EDFA增益谱特性对有源光纤腔衰荡光谱的影响及其校正研究

Active fiber cavity ring-down spectroscopy (FCRDS) is an ultra sensitive gas sensing technique. The main source of measurement error is the gain spectrum of erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA). Currently, there remains a lack of a theoretical model to evaluate the accuracy loss caused by the gain spectrum of EDFA quantitatively. Related correction methods are also lacking of systematic study. In this project, the effect of the gain spectrum of EDFA is evaluated through combining the approximate theory of EDFA with demodulation theory of FCRDS based on wavelength tuning, which improves the theoretical system of FCRDS. Two solutions are proposed: The first one is to improve the EDFA gain spectrum by optimizing intrinsic parameters of EDFA and introducing techniques such as gain equalization and gain clamping. The second one is to design a novel active ring-down cavity system which is less sensitive to the gain spectrum of EDFA. The main technical problems of the new system will be analyzed and solved. The enhancements of the sensor performance will be compared in theory. An experimental setup of acetylene detection will be built to further validate the conclusions. This study aims at solving the key technical issues of the active FCRDS system, which will facilitate the academic progress in the field of optical active sensing and has a great interest in both theoretical studies and real-life applications.

有源光纤腔衰荡光谱作为一种高灵敏度气体传感技术，其测量误差的主要来源是掺铒光纤放大器的增益谱特性。目前仍缺少一种理论模型可以定量评价该因素对于传感系统造成的精度损失，相关的校正方法也缺少全面系统的研究。本项目拟将掺铒光纤放大器的近似理论与波长调谐型有源光纤腔衰荡光谱的解调理论相结合，用于评价掺铒光纤放大器增益谱特性的影响机制，完善有源光纤腔衰荡光谱的理论体系。并提出两种解决方案：一、通过优化掺铒光纤放大器内部系统参数以及引入增益均衡、增益钳制等技术改善掺铒光纤放大器的增益谱。二、设计出对于掺铒光纤放大器增益谱特性不敏感的新型有源衰荡腔系统，并分析解决新系统的主要技术问题。从理论上对比评价不同校正方案的传感性能提升效果并搭建乙炔气体检测实验平台进行验证。本研究旨在解决有源光纤衰荡腔系统的关键技术问题，将促进光学有源传感领域的发展，具有很好的理论意义与应用价值。

研发高精度，高鲁棒性的光纤气体传感器是实现安全生产，促进气体传感器行业产业升级的关键。本项目针对光纤腔衰荡光谱与波长调制光谱两种光纤气体传感技术展开了理论与实验研究。旨在解决其理论分析与产业化进程中的一些关键问题。研究内容主要包括以下几方面：.一、开展了有源光纤腔衰荡光谱的理论和特性研究。相继将掺铒光纤放大器的增益饱和效应与增益谱特性融合进有源光纤腔衰荡光谱解调理论，从而构建了更完善的系统理论模型。通过该模型分析了系统入射功率，系统固有损耗，掺铒光纤放大器前置/后置，参考波长的选择区域等重要参数对于系统精度的影响。对系统性能优化具有很好的理论指导意义。.二、设计了一种基于双光纤环路的气体传感系统，该系统可在实现延长有效吸收路径的同时，简化对解调电路的要求，弱化掺铒光纤放大器增益谱影响。建立了该气体传感系统的信噪比评价理论。通过理论计算与实验对比验证了系统的性能提升。.三、探讨了多数光纤气体传感系统面临的一个共性问题，即光强非吸收损耗。为了消除光强非吸收损耗的影响，降低系统维护成本,自主设计了信号修复技术并设计了相应的硬件电路。实验结果显示，在同样的非吸收损耗下加入该信号修复技术后系统精度提升超过13倍，提高了光纤传感系统在恶劣环境下使用的鲁棒性。自主研制了多代基于该补偿技术的激光痕量气体分析仪样机。并通过山东省计量院的检测认证。.四、对扫描型的波长调制光谱理论进行了研究，提出了一种新的理论模型能够很好地评估由激光器光强非线性调制引入的背景信号。对扫描型波长调制光谱的理论分析提供了新的思路。.本项目基于以上研究内容，发表相关学术论文6篇，取得发明专利授权4项，实用新型专利授权1项，培养硕士研究生2名。