可同时实现多种温室气体检测的光纤传感技术研究

Gas detection is an important basis for environmental pollution management. High-performance broadband tunable laser is the critical issue for the system to detect a variety of gases. We proposed a fiber grating external cavity structure to achieve broadband 5nm wavelength tunable lasers with narrow linewidth and without mode-hopping and kHz high frequency modulation characteristics. This wide tuning range can across multiple gas absorption peak, and thus can be used in the development of carbon monoxide and carbon dioxide sensing system. In addition, take the second harmonic of the differential demodulation method can improve the detection accuracy, the demodulation algorithm can improve the detection speed, and ultimately achieve the purpose of high-precision real-time detection of both gases. While a variety of other gases can be detected by replacing laser diode, this system meets the requirement for pollutant gas monitoring in road, factories, residential area.

气体检测是治理环境污染的重要依据，研制可检测多种气体系统的关键问题在于研制可宽带调谐的高性能激光器。提出利用光纤光栅外腔结构研制一种可实现5nm波长宽带可调谐激光器，并同时具备窄线宽、无跳模和kHz高频调制特性。如此宽的调谐范围可同时跨越多种气体的吸收峰，因此可将研制的激光器用于一氧化碳和二氧化碳两种气体的同时检测系统。此外，采取二次谐波与差分探测相结合的解调方法可提高检测精度，改进解调算法可提高信噪比和检测速度，最终实现高精度实时检测两种气体的目的。可通过更换该检测系统中激光二极管的波长实现其它多种气体的同时检测，以满足马路、工厂、居住小区等地区的污染气体监测的要求。

气体检测是治理环境污染的重要依据。本项目提出利用光纤光栅外腔结构研制一种可实现5nm波长宽带可调谐激光器，并同时具备窄线宽、无跳模和kHz高频调制特性。如此宽的调谐范围可同时跨越多种气体的吸收峰，因此可将其用于多种气体的同时检测系统。此外，采取二次谐波与差分探测相结合的解调方法可提高检测精度，改进解调算法可提高信噪比和检测速度，最终实现高精度实时检测两种气体的目的。本项目的研制，构建了一种可实现多种气体同时传感的架构，突破激光器稳频控制与宽带调谐的限制，提升解调的精度，并以CO、CO2两种温室气体为例进行试验验证。. 在项目研制过程中解决了光纤光栅外腔激光器的线宽压窄和频率稳定性问题；解调方案中的噪声抑制问题，以实现高精度检测。本项目从光源、传感头等器件的设计、实验到整个测试系统的搭建、测试、改进，最终完成多种温室气体的同时传感系统，顺利完成任务书要求内容。此外，本项目还对系统做了无线测试与传输的升级，使其更利于实际测试的需要，并设计了用户界面，测试过程更加方便、快捷。. 在此项目的基础上，可通过更换该检测系统中激光二极管的波长实现其它多种气体的同时检测，以满足马路、工厂、居住小区、石油化工等地区的污染气体监测的要求。在军事领域，监测生物、化学武器方面有望得到应用。. 在此项目支持下完成论文13篇，专利3篇，培养学生5名，超额完成项目要求。