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环腔掺铒光纤激光器应用于气体传感的理论和实验研究

作　者: 马凤
导　师: 汪曣
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 环腔掺铒光纤激光器气体检测波长调制光谱技术光谱吸收速率方程组
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 30次
引　用: 1次
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内容摘要

工业上的需要和人们对环境的关注使气体检测技术得到了长足的发展,迄今已经有很多种气体检测的方法和仪器应用于各种领域。但出于对灵敏度、作业环境、成本等因素的考虑,人们一直都在不断地创新和研究新型的气体监测技术。本课题所研究的内容是利用近些年出现的激光内腔气体检测技术,将环腔掺铒光纤激光器应用于气体传感,实现了全光纤气体传感器。本文首先介绍了气体检测方法以及光纤气体传感器,详细讨论了光谱吸收法的原理和优点,同时介绍了光谱吸收型光纤气体传感技术的研究现状。研究了环腔掺铒光纤激光器的工作原理以及铒离子的能级结构,由三能级速率方程组对环腔掺铒光纤激光器输出特性进行了理论推导。引入气体灵敏度因子概念,推导出气体传感灵敏度因子与泵浦功率和系统损耗之间的关系。分析了环腔掺铒光纤激光器可调谐光谱范围的影响因素。利用环腔掺铒光纤激光器的工作原理,设计了气体传感系统。将气室置于激光谐振腔内,激光达到稳定前多次经过气室,增加了有效光程长;利用光纤可调谐滤波器实现了波长扫描技术;采用虚拟仪器技术完成了波长调制光谱技术,并利用软件实现了二次谐波的提取。搭建了实验平台,进行环腔掺铒光纤激光器输出特性实验。对比了在不同条件下激光器输出激光的光强和光谱范围,激光器输出特性实验结果与理论推导一致。通过实验验证了气体灵敏度因子与泵浦电流以及环腔损耗的关系。然后,利用气体传感系统进行了气体浓度实验,在不同的波长调制参数条件下,二次谐波强度不同,确定了较佳的参数后,进行了乙炔气体浓度标定实验,最后分析了气体检测浓度误差、重复性、检测极限以及波长准确性。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 课题研究的背景和意义  8
  1.2 气体监测方法分类  8-11
  1.3 光纤气体传感器  11-14
  1.4 本论文的主要研究内容  14-16
第二章环腔掺铒光纤激光器应用于气体吸收的理论分析  16-25
  2.1 环腔掺铒光纤激光器  16-18
  2.2 环腔掺铒光纤激光器输出特性的理论研究  18-22
  2.3 基于速率方程组解的气体灵敏度理论分析  22-24
  2.4 可调谐光谱范围的分析  24
  2.5 本章小结  24-25
第三章气体传感系统设计及技术原理  25-33
  3.1 气体传感系统总体设计  25-26
  3.2 主要器件及作用  26-29
  3.3 系统工作原理  29-30
  3.4 基于虚拟仪器技术的波长调制光谱技术  30-32
  3.5 本章小结  32-33
第四章环腔掺铒光纤激光器实验  33-43
  4.1 环腔掺铒光纤激光器激光输出特性实验  33-40
  4.2 气体灵敏度因子实验  40-42
  4.3 本章小结  42-43
第五章气体传感实验及系统评价  43-54
  5.1 波长调制光谱实验  43-46
  5.2 影响波长调制的因素  46-48
  5.3 气体浓度标定实验  48-49
  5.4 气体浓度传感重复性  49-50
  5.5 气体检测极限  50-51
  5.6 吸收谱线波长准确性  51-53
  5.7 本章小结  53-54
第六章总结与展望  54-56
  6.1 文章总结  54-55
  6.2 下一步工作展望  55-56
参考文献  56-59
发表论文和参加科研情况说明  59-60
致谢  60

环腔掺铒光纤激光器应用于气体传感的理论和实验研究

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