1.31μm附近水汽分子的自加宽系数、氮气加宽系数的测量

采用窄线宽二极管激光器与1 km的怀特池相结合来提高光谱探测灵敏度,最小可探测谱线吸收强度为10-27cm-1/(molecule.cm-2)。根据记录的光谱数据精确计算出7599~7616 cm-1波段内水汽分子的谱线强度、自加宽系数和氮气加宽系数,实验结果与HITRAN96和HITRAN2004数据库进行了比较,存在一些差异。测量的谱线参量与HITRAN96相接近,与HITRAN2004相差较大,有7条HITRAN96中没有的新谱线被观测,有5条在HITRAN2004数据库中被证实,另外观测到2条谱线在HITRAN96中被列出,而在HITRAN2004没有给出。     

水汽分子对CO_2谱线加宽的影响

报道了以高分辨力连续可调谐中红外差频激光为探测光源,结合可调长光程怀特池,利用直接吸收的方法探测了CO2的10011←10002带R支以及部分P支在室温下的水汽加宽吸收光谱。在2422cm-1到2457cm-1范围内共有26条吸收谱线被探测到,采用Voigt线型对吸收谱线进行拟合,得到了CO2光谱的水汽加宽系数,结果显示CO2的水汽加宽系数平均比干燥空气的加宽系数大52%。利用实验测得的CO2的水汽加宽系数与HITRAN04数据库中CO2谱线的线位置、线强和干燥的空气加宽系数进行比较,分析了在实际大气中(海平面,10km光程)不存在水汽和存在水汽(含有2.0kPa水汽)时该波段CO2的大气透过率,结果表明潮湿空气与干燥空气之间的最大透过率差约为0.5‰。     

13CH4分子v3振动带空气和氮气加宽系数温度依赖性研究

采用中红外波段连续可调谐二极管激光器和自行研制的低温吸收池, 测量了温度为296 K, 252 K, 213 K, 173 K时, 3.38 μm附近¹³CH₄分子的四条跃迁谱线的氮气和空气加宽光谱; 首次通过实验获得空气和氮气对¹³CH₄分子的碰撞加宽系数, 以及谱线加宽系数的温度依赖系数. 实验过程中, 利用Voigt线型对所测量的光谱进行拟合. 实验结果表明, 氮气和空气对¹³CH₄分子的碰撞诱导加宽系数随温度的降低而增大; 相同温度下, 氮气对¹³CH₄分子的碰撞加宽系数普遍大于空气加宽系数. 实验数据为地球和外星体大气遥感探测提供了依据.     

1.517 μm附近水汽分子谱线加宽系数的腔衰荡光谱测量

 以超低膨胀系数微晶玻璃为腔体，以分布反馈式激光器为光源，建立了一套等噪声测量灵敏度为3.2×10^-9 cm^-1的调腔式连续波腔衰荡光谱系统。应用该系统对1.517 μm附近(6 586.5~6 596.5 cm^-1范围内)的7条水汽吸收谱线进行了实验研究，测得了这些谱线在氮气、空气环境下的谱线加宽系数。根据测得的结果，得到了此波段水汽的空气加宽系数与氮气加宽系数之比为0.896 9±0.068 7(3倍标准误差范围内)，并就测得水汽的谱线加宽系数与HITRAN2004数据库数据进行了比较。     

一种时间分辨激光诱导击穿光谱的测量方法

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种动态光谱。时间分辨LIBS光谱测量是研究激光诱导等离子体演化和谱线自吸收的重要技术。结合激光诱导击穿光谱测量的时序特性,提出一种利用常规性能光谱探测设备获得微秒级时间分辨LIBS光谱的测量方法。通过控制毫秒级光谱探测设备的积分延迟时间,获得不同延时下的LIBS光谱信号,对所得光谱进行处理得到相应特征谱线拟合强度,将所测的特征谱线强度按照一定的时间间隔进行差分,得到差值即为差分间隔时间内特征谱线的积分强度。采用差分时间间隔应大于系统最差时序精度,同时优选无重叠干扰和背底连续的谱线信号进行分析。以等离子体产生后持续时间为横坐标,计算所得谱线差值强度为纵坐标,即可获得特征谱线的强度演化曲线。通过实验验证,使用积分时间为毫秒量级光谱仪和时序精度为0.021微秒控制系统,该方法可以实现微秒量级时间分辨LIBS光谱测量,可用于表征LIBS光谱特征谱线演化过程,降低了LIBS光谱时间分辨测量系统成本。     

2μm波段再入射离轴积分腔输出光谱设计与实验

离轴积分腔输出光谱技术(off-axis integrated cavity output spectroscopy, OA-ICOS)是一种高灵敏度的激光光谱测量技术.但由于使用密集的高阶模进行光谱探测,OA-ICOS输出信号强度较低,使得探测灵敏度高度依赖于光源功率.针对该问题,本文引入光学再入射的方法,使激光再次注入光腔,以提高能量利用率和输出信号强度.本文使用三维光追踪模拟软件,设计再入射结构,研究了影响信号增益的多个因素.并搭建一套2μm波段的再入射OA-ICOS装置,开展了一系列研究实验.实验数据表明:再入射方法使OA-ICOS信号增强了8倍,信噪比提升了4.6倍,有效改善了探测灵敏度和光谱的吸收深度,缓解了探测中遇到的信号功率低的问题,为使用低功率光源和高反射率腔镜提供了有效的方法.     

采用离轴入射的腔增强吸收光谱研究

为了改善腔增强吸收光谱的探测灵敏度和光谱分辨率,通过将激光光束离轴注入光学谐振腔中,减小了谐振腔内振荡,提高了模式密度,使得谐振腔被近似看作为“怀特池”。采用记录波长在扫描过程中实际变化的方法,对光谱数据进行了非线性校正,省去了参考光路的布置,简化了实验光路。对二氧化碳在1．572μm处的一条弱吸收谱线进行了测量,得到了大小为1．98×10^-7cm^-1的最小探测灵敏度。实验结果表明同等实验条件下,光束离轴入射时比正轴入射时的腔增强吸收光谱具有更高的信噪比和光谱分辨率。     

N_2O气体分子V_3-V_1差频带的定量光谱

用N_2O激光器和多程white型试样池,测量了N_2O对分子10μν_s—ν_1差频带的10条谱线的线强度,自加宽系数和N_2加宽系数,拟合和计算了谱线强度,并运用ATC和QFT碰撞加宽理论对加宽系数作了理论计算。结果表明两者符合很好。     

基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH₄/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1,系统测量误差小于4.5%,燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。改变当量比从0.8到1.2时,得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K,CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。研究发现随着当量比的提高,燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、检测灵敏度高等优点,可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。     

反馈式跑道型光学微环的传感灵敏度研究

提出了一种由U型反馈波导、跑道谐振腔和敏感环组成的反馈式跑道型光学微环传感器.采用耦合模理论推导了该传感器的归一化输出光强公式,数值分析了传输损耗因子、自耦合因子和敏感环尺寸对归一化输出光强的影响.分析表明:敏感环的损耗因子对归一化输出光强的调制作用明显,只要损耗因子发生微小变化,输出光强即发生较大变化;敏感环工作在弱耦合状态时传感灵敏度较高;敏感环的尺寸对传感灵敏度影响较大,适当地调整敏感环的大小可得到陡峭的输出光强谱线.对结构参数进行优化后不仅可以输出尖锐陡峭的非对称法诺谐振光强谱线,而且具有较高的法诺谐振光谱斜率,能更好地增强传感灵敏度.在信噪比为30dB的测量系统中,优化的反馈式跑道型光学微环传感器的探测极限达4.48×10-8单位折射率.     

Optimum signal-to-noise ratio in off-axis integrated cavity output spectroscopy

The signal-to-noise ratio (SNR) in off-axis integrated cavity output spectroscopy (OA-ICOS) is investigated and compared to direct absorption spectroscopy using multipass absorption cells [tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS)]. Applying measured noise characteristics of a near-IR tunable diode laser and detector, it is shown that the optimum SNR is not generally reached at the highest effective absorption path length. Simulations are used to determine the parameters for maximized SNR of OA-ICOS.     

磁旋转腔增强光谱技术

为了提高吸收光谱的探测灵敏度,在弱吸收或短光程吸收的情况下实现高灵敏探测,将腔增强光谱技术与磁旋转光谱技术有效地结合起来,发展了高灵敏的磁旋转腔增强吸收光谱技术,并通过测量O2 的三重禁戒跃迁谱线验证了该技术的探测灵敏度。实验采用环型增强腔,以避免光束的返回对激光器的干扰。给出了腔的耦合匹配条件,以及镜面反射率、腔损耗对增强因子的影响;同时也给出了在实验中对光谱信号的处理方法。测量结果表明,在谐振腔精细度为F=48,腔内总损耗为13%,以及腔镜的耦合效率为 95%的情况下,对 O2 分子最小相对吸收度约为4.5×10-8(1 s积分时间)。     

Optical cavity coupled surface plasmon resonance sensing for enhanced sensitivity

A surface plasmon resonance (SPR) sensing system based on the optical cavity enhanced detection tech-nique is experimentally demonstrated. A fiber-optic laser cavity is built with a SPR sensor inside. By measuring the laser output power when the cavity is biased near the threshold point, the sensitivity, defined as the dependence of the output optical intensity on the sample variations, can be increased by about one order of magnitude compared to that of the SPR sensor alone under the intensity interrogation scheme. This could facilitate ultra-high sensitivity SPR biosensing applications. Further system miniaturization is possible by using integrated optical components and waveguide SPR sensors.     

Stochastic resonance in single-mode semiconductor lasers

Owing to the considerable virtues of semiconductor lasers for applications, they have become the main optical source for fiber communication systems recently. The behavior of stochastic resonance (SR) in direct-modulated semiconductor laser systems is investigated in this article. Considering the carrier and photon noises and the cross-correlation between the two noises, the power spectrum of the photon density and the signal-to-noise ratio (SNR) of the modulated laser system were calculated using the linear approximation method. We found that the SR always appears in the dependence of the SNR upon the bias current density, and is strongly affected by the cross-correlation coefficient of the carrier and photon noises, the frequency of modulation signal and the photon lifetime in the laser cavity. Hence, it is promising to use the SR mechanism to enhance the SNR of direct-modulated semiconductor laser systems and improve the quality of optical communication.     

位于第三近红外窗口的平坦光纤超连续谱产生

报道了一种基于非线性偏振旋转效应的被动锁模光纤激光器。采用980 nm分布式反馈激光器作为泵浦源,0.5 m长的高掺杂掺铒光纤作为增益介质。实现了脉冲宽度为822 fs的传统孤子锁模脉冲,输出脉冲的平均功率为2.8 mW,信噪比为55.8 dB。通过微调腔内的偏振控制器,实现了传统孤子脉冲和孤子分子脉冲间的切换,孤子分子的脉冲宽度为312 fs,信噪比为53.86 dB。孤子分子脉冲经掺铒光纤放大器放大后泵浦一段57 m长的高非线性光纤,产生了位于第三近红外窗口（1600 nm～1870 nm）的超连续谱,其20 dB谱宽为355.8 nm。     

具有频率噪声的单模激光线性模型随机共振

将频率有涨落的周期信号输入单模激光增益模型,计算出输出光强的相关函数及功率谱,对信噪比随噪声强度和系统参数的变化进行了研究. 结果表明:信噪比随频率噪声强度的变化、抽运噪声强度的变化、量子噪声强度的变化均出现随机共振;信噪比随增益系数和损失系数的变化也出现随机共振. 关键词： 频率噪声 功率谱 随机共振     

色关联噪声驱动下双模激光随机共振

运用线性近似方法,计算得到了关联色噪声和输入周期信号作用下双模激光增益模型输出信号光强的功率密度谱和信噪比,讨论了信噪比随系统参数的变化关系.研究结果发现:在系统的参数和输入信号的频率满足一定条件时,信噪比不仅随噪声强度变化出现了传统的随机共振现象,还发现其随自饱和系数c2、输入信号频率°及交叉耦合参数b的变化都出现了随机共振.     

A fiber micro-vibration sensor based on single-mode fiber ring laser

A new micro-vibration sensor based on single-mode fiber ring laser is put forward. The Mach-Zehnder interferometric （MZI） detection technique is presented for interrogating laser frequency shift due to the measurand （piezoelectric transducer （PZT） is used to simulate the micro-vibration） induced laser cavity strain from both single- and multi-mode lasers. In the experiment, compared with multi-mode laser sensors, the single-mode laser sensor is proved to be a sensor with high resolution. When the PZT is driven by the analog signal （0.03 rad near 2 kHz）, the signal-to-noise ratio （SNR） of output signal from the single-mode laser sensor is close to 55 dB and the sensitivity of the sensor is about 5 ×10^-5 rad/Hz1/2.     

Single-frequency phosphate glass fiber laser with 100-mW output power at 1535 nm and its polarization characteristics

We demonstrate a high power single-frequency fiber laser. By using phosphate glass fiber as its gain media, the laser can achieve high output power of 100 mW in centimeter-long linear cavity. Single-frequency singlepolarization operation with 〈5 kHz linewidth and 65-dB signal-to-noise ratio （SNR） is realized by using external cavity polarization feedback technology.     

A High Efficiency Yb3+-doped Fiber Ring Cavity Laser with Narrow Line-width

A novel Yb3+-doped fiber ring cavity laser pumped by a 977 nm laser diode is presented with its output laser wavelength of 1060 nm. Based on a fiber Bragg grating (FBG), the laser exhibits 0.20 nm line-width, 7.5 mW laser output power, 40 dB signal-to-noise ratio (SNR) and 66% slope efficiency.