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原文传递基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法

专利名称：	基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法
摘要：	本发明公开了一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法。本发明通过测量布拉格波长的变化得到待测物质的种类和浓度，具有极高的抗噪能力、极高的分辨率和测量精度，非常适合高温、高湿度和易燃易爆等恶劣环境中进行远距离探测；光纤光栅具有极强的复用能力，布设不同监测点，能够实现多点、组网监测以及不同对象监测，有效降低系统的成本；采用可调谐光纤珐珀滤波器干涉解调法测量光纤光栅的布拉格波长变化，使系统具有极高的分辨率以及极强的复用能力。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	四川;51
申请人：	内江师范学院
发明人：	林成;陈洪英;黄永超;霍峰;许立志
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910243568.9
公开号：	CN109916853A
代理机构：	成都正华专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	陈选中
分类号：	G01N21/39(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	641000 四川省内江市东桐路705号
主权项：	1.一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，包括激励激光器(1)、反射物(2)、凹面镜(3)、光纤光栅传感器(4)、连续宽带激光器(5)、光纤、耦合器(6)、可调谐光纤珐珀滤波器(7)、光电探测器(8)、数据处理系统(9)和驱动电路(10)，所述光纤包括第一光纤(11)、第二光纤(12)、第三光纤(13)和第四光纤(14)，所述激励激光器(1)、反射物(2)和凹面镜(3)位于同一光路上，所述激励激光器(1)和反射物(2)的光路上设有待测物质(A)，所述光纤光栅传感器(4)位于凹镜面(3)的焦点处，所述连续宽带激光器(5)通过第一光纤(11)与耦合器(6)连接，所述耦合器(6)通过第二光纤(12)与光纤光栅传感器(4)连接，所述耦合器(6)通过第三光纤(13)与可调谐光纤珐珀滤波器(7)连接，所述可调谐光纤珐珀滤波器(7)通过第四光纤(14)与光电探测器(8)连接，所述光电探测器(8)的输出端与数据处理系统(9)的信号输入端连接，所述数据处理系统(9)的信号输出端通过驱动电路(10)与可调谐光纤珐珀滤波器(7)连接。 2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器(4)包括依次设置的光纤光栅(42)、纳米银黑薄膜层(43)和聚甲基苯基硅氧烷层(44)，所述光纤光栅(42)为均匀光纤布拉格光栅，所述光纤光栅(42)采用相位掩膜法对光敏单模光纤(41)进行曝光制备，所述纳米银黑薄膜层(43)采用化学沉积法生长在光纤光栅(42)表面，所述聚甲基苯基硅氧烷层(44)采用旋涂法生长在纳米银黑薄膜层(43)表面。 3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述光纤光栅(42)的栅距为450～600nm，所述纳米银黑薄膜层(43)的厚度为150～200nm，所述聚甲基苯基硅氧烷层(44)厚度为40～60nm。 4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述激励激光器(1)采用量子级联激光器，所述量子级联激光器输出的脉冲调整激光频率范围为20～40kHz，占空比范围为10％～20％。 5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述凹面镜(3)的焦距为15～25cm。 6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述可调谐光纤珐珀滤波器(7)的中心波长为1550nm，波长范围为1510～1590nm，带宽范围为0.02～0.05nm。 7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述连续带宽激光器(5)采用超辐射发光二极管，所述超辐射发光二极管的中心波长为1550cm，光谱带宽为30～45cm，出射功率为15～25mW。 8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述光电探测器(8)的工作波长范围为900～1700nm。 9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置，其特征在于，所述第一光纤(11)、第二光纤(12)、第三光纤(13)和第四光纤(14)均采用单模光纤。 10.一种基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、通过激励激光器发出的脉冲调制激光照射位于远处的待测物质，通过待测物质吸收后的激光被反射物反射至凹面镜； S2、通过凹面镜将激光聚焦到光纤光栅传感器的表面上，使光纤光栅传感器中的光纤光栅产生应变，得到应变情况下的布拉格波长； S3、通过连续带宽激光器发出连续光进入光纤光栅传感器，并通过光纤光栅传感器将中心为应变情况下布拉格波长的窄带光反射至可调谐光纤珐珀滤波器得到输出光； S4、通过光电探测器将可调谐光纤珐珀滤波器的输出光转换为电信号后传送至数据处理系统进行数据处理； S5、通过数据处理系统控制驱动电路产生三角波驱动电压对可调谐光纤珐珀滤波器进行波长扫描，得到可调谐光纤珐珀滤波器的输出光波长； S6、当可调谐光纤珐珀滤波器的输出光波长与布拉格波长相同时，光电探测器输出最大电信号； S7、根据数据处理系统获取到的光电探测器的输出电信号及最大电信号的变化，和可调谐光纤珐珀滤波器的输出光波长与驱动电压的线性关系得到布拉格波长及其变化关系； S8、通过布拉格波长及其变化关系得到待测物的光谱信息，并根据光谱信息得到待测物的种类和浓度信息。
所属类别：	发明专利