基於鉺鐿共摻光纖的有源內腔式混合氣體感測技術研究

《基於鉺鐿共摻光纖的有源內腔式混合氣體感測技術研究》是依託天津大學，由劉琨擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於鉺鐿共摻光纖的有源內腔式混合氣體感測技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉琨
• 依託單位：天津大學

項目摘要

本項目針對當前煤炭、石油、化工、電力等行業對易燃、易爆、有毒、有害氣體進行有效監測和預警這一重大需求，開展基於鉺鐿共摻光纖的有源內腔式混合氣體感測技術研究。構建基於鉺鐿共摻光纖的有源內腔式混合氣體感測理論模型，探索不同氣體對應的系統最佳參數。基於波長調製/二次諧波提取技術實現氣體吸收光譜分析與處理，從理論和實驗兩個方面研究調製信號參數對二次諧波曲線的影響並確定系統最佳參數。採用F-P標準具研究可調諧光濾波器的非線性特性，並基於此進行氣體吸收波長檢測，進而實現混合氣體主動區分識別。開發混合氣體感測控制與解調系統，實現不少於3種混合氣體的同時感測，且靈敏度優於10 ppm。本項目將著力探索提高氣體感測靈敏度的機制和途徑，對揭示氣體分子與光子之間相互作用的微觀規律具有重要意義，以期為早日實現有害氣體監測技術實用化打下堅實的理論和技術基礎。

結題摘要

本項目採用鉺鐿共摻光纖環腔雷射器，從理論模擬、系統構建和實驗驗證三方面對有源內腔式混合氣體感測技術進行了研究。基於速率方程和傳輸方程建立了光纖環腔雷射系統的理論模型，分析了泵浦功率、系統損耗、摻雜光纖長度、耦合器分光比等參數對氣體感測性能的影響，發現當雷射處於閾值起振狀態時，氣體有效吸收光程大大增加，靈敏度達到極大值。構建了有源內腔氣體感測系統，設計了一系列不同長度的感測氣室。將波長掃描與波長調製技術與內腔氣體吸收相結合，提出了基於軟體鎖相算法的諧波提取方法，研究了調製幅度、溫度、壓強對二次諧波幅值和線寬的影響，發現最優調製幅度為氣體吸收全寬的1.1倍。創建了多尺度吸收峰檢測模型及分段低階多項式擬合模型，並提出了相應的基線提取算法，可以適用於不同線型的基線提取，具有良好的準確度和實時性。針對可調諧光濾波器的非線性特性和蠕變特性，利用F-P標準具提供參考波長進行實時標定，實現了氣體吸收波長的精確定位。本系統可實現一氧化二氮、乙炔、氨氣、一氧化碳、二氧化碳五種氣體的種類識別和濃度感測，靈敏度優於10 ppm，可滿足工業生產和環境監測中對痕量氣體檢測的需要。