中红外差频光源应用于实际大气水汽浓度测量

基于非线性光学效应,采用差频发生技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),在周期性极化的铌酸锂晶体(PPLN)中产生了中红外的可调谐激光源。泵浦光是一个功率为1 W、调谐范围在770到870 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器。信号光是一个功率为1 W、单频连续的Nd∶YAG激光器。当晶体的光栅周期为20 μm、温度调谐范围内在室温到200 ℃之间时,能够产生2.8 μm附近的、功率约为1～2 μW的差频光源。基于这个光源,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽(001←000)吸收带的吸收光谱。依据大气中水汽分子在8.5 cm的吸收光程条件下的吸收光谱,成功地测量得到了大气中的水汽浓度。     

中红外波长可调谐激光器及其在葡萄糖检测中的应用

提出一种激光器发射波长和功率控制与稳定的方法,研制出波长范围在9.19~9.77 μm,可应用于葡萄糖检测的中红外波长可调谐CO₂激光器,发射光谱半波宽度为4 cm-1,光谱分辨率达到2.7×104,最高功率为800 mW,功率波动性＜0.8%。根据葡萄糖在中红外指纹谱波段的吸收特性,选择激光器发射光谱9R和9P带的1 081,1 076,1 051,1 041和1 037 cm-1作为测量波长,利用ATR传感器测量了PBS溶液中葡萄糖浓度。结果表明五个测量波长下的吸收度与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系(R2＞0.99,SD＜0.000 4,P＜0.000 1),且该波长可调谐激光光谱测量系统的灵敏度是传统FTIR光谱仪的4倍左右。     

中红外波段大气碳同位素激光吸收光谱研究

大气碳同位素在环境污染源汇示踪和地球化学发展等方面的应用越来越广泛,在其探测技术方面,激光吸收光谱技术具有体积小、可在线、灵敏度高等优点,在气体同位素探测中越来越受到重视。工作中研究了2.7 μm波段的分布式反馈激光器(distributed feedback laser, DFB)可调谐半导体激光器的性能,在遵循12CO₂和13CO₂同位素分子吸收谱线特征和同位素分子谱线选择原则的基础上,确定了合适的激光器输出波长。结合光程390.3 m的新型多次反射池,实现了大气中CO₂分子的δ13C同位素丰度探测。     

1.315μm区域高分辨力水汽吸收光谱研究

水汽吸收特性的研究对评估激光通讯和激光传输等具有重要的意义,因此水汽吸收光谱的研究在理论和工程方面都有重要应用。用工作在室温下,窄线宽、宽调谐范围分布反馈(DFB)二极管激光器作光源,结合光程可调、最长光程为1097m、可控温的改进型千米级怀特(White)池,精确地测量了水汽在1．315μm附近的高分辨力、高灵敏度吸收光谱,得到了水汽分子1．315μm附近31条主要吸收线的位置、谱线强度、压力自加宽系数等参量,测量结果与HITRAN数据库中的值很好地一致。实验中使用先进的电子技术和计算机控制技术,大大提高了实验的效率,确保了实验结果的可靠性。     

2 μm附近CO2谱线参数测量及应用

吸收光谱技术用于痕量气体浓度监测,特别是在气体分子稳定同位素丰度探测中,吸收谱线参数的准确性非常重要,目前普遍使用的HITRAN数据库中给出的各项参数具有一定的不确定性。为利用2.0 μm激光波段进行CO₂浓度及其同位素丰度探测,需要对该波段的CO₂吸收谱线参数进行校准,采用窄线宽分布反馈式二极管激光器作为光源,结合自行搭建的谱线参数测量系统,采集了2.0 μm波段10条CO₂吸收谱线,获得了各谱线的位置、强度、自加宽系数和N₂加宽系数,并与HITRAN2012数据库中相应的数据进行对比发现两者之间吻合较好,CO₂谱线强度和自加宽系数相对偏差均小于2%。实测实验室大气的CO₂浓度为440 ppm,13CO₂的丰度值δ为-9‰。测量结果为该波段应用于CO₂浓度及13CO₂同位素丰度的实时在线探测提供了重要参考依据。     

基于室温脉冲工作量子级联激光器的脉间光谱技术研究

量子级联(QC)激光器是唯一能在室温产生中红外辐射的半导体激光器。它的宽调谐范围、高输出功率和单模工作的特性,使得它非常适用于高分辨率光谱分析。结合中红外光谱区是气体分子的基频强吸收特性,基于室温脉冲工作的量子级联激光器的吸收光谱检测技术以其灵敏度高、选择性强及响应快速等特点,成为痕量气体探测的有效方法。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉间光谱技术,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在2178.2cm-1附近的N2O的吸收谱线。     

碘稳频中红外差频激光光谱技术

为实现中红外波段的高精度线型研究,建立了一套在2.5～5um波段连续可调谐的中红外差频激光光谱测量系统.基于宽带连续可调谐钛宝石激光器(700 ～900 nm)和单频连续Nd:YAG激光器(1064 nm),利用碘多普勒展宽吸收和频率调制技术,对Nd:YAG激光的频率进行反馈控制,使1064 nm的Nd:YAG激光的波长稳定性好于1X10-5 cm-1由此差频输出的波长稳定性达到1×10-1cm-1水平,适合高精度的线形研究.并通过对CH4分子在2927 cm-1附近吸收谱线的测量,表明该系统可以结合频率调制方法,进行高灵敏的光谱检测.     

基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测方法研究

基于中红外光源的气体光谱检测是新的痕量气体监测与分析方法,在大气监测领域具有重要的应用。构建了一套基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测系统。该系统以1 550 nm和1 060 nm波段可调谐半导体激光器作为基频光源,采用PPLN晶体作为差频非线性变频器件,实现了3.3 μm处的窄线宽可调谐中红外光源输出。实验结果表明,当PPLN晶体工作温度为99.5℃时,闲频光的输出功率为112 μW,差频转换效率达到1.246 mW/W2。晶体的温度接受带宽为4.3℃,泵浦光波长接受带宽为5.3 nm。在此基础上,分别利用直接吸收法和谐波检测法获得了3 028.751 cm-1处的甲烷气体吸收光谱和二次谐波检测信号。     

三硼酸锂晶体Ⅰ类非临界相位匹配下近红外波段的差频产生

利用差频发生器产生波长范围为1.1~2.2μm的可调谐近红外激光.实验搭建了差频光路系统,以0.56~0.71μm染料激光器作为泵浦光、1.064μm的半导体激光器作为信号光,经过三硼酸锂晶体在Ⅰ类相位匹配方式条件下通过温度调谐非临界相位匹配方式差频产生较高功率的近红外激光,在近红外波段测得其平均输出功率在30mW以上.泵浦光功率为1.2 W、信号光功率为0.31 W时,测得差频波长为1.54μm的输出功率为35mW,转化效率达11.7%.该近红外差频发生器具有宽调谐、窄线宽的特点.     

2.9μmTm,Ho∶LuAG激光晶体的生长与光谱性能研究

采用提拉法成功生长出了高光学质量的Tm,Ho∶LuAG(Lu3Al5O12)激光晶体,对其光谱性能进行了研究。测量了晶体320~3000nm范围内的吸收光谱,在784nm附近有较宽的吸收带,半峰全宽约为12nm。用784nm半导体激光器(LD)作激发源,测量了晶体2800~3000nm范围内的稳态荧光光谱,并用光参量振荡(OPO)脉冲激光激发,测量了晶体的瞬态荧光光谱,对数据曲线进行指数衰减拟合,获得了晶体2.9μm附近波长激光上下能级5I6和5I7的寿命,分别为51μs和7.5ms。与Tm,Ho∶YAG(Y3Al5O12)晶体的光谱参数进行了比较,结果表明,Tm,Ho∶LuAG是一种相对容易获得2.911μm中红外激光输出的激光晶体。     

基于复合腔的波长可调谐连续橙红色激光器

设计并研制了一种基于复合腔结构的波长可调谐、瓦级连续输出的橙红色激光器.该激光器是由半导体激光侧泵Nd∶GdVO_4晶体产生p-偏振1 062.9nm基频光的谐振腔和使用周期性极化晶体MgO∶PPLN(三个极化周期为29.0μm、29.8μm和30.8μm)的单共振光学参量振荡器组成.在两个谐振腔的重叠区域,利用Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体对s-偏振信号光与p-偏振1 062.9nm基频光进行腔内和频.通过对MgO∶PPLN晶体进行三个不同极化周期的调谐和30℃~200℃范围内的温度调谐,在三个波段(613.4~619.2nm@29.0μm、620.2~628.9nm@29.8μm和634.4~649.1nm@30.8μm)获得了波长可调谐的橙红色激光连续输出,并在相应波段(3 980.0~3 758.5nm@29.0μm、3 714.2~3 438.3nm@29.8μm和3 278.0~2 940.2nm@30.8μm)获得了波长可调谐的中红外闲频光的连续输出.在30℃最低调谐温度,通过改变晶体的极化周期,在613.4nm、620.2nm和634.4nm处测得最大连续输出功率分别为1.52 W、2.21 W和3.03 W,对应的三束闲频光最大连续输出功率分别为2.36 W@3 980.0nm、3.17 W@3 714.2nm和4.13 W@3 278.0nm.     

Generation of ultrafast mid-infrared laser by DFG between two actively synchronized picosecond lasers in a MgO:PPLN crystal

We report the difference-frequency generation (DFG) of ultrafast mid-infrared laser radiation around 3???m between two picosecond laser pulses with the center wavelengths of 800?nm and 1064?nm in a MgO:PPLN crystal at room temperature. The two laser pulses were generated from the actively synchronized picoseconds Ti:sapphire and Nd:YVO₄ oscillators. We measured the DFG wavelengths tunable from 3.19?C3.29???m and the output power is potential to be several mW. This experiment proves a possible roadmap for ultrafast mid- and far-infrared laser radiation generation and even for the THz radiation.     

Difference-frequency power generation in the 6.7–10.5 μm spectral region in very thin proustite crystals

Twenty watts of tunable, pulsed i.r. power in the 6.7–9 μm spectral region were generated from the difference frequency between the outputs from a Q-switched ruby laser and a tunable narrow-bandwidth, near-i.r. dye laser mixed in a 1-mm thick proustite crystal. The i.r. halfwidth was measured to be approx. 0.1 μm. At 10.5 μm, where there is strong absorption of radiation, 5 W of power were recorded.     

半导体激光直接倍频的488nm蓝光激光器

利用波导型准相位匹配周期极化反转铌酸锂(PPLN)晶体直接倍频波长为976 nm的连续半导体激光二极管,在最佳晶体工作温度(28℃)下,获得了波长为488 nm的连续蓝光输出,最大输出功率大于20 mW。所用的晶体尺寸为8 mm×1.4 mm×1 mm,波导截面为4.5μm×3.5μm,极化周期为5.2μm。研究了波导型周期极化反转铌酸锂晶体的倍频效率与温度的关系,与普通的周期极化反转铌酸锂相比,倍频效率与温度关系的敏感度较低。同时,由于晶体可以在室温下工作,简化了加温与温控部件,提高了整机的工作效率。在此实验的基础上,制成了一台小型的全固态488 nm连续蓝光激光器。     

Trace-gas sensor based on mid-IR difference-frequency generation in PPLN with saturated output power

The development and characterization of a compact pulsed mid-IR laser source for sensitive on-line trace-gas analyses in the 3–4 μm wavelength range is reported. The source is based on an advantageous difference-frequency mixing configuration in periodically poled LiNbO₃ (PPLN) with a cw external-cavity diode laser (ECDL; 810–830 nm) for broad and accurate tunability and a diode-pumped passively Q-switched Nd:YAG laser (1064 nm) for high mid-IR peak power. With 5 mW cw pump and 4.7 kW signal peak power incident on a 19 mm long PPLN crystal, a maximum of 360 μW mid-IR peak power was generated. The narrowband (∼150 MHz) radiation was saturated by a factor of 15 compared with the nonsaturated case due to depletion of the pump laser radiation. This results in a very high amplitude stability of the generated mid-IR power and thus in a high detection sensitivity. A minimum detectable absorption coefficient of 2.8×10⁻⁸ cm⁻¹ was achieved in combination with a 36.2 m multipass cell in an averaging time of 20 s, as demonstrated by on-line analyses of formaldehyde traces near 3.53 μm.     

Absolute frequency spectroscopy of CO2 lines at around 2.09 μm by combined use of an Er:fiber comb and a Ho:YLF amplifier

The low-frequency tail of an octave-spanning supercontinuum (SC) generated by an Er:fiber comb is enhanced by a multipass Ho:YLF amplifier and used in a sum-frequency-generation scheme to obtain absolute referencing of a single-mode Tm-Ho:YAG laser tunable around 2.09 μm. By tuning the comb repetition frequency, the probing laser is scanned across the absorption lines of a CO(2) gas sample and highly accurate absorption profiles are measured. This approach can be readily scaled to any wavelength above ~2 μm.     

波长可调谐的瓦级连续橙红光激光器

介绍了基于复合腔结构的全固态波长可调谐的连续橙红色激光的输出特性。该复合腔由一个使用周期极化晶体MgO:PPLN的信号光单谐振光参量振荡器和一个LD侧面泵浦Nd:GdVO₄晶体的1 062.9 nm基频光谐振腔构成。s-偏振1 062.9 nm泵浦光抽运单谐振光参量振荡器产生s-偏振信号光腔内独立振荡。通过复合腔结构的优化设计,使独立振荡的p-偏振1 062.9 nm基频光与s-偏振信号光在2个子腔的重叠区内通过Ⅱ类角度匹配KTP晶体的腔内和频过程获得橙红色激光。当MgO:PPLN晶体的调谐温度从30 ℃上升至200 ℃时,s-偏振信号光的中心波长产生红移,导致其与p-偏振1 062.9 nm基频光和频产生的橙红色激光的中心波长从620.2 nm红移至628.9 nm。同时测得中红外波段闲频光的中心波长从3 714.2 nm蓝移至3 438.3 nm。在30 ℃最低设定温度时, 中心波长620.2 nm的橙红色激光和中心波长3 714.2 nm的闲频光最大连续输出功率分别达到2.0 W和2.9 W。     

Fiber-laser-based femtosecond parametric generator in bulk periodically poled LiNbO(3)

A diode-pumped system for optical parametric generation of wavelength-tunable femtosecond pulses is demonstrated. It comprises an Er-doped fiber mode-locked laser, a fiber chirped-pulse amplifier, and a bulk periodically poled LiNbO(3) (PPLN) optical parametric generator. The parametric generator is pumped at 777 nm with frequency-doubled microjoule pulses from the fiber amplifier and produces 300-fs pulses tunable from 1 to 3microm with output energies up to ~200 nJ. Use of a PPLN nonlinear crystal substantially reduces the pump energies required for efficient parametric generation. Saturated single-pass parametric energy conversion of 38% (internal) has been achieved with only 220 nJ of pump inside the crystal. A parametric generation threshold of 54 nJ is observed, and efficient parametric conversion is obtained with repetition rates up to 200 kHz.