《摻Er3+光纖雷射內腔光聲光譜氣體感測的研究》是依託山東大學，由常軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：摻Er3+光纖雷射內腔光聲光譜氣體感測的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：常軍
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本研究利用雷射諧振腔內具有高光功率密度及光往返傳播特點，提出摻Er3+光纖雷射內腔光聲光譜氣體感測方法，將氣體感測用的光聲池與光纖雷射器諧振腔融合，以提升光纖氣體感測器的靈敏度。理論上建立描述光纖雷射諧振腔中光聲池內光聲信號產生的模型，研究調製頻率及強度調製下占空比與波長調製下調製幅度等參數對光聲信號產生的影響，對比波長調製與光強調製兩種方式的效果，確定光纖雷射器的最佳工作方式及參數，實驗上設計、製作反射式倏逝場型光聲池與準直器型光聲池，並對比它們的效果，採用聚聲腔和石英音叉兩種方式對光聲信號強度進一步提升；在理論模型結論的基礎上進一步最佳化雷射器的參數以增強光聲信號，構建內腔光聲氣體感測系統，以乙炔氣體驗證標定感測性能，評價內腔光聲感測相比普通光聲感測靈敏度的提升效果，實現ppb量級的感測靈敏度，本研究在學術上將促進光學有源感測領域的發展，而且，光纖氣體感測器靈敏度的提升有很好的套用價值。
結題摘要
本項目圍繞申請書中提出的幾項主要研究內容，以摻鉺光纖雷射內腔光聲光譜氣體感測的研究為目標，從理論模型，關鍵器件的設計，檢測電路的設計，系統的搭建等方面，進行了深入的研究。具體工作如下：首先，分別建立了基於光聲池和石英音叉增強型光聲光譜氣體檢測系統中光聲信號的理論模型，理論模擬和實驗驗證了光聲信號和光功率呈線性關係，為進一步最佳化光纖雷射器提高光功率來增大光聲信號建立了理論基礎，並且分析了壓強和溫度對氣體吸收的影響。通過分析諧振腔的幾何和特性參數，設計了共振頻率為5kHz的光聲池；根據內腔石英音叉增強型光聲光譜氣體檢測系統的需求，設計了透過率為80%新石英音叉準直結構。並且根據系統的需求，設計和最佳化了前置放大電路，鎖相放大電路和信號採集模組。綜合上述研究成果，搭建了兩種內腔光聲光譜氣體檢測系統，將光聲光譜氣體檢測系統放在光纖雷射器環形腔內，利用光纖雷射器腔內產生的高功率雷射作為光源進行氣體檢測。其中一種是利用聲光調製器進行強度調製，得到的脈衝峰值功率為679mW，相比於傳統的強度調製光聲光譜氣體檢測系統，信噪比大約提升了94.2倍。另一種利用壓電陶瓷進行了波長調製，腔內最大功率大約是108mW，該系統的的最小檢測極限為390ppb。為了進一步最佳化系統，分析了剩餘幅度調製的來源和相關參量。提出了基於雙路鎖相差分的方法來消除剩餘幅度調製，將二次諧波的不對稱因子大幅度降低。 除此之外，我們還提出了一種基於頻分復用的多組分光聲光譜氣體檢測系統，利用三個不同頻率的音叉對水蒸氣、甲烷和乙炔進行了同時測量，對應的最小檢測極限分別為1.3ppm，79ppm和5ppm。並且利用光聲光譜氣體檢測系統實現了三點測量，最小檢測極限分別為479ppb，662ppb和630ppb。本項目共發表相關研究SCI論文30篇，EI論文3篇，申請國家發明專利12項，實用新型專利1項，其中已授權國家發明專利2項，實用新項專利1項，培養碩士研究生3人，博士研究生4人，完成了項目計畫的研究內容，實現了項目預期的目標和成果。
