基于1 654 nm分布反饋激光器的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)

李 彬，劉慧芳，何啟欣，翟 冰，潘教青，鄭傳濤*, 王一丁*

1. 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū), 吉林 長(zhǎng)春 130012 2. 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所，材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

基于1 654 nm分布反饋激光器的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)

李 彬1，劉慧芳1，何啟欣1，翟 冰1，潘教青2，鄭傳濤1*, 王一丁1*

1. 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū), 吉林 長(zhǎng)春 130012 2. 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所，材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)及波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，采用波長(zhǎng)為1 654 nm的分布反饋激光器，結(jié)合開(kāi)放式光學(xué)探頭以及高靈敏度的銦鎵砷光電探測(cè)器，研制了近紅外甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)。自主設(shè)計(jì)研發(fā)了分布反饋激光器驅(qū)動(dòng)電路，主要包括模擬PID溫度控制電路與電流驅(qū)動(dòng)電路。其中，溫度控制電路具有較高的控制精度及穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)激光器溫度波動(dòng)小于±0.02 ℃，溫度與激光器波長(zhǎng)呈線性變化。溫度不變時(shí)，改變驅(qū)動(dòng)電流可以使激光器中心波長(zhǎng)線性變化，同時(shí)還提供了5 kHz正弦波和10 Hz鋸齒波的調(diào)制信號(hào)，用于諧波檢測(cè)。為了提取差分信號(hào)的一次諧波及二次諧波，研制了正交鎖相放大器，一次諧波和二次諧波的提取誤差分別為3.5%和5%。系統(tǒng)中采用的開(kāi)放式光電探頭通過(guò)一次反射，使有效吸收光程增加了一倍，達(dá)到了40 cm。通過(guò)對(duì)1%～5%的甲烷氣體進(jìn)行檢測(cè)，成功提取了一次及二次諧波，得到了氣體濃度與諧波信號(hào)幅值的擬合關(guān)系曲線。在更換不同輸出波長(zhǎng)的激光器后，該系統(tǒng)還具有檢測(cè)其他氣體的能力。

近紅外；甲烷檢測(cè)；分布反饋激光器；波長(zhǎng)調(diào)制

引 言

在煤炭的開(kāi)采過(guò)程中，甲烷是一種能夠引起爆炸的有害氣體，檢測(cè)其濃度及變化率，對(duì)監(jiān)測(cè)及預(yù)防煤礦爆炸事故具有重要的意義。近年來(lái)，對(duì)甲烷氣體濃度檢測(cè)的研究呈逐年上升趨勢(shì)。相比于其他檢測(cè)方法，如電化學(xué)法[1]、半導(dǎo)體法[2-3]、催化燃燒法[4-6]，光學(xué)檢測(cè)具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、非接觸性檢測(cè)、選擇性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[7-9]?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)技術(shù)作為光學(xué)檢測(cè)方法的一種，利用半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧、窄線寬的特點(diǎn)，通過(guò)掃描待測(cè)氣體的單根吸收譜線實(shí)現(xiàn)氣體濃度的快速檢測(cè)。相對(duì)于直接吸收光譜(DAS)，波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)能夠進(jìn)一步消除系統(tǒng)中的噪聲，提高檢測(cè)靈敏度，因而得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。近年來(lái)，中紅外波段的甲烷檢測(cè)研究屢見(jiàn)報(bào)道[13-14]，其吸收能力較近紅外的泛頻帶強(qiáng)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，一些研究人員使用量子級(jí)聯(lián)激光器，在中紅外波段進(jìn)行了甲烷檢測(cè)研究工作，濃度的檢測(cè)下限可以達(dá)到10-9量級(jí)[15]。然而，使用分布反饋(DFB)激光器的近紅外甲烷檢測(cè)可通過(guò)光纖通信，結(jié)合開(kāi)放式的光學(xué)探頭，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的實(shí)時(shí)檢測(cè)，這對(duì)于煤礦等危險(xiǎn)的環(huán)境更具有實(shí)際意義。

采用DFB激光器進(jìn)行甲烷氣體的檢測(cè)工作會(huì)受制于以下幾點(diǎn)：(1)激光器輸出光譜的穩(wěn)定度；(2)有效吸收光程；(3)鎖相放大器的性能[16]。在2014年，我們已經(jīng)研制了一套近紅外甲烷檢測(cè)系統(tǒng)[17]，激光器的溫度控制電路使用數(shù)字式比例-積分-微分(PID)控制算法進(jìn)行控制，使用了需要?dú)獗玫姆忾]性氣室，同時(shí)，研制了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)移相的模擬與數(shù)字混合式的鎖相放大器。相較于之前的工作，本文的主要改善包括：首先，采用模擬PID算法對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制，在減少主控制器軟件開(kāi)銷的同時(shí)提高了激光器溫度的穩(wěn)定性，將溫度波動(dòng)從±0.1 ℃抑制到±0.02 ℃。其次，采用了開(kāi)放式的光學(xué)探頭用于提高有效光程，從20 cm提高到40 cm，并且不再需要?dú)獗?。同時(shí)，研發(fā)了高性能、高性價(jià)比的正交鎖相放大器，其性能滿足實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了激光器驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)的整體檢測(cè)性能。

1 檢測(cè)原理

TDLAS技術(shù)根據(jù)調(diào)制方式可分為多種形式，應(yīng)用比較廣泛的兩種方式為直接吸收光譜和波長(zhǎng)調(diào)制光譜[18]。直接吸收光譜的系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，但其檢測(cè)精度往往受制于系統(tǒng)中存在的大量低頻噪聲[19]。為了提高檢測(cè)精度，采用了波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)，用正弦波調(diào)制一個(gè)與頻率有關(guān)的電流量，使激光器的中心波長(zhǎng)掃過(guò)氣體吸收峰。根據(jù)Beer-Lambert定律

ν=ν0+νfsin(ωt)

(1)

式中，ν0為未經(jīng)調(diào)制時(shí)的光源中心頻率，νf為頻率調(diào)制幅度，ω為調(diào)制角頻率，n為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)。激光器的輸出光強(qiáng)為

I(ν,t)=I0[1+nsinωt]exp(-α(ν0+νfsinωt)Lc)

≈I0[(1+nsinωt)-α(ν0+νfsinωt)Lc]

(2)

對(duì)氣體的吸收線型采用Lorentz線型描述，即

(3)

式中，α0為氣體分子在吸收峰處的吸收系數(shù)，νc為吸收峰的中心頻率，Δν為吸收線半寬。當(dāng)ν0=νc時(shí)得到

(4)

If=nI0,I2f=-kα0LcI0

(5)

由此可以看出，一次諧波信號(hào)大小正比于初始光源的平均功率；二次諧波信號(hào)與初始光強(qiáng)和氣體濃度有關(guān)，提取二次諧波信號(hào)即可反演氣體的濃度，本文在實(shí)驗(yàn)部分提取了一次及二次諧波信號(hào)，并用二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)的比值與氣體濃度進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步消除了光源調(diào)制的影響。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用了北京中科院半導(dǎo)體所提供的DFB激光器，中心波長(zhǎng)為1 654nm。通過(guò)主控制器(MCU)控制激光器的溫度控制電路、電流控制及波形調(diào)制電路，對(duì)激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。激光器的工作溫度設(shè)定在17 ℃，疊加10Hz鋸齒波及5kHz正弦波。輸出光信號(hào)通過(guò)光纖(黃色曲線)進(jìn)行傳輸，經(jīng)光分束器分為兩路信號(hào)，一路信號(hào)進(jìn)入氣室，參與氣體吸收，另一路經(jīng)過(guò)光衰減器(opticalattenuator,OA)作為參考信號(hào)。氣室中內(nèi)置了開(kāi)放式光學(xué)探頭，通過(guò)一次反射，將有效吸收光程延長(zhǎng)至40cm。系統(tǒng)中采用高靈敏度的銦鎵砷(InGaAs)光電探測(cè)器，截止波長(zhǎng)為2.2μm，光敏面直徑為 1mm，峰值響應(yīng)度為 1.1A·W-1。經(jīng)過(guò)減法電路對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行差分，差分信號(hào)通過(guò)鎖相放大器進(jìn)行一次諧波與二次諧波提取，輸入正交鎖相放大器的方波信號(hào)與激光器上疊加的正弦波信號(hào)同頻同相。經(jīng)過(guò)相乘、低通濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后，將諧波信號(hào)輸入至數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片進(jìn)行處理，通過(guò)按鍵控制，可以將檢測(cè)信息顯示在液晶屏上。

Fig.1 Near-infrared methane detection system using DFB laser at 1.654 μm

2.1 激光器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1 溫度控制電路

DFB激光器的定點(diǎn)恒溫控制是十分必要的。一方面，DFB激光器的輸出波長(zhǎng)隨光柵反射區(qū)折射率的改變而發(fā)生變化，在注入電流一定時(shí)，通過(guò)調(diào)諧溫度可以改變DFB激光器的光柵周期及有效折射率，進(jìn)而改變其輸出波長(zhǎng)[20]。另一方面，當(dāng)激光器溫度變化而注入電流不變時(shí)，還會(huì)引起光功率的變化[21]。因此在進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，如果不對(duì)激光器進(jìn)行有效、穩(wěn)定的溫度控制，由于環(huán)境溫度的變化及工作時(shí)激光器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會(huì)使得激光器輸出中心波長(zhǎng)漂移。系統(tǒng)中使用的DFB激光器內(nèi)部封裝了負(fù)溫度系數(shù)熱敏(NTC)電阻和具有帕爾貼效應(yīng)的熱電制冷器(TEC)。因此，文中采用了基于模擬PID算法的TEC控制芯片(ADN8831)，對(duì)激光器進(jìn)行定點(diǎn)恒溫控制。

為了對(duì)激光器定點(diǎn)恒溫控制，首先需要設(shè)定激光器的控溫范圍，以此選取對(duì)應(yīng)的外圍電路器件，然后還需要確定激光器溫度的設(shè)定方式并整定模擬PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值。通過(guò)定點(diǎn)控溫后的光譜測(cè)量，設(shè)置激光器溫度的范圍為14～34 ℃。根據(jù)該激光器內(nèi)部封裝的熱敏電阻的溫度-阻值表繪制了擬合曲線，如圖2所示。將圖2中的擬合公式結(jié)合式(6)—式(9)，即可確定設(shè)定電壓與激光器溫度的關(guān)系，其中RLOW，RMID，RHIGH為選取的溫度范圍對(duì)應(yīng)的電阻值，RTH為熱敏電阻值，R1和R2可由式(7)和式(8)確定，R3為補(bǔ)償電阻，VREF為參考電壓，VSET為設(shè)定電壓，實(shí)驗(yàn)中使用主控制芯片通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(AD5060)對(duì)TEC控制器進(jìn)行溫度設(shè)定。系統(tǒng)中設(shè)定了兩種調(diào)溫步進(jìn)量，分別為0.05和1 ℃。圖3為激光器溫度設(shè)定與PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的示意圖，其中CD, RD, RI, CI, RP 和CF為PID網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值，通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最終得到超調(diào)量較小且控溫穩(wěn)定的一組數(shù)值。

(6)

(7)

R2=R1-RMID

(8)

(9)

激光器溫控的穩(wěn)定性至關(guān)重要，較大的溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出波長(zhǎng)漂移，而且較大的熱震蕩會(huì)縮短激光器的壽命甚至損壞激光器。在溫控電路完成之后，進(jìn)行了20h的長(zhǎng)時(shí)間溫控測(cè)試，如圖4所示。將激光器溫度設(shè)定在25.15 ℃，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度值采集，采樣間隔為30s，可見(jiàn)溫度的波動(dòng)范圍不超過(guò)±0.02 ℃。圖中隨機(jī)選取了連續(xù)的60min，可以看到采樣點(diǎn)均勻分布，激光器溫度較為穩(wěn)定。圖5為激光器注入電流為50mA時(shí)，溫度設(shè)置為18～22 ℃，使用ThermoScientific公司的傅里葉紅外光譜儀(NICOLET6700FTIR)測(cè)量的光譜圖。由圖可見(jiàn)激光器輸出的中心波長(zhǎng)隨溫度線性變化，驗(yàn)證了激光器溫控電路的穩(wěn)定性和可靠性。

Fig.2 Curve of RTH versus temperature

Fig.3 Schematic of temperature setting and compensating network

Fig.4 Temperature stability test of DFB laser during 20 hours

Fig.5 Under the driving current of 50 mA, the measured emitting spectrum under different operation temperatures of 18～22 ℃

2.1.2 激光器電流驅(qū)動(dòng)及調(diào)諧

對(duì)激光器進(jìn)行定點(diǎn)恒溫控制后，首先將輸出波長(zhǎng)粗調(diào)至吸收峰處，再通過(guò)電流調(diào)制進(jìn)行細(xì)調(diào)，使激光器輸出中心波長(zhǎng)反復(fù)掃過(guò)吸收峰。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生10 Hz的鋸齒波，并通過(guò)直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)產(chǎn)生5 kHz的正弦波，通過(guò)加法器與鋸齒波共同對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制。DDS同時(shí)生成與此正弦波信號(hào)同頻同相的方波，輸出至鎖相放大器。調(diào)節(jié)激光器的溫度值與注入電流值，可測(cè)得激光器的輸出中心波長(zhǎng)變化特性。由圖6可見(jiàn)，在溫度范圍為18～26 ℃時(shí)，恒溫下改變激光器的注入電流，可使激光器的輸出中心波長(zhǎng)線性變化。圖7為恒溫恒流驅(qū)動(dòng)測(cè)試，激光器溫度為30 ℃，注入電流為80 mA，間隔10 min連續(xù)測(cè)得5次光譜，由圖可見(jiàn)激光器輸出光譜無(wú)波長(zhǎng)漂移，幾乎完全重合，驗(yàn)證了激光器驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性。

Fig.6 Under the different operation temperatures, emitting peak wavelength versus the laser temperature and injection current

Fig.7 Measured spectra during 50 minutes, where the curves are obtained every ten minutes

2.2 開(kāi)放式光學(xué)探頭

實(shí)驗(yàn)中采用的開(kāi)放式光學(xué)探頭如圖8所示，光學(xué)探頭內(nèi)置于氣室中。該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，由輸入、輸出光纖，反射鏡及固定支架組成，單程光路為20 cm，通過(guò)一次反射，使有效光程達(dá)到40 cm。激光器的輸出光束經(jīng)光分束器分為兩路，一路進(jìn)入氣室與甲烷氣體參與氣體吸收，另一路經(jīng)過(guò)在線可調(diào)式光衰減器，調(diào)節(jié)光衰減器時(shí)，調(diào)節(jié)程度可參考兩路信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后的電平值差異程度。

Fig.8 Open reflective sensing probe

2.3 正交鎖相放大器

自主研發(fā)的正交鎖相放大器的原理框圖如圖9所示，各功能模塊及工作過(guò)程如下：(1)信號(hào)差分及放大模塊，將從光電探測(cè)器輸出的兩路信號(hào)作差分處理，消除環(huán)境噪聲；(2)倍頻、移相模塊，對(duì)激光器調(diào)制頻率倍頻，采用雙D觸發(fā)器輸出兩路相位差為90°的參考信號(hào)；(3)乘法器模塊，芯片選型為AD630，該芯片具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，用來(lái)對(duì)差分信號(hào)和參考信號(hào)做乘法處理；(4)低通濾波模塊，采用八階巴特沃斯濾波器芯片MAX291，對(duì)乘法器輸出信號(hào)低通濾波，得到乘法信號(hào)中與參考信號(hào)相關(guān)的信號(hào)，即諧波信號(hào)；(5)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，選擇12位精度、采樣率為1MSPS的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7866，對(duì)兩路諧波信號(hào)采樣；(6)數(shù)據(jù)處理及顯示模塊，采用32位浮點(diǎn)型DSP處理器，對(duì)采樣的諧波信號(hào)進(jìn)行正交運(yùn)算，并將處理結(jié)果通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示。

為了測(cè)試正交鎖相放大器的性能，對(duì)濃度為10%的甲烷氣體進(jìn)行了一次諧波和二次諧波提取實(shí)驗(yàn)，參考信號(hào)頻率分別為5和10 kHz。連續(xù)測(cè)量400個(gè)諧波信號(hào)周期，觀察一次諧波與二次諧波峰峰值的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，一次諧波提取實(shí)驗(yàn)的誤差為3.5%，二次諧波提取的誤差為5%，穩(wěn)定性良好。

Fig.9 Block diagram of orthogonal lock-in amplifier

Fig.10 Stability test of the orthogonal lock-in amplifier,where the methane concentration is 10%

3 結(jié)果與討論

3.1 諧波提取實(shí)驗(yàn)

通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)對(duì)氣室進(jìn)行動(dòng)態(tài)配氣，甲烷氣體的濃度為10%，將激光器溫度值設(shè)為17 ℃，鋸齒波頻率設(shè)為10 Hz，進(jìn)行差分信號(hào)的提取實(shí)驗(yàn)。通過(guò)示波器(Tektronix, TDS3032C)觀察兩路信號(hào)和差分信號(hào)，如圖11所示。可見(jiàn)圖11(a)中的紅色曲線為經(jīng)過(guò)氣體吸收后的信號(hào)，以0.1 s為周期反復(fù)掃過(guò)吸收線，藍(lán)色為參考信號(hào)。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)差分之后的結(jié)果如圖11(b)所示。通過(guò)對(duì)此差分信號(hào)進(jìn)行諧波提取，即可得到一次諧波1f與二次諧波2f，兩者比值可用于表征氣體濃度，差分信號(hào)的成功提取同時(shí)也驗(yàn)證了激光器驅(qū)動(dòng)部分及光學(xué)部分的設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠。

使用設(shè)計(jì)研發(fā)的正交鎖相放大器，成功提取了一次諧波信號(hào)1f與二次諧波信號(hào)2f。將差分信號(hào)分別與兩路相互正交的5和10 kHz的方波信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算及低通濾波，即可分別得到1f與2f。其中，一路5 kHz的方波信號(hào)由DDS產(chǎn)生，與調(diào)制激光器的正弦波同頻同相，經(jīng)過(guò)DSP分別4倍頻及8倍頻，再經(jīng)雙D觸發(fā)器分頻后，分別得到相互正交的5與10 kHz的方波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中采用10%濃度的甲烷氣體，將實(shí)時(shí)采樣的諧波信號(hào)顯示在上位機(jī)上，如圖12所示，其中的諧波信號(hào)均未經(jīng)濾波處理。其中Y軸單位為10-4V，X軸表示采樣時(shí)間，每個(gè)信號(hào)周期上共有250個(gè)采樣點(diǎn)。由于諧波信號(hào)的原始值在-5～5 V之間，必須要提升電平后才能用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。

Fig.11 The measured waveforms of (a) detection and reference signals and (b) differential signal, where the CH4concentration is 10% in experiment

Fig.12 Extracted 1f and 2f harmonic signals,where the methane concentration is 10%

3.2 氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)已知?dú)怏w濃度的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的功能性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。使用動(dòng)態(tài)配氣方法，分別配置了濃度為1%，2%，3%，4%，5%五種甲烷氣體并分別提取了一次諧波和二次諧波，如圖13所示。由圖13(a)和圖13(b)可見(jiàn)，諧波信號(hào)的幅值正比于氣體濃度。由于一次諧波信號(hào)的大小正比于初始光強(qiáng)，二次諧波信號(hào)的大小正比于初始光強(qiáng)和氣體濃度，使用2f/1f即可消除光強(qiáng)部分的影響，得到圖13(c)，得到的比值信號(hào)的峰峰值與氣體濃度呈良好的線性關(guān)系，擬合公式為Y=1.218 31+0.084 77X。結(jié)果表明在此區(qū)間內(nèi)的氣體濃度可以用2f/1f比值表征。

Fig.13 Measured (a) 1fand (b) 2fharmonic signals under different CH4concentrations; (c) The relation between the amplitude ratio of 2f/1fversus CH4concentration

4 結(jié) 論

基于TDLAS檢測(cè)技術(shù)，采用1 654 nm輸出波長(zhǎng)的DFB激光器、開(kāi)放式光學(xué)探頭及高靈敏度的銦鎵砷光電探測(cè)器，設(shè)計(jì)了甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)。自主研發(fā)了高精度的激光器溫度控制系統(tǒng)、電流驅(qū)動(dòng)及調(diào)諧電路、正交鎖相放大器等電路及儀器。激光器的溫度波動(dòng)能夠控制在±0.02 ℃范圍內(nèi)，并且輸出波長(zhǎng)隨溫度變化而線性變化，滿足實(shí)驗(yàn)要求。正交鎖相放大器能夠成功提取一次、二次諧波，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的各功能模塊滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)比之前的工作，本文在激光器驅(qū)動(dòng)及信號(hào)提取等方面均有較大的提升，并且加倍了有效吸收光程。下階段將會(huì)進(jìn)行更多濃度的氣體實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的整體檢測(cè)性能進(jìn)行更多的測(cè)試與評(píng)估。

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*Corresponding authors

A Methane Detection System Using Distributed Feedback Laser at 1 654 nm

LI Bin1，LIU Hui-fang1，HE Qi-xin1，ZHAI Bing1，PAN Jiao-qing2，ZHENG Chuan-tao1*，WANG Yi-ding1*

1. State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China

2. Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China

A methane (CH4) detection system based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique was experimentally demonstrated. A distributed feedback (DFB) laser around 1 654 nm, an open reflective sensing probe and two InGaAs photodiodes were adopted in the system. The electrical part of the system mainly includes the laser temperature control & modulation module and the orthogonal lock-in amplifier module. Temperature and spectrum tests on the DFB laser indicate that, the laser temperature fluctuation can be limited to the range of -0.02～0.02 ℃, the laser’s emitting wavelength varies linearly with the temperature and injection current, and also good operation stability of the laser was observed through experiments. Under a constant working temperature, the center wavelength of the laser is varied linearly by adjusting the driving current. Meanwhile, a 5 kHz sine wave signal and a 10 Hz saw wave signal were provided by the driving circuit for the harmonic extraction purpose. The developed orthogonal lock-in amplifier can extract the 1f and 2f harmonic signals with the extraction error of 3.5% and 5% respectively. By using the open optical probe, the effective optical pass length was doubled to 40 cm. Gas detection experiment was performed to derive the relation between the harmonic amplitude and the gas concentration. As the concentration increases from 1% to 5%, the amplitudes of the 1f harmonic and the 2f harmonic signal were obtained, and good linear ration between the concentration and the amplitude ratio was observed, which proves the normal function of the developed detection system. This system is capable to detect other trace gases by using relevant DFB lasers.

Near-infrared; CH4detection; Distributed feedback laser; Wavelength modulation

Apr. 17, 2015; accepted Aug. 22, 2015)

2015-04-17，

2015-08-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAK06B04)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61307124，11404129)，吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120707，20140307014SF)資助

李 彬，1985年生，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生 e-mail: binli13@mails.jlu.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: zhengchuantao@jlu.edu.cn; wangyiding47@hotmail.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0020-07