掺Er3+光纤激光内腔光声光谱气体传感的研究

Lasers have the characteristics of high power density and round-trip propagation inside resonant cavity. Taking advantage of that, an Er3+ doped fiber laser based photoacoustic gas sensing method is proposed by this research. Sensitivity of fiber gas sensor is improved by merging the photoacoustic cell for gas sensing and resonant cavity of fiber laser. Theoretically a model is built to describe the generation of photoacoustic signal inside fiber laser resonant cavity. Parameters, for example, the duty cycle under frequency modulation or intensity modulation and the modulation amplitude under wavelength modulation are studied to figure out their influence on photoacoustic signal. Effect of wavelength modulation and intensity modulation is compared to confirm the optimal working pattern and parameters. Experimentally reflecting evanescent-field photoacoustic cell and collimator based photoacoustic cell are achieved to compare the effect. Converging acoustics cavity（Acoustic resonator） and quartz tuning fork are used to achieve to the promotion of photoacoustic signal. Based on the conclusions of theoretical model, parameters of fiber laser are further optimized to enhance the photoacoustic signal. Then an intra-cavity photoacoustic gas sensing system is built. Acetylene is used to verify its performance and evaluate the promotion effect of intra-cavity photoacoustic sensing in the aspect of sensitivity compared to ordinary photoacoustic sensing. The magnitude of sensitivity is achieved to be ppb. This research will facilitate academic development in the field of optical active sensing, and the promotion of optical gas sensing sensitivity is of good application value.

本研究利用激光谐振腔内具有高光功率密度及光往返传播特点，提出掺Er3+光纤激光内腔光声光谱气体传感方法，将气体传感用的光声池与光纤激光器谐振腔融合，以提升光纤气体传感器的灵敏度。理论上建立描述光纤激光谐振腔中光声池内光声信号产生的模型，研究调制频率及强度调制下占空比与波长调制下调制幅度等参数对光声信号产生的影响，对比波长调制与光强调制两种方式的效果，确定光纤激光器的最佳工作方式及参数，实验上设计、制作反射式倏逝场型光声池与准直器型光声池，并对比它们的效果，采用聚声腔和石英音叉两种方式对光声信号强度进一步提升；在理论模型结论的基础上进一步优化激光器的参数以增强光声信号，构建内腔光声气体传感系统，以乙炔气体验证标定传感性能，评价内腔光声传感相比普通光声传感灵敏度的提升效果，实现ppb量级的传感灵敏度，本研究在学术上将促进光学有源传感领域的发展，而且，光纤气体传感器灵敏度的提升有很好的应用价值。

本项目围绕申请书中提出的几项主要研究内容，以掺铒光纤激光内腔光声光谱气体传感的研究为目标，从理论模型，关键器件的设计，检测电路的设计，系统的搭建等方面，进行了深入的研究。具体工作如下：. 首先，分别建立了基于光声池和石英音叉增强型光声光谱气体检测系统中光声信号的理论模型，理论模拟和实验验证了光声信号和光功率呈线性关系，为进一步优化光纤激光器提高光功率来增大光声信号建立了理论基础，并且分析了压强和温度对气体吸收的影响。通过分析谐振腔的几何和特性参数，设计了共振频率为5kHz的光声池；根据内腔石英音叉增强型光声光谱气体检测系统的需求，设计了透过率为80%新石英音叉准直结构。并且根据系统的需求，设计和优化了前置放大电路，锁相放大电路和信号采集模块。. 综合上述研究成果，搭建了两种内腔光声光谱气体检测系统，将光声光谱气体检测系统放在光纤激光器环形腔内，利用光纤激光器腔内产生的高功率激光作为光源进行气体检测。其中一种是利用声光调制器进行强度调制，得到的脉冲峰值功率为679mW，相比于传统的强度调制光声光谱气体检测系统，信噪比大约提升了94.2倍。另一种利用压电陶瓷进行了波长调制，腔内最大功率大约是108mW，该系统的的最小检测极限为390ppb。. 为了进一步优化系统，分析了剩余幅度调制的来源和相关参量。提出了基于双路锁相差分的方法来消除剩余幅度调制，将二次谐波的不对称因子大幅度降低。.除此之外，我们还提出了一种基于频分复用的多组分光声光谱气体检测系统，利用三个不同频率的音叉对水蒸气、甲烷和乙炔进行了同时测量，对应的最小检测极限分别为1.3ppm，79ppm和5ppm。并且利用光声光谱气体检测系统实现了三点测量，最小检测极限分别为479ppb，662ppb和630ppb。. 本项目共发表相关研究SCI论文30篇，EI论文3篇，申请国家发明专利12项，实用新型专利1项，其中已授权国家发明专利2项，实用新项专利1项，培养硕士研究生3人，博士研究生4人，完成了项目计划的研究内容，实现了项目预期的目标和成果。