一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置论文和设计-王晓娜

全文摘要

本实用新型提供了一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置，属于光电测量类教学实验仪器技术领域。该装置包括可调谐激光光源、光学准直器、光纤耦合器、可见光波段光纤激光光源、气体吸收池、光学窗片、光电探测器、进气口、出气口、光源驱动、信号采集与处理电路和计算机。被调制的红外探测激光与可见光波段光纤激光光源经光纤耦合器耦合，由于两个激光波长差较大，可以通过控制耦合器参数，使两个耦合臂对于两个不同波长的激光都具有较高的耦合效率。本实用新型的装置降低了TDLAS教学实验装置的光路调整难度，有利于气体探测实验的顺利开展，同时有利于学生对激光光谱实验原理的理解，提升了实验教学的直观性。

主设计要求

1.一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置，其特征在于，所述的可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置包括可调谐激光光源(1)、光学准直器(2)、光纤耦合器(3)、可见光波段光纤激光光源(4)、气体吸收池(5)、光学窗片(6)、光电探测器(7)、进气口(8)、出气口(9)、光源驱动(10)、信号采集与处理电路(11)和计算机(12)；可调谐激光光源(1)和可见光波段光纤激光光源(4)均通入至光纤耦合器(3)，光纤耦合器(3)、光学准直器(2)、气体吸收池(5)、光学窗片(6)、光电探测器(7)、信号采集与处理电路(11)及光源驱动(10)依次串联；信号采集与处理电路(11)与计算机(12)相连；光源驱动(10)接收信号采集与处理电路(11)产生的正弦调制信号对可调谐激光光源(1)进行电流调制；可调谐激光光源(1)发射的探测激光与可见光波段光纤激光光源(4)通过光纤耦合器(3)耦合，并经光学准直器(2)入射到气体吸收池(5)中，透过光学窗片(6)从气体吸收池(5)出来，最后照射到光电探测器(7)上；气体吸收池(5)上设有进气口(8)和出气口(9)；信号采集与处理电路(11)的信号输入端与光电探测器(7)相连，采集光电探测器(7)探测的光信号后进行数字信号处理；计算机(12)与信号采集与处理电路(11)相连，用于设置信号采集与处理电路(11)的工作参数并对信号采集与处理电路(11)输出的气体浓度测量值进行显示。

设计方案

2.根据权利要求1所述的可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置，其特征在于，所述的可调谐激光光源(1)是波长可调谐的窄线宽可调谐二极管激光光源。

3.根据权利要求1或2所述的可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置，其特征在于，所述的光纤耦合器(3)是一种两个输入臂对于可调谐激光光源(1)和可见光波段光纤激光光源(4)发射的激光分别具有较高的耦合效率的耦合器。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于光电测量类教学实验仪器技术领域，涉及一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术利用激光器的波长可调谐特性，对激光波长进行调制，使发射波长能够扫描经过整个气体吸收峰，通过将吸收峰处的吸收值与吸收峰两侧的基准进行比较，可以得到与气体浓度相关的吸收强度。TDLAS技术以其具备的高灵敏度、高选择性和工作寿命长等优点，已在汽车尾气检测、工业生产排放监测和煤矿易燃易爆气体监测等应用中发挥了重要作用。

目前，TDLAS教学实验装置在实际工作过程中，存在着光路调节困难、验直观性较差以及实验理论难以理解等问题，这主要因为部分气体分子的特征吸收光谱带处于红外光谱区域，但红外激光的发生光是不可见的，导致实验光路无法根据肉眼观察来调整。通常采用一个额外的可见光进行初步调制，但由于与实际的探测激光光路存在偏差，导致光路调制过程较复杂且误差较大。这些问题的存在，既增加了学生的操作难度，也不利于学生理解TDLAS实验的操作过程和原理。因而，设计一种具有结构简单和直观性好等优点的TDLAS教学实验装置具有重要的价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置，旨在解决目前TDLAS教学实验装置中普遍存在的调节光路困难和直观性差等问题，为TDLAS教学实验装置在大学物理实验中的推广拓展更大的空间。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置，包括可调谐激光光源1、光学准直器2、光纤耦合器3、可见光波段光纤激光光源4、气体吸收池5、光学窗片6、光电探测器7、进气口8、出气口9、光源驱动10、信号采集与处理电路11和计算机12；可调谐激光光源1和可见光波段光纤激光光源4均通入至光纤耦合器3，光纤耦合器3、光学准直器2、气体吸收池5、光学窗片6、光电探测器7、信号采集与处理电路11及光源驱动10依次串联；信号采集与处理电路11与计算机12相连；光源驱动10接收信号采集与处理电路11产生的正弦调制信号对可调谐激光光源1进行电流调制；可调谐激光光源1发射的探测激光与可见光波段光纤激光光源4通过光纤耦合器3耦合，并经光学准直器2入射到气体吸收池5中，透过光学窗片6从气体吸收池5出来，最后照射到光电探测器7上；气体吸收池5上设有进气口8和出气口9；信号采集与处理电路11的信号输入端与光电探测器7相连，采集光电探测器7探测的光信号后进行数字信号处理；计算机12与信号采集与处理电路11相连，用于设置信号采集与处理电路11的工作参数并对信号采集与处理电路11输出的气体浓度测量值进行显示。

所述的可调谐激光光源1是波长可调谐的窄线宽可调谐二极管激光光源。

所述的光纤耦合器3是一种特殊光耦合器，两个输入臂对于可调谐激光光源1和可见光波段光纤激光光源4发射的激光分别具有较高的耦合效率。

本实用新型的原理如下：被调制的红外探测激光与可见光波段光纤激光光源经光纤耦合器耦合，由于两个激光波长差较大，可以通过控制耦合器参数，使两个耦合臂对于两个不同波长的激光都具有较高的耦合效率。由于两个波长的激光具有共同的光路，因此可以精确地指示气体吸收光路。

本实用新型的有益效果：采用将红外探测激光与可见光波段光纤激光光源耦合的方法，使光路调整变得相对容易。这种简单的结构降低了TDLAS教学实验装置的操作难度，有利于气体探测实验的顺利开展，同时有利于学生对激光光谱实验原理的理解，提升了实验教学的直观性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1可调谐激光光源；2光学准直器；3光纤耦合器；4可见光波段光纤激光光源；5气体吸收池；6光学窗片；7光电探测器；8进气口；9出气口；10光源驱动；11信号采集与处理电路；12计算机。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置，主要包括可调谐激光光源1、光学准直器2、光纤耦合器3、可见光波段光纤激光光源4、气体吸收池5、光学窗片6、光电探测器7、进气口8、出气口9、光源驱动10、信号采集与处理电路11和计算机12；光源驱动10接收信号采集与处理电路11产生的正弦调制信号对可调谐激光光源1进行电流调制，该调制信号是锯齿波和正弦波的叠加信号，实现对激光波长的扫描和调制；可调谐激光光源1发射的探测激光与可见光波段光纤激光光源4通过光纤耦合器3耦合，并经光学准直器2入射到气体吸收池5中，待测气体通过进气口8进入气体吸收池5；耦合的激光透过气体吸收池5中的待测气体，待测气体对不同波长的光吸收不同，激光透过光学窗片6从气体吸收池5出来，最后照射到光电探测器7上；光电探测器7将探测的光信号转换为电信号后输入到信号采集与处理电路11，之后信号采集与处理电路11进行数字信号处理，可以得到待测气体的浓度；计算机12对信号采集与处理电路11输出的气体浓度测量值进行显示。

其中，可调谐激光光源1是波长可调谐的窄线宽分布反馈(DFB)激光器，中心波长为1532.83nm。光纤耦合器3对于1530nm波长的分光比为90:10，其中90％端接入可调谐激光光源1,10％端接入可见光波段光纤激光光源4，但对于可见光波段光纤激光光源4发射的激光的耦合效率达到80％以上。光电探测器7是InGaAs探测器。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置论文和设计

一种可调谐二极管激光吸收光谱教学实验装置论文和设计-王晓娜

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