基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围.宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件.利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体,搭建了宽带调谐的窄线宽2μm光纤激光器.利用掺铥光纤的再吸收特性,通过合理设计增益光纤长度,得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出,且激光器静态线宽小于0.1 nm,能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求.利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2μm波段的宽带吸收光谱进行了测量.在常温空气中,该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线;在酒精火焰中,该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线.通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06nm,与静态测试结...     

基于掺铥光纤激光器的内腔气体传感系统研究

为拓展可检测范围,利用掺铥光纤激光器产生的2μm波段激光进行呼吸气中水蒸气的内腔气体传感研究。首先,对直接吸收式气体传感技术进行了理论分析。其次,研究了1 570 nm激光泵浦下的掺铥光纤特性,其自发辐射谱主要分布在1.85～2.05μm波段;搭建了全光纤掺铥光纤环形激光器,并采用可调谐滤波器实现了1 927.5～1 985 nm范围内波长输出,激光线宽为0.05 nm,表现出单纵模窄线宽稳定输出的特点。最后,引入波长扫描技术,实现了对呼吸气中水蒸气在1 928～1 938 nm范围内光谱扫描,分辨了8条吸收谱线,与基于HITRAN光谱数据库的仿真光谱一致,波长定位的绝对误差低于0.03 nm。结果表明该内腔气体传感系统适用于2μm波段气体传感检测。     

2 μm波段宽带可调谐全光纤激光器

设计并实验研究了一种采用Fabry-Perot (F-P)光纤滤波器的2 μm波段宽带可调谐全光纤环形激光器,经过放大的1 550 nm半导体激光泵浦单模铥-钬共掺光纤(THDF)获得2 μm波段宽带增益。实验结果表明,该结构在2 μm波段获得了195 nm调谐范围的激光输出,线宽0.05 nm,边模抑制比66.98 dB。整个结构采用铥-钬共掺光纤放大结构,可使输出功率达到瓦级。     

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

3.4μm处NO2吸收光谱特性及在差分吸收激光雷达中的应用

为使中红外差分吸收激光雷达能够精确测量NO_2气体浓度,对NO_2在中红外波段的吸收光谱特性进行测量分析.采用光参量放大激光器的λon和光参量振荡激光器λoff两路激光分别进行吸收谱线测量实验.用谱线宽小于0.05nm的λon激光测量了NO_2气体在3 410～3 433nm的吸收光谱,计算得到其吸收截面,采集分析了NO_2在291K、308K、363K三个温度下的光谱特性,用谱线宽约为10nm的λoff激光采集了3 400～3 435nm的吸收谱线.测量结果表明,在3 410～3 433nm波段,温度和吸收截面值呈负相关,测量的谱线与HITRAN数据库相关系数达到0.92以上;针对λoff激光下的吸收谱线,采用了改进的卷积修正方法,测量结果和拟合结果相关系数为0.97.将实测的on和off波长处的吸收截面应用于使用该波长对的中红外差分吸收激光雷达仿真上,拟合差分吸收激光雷达系统浓度测量误差,验证了基于该波长对的差分吸收激光雷达方案的可行性.     

可调谐半导体激光吸收光谱技术检测痕量乙烯气体的系统研制

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)利用激光器的窄线宽和波长调谐特性,使其扫描被测气体的单个吸收峰,实现痕量气体的高分辨率、高灵敏度快速检测。通过分析近红外波段的乙烯吸收谱线特性,选取1 626.8 nm附近的吸收峰作为检测谱线,研制了基于white池结构的TDLAS检测系统,结合波长调制和二次谐波检测,对体积分数为20～1 200 ppmv的乙烯气体进行了测量,推算该系统的检测下限约为10 ppmv。     

温度调谐技术测量CO2在6320～6336cm-1波段的吸收光谱

针对当前可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)技术中调谐范围、调谐时间以及系统复杂性方面存在的不足,提出了利用激光器模块中的热电制冷器(TEC)和负温度系数(NTC)热敏电阻等元件对激光二极管(LD)进行温度宽谱调谐的方法,并在快速温度调谐过程中精确计算激光器的辐射波长。利用温度调谐二极管吸收光谱技术在3s的时间内测得了CO2气体在6320～6336cm-1波段的高分辨率吸收光谱。在此波段共测得8个较强吸收线。将得到的光谱参数与HITRAN 2008中的数据比较,吸收线位置、线强以及半峰全宽(FWHM)的偏差分别小于1%,3%以及6%。另外,测得的14条较弱的吸收谱线也与谱库中的谱线参数吻合。     

1．3μm附近CO2的高灵敏度吸收光谱

采用可连续调谐半导体二极管激光器作为探测光源,将长程多通池吸收光谱、波长调制和谐波探测技术相结合,建立了一套具有高检测灵敏度和高分辨率的测量气态分子光谱及进行微量分析的研究装置.可以测量6.67×102Pa下～10-27 cm-1·(molecule·cm-2)-1的强度,最小可探测吸收达到～10-8.并利用该装置测量了CO2气体在1.31 μm附近的近红外吸收光谱,并用最小二乘法拟合实验数据获得了这一波段谱线的参数.同时测量的谱线参数与HITRAN数据库相比,发现15条数据库上没有报道的弱谱线.     

基于Er∶YAG单频可调谐激光器的甲烷吸收光谱测量

采用1.6μm激光差分吸收是探测甲烷(CH4)气体浓度的一种重要手段。通过对CH4气体吸收光谱的理论分析及计算,并基于Er∶YAG单频可调谐激光器,在实验室测量了CH4气体对1.645μm激光的吸收谱线。实验结果对研制用于测量CH4气体浓度的差分吸收激光雷达光源有重要意义。     

1μm波段宽带可调谐锁模光纤激光器

报道了一种工作于1μm波段、正常色散区、基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模光纤激光器。激光器以高掺杂Yb光纤为增益物质,结合可调谐滤波器,形成环形腔结构。采用976nm半导体激光器抽运,当抽运功率大于16dBm时,激光器可实现1033～1069nm波长范围内重复频率为25.4MHz的宽带可调谐输出,性能稳定,在调谐范围内均可观测到非常规则的矩形输出光谱。在固定抽运功率下,对调谐范围内输出功率、光谱带宽、时域脉宽进行了实验测量和分析。在波长为1064nm时,用单通道光栅对将谱宽为1.745nm、时域脉宽为34.85ps的脉冲压缩至15.45ps。     

Widely ultra-narrow linewidth 104 nm tunable all-fiber compact erbium-doped ring laser

A widely tunable narrow linewidth compact erbium-doped all-fiber ring laser with 104 nm tuning range was reported. An all-fiber Fabry-Perot filter (FFP-TF) was used to realize the laser tuning output, and the wavelength at constant voltage had high time stability. With the 8 m length erbium-doped fiber as gain medium, we realized widely tunable laser from 1513 to 1617 nm with the linewidth less than 40 pm at any wavelength. Pumped by the 976 nm laser diode, the fiber laser worked with slope efficiency of above 10% and threshold of less than 21 mW.     

可调谐环形腔光纤光栅激光器

采用新颖的调谐方式,实现了可调谐光纤光栅环形腔激光器的运转,得到了稳定的可调谐,窄线宽激光输出,调谐范围为５．７ｎｍ,线宽小于０．１ｎｍ。     

TDLAS氧气测量系统中激光器调谐性能测试与优化

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术以其分子光谱高选择性、速度快、灵敏度高、非接触测量等难以取代的优势,成为燃烧过程诊断等应用的首选,可以有效用于氧气测量。DFB(分布反馈)半导体激光器以其体积小、功耗低、寿命长、线宽窄、波长可调谐等优点成为TDLAS系统的主要选择,而其调谐特性是制约系统测量性能的关键因素。根据TDLAS氧气测量系统工作要求,采用一种简单易行的实验方法对系统中用到的764 nm DFB激光器的电流波长、温度波长和电流功率等重要调谐特性进行了测试和分析,发现出射光谱窄线宽、高边模抑制比和宽波长可调谐范围等特点明显,电流波长调谐曲线近似但并非严格线性、调谐速率约0.023 nm·mA-1,温度越高阈值电流越大、PI曲线也并非严格线性,温度调谐特性曲线线性较好、波长温度调谐速率基本保持恒定约为0.056 nm·℃-1。可见各种调谐曲线的非线性失真比较明显,影响氧气测量精度。温度调谐非线性可以通过温控精度的提高来消除,电流功率调谐非线性可以通过设置参考光强来消除。为了进一步解决电流波长调谐非线性问题,根据DFB半导体激光器的调谐机理和电流波长测试结果的多项式拟合,考虑通过DA控制注入电流的方式对电流波长调谐非线性进行补偿。这种方法针对不同激光器只需在系统初次工作之前进行一次多项式拟合,方案合理、实现简单且不影响测量过程。实验证明,补偿之后的λI曲线线性拟合残差小于1 pm,远小于补偿前的22 pm,效果明显,为氧气各种参数TDLAS精确测量和反演提供了依据。     

Tunable, μs-pulsed ytterbium fiber laser system with a linewidth below 2.7 GHz

We report on a widely tunable, pulsed laser system with narrow spectral linewidth based on a continuous wave ytterbium fiber oscillator, a pulse shaper and a power amplifier stage. The system is tunable from 1055 nm to 1085 nm and provides a maximum pulse energy of 155 μJ with a pulse duration of 1-5 μs. The linewidth is less than 2.7 GHz over the whole tuning range.     

Wideband wavelength tunable fiber ring laser with flattened output power spectrum

A wavelength tunable erbium-doped fiber ring laser with flattened output power spectrum over a broadband is proposed and demonstrated. The power flattening is achieved using a high-birefringence fiber loop mirror, in which a number of high-birefringence fiber sections and polarization controllers are used to get a reflection spectrum that can compensate for the output power spectrum. The wavelength tuning is realized by compressing or stretching the FBGs in the laser cavity. A 1×3 switchable fiber Bragg grating array is incorporated into the fiber ring to get a wideband tuning range of 38 nm, from 1527 to 1565 nm. Within this range, the output power uniformity is controlled within ±0.8 dB. The total output power is about 4 dBm, the 3-dB linewidth is 0.01 nm, and the side mode suppression ratio is more than 48 dB.     

Wideband tunable laser phase noise reduction using single sideband modulation in an electro-optical feed-forward scheme

A wideband laser phase noise reduction scheme is introduced where the optical field of a laser is single sideband modulated with an electrical signal containing the discriminated phase noise of the laser. The proof-of-concept experiments on a commercially available 1549 nm distributed feedback laser show linewidth reduction from 7.5 MHz to 1.8 kHz without using large optical cavity resonators. This feed-forward scheme performs wideband phase noise cancellation independent of the light source and, as such, it is compatible with the original laser source tunability without requiring tunable optical components. By placing the proposed phase noise reduction system after a commercial tunable laser, a tunable coherent light source with kilohertz linewidth over a tuning range of 1530-1570 nm is demonstrated.     

基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一种近红外乙炔气体检测系统。通过分析近红外波段乙炔分子的吸收谱线特性,选择了1.534 μm附近乙炔分子的吸收峰作为吸收谱线。该系统主要由分布反馈激光器、激光器驱动器、单光程对射式气室、光电探测模块及数字式锁相放大器构成。为了测试该检测系统的性能,配备了乙炔气体样品并开展了气体检测实验。实验结果显示,该系统的最小检测下限为0.02%;在体积分数为0.02%～1%范围内,二次谐波幅值与乙炔气体浓度呈现出良好的线性关系。通过长达20 h的稳定性实验测试了检测系统稳定性。鉴于近红外波段石英光纤传输损耗很小,可以将气室及光路部分与电路部分分离,从而可以进行远程气体检测,这是基于量子级联激光器、热光源的乙炔检测系统难以实现的。该系统采用了自主研制的分布反馈激光器驱动器和锁相放大器,结构简单,性价比高,便与集成,在工业现场乙炔浓度检测方面有着良好的应用前景。     

基于中红外差频激光测量水汽分子同位素丰度

稳定同位素比值的测量在地质学、气象学和地球科学的研究中具有重要的应用价值。水汽同位素丰度的测量对理解与干旱相关的同温层大气科学具有重要的意义。水汽分子在2.7 μm附近具有较强的吸收,适宜于高灵敏度光谱的测量。文章报道了利用差频技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),将调谐范围在750～840 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器和单频连续的Nd∶YAG激光器,耦合到周期性极化铌酸锂非线性光学晶体中,产生2.5～4 μm波段的中红外可调谐激光。选择周期为20 μm的PPLN晶体,产生2.7 μm附近的中红外差频激光,利用差频产生的中红外激光光源,具有窄线宽、宽调谐等优点。结合光程为100 m的Herriott型多通吸收池,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽分子同位素,得到了同位素比值R及17O,18O,D的丰度值δ,实验所测R值与国际标准具有很好的一致性。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱气体检测仪的数据采集与实验分析

可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,它利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其它气体的干扰实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。讨论在工业环境下气体检测系统中数据采集与信号处理方法,分析了实验结果。在工业数据采集和处理系统中如何提高实时性和通用性,是设计者首要解决的问题。在VC++环境下,多线程技术和面向对象方法,实现了实时数据采集,不存在采集丢点问题,成功地实现了数据的准确完整性与实时性,并且在新的数字信号处理中提高了系统的测量精度、重复性和稳定性,满足了工业气体在线检测的需要。