基于分布反饋式半導(dǎo)體激光器的光纖甲烷傳感器

黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院物理系，黑龍江哈爾濱 150027

一、前言

工程測(cè)量過(guò)程中，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)易燃、易爆、有毒等氣體進(jìn)行預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制已成為當(dāng)前煤炭、石油、化工、電力等部門亟待解決的重要問(wèn)題之一。同時(shí)隨著人們生活水平的提高，人類對(duì)生態(tài)環(huán)境凈化的要求也越來(lái)越高，迫切要求監(jiān)測(cè)監(jiān)控易燃、易有毒、有害氣體，減少環(huán)境污染，確保身心健康。

甲烷（CH4）是礦井、工業(yè)領(lǐng)域和城市煤氣中發(fā)生的爆炸事件的主要禍源。當(dāng)空氣中甲烷的含量達(dá)到25%～30%時(shí)，人會(huì)感到頭疼、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速，若不及時(shí)遠(yuǎn)離，可致窒息死亡。因此對(duì)周圍環(huán)境的甲烷氣體進(jìn)行早期安全監(jiān)測(cè)是十分必要。

目前國(guó)內(nèi)外介紹的監(jiān)測(cè)甲烷氣體的方法有多種，但普遍存在缺陷，如：穩(wěn)定性不好，使用壽命短，精度不夠，對(duì)溫度、壓力有一定的響應(yīng)。而今天簡(jiǎn)介的光纖甲烷氣體傳感器是當(dāng)今先進(jìn)的設(shè)備，克服了以往檢測(cè)方法的很多缺點(diǎn)，具有很好的優(yōu)越性。

二、分布反饋式半導(dǎo)體激光器的基本原理

分布反饋式半導(dǎo)體激光器(Distributed Feedback Laser Diode，DFBLD)基本原理是把光柵放在LD的有源區(qū)內(nèi)代替反射面進(jìn)行光反射，光柵只能反射一定波長(zhǎng)的光波，所以在多個(gè)頻譜中，和光柵的固有波長(zhǎng)相同的光波被選擇出來(lái)，產(chǎn)生光震蕩，從而輸出激光。DFBLD具有光譜線寬窄、輸出功率大以及單縱模運(yùn)行等特點(diǎn)，被認(rèn)為是光纖氣體傳感系統(tǒng)的理想光源。另外，這種激光器具有低工作電流、波長(zhǎng)及功率穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)單模特性及良好的線性等特點(diǎn)，可以滿足所設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)的實(shí)際要求[1]。

三、光纖甲烷傳感器光譜吸收原理

1、光譜吸收法則

基于DFBLD的光纖甲烷傳感器光學(xué)原理是基于光譜吸收法則，既通過(guò)檢測(cè)光被氣體吸收后的透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化，對(duì)氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)。由氣體分子的選擇吸收理論可知，每一種氣體分子都有自己的獨(dú)特吸收譜特征，光源的發(fā)射光譜只有與氣體吸收譜重疊時(shí)才能產(chǎn)生吸收，從而導(dǎo)致吸收后的光強(qiáng)發(fā)生變化。

Beer在1852年提出了吸光度和介質(zhì)濃度的關(guān)系，即Lambert-Beer定律(朗伯比爾定律），當(dāng)波長(zhǎng)為λ的單色光在充有待測(cè)氣體的氣室中傳播距離為L(zhǎng)時(shí)，其被待測(cè)氣體吸收后的光強(qiáng)I(λ)為[2-3]：

式中，I0(λ)—波長(zhǎng)為λ的單色光不被待測(cè)氣體吸收時(shí)的光強(qiáng)；

C—待測(cè)氣體的濃度；

α(λ) —一定波長(zhǎng)下光通過(guò)介質(zhì)的吸收系數(shù)。

由式（1）變換為：

根據(jù)指數(shù)函數(shù)的泰勒展開(kāi)公式：

則（3）式中的指數(shù)部分替換可變?yōu)椋?/p>

在近紅外波段，氣體的吸收系數(shù)很小，滿足α(λ)CL<<1，略去高次非線性項(xiàng)后，可以得到近似公式

則（3）式可寫成為：

整理可得：

由上式得知，當(dāng)α(λ)、L一定時(shí)，就能通過(guò)檢測(cè)光被氣體吸收前后光強(qiáng)所發(fā)生的變化量，得出待測(cè)氣體濃度。

2、甲烷氣體吸收譜線的選擇

甲烷分子是具有正四面體的結(jié)構(gòu)，一個(gè)碳原子位于四面體的中心，四個(gè)氫原子位于正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)。由于甲烷分子具有高度的對(duì)稱性，所以各振動(dòng)能級(jí)高度簡(jiǎn)并，只有四個(gè)頻率不同的基本振動(dòng)，分別為：v1=2913.0cm-1，v2=1533.3cm-1，v3=3018.9cm-1，v4=1305.9cm-1。每一個(gè)固有振動(dòng)對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜吸收區(qū)，它們的波長(zhǎng)分別為3.43μm，6.53μm，3.31μm和7.66μm。氣體的標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜位于2.5μm～25μm的中紅外區(qū)，因此需要紅外光源，雖然鉛鹽激光器可以產(chǎn)生這一波段上的光，但是光源和探測(cè)器都需要低溫制冷，價(jià)格還昂貴，用起來(lái)也不方便。另外，紅外光纖技術(shù)暫不成熟，在這一波段上石英光纖的損耗非常大，這些問(wèn)題都嚴(yán)重的制約了甲烷的紅外波段光譜在氣體傳感中的應(yīng)用[4]。

甲烷結(jié)合帶(v2+2v3)和泛頻帶(2v3)分別位于1.3μm和1.6μm附近，這些吸收峰都在近紅外區(qū)，比紅外波段的基本吸收峰要弱，而目前長(zhǎng)距離大容量通信用石英光纖在1.1～1.7μm的近紅外區(qū)有低損耗，低色散特性，并且光源技術(shù)相對(duì)比較成熟，所以在該波段進(jìn)行吸收測(cè)量是合理選擇。在選擇甲烷的吸收波長(zhǎng)時(shí)，不但要考慮甲烷在此處有強(qiáng)吸收，而且為了避免干擾，必須考慮其它氣體(如水蒸氣、CO2等)在此處無(wú)明顯吸收。吸收光譜圖以波長(zhǎng)(或頻率)為橫坐標(biāo)，以被吸收的能量(吸光度或透光率)為縱坐標(biāo)來(lái)繪制。根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)仿真出來(lái)的甲烷的吸收光譜，甲烷氣體在1.6μm波段的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1.3μm波段的吸收強(qiáng)度，因此本系統(tǒng)選用1.6μm波段對(duì)甲烷氣體進(jìn)行吸收測(cè)量[5]。

分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能夠同時(shí)發(fā)生，這種轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的結(jié)合是分子紅外光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其精細(xì)結(jié)構(gòu)具體表現(xiàn)是不同的支，即P支、R支和Q支。對(duì)于具體分子而言，可以出現(xiàn)三個(gè)支帶中的一支、二支或是三支[4-5]。圖1為甲烷氣體分子的精細(xì)譜線中的三個(gè)支帶，可以看出，甲烷氣體在1.66μm的Q支帶吸收線最強(qiáng)。

三、本系統(tǒng)擬采用的檢測(cè)方案

本文所設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)光源為一個(gè)中心波長(zhǎng)在1665nm處的DFBLD，傳感頭部分是一個(gè)長(zhǎng)為100mm的反射式氣室，通過(guò)光纖環(huán)形器提取反射光，探測(cè)器是PIN光電二極管，并對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行處理。

由于本課題研究的光纖甲烷氣體傳感檢測(cè)系統(tǒng)除受到噪聲因素的影響之外，當(dāng)進(jìn)行氣體吸收測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，還要將光源的輸出波長(zhǎng)精準(zhǔn)穩(wěn)定在氣體吸收峰中心波長(zhǎng)上，本系統(tǒng)擬使用光源頻率調(diào)制和諧波檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其基本原理如圖3所示[6]。

甲烷氣體在輸入電信號(hào)頻率為f, 2f時(shí)的檢測(cè)信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)為λ1,λ2，測(cè)量時(shí)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為由λ1,λ2的兩束光分時(shí)先后與氣體分子相互作用。由圖可知，頻率為2f的波形峰值與中心波長(zhǎng)有偏差。

本系統(tǒng)利用DFBLD激光器的輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧性來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的差分檢測(cè)[7]。已知甲烷在溫度為296K時(shí)，振動(dòng)帶Q支轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷吸收線在1650.96nm附近有較強(qiáng)的瓦斯吸收，吸收線半寬為0.023nm。利用半導(dǎo)體激光器的模式跳變特性，可以產(chǎn)生兩個(gè)中心波長(zhǎng)分別為λ1(1650.823nm)和λ2(1650.955nm)的光信號(hào)，Δλ=0.132nm，λ1對(duì)應(yīng)氣體分子的吸收峰，λ2對(duì)應(yīng)不吸收或者吸收弱的地方。修正后得出氣體濃度公式：

在波長(zhǎng)λ1,λ2確定的情況下，若氣體的吸收系數(shù)αλ1,αλ2可以測(cè)量，則氣體濃度就可以從（8）式中求出，即差分吸收技術(shù)。可以看出差分技術(shù)不僅從理論上完全消除了光路的干擾因素，而目還消除了光源輸出光功率不穩(wěn)定的影響[8]。

圖4 是光纖甲烷氣體差分吸收檢測(cè)系統(tǒng)，λ1,λ2兩束光先后匯聚到光電二極管PIN上，經(jīng)鎖相放大器使之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)U1、U2，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存，再對(duì)兩路采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)差分處理及分析，最后來(lái)標(biāo)定甲烷濃度C。

四、結(jié)論

此傳感器具有本質(zhì)安全、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快、簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低、使用壽命長(zhǎng)、容易標(biāo)定和維護(hù)、抗電磁干擾，電絕緣性能好，靈敏度高，耐高溫，耐腐蝕，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)龋貏e適用于條件惡劣和危險(xiǎn)的環(huán)境中。只要稍加改進(jìn)或換上其它附件，即可測(cè)量其它多種氣體的濃度，在氣體濃度測(cè)量領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景。[9]