基于铒镱共掺光纤的有源内腔式混合气体传感技术研究

本项目针对当前煤炭、石油、化工、电力等行业对易燃、易爆、有毒、有害气体进行有效监测和预警这一重大需求，开展基于铒镱共掺光纤的有源内腔式混合气体传感技术研究。构建基于铒镱共掺光纤的有源内腔式混合气体传感理论模型，探索不同气体对应的系统最佳参数。基于波长调制/二次谐波提取技术实现气体吸收光谱分析与处理，从理论和实验两个方面研究调制信号参数对二次谐波曲线的影响并确定系统最佳参数。采用F-P标准具研究可调谐光滤波器的非线性特性，并基于此进行气体吸收波长检测，进而实现混合气体主动区分识别。开发混合气体传感控制与解调系统，实现不少于3种混合气体的同时传感，且灵敏度优于10 ppm。本项目将着力探索提高气体传感灵敏度的机制和途径，对揭示气体分子与光子之间相互作用的微观规律具有重要意义，以期为早日实现有害气体监测技术实用化打下坚实的理论和技术基础。

本项目采用铒镱共掺光纤环腔激光器，从理论模拟、系统构建和实验验证三方面对有源内腔式混合气体传感技术进行了研究。基于速率方程和传输方程建立了光纤环腔激光系统的理论模型，分析了泵浦功率、系统损耗、掺杂光纤长度、耦合器分光比等参数对气体传感性能的影响，发现当激光处于阈值起振状态时，气体有效吸收光程大大增加，灵敏度达到极大值。构建了有源内腔气体传感系统，设计了一系列不同长度的传感气室。将波长扫描与波长调制技术与内腔气体吸收相结合，提出了基于软件锁相算法的谐波提取方法，研究了调制幅度、温度、压强对二次谐波幅值和线宽的影响，发现最优调制幅度为气体吸收全宽的1.1倍。创建了多尺度吸收峰检测模型及分段低阶多项式拟合模型，并提出了相应的基线提取算法，可以适用于不同线型的基线提取，具有良好的准确度和实时性。针对可调谐光滤波器的非线性特性和蠕变特性，利用F-P标准具提供参考波长进行实时标定，实现了气体吸收波长的精确定位。本系统可实现一氧化二氮、乙炔、氨气、一氧化碳、二氧化碳五种气体的种类识别和浓度传感，灵敏度优于10 ppm，可满足工业生产和环境监测中对痕量气体检测的需要。