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掺铒光纤激光器在乙炔气体检测中的应用

曹素霞  
【摘要】: 乙炔是一种化学性质非常活泼的气体,极易燃烧、分解和爆炸,乙炔在空气中的爆炸范围为2.5%~80%,与其它易燃易爆气体相比,乙炔的爆炸范围大、爆炸下限低,而且乙炔是变压器的故障气体。及时准确地检测乙炔浓度对工厂安全生产和环境监测有着极其重要的意义。论文以乙炔气体检测为目的,进行以可调谐掺铒光纤激光器为光源的光纤乙炔气体传感器技术的研究。 首先,对光纤激光器的结构和分类进行了简要的介绍,从三能级速率方程出发,引出掺铒光纤激光器输出光功率、阈值功率、斜率效率以及带内自发辐射功率的解析表达式。介绍了光纤光栅的调谐原理,为可调谐掺铒光纤激光器的设计提供了理论依据。 其次,阐述了乙炔检测系统的实验原理、系统中光源、气室以及光路部分的特性及对测量的影响。对线形腔掺铒光纤激光器的输出特性进行了理论模拟,并推导出激光器工作所需掺铒光纤最短长度和最佳长度的表达式,为线形腔掺铒光纤激光器的优化设计提供了理论依据。设计了可以减小干涉噪声的小型渐变折射率透镜气室结构,并结合内腔吸收谱技术,实现了气体浓度的高精度测量。 最后,为了补偿乙炔在近红外波段吸收弱的特点,采用增大有效吸收路径的方法。在现有的实验条件下,合理选择系统中各器件的参数,对乙炔近红外吸收特性、乙炔浓度检测及系统的重复性和稳定性进行了实验研究,实验结果验证了系统的可行性。


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