1光纤气体传感概述

在工业生产中，能够实时准确地对原料或产物中的易燃、易爆、有毒、有害气体进行实时检测有非常重要的意义。同时，随着工业生产的发展，环境的污染越来越引起人们的关注。以上需求成为新兴气体传感和检测技术发展的巨大推动力。光纤气体传感器在工业气体过程控制、环境监测、以及恶劣环境下的在线、连续检测方面具有不可替代的作用。

光纤气体传感器一般用于对气体浓度的测量，本质上讲，一切与被检测气体物理或化学特性相关的光学现象，都可以直接或间接用于光纤气体感。对于光纤气体传感器，传感信息可以调制于光的强度、波长、相位以及偏振态。

2光纤气体传感

1）染料指示剂型光纤气体传感

染料指示剂型光纤气体传感是利用染料指示剂作为中间物来实现对气体间接测量的传感技术。其基本原理是：染料与被检测气体接触后发生化学反应，使染料的物理、化学性质发生变化，再利用光学方法测量这种变化，就可以得到被检测气体的信息。常用的染料指示剂型光纤传气体感器是 PH 值传感器，该传感器利用的是某些气体的浓度变化引起 PH 值的变化，而石蕊或酚红指示剂颜色随PH 值的变化而变化的原理。这种气体传感器的缺点是对气体种类指示性弱，难以作为气体检测唯一依据。

2）光纤荧光气体传感

光纤荧光气体传感器是通过测量相应的荧光辐射强度来得到气体浓度信息的。荧光既可以来自被检测气体本身的自发辐射，也可以来自于与被检测气体相互作用的荧光染料。物质吸收特定波长光的能量，产生电子受激跃迁，然后受激电子自发辐射，产生荧光，气体浓度既可以改变受激电子上能级寿命，也可以改变受激辐射强度，测量二者均可以得到被测量气体的浓度信息。荧光气体传感的优点是辐射波长直接反应被检测气体的物质结构，对不同被检测对象有很好鉴别性，而且荧光寿命不受光源波动和染料浓度变化的影响，稳定性好，精度高。缺点是测量荧光寿命方法比较复杂，检测成本高。

3）光纤折射率变化气体传感

光纤折射率变化气体传感的原理是：某些材料的折射率或体积会随被检测气体变化而变化，将其代替光纤包层或涂覆在光纤端面上，能引起光纤传光特性（有效折射率、双折射、损耗）的变化，因此，通过测量光纤波导参数可获得气体浓度的信息。例如，1992 年 M.Archenault 利用杂聚硅氧烷（HPS）类材料采用溶胶-凝胶镀膜技术涂于光纤表面测量甲苯等碳氢化合物。1994 年 S.Mcculloch 和 G.Stewart 将 TiO2-SiO2采用溶胶-凝胶技术镀在 D-型光纤上，测量了甲烷气体浓度。氢气的测量一般也采用这种办法，具体的做法是将钯膜沉积于光纤端面，使光纤-膜及膜-空气二界面形成光纤 Fabry-Perot 腔。钯膜遇到空气会发生膨胀，使得 Fabry-Perot 腔发生变化，即可获得氢气浓度数据。这类光纤气体传感器结构简单，价格低廉，但是镀膜技术和防止膜层污染成为限制其发展的瓶颈。

4）光谱吸收型光纤气体传感

光谱吸收型气体传感是目前应用最广泛的一种气体传感技术，其传感原理脱胎于激光光谱分析技术。光谱吸收型光纤气体传感器结合了现代光纤技术的优点，将以前主要用于实验的气体光谱分析技术引入到实际工程气体传感中，这在远程遥感、多点网络化等方面有巨大的应用前景。依据信号检测的方法不同，先后出现了差分吸收法、Fourier 变换光谱法、F-P 腔法、AOTF 等方法。

假设气体在入射光光谱范围内有特征吸收峰，则光波经过气体后，特定波长的光被吸收，就可以得到气体的吸收谱线，通过标定气体吸收峰位置，可进一步得到对气体种类的识别。光纤气体传感器就是利用某些气体在石英光纤透射窗口内的吸收峰，测量因气体吸收产生的透射谱线，已得到气体种类与浓度信息的一类强度调制型气体传感器。

与其他类型气体传感器相比，光谱吸收型光纤气体传感器具有检测灵敏度高、响应速度快、抗温度、湿度等外界因素干扰能力强等优点。其最大的特点是传感单元（气室）简单，可检测气体种类多，易于形成网络。因而是目前最有应用前景的传感技术。

光谱吸收型气体检测技术已经达到相当高的检测灵敏度。实现这种高灵敏检测的技术主要分两类：一类是利用波长调制或频率调制的光谱检测技术，它是利用波长调制或二次谐波技术来获得高灵敏度的检测，一般可以达到 ppm（10）量级，这类传感技术随着各种光通信器件（例如分布反馈式（DFB）激光器、可调谐窄带激光器、可调谐梳状滤波器等）的发展，已经在光纤化方面取得长足的进步。另一类是采用各种腔增强技术来获得较高的检测灵敏度，一般可达 ppb(10)量级或者更高。腔增强检测技术有两类：Ring-down 腔光谱检测技术和有源内腔激光光谱检测技术。有源内腔光谱检测技术是目前测量灵敏度最高的光谱吸收型气体传感技术，正处于实验究阶段，距离实用化还有一定距离，其光纤化对实现高灵敏气体传感具有很重要的意义。因此基于光纤激光器的有源内腔气体检测技术近年来成为人们研究的热点.

3光纤有源内腔气体传感技术研究进展

有源内腔光谱检测技术最早可以追溯到 1971 年，N.C.Peterson 等人在染料激光器的谐振腔内放入一弱窄带吸收体，结果发现激光器输出强度在输出波长为吸收体吸收波长时明显减弱。从此以后，激光光谱学产生了一种新的光谱检测方法——有源内腔光谱检测方法，其主体思想是将被检测物质置于激光腔内，利用激光在腔内反复谐振，多次吸收以及这种附加吸收对激光器输出功率造成的非线性附加影响来获得高灵敏度光谱检测。有源内腔光谱检测技术所用的激光器可以是半导体激光器、染料激光器、固体激光器以及光纤激光器等。 1992 年V.M.Baev等人成功地利用二极管作为光源实现有源内腔吸收气体探测，从而拉开了有源内腔光谱检测法在气体传感领域广泛应用的帷幕。有源内腔光谱检测方法仍然是检测灵敏度最高、研究最热、最有发展前景的气体检测方法。得益于光纤激光技术和光纤传感技术的发展，光纤有源内腔气体检测技术也迅速发展起来。1993 年 R.Bohm 等最早将有源内腔技术引入光纤激光器中。1999 年 Hernandez-Cordero 和 T.F.Morse 最早证明光纤激光器可用于气体传感技术。光纤有源气体检测多数选用的是用铒光纤激光器，主要是因为: 第一，掺铒光纤增益范围比较宽(1530nm-1560nm)，并且包含乙炔、氨气等几种重要有害气体的吸收峰；第二，掺铒光纤增益平坦，激光器输出比较稳定；第三，产生的光波长落在石英光纤的低损耗窗口内，有利于信号传输。

(1)掺铒光纤激光器腔内损耗引起激光输出功率改变是有源内腔气体检测的主要方法。在这方面，香港理工大学靳伟教授的研究小组做出了许多有意义的工作。2004 年，Y. Zhang 等人首先从掺铒光纤三能及速率方程出发，模拟了泵浦功率对掺铒光纤激光器内腔气体检测灵敏度的影响。指出当激光器工作状态接近阈值的时候，检测灵敏度有明显提高，但同时激光器的不稳定程度会增强。根据模拟情况，利用长度为 1cm 的气室进行 C2H2气体浓度传感，获得了 2253ppm的传感灵敏度，比单程吸收时增大了 91 倍。同年，该组的 Min Zhang 等人将波长调制技术与有源内腔气体检测技术结合，在环型腔掺铒光纤激光器内引入气体吸收池，并且在输出功率的检测上引入波长调制技术，得到 1000ppm 的乙炔气体检测灵敏度。Liu Kun 等人从二能级速率方程和光纤激光器传输方程出发，详细讨论了环形腔掺铒光纤激光器有源内腔气体检测中激光器泵浦功率、腔内损耗等因素对气体检测灵敏度的影响。这种方法的最大优点是当掺铒光纤激光器工作在阈值附近时可以获得极高的检测灵敏度。缺点是阈值附近工作的掺铒光纤激光器有很明显的自脉动行为和很高的不稳定性，这极大限制和影响气体浓度检测结果的准确性。

（2）2004 年，Yu.O. Barmenkov 报道了一种时域光纤激光器内腔吸收氢气检测方法。该方法根据激光器模式建立时间受到腔内损耗的改变而改变这一激光特性，通过测量激光建立时间来检测氢气浓度。具体的做法是将钯分子膜沉积的氢气传感单元置入直线腔掺铒光纤激光器腔内。不同浓度的氢气将在传感单元引入不同的腔损耗，进而影响激光器模式建立时间，通过测量激光器模式建立时间进而得到氢气浓度信息。这种方法可以有效解决激光器自脉冲和功率不稳定因素引入的测量不准确问题。2008 年，同一小组的 H.Arellano-Sotelo 等人又报道了基于 980nm 脉冲激光器泵浦掺铒光纤激光瞬态行为的有源内腔液体折射率传感。具体的原理是将掺铒光纤激光器的反射镜作为传感探头，将被检测液体看作为模式匹配液，利用液体折射率的改变影响反射镜反射率进而影响激光器谐振腔损耗，由于脉冲激光器驰豫振荡频率与腔损耗有直接关系，因此通过测量驰豫振荡频率，就可以得到液体折射率变化情况，进而可得到某种溶质的浓度信息。以葡萄糖溶液为利，实验测量了不同浓度下驰豫振荡频率的变化。2011 年，H. Arellano Sotelo 等人又详细论述了基于泵浦调制下掺铒光纤激光器驰豫振荡非线性动力行为的有源内腔传感原理。分别从实验和理论上论证了腔内损耗对脉冲掺铒光纤激光器驰豫振荡频率的影响行为，并且指出这种有源检测方法对于大腔损（10dB）下很小的损耗变化具有很好的检测灵敏度。