專利名稱：基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法及其傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，更確切地說，本發明提供一種利用半導體激光器跳模特性產生吸收和參比激光信號的氣體傳感解決方案，包括激光器驅動、跳模波長控制、吸收和參比信號提取及處理等一系列特殊方法。屬于半導體光電子器件、信號處理及氣體傳感技術領域。
背景技術：
自上世紀六十年代半導體激光器發明以來，其結構已由簡單的同質結發展到異質結、量子阱、分布反饋、面發射以及量子級聯等等，其基本結構也已由雙極型擴展到單極型，激射波長由近紅外、可見波段拓展到中紅外、遠紅外以及紫外波段，很多種類的激光器已實現了商品化并應用于眾多領域。隨著半導體激光器理論及材料生長技術的進步，一些新型的半導體激光器在近十年中有了長足的發展。
在半導體激光器的應用方面，利用氣體在紅外波段具有特異性的選擇吸收特性進行氣體種類的鑒別及其濃度的測量是一個新興的領域，其基本原理均基于所謂可調二極管激光器吸收光譜(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)方法。TDLAS方法簡單地說就是針對氣體的某一具有較高吸收強度的特異性吸收波長，利用激射波長可在一定范圍內調諧的半導體激光二極管通過波長掃描的方法獲得氣體的吸收光譜特征，從而獲得相關的氣體種類及濃度等信息。由此可見，TDLAS方法的關鍵是要求使用的激光二極管具有一定的波長連續調諧范圍，此范圍可覆蓋一種(或多種)目標氣體的強吸收和非吸收區域以獲得吸收和參比信號，從而獲得所需信息。各種不同的TDLAS方案對半導體激光器也有不同的具體要求。
過去的一系列TDLAS方案中一個通道都是采用一只半導體激光器，通過改變其驅動電流或熱沉溫度進行波長調諧(改變電流的實質也是改變激光器芯片的溫度)，或是采用外腔調諧的方法。對實時的氣體測量，要求波長調諧能達到一定的速度和重復性。對半導體激光器而言，在TDLAS應用中，連續改變其驅動電流一方面使驅動電路甚復雜，另一方面也會影響到其模式特性的穩定；而改變熱沉溫度一方面不易快速進行，另一方面穩定性也有問題。對于外腔調諧，一方面光路復雜，另一方面在現場應用中穩定性和可靠性也難保證。這些都限制了TDLAS方法的推廣。本發明旨在提供一種普適的半導體激光氣體傳感器方案，它具有簡單穩定的特點，還可以避免前述半導體激光器在TDLAS應用中的一些缺點，并可滿足小型化、模塊化的要求。
發明內容
本發明提供一種用于氣體濃度檢測的基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，其要點在于利用半導體激光器的跳模特性使其在不同的時間產生兩個波長相近且波長差固定的激光輸出，這樣可以利用目標氣體對其中一個波長的吸收特性進行氣體濃度測量，而利用目標氣體對另一個波長激光的透過特性作為參比信號以抵消其他損耗和波動的影響。采用此種方法構成的氣體傳感器中包括1.封裝于溫控模塊中的具有單模輸出及跳模特性的半導體激光器(簡稱跳模激光器)、2.用于激光器熱沉溫度控制的熱電控溫部件及控溫電路、3.具有驅動電流開關式調節功能的激光器時分驅動電路、4.用于吸收和參比光信號探測的光電探測器、5.用于放大和解調吸收和參比電信號的放大及時分解調電路、6.對已解調的兩路吸收和參比電信號進行比較并產生一路比例于目標氣體濃度信號的比較電路及顯示輸出電路等。進行氣體濃度測量時，由跳模激光器分時產生的兩個特定波長的單模激光信號通過氣體池或其他吸收光路后由光電探測器接收，轉換成對應吸收和參比信息的分時電信號，這兩個信號經放大、解調及比較后產生氣體濃度信號，用于顯示或輸出(參見圖1)。激光器的熱沉溫度由熱電控溫部件及控溫電路進行控制以使波長穩定并滿足測量要求，激光器由具電流開關式調節功能的時分驅動電路驅動。此氣體傳感器的核心是一具有單模輸出和穩定跳模特性半導體激光器及一光電探測器，其他電路部分的構成都較簡單，易于一體化、小型化和集成化。因此，本發明的傳感器是一種普適的采用半導體激光的氣體傳感器，具有很好的通用性。以下對本發明的各個部分構成、特點和功能等進行詳細說明。
一、跳模激光器部分跳模激光器用于產生波長相近、波長差固定的兩路激光信號，其中一個波長與目標氣體的某一吸收線峰值對準，作為氣體吸收信號；另一個波長落于吸收波長附近其他不產生吸收的區域，作為參比信號。對于半導體激光器，特別是具有較窄條寬的脊波導型激光器，在合適的驅動條件下可以產生穩定的單模輸出，而采用合適的輻度改變驅動電流也可產生穩定的跳模，這是構成本發明中跳模激光器的基礎。對于特定半導體激光器，其單模和跳模特性及其波長溫度關系都需事先進行精確的測量標定，以使其滿足目標氣體的要求。由于此方案中只用一只激光器就產生吸收和參比激光，這兩個波長的激光由同一激光器發出，不需分別調節，這給光路安排帶來很大方便。對此激光器，靠不同的驅動電流就可以使兩個激光器跳模波長有一個固定的差別。
二、熱電控溫部件及溫度控制電路部分由于半導體激光器的激射波長對溫度十分敏感，因此在各種TDLAS應用中對其進行精密控溫都是必需的。本發明中的跳模激光器要求能對其熱沉溫度進行調節，以使激射波長能滿足目標氣體吸收及參比的要求，同時也要求所設定的溫度能夠穩定并有足夠的精度，因此激光器熱沉需安裝在半導體熱電控溫部件上并有溫度傳感器將熱沉溫度信號送至閉環溫度控制電路。作為傳感器應用，在所需參數固定以后，實際使用中并不需要對溫度等進行調節，因此溫度控制電路可以采用通用的單片電路，也不需要溫度顯示電路等，但需有半固定調節元件并留有調試時所需的測量端口等。本發明在溫控方面與其他TDLAS方案相比并未有特殊要求。
三、激光器時分驅動電路本發明中吸收和參比光信號采用同一探測器接收，因此兩個波長的激光采用時分的方法加以區別，激光器的驅動電流按時序通過開關晶體管開關串接于激光器驅動回路中的電阻進行變化，此時序可用同一脈沖發生器產生。為使激光器的模式穩定和簡化相關電路等，在滿足數據更新速率的要求下可以選取較低的時序及脈沖頻率。
四、光電探測器由于本發明中采用了單片雙芯激光器，大大簡化的光路設計，因此只用一個光電探測器即可。此光電探測器只需與激光器的波長匹配并有合適的靈敏度即可，室溫工作的光伏型探測器是優先選擇。由于工作頻率不高，響應速度方面并無特殊要求。與其他采用兩個光電探測器的方案相比，本發明的方案中采用同一光電探測器檢測吸收和參比信號，這樣就取消了對兩個探測器一致性和同步穩定性方面的要求，且所檢測的是兩路信號的相對強度，這樣就大大降低了對光電探測器穩定性方面的特殊要求。
五、放大及時分解調電路包含有吸收和參比信息的光信號經光電探測器轉換成合成的電信號后采用與探測器阻抗匹配的放大器放大至合適的電平，時分解調電路用于將合成的電信號解調出吸收和參比兩路信號。放大器的放大倍數要求將取決于氣體吸收光路的有效長度以及氣體吸收強度等，由于此放大器也同時放大參比光產生的信號，因此應有足夠的動態范圍。由于信號頻率較低，時分解調電路用常規的觸發保持集成電路即可完成。激光器的時分驅動電路和探測器的時分解調電路之間可用信號線進行觸發或同步鎖定。
六、比較及顯示輸出電路比較電路用于對時分解調電路輸出的吸收和參比兩路信號進行比較，得出扣除了光路損耗及其他波動影響的目標氣體濃度信號。此發明方案中并不要求兩個波長激光輸出幅度一致，可以有較大的差別，因此比較電路的輸入端應具有半固定的調節元件并保證有較大的調節范圍。比較電路輸出的模擬信號根據具體要求對其幅度進行比例調整后可直接送至顯示部件(如數字電壓表)進行顯示，也可輸出或轉換成數字信號用于其他目的。
綜上所述，本發明提供的氣體測量方法及使用的傳感器特征在于利用目標氣體對激光器產生的特定波長激光的吸收特性進行氣體濃度測量，也利用目標氣體對同一激光器產生的另一相近的特定波長激光的透過特性作為參比信號以抵消其他損耗和波動的影響；兩個波長相近的激光信號由同一激光器的跳模特性產生，此激光器可為具有F-P腔的半導體激光器，在特定驅動條件下具有穩定的單模輸出；半導體激光器在兩個不同的固定電流驅動下可在兩個固定的輸出模式間穩定轉換，這兩個輸出模式波長差固定；半導體激光器兩個輸出模式由串接接于半導體激光器的可調電阻及脈沖開關控制，改變可調電阻可以獲得穩定的跳模，利用脈沖開關將兩個模式的激光形成時分光輸出；半導體激光器的激光波長由改變熱沉溫度進行調節，以使一個輸出模式與目標氣體的吸收峰相匹配，另一個模式不產生吸收，熱沉溫度由半導體制冷器進行精密控制；兩個輸出模式的時分光信號經由含目標氣體的氣體池或自由光路后由光電探測器接收，經放大后由時分電路形成正比于兩個模式光強的兩路電信號，脈沖開關及時分電路由同一脈沖發生器進行同步控制；兩路電信號經比較電路后形成目標氣體濃度的輸出信號，其中已扣除了光路損耗及其他波動的影響；所述的氣體傳感器的核心是一個具穩定的單模輸出和跳模特性半導體激光器和一只光電探測器，適合于不同的氣體光路，電路部分構成較簡單，易于一體化、小型化和集成化。本發明所述的測量方法及使用的傳感器是一種普適的采用半導體激光的氣體傳感器，具有很好的通用性。
圖1是本發明提供的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量所使用的傳感器的結構示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖的實施例進一步說明本發明的實質性特點和先進性，但絕非限制本發明，也即本發明絕非局限于實施例。
實施例基于半導體激光器跳模特性的氣體濃度測量測量實施步驟1、中紅外激光器為室溫連續工作的F-P法布里-泊羅腔銻化物多量子阱激光器，將此激光器芯片用銦燒結于TO3型激光器管殼的熱沉上，采用熱壓焊方法用金絲引出正電極至一管腳，與管殼外殼相連的另一個管腳為激光器的負電極。激光器的激射波長約2微米，驅動電流約200mA，驅動電壓約1V。
2、TO3封裝的中紅外激光器裝入具有半導體熱電控溫元件及熱敏電阻測溫元件的半導體激光器控溫部件中，激光器的二根引線及控溫元件和熱敏電阻的四根引線分別用接插件引至相關電路。由于半導體激光器的激射波長與溫度直接相關，因此熱沉溫度控制是必需的。
3、中紅外激光器采用時分驅動方案，由可調直流電源驅動，開關器件并聯于激光器驅動回路中的串連電阻上，由具互補輸出的方波脈沖發生電路控制，這樣吸收和參比兩個波長激光信號在方波脈沖的高電平和低電平狀態時分別激射產生時分的效果，方波頻率選取為～1KHz。直流電源采取軟起動及防止電流浪涌的措施以避免損壞激光器。驅動中加入半固定調節元件以微調驅動電流。
4、激光器溫度控制采用商品單片集成電路(如MAX1978)配上外圍元件，控制精度可以滿足要求。控制電壓約為±4V，電流約為±3A，對于近室溫工作的激光器已可滿足控溫功率要求。溫度調節采用半固定調節元件。
5、光電探測器選用室溫工作的波長擴展InGaAs光伏探測器，零偏工作，未采用溫度控制及穩定部件。
6、光電探測器放大電路采用低噪聲運放，放大倍數及頻響用外圍元件調節，吸收和參比信號時分采用運放及數字電路組成，引入激光器時分驅動電路中的方波脈沖信號進行同步控制。
7、比較電路仍采用運放比較器，其輸入端加入電平調節以平衡無吸收時兩激光器輸出功率的固有差別。
8、采用常規的數字電壓表模塊作為氣體濃度模擬信號顯示部件，需要數字信號輸出時可直接利用數字電壓表模塊上的數字信號輸出端。
9、進行氣體濃度測量時，由跳模激光器分時產生的兩個特定波長的單模激光信號通過氣體池或其他吸收光路后由光電探測器接收，轉換成對應吸收和參比信息的分時電信號，這兩個信號經放大、解調及比較后產生氣體濃度信號，用于顯示或輸出(參見圖1)。
權利要求
1.一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，其特征在于利用半導體激光器的跳模特性使其在不同的時間產生兩個波長相近且波長差固定的激光輸出，利用目標氣體對其中一個波長的吸收特性進行氣體濃度測量，利用目標氣體對另一個波長激光的透過特性作為參比信號以抵消其他損耗和波動的影響。
2.按照權利要求1所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，其特征在于所述的半導體激光器是在兩個不同的固定電流驅動下，在兩個固定的輸出模式間穩定轉換，這兩個輸出模式波長差固定。
3.按照權利要求2所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，其特征在于所述的半導體激光器的兩個輸出模式是由串接接于半導體激光器的可調電阻及脈沖開關控制，改變可調電阻可以獲得穩定的跳模，利用脈沖開關將兩個模式的激光形成時分光輸出。
4.按照權利要求1或2所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，其特征在于半導體激光器的激光波長由改變熱沉溫度進行調節，以使一個輸出模式與目標氣體的吸收峰相匹配，另一個模式不產生吸收，熱沉溫度由半導體制冷器進行精密控制。
5.按照權利要求2所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，其特征在于兩個輸出模式的時分光信號經由含目標氣體的氣體池或自由光路后由光電探測器接收，經放大后由時分電路形成正比于兩個模式光強的兩路電信號，脈沖開關及時分電路由同一脈沖發生器進行同步控制。
6.按照權利要求1所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法，其特征在于吸收和參比信號采用同一探測器接收。
7.使用如權利要求1-6所述的基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法的傳感器，其特征在于所述的氣體傳感器是由①封裝于溫控模塊中的具有單模輸出及跳模特性的半導體激光器，②用于激光器熱沉溫度控制的熱電控溫部件及控溫電路，③具有驅動電流開關式調節功能的激光器時分驅動電路，④用于吸收和參比光信號探測的光電探測器，⑤用于放大和解調吸收和參比電信號的放大及時分解調電路，⑥對已解調的兩路吸收和參比電信號進行比較并產生一路比例于目標氣體濃度信號的比較電路及顯示輸出電路組成。
8.按照權利要求7所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體傳感器，其特征在于激光器熱沉安裝在半導體熱電控溫部件上，且由溫度傳感器將熱沉溫度信號送至閉環溫度控制電路。
9.按照權利要求7所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體傳感器，其特征在于所述的激光器為單片雙芯或具有法布里-泊羅腔的半導體激光器。
10.按照權利要求7或9所述的一種基于半導體激光器跳模特性的氣體傳感器，其特征在于所述的激光器的驅動電流按時序通過開關晶體管開關串接于激光器驅動回路中的電阻進行變化，且所述的時序用同一脈沖發生器產生。
全文摘要
本發明涉及一種基于半導體激光器跳模特性的氣體測量方法和使用的傳感器，其特征在于利用目標氣體對激光器產生的特定波長激光的吸收特性進行氣體濃度測量，也利用目標氣體對同一激光器產生的相近特定波長激光的透過特性作為參比信號以抵消其他損耗和波動的影響。所使用的氣體傳感器的核心是一只具有穩定單模輸出和跳模特性半導體激光器和一只光電探測器，適合于不同的氣體光路，電路部分構成較簡單，易于一體化、小型化和集成化。本發明所述的測量方法及使用的傳感器是一種普適的采用半導體激光的氣體傳感器，具有很好的通用性。
文檔編號G01N21/47GK1995973SQ20061011700
公開日2007年7月11日 申請日期2006年10月11日 優先權日2006年10月11日
發明者張永剛, 李愛珍, 齊鳴, 封松林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所
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