基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法

摘要

本发明涉及一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法，包括如下步骤：激光光源发射出圆偏振激光，所述圆偏振激光经偏振分束器分成水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光，水平方向偏振激光经第一光纤、空芯光纤气室以及第二光纤传输到光纤耦合器中，经过第三光纤的垂直方向偏振激光传输到光纤耦合器中，两偏振激光在光纤耦合器中形成椭圆偏振激光，所述椭圆偏振激光经光纤耦合器的第三连接头传输到偏振测量仪，根据偏振测量仪中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度，本发明将圆偏振激光对分为两束线偏振激光，一束线偏振激光经过待测气体，另一束线偏振激光不经过待测气体，根据偏振参量确定待测气体的折射率和浓度值，提高测量精度。

权利要求

1.一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法，其特征在于，

包括如下步骤：

激光光源（1）发射出圆偏振激光，所述圆偏振激光经偏振分束器（2）分成水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光，所述水平方向偏振激光经第一耦合透镜（3）耦合到第一光纤（4）里面，第一光纤（4）与空芯光纤气室（5）的左端熔在一起，空芯光纤气室（5）的右端与第二光纤（6）的左端面熔接在一起，第二光纤（6）的右端面与光纤耦合器（10）的第一连接头（10‑1）连接到一起，水平方向偏振激光由第一光纤（4）传输到容置有待测气体的空芯光纤气室（5）中，经过空芯光纤气室（5）的水平方向偏振激光传输到第二光纤（6）中，经过第二光纤（6）的水平方向偏振激光经光纤耦合器的第一连接头（10‑1）传输到光纤耦合器（10）中，垂直方向偏振激光经第二耦合透镜（8）耦合到第三光纤（9）一个端面里面，第三光纤（9）的另一端面与光纤耦合器（10）的第二连接头连接到一起，经过第三光纤（9）的垂直方向偏振激光经光纤耦合器（10）的第二连接头（10‑2）传输到光纤耦合器（10）中，传输到光纤耦合器（10）中的水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光在光纤耦合器（10）中形成椭圆偏振激光，所述椭圆偏振激光经光纤耦合器（10）的第三连接头（10‑3）传输到偏振测量仪（11），根据偏振测量仪（11）中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度，根据偏振测量仪（11）中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度包括：根据偏振测量仪（11）确定水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光的相位差 ；

根据相位差公式 来计算待测气体的折射率n2，其中n1为光纤折射率，

为激光的波长，L为空芯光纤气室的长度；

根据如下公式确定所述待测气体的浓度C： 其中，n0为空气折

射率、k为比例系数、P0为大气压强，R为待测气体的气体常数，T为待测气体的气体温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光纤（4）的物理长度、空芯光纤气室（5）物理长度和第二光纤（6）的物理长度之和等于所述第三光纤（9）的物理长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光光源（1）的中心输出波长谱线宽度小于1nm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏振分束器（2）包括格兰棱镜。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一耦合透镜（3）和第二耦合透镜（8）中的至少一个包括氟化钙材料制备的平凸透镜。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤耦合器（10）的第一连接头（10‑1）和第二连接头（10‑2）长度相等。

说明书

基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法。

背景技术

[0002] 由于一些重要的装置设备在运行过程中产生泄露中，易产生一些有毒易燃易爆气体，这些气体的存在直接危害人和设备的安全，同时也污染周边环境。为了把存在的风险降到最低，低成本长距离痕量气体的在线测试方法尤为重要和迫切。

[0003] 波长调制光谱是一种增强气体测量的灵敏度的方式，在测量较小浓度时尤其重要。通常采用测量入射光和出射光的光谱强度，计算出被测气体的浓度。但现有的测量方法精度不高，对于一些要求不高的情况尚可接受，但是对于一些对精度要求较高的环境，现有的测量方法往往不能精确测量出该空间的有害气体浓度，因此，开发一种精确测量的系统方法十分有必要。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有激光测量气体方法精度不高的技术问题，而提出了一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法。

[0005] 本发明一些实施例提供一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法，包括如下步骤：

[0006] 激光光源发射出圆偏振激光，所述圆偏振激光经偏振分束器分成水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光，所述水平方向偏振激光经第一耦合透镜耦合到第一光纤里面，第一光纤与空芯光纤气室的左端熔在一起，空芯光纤气室的右端与第二光纤的左端面熔接在一起，第二光纤的右端面与光纤耦合器的第一连接头连接到一起，水平方向偏振激光由光纤传输到容置有待测气体的空芯光纤气室中，经过空芯光纤气室的水平方向偏振激光传输到第二光纤中，经过第二光纤的水平方向偏振激光经光纤耦合器的第一连接头传输到光纤耦合器中，垂直方向偏振激光经第二耦合透镜耦合到第三光纤一个端面里面，第三光纤的另一端面与光纤耦合器的第二连接头连接到一起，经过第三光纤的垂直方向偏振激光经光纤耦合器的第二连接头传输到光纤耦合器中，传输到光纤耦合器中的水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光在光纤耦合器中形成椭圆偏振激光，所述椭圆偏振激光经光纤耦合器的第三连接头传输到偏振测量仪，根据偏振测量仪中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度。

[0007] 在一些实施例中，根据偏振测量仪中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度包括：

[0008] 根据偏振测量仪确定水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光的相位差 ；

[0009] 根据相位差公式  来计算待测气体的折射率n2，其中n1为光纤折射率， 为激光的波长，L为空芯光纤气室的长度；

[0010] 根据如下公式确定所述待测气体的浓度C： 其中，n0为空气折射率、k为比例系数、P0为大气压强，R为待测气体的气体常数，T为待测气体的气体温度。

[0011] 在一些实施例中，所述第一光纤的物理长度、空芯光纤气室物理长度和第二光纤的物理长度之和等于所述第三光纤的物理长度。

[0012] 在一些实施例中，所述激光光源的中心输出波长谱线宽度小于1nm。

[0013] 在一些实施例中，所述偏振分束器包括格兰棱镜。

[0014] 在一些实施例中，所述第一耦合透镜和第二耦合透镜中的至少一个包括氟化钙材料制备的平凸透镜。

[0015] 在一些实施例中，所述光纤耦合器的第一连接头和第二连接头长度相等。

[0016] 相对于相关技术，本发明至少具有以下技术效果：

[0017] 将圆偏振激光对分为两束线偏振激光，其中一束线偏振激光经过待测气体，另外一束线偏振激光不经过待测气体，根据两束线偏振激光的相位差确定待测气体的折射率和浓度值，提高测量精度。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0019] 图1为本发明一些实施例提供的气体折射率及浓度的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

[0020] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0021] 在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

[0022] 应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0023] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

[0024] 本发明提供一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法，包括如下步骤：

[0025] 一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法，包括如下步骤：激光光源发射出圆偏振激光，所述圆偏振激光经偏振分束器分成水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光，所述水平方向偏振激光经第一耦合透镜耦合到第一光纤里面，第一光纤与空芯光纤气室的左端熔在一起，空芯光纤气室的右端与第二光纤的左端面熔接在一起，第二光纤的右端面与光纤耦合器的第一连接头连接到一起，水平方向偏振激光由光纤传输到容置有待测气体的空芯光纤气室中，经过空芯光纤气室的水平方向偏振激光传输到第二光纤中，经过第二光纤的水平方向偏振激光经光纤耦合器的第一连接头传输到光纤耦合器中，垂直方向偏振激光经第二耦合透镜耦合到第三光纤一个端面里面，第三光纤的另一端面与光纤耦合器的第二连接头连接到一起，经过第三光纤的垂直方向偏振激光经光纤耦合器的第二连接头传输到光纤耦合器中，传输到光纤耦合器中的水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光在光纤耦合器中形成椭圆偏振激光，所述椭圆偏振激光经光纤耦合器的第三连接头把信号传输到偏振测量仪，根据偏振测量仪中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度。

[0026] 本发明将圆偏振激光对分为两束线偏振激光，其中一束线偏振激光经过待测气体，另外一束线偏振激光不经过待测气体，根据两束线偏振激光的相位差确定待测气体的折射率和浓度值。

[0027] 下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。

[0028] 图1为本发明一些实施例提供的气体折射率及浓度的测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明一些实施例提供一种基于圆偏振激光测量气体折射率及浓度的方法， 具体包括以下步骤：

[0029] 激光光源1发射出圆偏振激光，所述圆偏振激光经偏振分束器2分成水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光，所述水平方向偏振激光经第一耦合透镜3耦合到第一光纤4里面，第一光纤4与空芯光纤气室5的左端熔在一起，空芯光纤气室5的右端与第二光纤6的左端面熔接在一起，第二光纤6的右端面与光纤耦合器10的第一连接头10‑1连接到一起，水平方向偏振激光由第一光纤4传输到容置有待测气体的空芯光纤气室5中，经过空芯光纤气室5的水平方向偏振激光传输到第二光纤6中，经过第二光纤6的水平方向偏振激光经光纤耦合器的第一连接头10‑1传输到光纤耦合器10中，垂直方向偏振激光经第二耦合透镜8耦合到第三光纤9一个端面，例如为图1所示的左端面里面，第三光纤9的另一端面，例如图1所示的右端面与光纤耦合器10的第二连接头10‑2连接到一起，经过第三光纤9的垂直方向偏振激光经光纤耦合器10的第二连接头10‑2传输到光纤耦合器10中，传输到光纤耦合器10中的水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光在光纤耦合器10中形成椭圆偏振激光，所述椭圆偏振激光经光纤耦合器10的第三连接头10‑3把信号传输到偏振测量仪11，根据偏振测量仪11中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度。

[0030] 在一些实施例中，第一光纤4、第二光纤6以及第三光纤9为单模光纤。

[0031] 在一些实施例中，根据偏振测量仪11中的偏振参量计算出待测气体的折射率和浓度具体包括以下步骤：

[0032] 根据偏振测量仪11确定水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光的相位差 ；

[0033] 根据相位差公式 来计算待测气体的折射率n2，其中n1为光纤折射率， 为激光的波长，L为空芯光纤气室的长度；

[0034] 根据如下公式确定所述待测气体的浓度C： …………式（1）其中，n0为空气折射率、k为比例系数、P0为大气压强，R为待测气体的气体常数，T为待测气体的气体温度。

[0035] 具体地，式（1）是由以下方式确定的，对于待测气体来说，其折射率满足下式：…………式（2），其中，n0为空气折射率、k比例系数为常数、P0为大气压强、P2为待测气体压强。

[0036] 待测气体的浓度满足下式： …………式（3），

[0037] 其中，为待测气体质量密度（单位kg/m3）, M为待测气体摩尔质量，[0038] 待测气体的气体状态方程为下式：

[0039] …………式（4），其中，R为待测气体的气体常数，T为待测气体的气体温度。

[0040] 式（2）至式（4）联立可以获得式（1）。

[0041] 在一些实施例中，如图1所示，所述第一光纤4的物理长度、空芯光纤气室5物理长度和第二光纤6的物理长度之和基本上等于所述第三光纤9的物理长度。方便于水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光传输过程中产生光程差，如此可以确定由于待测气体引起的经过待测气体的水平方向偏振激光与未经过待测气体的垂直方向偏振激光的光程差，进而确定两者的相位差。

[0042] 在一些实施例中，所述激光光源1可以为任意中心输出波长的圆偏振激光。其中心输出波长与待测气体的气体特征吸收峰相对应。例如待测气体为SO2，其气体特征吸收峰为3980nm，此时激光光源1可以输出中心输出波长为3980nm的圆偏振激光。激光光源1例如为窄线宽激光光源，且中心输出波长谱线宽度小于1nm。

[0043] 在一些实施例中，所述偏振分束器2包括格兰棱镜，且可以将圆偏振激光分束为能量相同的水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光。

[0044] 在一些实施例中，所述第一耦合透镜3和第二耦合透镜8中的至少一个包括氟化钙材料制备的平凸透镜。所述第一耦合透镜3可以把水平方向偏振激光聚焦到第一光纤4中传输，所述第二耦合透镜8把垂直方向偏振激光聚焦到第三光纤9中传输。

[0045] 在一些实施例中，所述空芯光纤气室5为任意气体所需要的气体池，该空芯光纤气室5两端分别熔接到第一光纤4和第二光纤6上，方便于水平方向偏振激光在空芯光纤气室5中传输。

[0046] 在一些实施例中，光纤耦合器10为水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光合束的器件，水平方向偏振激光和垂直方向偏振激光在光纤耦合器10中耦合，该光纤耦合器10第一连接头10‑1和第二连接头10‑2长度相等。光纤耦合器10的第一连接头10‑1与第二光纤6连接，光纤耦合器10的第二连接头10‑2与第三光纤9连接，光纤耦合器10的第三连接头10‑3为输出端，其与偏振测量仪11连接。根据偏振测量仪11的偏振参量可以计算出待测气体的折射率和浓度值。

[0047] 最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0048] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。