激光原理光纤传感器

1、A distributed feedback laserdistributed feedback laser(DFBDFB) is a type oflaser diode,quantum cascade laseroroptical fibre laserwhere the active region of the device is periodically structured as adiffraction grating. The structure builds a one dimensional interference grating (Bragg scattering) an

2、d the grating providesoptical feedbackfor the laser. Temperature ModulationAltering the temperature of the device causes the pitch of the grating to change due to the dependence of refractive index on temperature. This dependence is caused by a change in the semiconductor lasers band gap with temper

3、ature and thermal expansion. A change in the refractive index alters the wavelength selection of the grating structure and thus the wavelength of the laser output, producing a wavelength tunable laser or TDL (Tunable Diode Laser). Altering of the current powering the laser will also tune the device,

4、 as a current change causes a temperature change inside the device. Beyond a certain temperature the mode does not fit anymore into theresonator and another mode which faces more favorable conditions will start to oscillate.Recent research progress： 目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP

5、)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 DFB激光器在传感方面多用在气体分析领域，特别是单模DFB激光器，是气体分析领域的发展趋势。DFB中心波长主要应用DFB中心波长主要应用760/761/763nm氧气（O2）分析1590nm硫化氢（H2S）气体分析852nmCsD2铯原子钟1580/2330nm一氧化碳（CO）气体分析894nmCsD1铯原子钟1579nm一碳二碳（CO/CO2）同时分析1392/1877/2740nm水分子（H2O）分析165

6、4nm甲烷（CH4）气体分析1064nmNd:YAG激光器种子源1742nm氯化氢（HCl）气体分析1178nm大功率光纤激光器种子源1800nm/2650nm一氧化氮（NO）气体分析1273nm氟化氢（HF） 气体分析2004nm/2680nm二氧化碳（CO2）气体分析1341nm溴化氢（HBr） 气体分析2257nm氧化二氮（N2O）气体分析1512nm氨气（NH3）气体分析3370nm丙烷（C3H8）气体分析1540nm氰化氢（HCN）气体分析1530nm乙炔（C2H2）气体分析下表是下表是DFB一些主要波长在激光气体分析、原子钟应用、一些主要波长在激光气体分析、原子钟应用、Nd：YAG

7、激光器种子源等领域上的应用：激光器种子源等领域上的应用： DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，比如达到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽，最终用一个DFB激光器实现检测多种气体的功能；更长的中心波长，从750nm到3500nm，并逐渐往4000nm甚至更高的中心波长发展；更高的功率，由于目前DFB激光器功率普遍较低，高功率能够实现长距离、多路等更广泛的应用。光纤气体传感器光纤气体传感器 气体传感系统已成为当今传感技术发展领域的一个重要课题。 光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰能力强，且

8、耐高温、高压、腐蚀，绝缘，阻燃防爆，易于实现远距离遥测和良好的气体选择性等 光纤气体传感器根据传感原理分两大类:一类是传光型光纤气体传感器，光纤在传感系统中只起到传输光波的作用，探头则为外加的换能器；另一类是传感型光纤气体传感器，光纤不仅具有光波传导作用，还有气体探头的作用。国外这两类传感器分别称为外作用型和内作用型光纤气体传感器。原理 传感型光纤气体传感器传感型光纤气体传感器传感型光纤气体传感器是利用待测气体与光纤中传输光的相互作用来实现的。它的传感机制取决于不同气体固有的与光波不同的相互效应，这类传感器的传感机制随不同的气体而不同。基于折射率变化/光程变化的光纤气体传感器是在光纤表面或端面

9、涂敷上一层特殊材料，这类材料的体积或折射率对一些气体敏感。基于染料指示剂的光纤气体传感器是应用染料指示剂作为中间物来实现间接传感，染料和被测气体发生化学作用，其光学性质发生变化，通过测量其变化，就得到被测气体的信息。多孔光纤气体传感器是利用化学方法在光纤上形成许多微孔结构，这些微孔结构允许气体与光纤中的光场发生强烈的相互作用，从而实现多种气体的检测，水蒸气浓度的检测就是多孔光纤气敏传感的一个典型实例。基于荧光效应的光纤气体传感器是通过测量与其相应的荧光辐射来确定气体的浓度，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命，因此又可分为两类:一是测量荧光辐射的强度，另一类是测量荧光辐射寿

10、命，基于荧光效应光纤气敏传感对检测氧气和氢离子浓度尤为显著。3 传光型光纤气体传感器传光型光纤气体传感器 在传光型光纤气体传感器中，光纤仅作为传输介质，只起传输光能的作用。通过光能与待测气体间相互作用产生的各种信息或借助于某种换能器，使得待测气体的某个或某些特性的改变从而得以检测。目前它们之间的相互作用主要表现为气体对光波的红外吸收效应。很多气体在红外光谱区都存在较强的吸收谱线，而且相关谱线和现有的光源及光纤的低损耗传输窗口相适应，从而使得基于气体红外吸收效应的检测技术成为光纤气体传感器的一个主流方向。 目前生活中最有用途和最接近实用化的光谱吸收型光纤气体传感器 与其他的光纤气体传感技术相比，基于气体光谱吸收的光纤气体传感技术有灵敏度较高，响应速度快，抗温度、湿度等环境干扰能力强，气体传感探头（气室）简单可靠，易于形成网络等特点。原理：原理： 光谱吸收型光线气体传感器利用气体在石英光纤透射窗口（0.8m-1.7m）内的吸收峰，测量由于气体吸收产生的光强衰减，得到气体的浓度。常见的气体（如 CH4、CO2 ）在石英光纤透射窗口都有泛频吸收线，在这一波段发光器件和接收器件都是比较理想的光电转换器件。因此用这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的测量。