基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中，可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一，其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法，在目标含量很低或者极端流场环境下，波长调制技术呈现出更多的优势，检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域，分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一，无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合，还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数，吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时，激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题，提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法，通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性，研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度，调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数，建立吸收模型，测得常温下空气中水汽浓度为1.97%，直接吸收方法测得浓度为1.99%，验证了该测量方法的准确性。研究表明，调制深度随调制幅度的增加线性增加，随调制频率的增加非线性单调减小，随工作温度的升高线性增加；激光器的出光强度和频率同时被调制，强度变化超前频率变化的相位，随调制幅度的变化不明显，随调制频率的增加单调增加，随工作温度的升高单调减小；归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加，随调制频率的增加而减小，随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域，波长调制技术发挥的作用愈加重要，调制系数与谐波信号的峰值息息相关，在波长调制技术应用时，选取适当的调制参数，有利于得到合适的谐波信号，可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性，该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究，利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.