光谱技术，有源内腔吸收技术，窄带光谱吸收法和可调谐激光光谱技术。

本课题提出的基于共轭干涉滤波的光学气体检测的稳频激光器，是基于光谱吸收原理，结合气体共轭干涉与环形腔激光器技术，探索形成气体参考稳频激光器的技术与方法，该激光器无需复杂的反馈控制即能保证输出光频率锁定在气体吸收峰。项目提出的基于共轭干涉的光学气体检测稳频激光器将弥补现有气体传感技术的不足，为气体传感提供新的研究思路和方法。

1.2 国内外研究的现状

英国 strathclyed 大学 Atherton 等人最先报道应用光纤环形腔衰荡光谱技术（ fiberloop ring-down spectroscopy， FLRDS）进行气体浓度检测，美国 Princeton 大学、燕山大学和南开大学等单位也开展过腔衰荡光谱气体检测技术的研究。腔衰荡光谱技术测量的是衰荡时间，测量精度不受光强破洞影响，抗干扰能力强，但是由于光线衰减、接合损失、输入/输出耦合损失的综合作用，很难使系统达到较高的精度。有源内腔吸收技术（ Inner Cavity Laser Absorption Spectrocsopy， ICLAS）是近几年出现的一种新型气体传感技术，英国 STRATHCLYDE 大学 Gillina 利用 ICLAS 技术实现了甲烷气体 0%100%全量程检测，清华大学喻洪波提出并实现一套以锁模光纤环形腔激光器为复用基础的有源内腔气体传感网络系统，精华大学张敏和天津大学贾大功与刘琨等人研究了有源内腔吸收技术结合波长调制技术的方法，燕山大学曹彦鹏设计了以后总基于掺铒光纤激光器瞬态特性的内腔吸收是气体浓度传感器，通过测量激光激射延迟时间可以获得气体的浓度。 ICLAS 因其光源调谐范围宽、输出激光线宽窄、灵敏度高、结构简单等特点，是一种很有潜力的气体检测技术。但是该技术受限于光噪声、放大器增益的波动和光路扰动，系统稳定性较差。

1.3 本文的主要研究内容及组织结构

本文研究了应用于气体传感系统的激光器、共轭干涉式滤波器以及基于共轭干涉式滤波器光环腔结构的窄带激光器。

第一章绪论，对课题的研究背景、目的和意义；国内外研究现状、课题的研究内容、预期目标进行综合论述。第二章气体传感系统的激光器的研究，介绍了窄带激光器及单气体窄带单波激光器。第三章激光器的输出特性分析介绍了共轭干涉式滤波器和基于滤波器光环腔结构的窄带激光器的原理与设计，对线性腔激光器和环形腔激光器输出特性进行了分析。第四章对全文进行了总结，并对表述了对后续工作的展望。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1.1全文组织结构图

 

第2章 气体传感激光器研究

在一定的波长范围内，气体存在多个吸收峰，可加入窄带滤波器，选择特定的一个吸收峰，形成单波长的输出激光器，也可以直接形成多波长输出激光器。另外，基于环形腔结构的单波长及多波长输出激光器也会在本章进行详细讨论。光纤激光器是气体检测系统的重要组成，最需要研究的是光纤环形激光器中的光学谐振腔。谐振腔主要分为线性腔和环形腔两种，而它决定着激光的选频以及波长的调节。

在气体传感系统中， 激光器的合适选择决定着系统性能的优越程度。 由于通过测量光强的变化来反演气体浓度高，而气体吸收峰线宽非常窄，如图 2.1所示，乙炔气体在 1529nm 到 1531nm 的吸收峰，其吸收带宽仅为 0.3nm，仅为宽带激光器带宽的几百分之一。 当待测气体浓度较低时，光功率由于光吸收较弱而变化较小，并不能精确反应气体浓度信息，为提高检测系统的检测精度， 通常选用光谱吸收中的窄带匹配激光器技术来提高检测的分辨力。 所设计的气体传感的激光器，最大的特点就是输出光能完全对应待测气体吸收峰的位置，并且只有对应目标气体的吸收峰的波长能透过滤波器，而有效的压窄带宽形成窄带宽激光器。在有效提高气体传感系统的检测灵敏度的同时，也提高了检测系统的稳定性，避免了外界影响带来的输出谱线中心波长的漂移，影响激光器的输出稳定性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 2.1 乙炔在近红外波段范围吸收峰的线宽

 

 

2.1 窄带激光器形成的基本原理

窄带激光器所需要的对应气体的光谱吸收峰，就按照输出滤光器的输出谱，除此之外还需要形成的窄带激光器而产生对应的激光器输出。而窄带激光器形成的条件是当激光器注入同向电流，电子由密度增加而从高能带跃迁到低能带发出光子形成初始光程。此过程中，受激发射和受激吸收这两个过程同时发生， 并且受激发射和受激吸收发生的概率相同。 高能带电子密度用Nc表示，低能带电粒子密度Nv表示。当Nc>Nv时，增益系数g>0时，受激发射占主导地位，光场迅速增加，从而形成受激发射。另外一个条件是必须存在光学谐振腔， 而满足一定的相位条件和阈值条件才可能在谐振腔中形成一个稳定的振荡。其中的相位需满足谐振腔内前后向光波产生相干，而阈值条件是增益与损耗相抵。综上所述， 产生激光的三个必备条件：第一， 包含有适合产生受激辐射的激活粒子的增益介质提供放大作用；第二， 有能使激光上下能级产生粒子数反转的外界激励源；第三，有一个稳定振荡的光学谐振腔。

2.1.1 起振的阈值条件

平面波幅度在谐振腔内传输一个来回的变化情况。设平面波的幅度为 E0，频率为 ω，设单位长度增益介质的平均损耗为 αint(cm),反射镜的反射率分别为R1和R2。

光从 Z=L 处被反射，回到零点位置，光强衰弱：

(2.1)

另，单位长度上受激放大得到增益 g，光折射一次其光强放大了:

(2.2)

维持振荡时光波应保持来回光功率不变，即那么

(2.3)

的增益，即阈值增益 g，该增益应该等于腔体的总损耗，即：

(2.4)

式中，表示增益介质单位长度的吸收损耗。另外，是由于介质截面反射率小于 1 而导致的损耗，介质截面的反射率为

(2.5)

式中， n 为腔体折射率。式给出了谐振腔内实现光连续发射所需要的光增益， 它对应阈值粒子数反转，即

(2.6)

那么达到阀值时，高低能带上的电子密度差为:

(2.7)

此为阈值粒子数翻转条件。

2.1.2 起振的相位条件
设激光器谐振腔长度为 L，增益介质折射率为 n，由于增益介质内半波长 λ/2N的整数倍 m 等于 L，那么：

(2.8)由于 f=c/λ，则:            (2.9)

其中， λ,f 分别为光波长和频率， c 为光速。

m 是一个很大的数字，当相差 1 时，谐振波长只有少许变化，设此变化波长为 Δλ，且Δλ ≪ λ，则当 λ→λ+Δλ， m→m+1，时，

(2.10)

对谐振腔长度 L 比波长大很多的激光器来说，可以在差别很小的多波长上
发生谐振，这种谐振模称为纵模，由光腔长度 nL 决定。与此相反，和前进方向
成直角的模，称为横模。 横模由于决定光束的分布特性，所以其直接会影响到
光纤的耦合效率，而纵模则决定着激光器的频谱特性。

使用 Δf/f=Δλ/λ0,这里 λ0 为发射光波的自由空间波长，f 是频率，因为 f=c/λ0,那么可得频率间距和波长间距的关系为：

(2.11)                                                     2.1.3 窄线宽激光器
光纤激光器的光学谐振腔是窄线宽输出激光器的重要组成器件。光学谐振腔内的泵浦光可以获得增益，使激光器的输出光强被提高。另外，输出光的选频和波长调节都与光学谐振腔有关。而谐振腔又主要分为线形腔和环形腔。

(1) 线性谐振腔

线性腔具有代表性的是 FP 腔，谐振腔腔长可以制作的非常短，并且可以通过改变空气间隙的长度来改变腔长。

对于理想的 FP 腔，平行板上下表面没有吸收，即当透射光 T 和反射光 R 满足                                R+T=1                     (2.12)

 

透射光可写成：    (2.13)

 

其中， R 是反射镜的反射率； δ 是光在 FP 腔中往返一次的光程差。

定义一个参数:那么反射光的强度分布式和透射光的强度分布式简化为：

 

(2.14)

 

那么：     (2.15)

 

精细度记为F，                                      (2.16) 入射光的辐射强度与入射光的强度之比去最大值时，才能使光在 FP 腔内振荡，并产生激光。由此： l=mπ/β， 其中 β 为波数, β=nω/c， n 为掺杂光纤的折射率。 那么， l=mλ0/2，其中 λ0 为受激辐射光的波长。

在谐振腔内传输的光产生谐振的条件是：谐振腔的长度和受激辐射光的半波长呈整数倍关系。 FP 腔结构简单，便于制作，但是存在功率低，以及增益带宽有缺陷等缺点。

 

(2)环形谐振腔

此种连接方式实现了光反馈，具有谐振特性，称为光纤环形谐振腔。图 2.2中，耦合器的 2，4端口接到一起，能形成环形腔。当光从 1 端进入，耦合器的分光作用，大部分抽运光被进入到环形通道后得到增益，从 3 端输出产生小部分激光输出，但部分的光再