基于光纤F-P可调谐滤波器的有害气体检测方法

于国良 连航 陆星 石俊峰 张宇涵 龚欣 沈贺 徐圣奇 赵佳宇 刘波 刘伟伟

（南开大学现代光学研究所，天津 300071）

1 引言

大气气体成分监测方法有以下几种：化学分析法、气相色谱分析法、质谱分析法和光谱分析法[1-2]。其中，基于吸收光谱测量的光谱分析法具有可实时检测、无需准备样品等优点[3]，它主要利用分子基团的特征吸收谱来对化合物的种类进行分析，很容易实现对气体成分的实时监测。目前，吸收光谱测量法也是星载气体检测仪的重要技术手段。在实际应用中，测量系统的光谱分辨率对吸收光谱的测量灵敏度有着重要的影响：光谱仪的分辨率越高，测得的吸收光谱强度就越强，其检测灵敏度也越高。为满足气体监测对光谱仪分辨率的要求（一般小于1cm-1），星载气体检测仪一般结构复杂，体积质量都较大。比如美国NASA的Orbiting Carbon Observatory（OCO）上搭载的光谱仪，尺寸为1 600mm×400mm×600mm，质量达150kg。因此在星载气体监测领域，紧凑型高分辨率的光谱测量装置是研究人员追求的目标。

在本文中，创新性地提出使用光纤法布里-帕罗（F-P）可调谐滤波器来提高吸收光谱的测量分辨率，从而实现紧凑型光谱仪的试验方案。试验中采用超连续光源（SLED）作为光源，通过光纤F-P可调谐滤波器的滤波功能，将超连续谱光源变为光谱精细度极高（光谱半高全宽约0.04nm，自由光谱范围1.62nm）的线谱光源，结合传统的吸收光谱测量方法，得到每条透过谱线的吸收率。通过扫描光纤F-P可调谐滤波器的调谐电压，改变超连续谱光源的透过波长，从而实现对整个吸收谱段各个波长吸收率的测量，最终得到一组完整的吸收光谱。利用分辨率约1nm的微型光栅光谱仪，成功实现了对甲烷吸收光谱的测量，对比未加光纤F-P可调谐滤波器的直接测量结果，该方法测得的吸收光谱强度至少提高了一个数量级，此研究成果将为紧凑型高分辨率星载气体检测仪的研究提供新的技术方案。

2 试验原理

2.1 比尔-朗伯定律

当光束在介质中传播时，介质对光的吸收会造成光强的衰减。不同介质分子吸收峰对应的波长不同，因此不同介质对应不同的特征吸收光谱。特征吸收光谱就像是分子的“指纹”，可以用来识别不同的介质分子，这即是采用吸收光谱分析法进行物质分析的基本原理[4-5]。

线性条件下，光强分布为Io(λ)的光波在浓度为N的均匀介质中传播距离l后，其光强的衰减可以采用比尔-朗伯定律来描述[6]，即

式中 Io(λ)为初始光强分布；I(λ)为传播距离 l后的光强分布；σ(λ)为样品分子对波长为 λ的入射光的光学吸收截面；N为样品的分子浓度；l为入射光在样品中通过的光程。这就是吸收光谱法所遵循的比尔-朗伯吸收定律。根据该定律，在已知σ(λ)和l的条件下，可根据光强的衰减来判断样品中的分子浓度。

2.2 光谱仪分辨率对吸收光谱峰值的影响

对于具有精细结构的吸收光谱，采用色散型光谱仪测量得到的光谱数据S(λ)是由光源的实际光谱Io(λ)和光谱仪对单色光的响应函数R(δλ)之间的卷积决定的。即

式中 R(δλ)为高斯型；δλ为光谱仪的分辨率。当宽带光源在样品中传输一段距离后，输出光谱为 I(λ)，此时使用光谱仪测量的光谱为

由此所测得的吸收谱为

光谱仪对单色光的响应函数R(δλ)对光谱强度A(λ)有很重要的影响。如图1所示，某一气体分子的吸收光谱具有精细结构，即多个吸收峰，吸收峰的半高全宽小于0.01nm，相邻吸收峰之间间距约为1nm。

根据式(4)，记录了不同分辨率条件下光谱仪测量的吸收谱，如图2所示。分别取δλ为0.1nm和0.01nm，结果表明：在相同光程和气体浓度的情况下，当光谱仪分辨率δλ为 0.1nm，远远大于吸收峰的半高全宽0.01nm时，测得的吸收光谱强度将远小于实际的吸收谱强度；当光谱仪分辨率δλ为0.01nm，其接近或达到吸收谱线的宽度，测得的吸收峰强度更高。因此，光谱仪分辨率对吸收谱强度有重要影响，进而影响测量灵敏度。

图1 1.567μm附近吸收光谱精细结构Fig.1 The fine structure absorption spectrum near 1.567μm

图2 光谱仪不同分辨率测量得到的气体吸收谱（1.567μm附近） Fig.2 The gas absorption spectrum of different resolution of spectrometer（near 1.567μm）

2.3 光纤F-P可调谐滤波器提高光谱分辨率的原理

光纤F-P可调滤波器由光纤F-P干涉仪谐振腔、压电晶体等组成，其主要作用是实现选频。如图3所示，光束在两个平行的高反射光纤端面多次反射发生多光束干涉而输出窄带光，从频域上看是由一系列等间隔的纵模谱线构成，每一个纵模对应一个中心波长λc，计算公式为

式中 n为腔内介质折射率；m为谐振波长级次；Lc为F-P干涉仪的谐振腔长，可由压电晶体来实现控制。通过调节加在压电晶体上的偏置电压实现 F-P干涉仪的谐振腔长的微小变化，从而改变输出波长[7]。

图3 光纤F-P可调谐滤波器原理Fig.3 The schematic diagram of the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

通常用以下两个指标来衡量光纤F-P可调谐滤波器性能[8]：

（1）精细度(FR)

式中 R为F-P滤波器谐振腔端面的反射率。

（2）自由光谱范围（FSR）

自由光谱范围是指F-P滤波器相邻两个透过峰之间谱宽，即F-P滤波器的调谐范围(如图4所示)，一般由式（7）计算。

图4 光纤F-P滤波器对应的透过谱Fig.4 The transmittance spectrum of the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

式中 n为折射率。

使用光纤F-P可调谐滤波器提高光谱分辨率的核心思想是：利用光纤F-P可调滤波器的滤波功能，将超连续光源变成一系列精细度极高、中心波长可调谐的线谱光源（如图4所示），利用光谱仪的色散功能将各条线谱光源分开，得到一系列孤立的线谱，分别测量每个线谱光源在待测样品中的吸收率；然后改变光纤F-P可调谐滤波器压电晶体上的偏置电压，使输出的各条线谱光源的中心波长发生改变[9]，从图5和图6中可以看出，伴随着偏置电压的变化，透过谱线的中心波长也相应的改变；当光纤F-P可调谐滤波器的偏置电压达到一定值时，所有透过的线谱光源都会整体单向移动一个自由光谱范围，到达相邻谐振阶次所对应的波长位置，这样整个待测谱段都能实现扫描。本文利用光纤F-P可调谐滤波器将SLED光源变为可调谐的线光源，结合实验室的微型光栅光谱仪，达到了构建小型紧凑高分辨率的光谱测量装置的目的。

图5 一个自由光谱范围内透射峰随电压的变化Fig.5 The transmission peak variation w ith the voltage in a free spectral range

图6 透射峰中心波长随电压的变化曲线Fig.6 The central transm ission peak wavelength variation w ith the voltage

每改变一次偏置电压，相应测量各条线谱光源的吸收光谱，最后将不同偏置电压下，不同谐振阶次的线谱光源对应的吸收率按照波长排序，共同构成一个完整的吸收光谱。假设完成一个自由光谱范围内的扫描，偏置电压需要变化ΔU，步进间隔为ΔU0，理论上最终得到的完整吸收光谱分辨率δλ为

3 试验测量

本文试验以甲烷为目标气体进行了测量。吸收光谱测量系统由光源、样品池、光谱检测装置组成，如图7所示。试验中光源为超连续发光二极管，其辐射光谱的中心波长为1 620nm，谱宽为100nm（FWHM）。经尾纤输出的光信号通过光纤耦合器耦合到光纤 F-P可调谐滤波器中（M icron Optics FFP-TF2，57mm×26mm×14mm，56g），其自由光谱范围为 1.62nm，透过谱线的半高全宽为0.044nm。试验采用稳压电源来控制光纤 F-P可调谐滤波器的偏置电压，完成一个自由光谱范围内的扫描，偏置电压变化 ΔU为18V。样品池为长腔型，长度为75cm，观察窗为石英。光谱仪采用自制微型近红外光栅光谱仪，尺寸为155mm×120mm×48mm，质量小于2kg。试验中以甲烷作为待测样品，它在1 642nm附近具有较强的吸收，并且谱线具有精细结构。

图7 试验装置示意Fig.7 The schematic diagram of experimental setup

试验中首先测量SLED经过光纤F-P可调谐滤波器后的透过光谱，再测量参考光谱和甲烷吸收谱，并且将测量结果与未加光纤F-P可调谐滤波器的直接测量结果进行对比分析。

1）测量偏置电压为0V条件下F-P可调谐滤波器的透过谱（如图8所示）。图中黑色细线是经过F-P可调谐滤波器滤波后的光谱，红色粗线是直接由超连续发光二极管辐射出来的光谱。为了方便对比，将直接由超连续发光二极管辐射出来的光谱强度减去25dB。从图中可以看出，F-P可调谐滤波器透过谱线的峰值强度与入射光强度基本重合，说明二者成正比关系。

图8 超连续发光二极管经光纤F-P可调谐滤波器的透过谱Fig.8 The transm ittance spectrum of supercontinuum light em itting diode：(a) w ithout and (b) w ith the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

2）测量参考光谱。打开SLED光源预热，同时将样品池抽真空，再充入18kPa的干空气，来测量参考光谱。试验过程中，光谱仪的分辨率为1nm，采集范围为1 625～1 660nm。根据2.3节介绍的内容，改变F-P可调谐滤波器的偏置电压，可以调谐其对应的谐振波长。初始电压0V，每相邻两组完成一次完整的扫描过程后，得到36组数据。

图9为F-P可调谐滤波器在偏置电压为0V、光谱仪分辨率为1nm条件下的谐振波长光谱。由于光谱仪的分辨率数值远远大于F-P滤波器选透谱线的半高全宽，光谱展宽主要由光谱仪的分辨率所致，所以测量结果中透过谱线的半高全宽接近1nm。在数据处理过程中，将不同偏置电压条件下，整个测量范围内（1 625～1 660nm），不同谐振阶次的谱线对应的峰值强度全部提取出来，按照波长排序后得到一个完整的光谱，即为所要测量的参考谱S(λ)。

图9 光纤F-P可调谐滤波器的谐振波长光谱Fig.9 The resonant wavelength spectrum of the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

3）测量甲烷的吸收谱。再次将样品池抽真空，然后充入18kPa的甲烷气体，重复1)、2)试验过程，最后得到对应的信号光谱()Sλ′。根据式（4）最终得到了甲烷的吸收光谱，结果如图9中的黑色虚线所示。根据式（7）得到的吸收光谱分辨率理论上可以达到0.045nm。

此外，本文在试验过程中还测量了未加光纤F-P可调谐滤波器情况下的光谱信号，将气体池左端的光纤准直透镜经光纤直接与SLED光源相连接，采用自制微型光栅光谱仪和商用光纤光谱仪分别测量光谱分辨率为 1nm和0.1nm条件下的相同压强（18kPa）甲烷的吸收光谱，结果分别如图10中的红色细实线和绿色粗实线所示。图10中右上角的小图是部分放大后的结果，通过对比可以看出，加光纤F-P可调谐滤波器后测量得到的光谱信号，要比对应的直接用分辨率为1nm的光谱仪测量结果高 10倍左右，其强度甚至略高于直接用分辨率为0.1nm的光谱仪测量结果。

图10 CH4吸收光谱Fig.10 The CH4 absorption spectrum

上述试验结果说明采用F-P可调谐滤波器和微型光纤光谱仪可实现高分辨率的气体吸收谱测量，将该技术应用于文献[3]报导的基于空芯光子晶体光纤的气体检测装置，可实现紧凑型高分辨率气体监测。

4 结束语

对于具有精细结构的吸收光谱，光谱仪分辨率对测量灵敏度有着很重要的影响。本文创新性地提出采用光纤F-P可调谐滤波器提高吸收光谱测量分辨率的方法，并通过试验进行了验证。在文中试验条件下，使用光纤F-P可调谐滤波器后测量信号强度要高10倍，实现了小型化、紧凑型且具有高分辨率的气体监测方案，可为紧凑型高分辨率的星载气体检测仪的研究提供新的技术方案。

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