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。     

基于压电陶瓷的激光频率调谐技术

在充分研究各种激光调谐方法优缺点的基础上,针对其调谐范围、调谐速率、调谐线性等方面存在的不足,提出一种基于压电陶瓷的激光频率调谐技术。该方法将压电陶瓷与光纤光栅激光器的布拉格光栅进行粘结,通过调整压电陶瓷的驱动电压来带动布拉格光栅的伸缩,实现波长（即频率）的调谐。同时,利用虚拟仪器中的计算机软件拟合技术,校正压电陶瓷输入电压与输出位移之间的非线性,使系统呈线性频率调谐,以提高测量精度。实验结果表明,当压电陶瓷的驱动电压变化126 V时,可实现0.8 nm（即100 GHz）的调谐范围。     

利用光频梳提高台阶高度测量准确度的方法

提出一种利用光频梳和可调谐半导体激光器提高台阶高度测量准确度的方法. 通过将可调谐激光器锁定至光频梳,可对激光器的输出波长进行精确锁定与测量.基于可调合成波长链原理,利用锁定后的半导体激光器构建了一套台阶高度测量方案,该方案可消除合成波长误差对台阶高度测量不确定度的影响. 采用一台可调谐半导体激光器和光频梳进行了5000 s的连续锁定实验, 结果表明,锁定后的可调谐半导体激光器的频率稳定度达 1.8×10^-12.该方法的理论测量不确定度约为7.9 nm, 且测量结果可溯源至时间频率基准.     

高精度光电探测器的线性测量

介绍了一种高精度的光电探测器线性测量系统,讨论了线性测量的方法,确定以光束叠加法为线性测量系统的基础.设计了测量系统,以944 nm激光器为光源,测量了Si陷阱探测器和InGaAs陷阱探测器的非线性因子.实验结果表明,利用该系统在0.1～200μW的入射光功率范围内.Si陷阱探测器非线性因子平均值小于0.009%,联合不确定度小于3.18%;InGaAs陷阱探测器非线性因子平均值小于0.6%,联合不确定度小于6.87%.实验结果证明该系统可以作为高精度光电探测器线性测量装置.     

激光自外差相干测量中分布反馈半导体激光器电流调谐非线性的补偿方法

半导体激光器的电流调谐非线性对自外差相干测量的精度影响很大.研究了分布反馈半导体(DFB) 激光器的电流调谐特性,据此提出一种数学模型补偿方法.利用已知光程差下的差拍频率,建立了动态调频 系数的数学模型.以此模型对DFB激光器的电流调谐非线性进行补偿,可以将差拍信号频率预测值的相对误差 减小约3%,提高了系统的测量精度.数学模型补偿方法简化了测量系统的结构,适用于高精度的电流调谐 激光在线测量系统.     

DFB半导体激光器调谐动态波长特性研究

为了测量半导体激光器在电流调谐下的动态波长,提出了基于光纤延时自外差法的测量方案,阐述了测量原理,研究了拍频与动态波长的递推关系。应用该实验系统测量了分布反馈式半导体激光器调谐的动态波长特性,与由光谱仪测量的稳态波长特性比较。结果表明,动态波长与稳态波长随电流变化特性有着类似的非线性规律,在20~100 mA调谐范围内二者差异小于0.002 nm。此外,通过气体CO₂的两条吸收谱线与HITRAN谱库中标准吸收线位置比对,辨识出半导体激光器调谐的动态波长,该辨识出的动态波长值与由延时自外差法推算出的动态波长值比较,二者误差为1 pm,进而验证了该测量系统的可靠性。     

不同谐振腔分步合成法制备的固态染料P567可调谐激光器

利用新型分步合成法制备的激光染料P567掺杂有机改性凝胶玻璃,建立了基于全息光栅的两种不同腔型可调谐激光器.采用光栅零级作为输出的激光器,调谐范围近70nm (543～610nm), 获得的最高斜效率为17%;采用腔镜耦合输出方式,调谐范围超过30 nm (553～585 nm),获得的最高斜效率为9.7%.并对激光器的可调谐范围、阈值、斜效率及线宽等参数进行了深入的分析比较.     

基于压电陶瓷闭环控制的线性可调谐环形腔光纤激光器

提出了一种基于压电陶瓷闭环控制的线性可调谐环形腔光纤激光器。光纤激光器环形腔结构中光纤光栅固定在压电陶瓷上,通过控制压电陶瓷改变光纤光栅波长,从而改变环形腔光纤激光器的波长,构成基于压电陶瓷的可调谐环形腔光纤激光器。应变传感器贴附在压电陶瓷上,实时监测压电陶瓷的步长变化,通过惠斯顿桥式电路反馈给驱动控制系统,并补偿和修正压电陶瓷固有的磁滞和蠕变特性,形成压电陶瓷闭环控制系统。实验结果表明基于压电陶瓷闭环控制的可调谐环形腔光纤激光器调谐线性度好,波长调谐范围可达0.9 nm,线宽为4 k Hz,波长稳定性为±0.01 nm,功率稳定性为±0.3 d B。     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器

可调谐激光器在光纤传感和光纤通信中有着广泛的应用,引起了人们的广泛重视。设计并搭建了基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器系统。通过FPGA设计的基于DDS (direct digital frequency synthesis)函数信号发生器与模拟放大电路结合产生的驱动电压,调节FFP-TF2腔长的变化,进而改变激光器的输出波长。该系统可以实现对FFP-TF2单点电压和扫描电压的驱动,从而激光器可以输出单波长激光和多波长扫描激光,在激光器输出波长1 532 nm~1 568 nm范围内,可以调节单波长输出,也可以调节多波长扫描范围,且两种模式可以切换使用。实验结果表明,激光器输出3 dB线宽基本保持在0.01 nm左右,激光器输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.934%,灵敏度为3.915 nm/V,而FFP-TF2输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.986%,灵敏度为4.021 nm/V,激光器输出中心波长相对FFP-TF2的误差为2.6%,说明该激光器系统输出波长具有线宽窄、稳定性好、灵活性高等优点。     

基于TDLAS技术的全量程激光甲烷传感器

根据煤矿安全生产监控系统对测量甲烷浓度全量程高准确度的需要,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,设计了一种全量程一体化激光甲烷传感器.采用1 653.72nm分布式反馈半导体激光器作为系统光源,单板电路实现激光器驱动、温度控制、信号调制与解调、浓度反演.为兼顾高测量准确度和大动态测量范围,系统在低浓度时利用波长调制技术进行甲烷浓度在线检测;当气体浓度大于阈值时,自动切换到直接吸收检测技术.实验结果表明,该传感器在浓度范围为0~5%内误差小于±0.06%,在浓度范围为5~100%内误差小于真值的±6%,响应时间约为15s,满足矿井实际测量需要.     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.     

胆甾相液晶激光器的调谐特性研究

基于胆甾相液晶螺距及折射率随温度与电场变化的特性, 研究了温度与电场对液晶染料可调谐激光器发射特性的影响. 首先探讨了手性剂浓度、温度与液晶螺距的关系, 制作了液晶染料可调谐激光器, 在温度23–35℃变化时, 其发射波长调谐范围为618.90–594.76 nm, 达到24.14 nm, 在电压0–9 V 变化时, 其发射波长调谐范围为617.40–608.11 nm, 共9.29 nm. 关键词： 可调谐激光器 胆甾相液晶 激光染料     

近红外波段CO高灵敏检测的稳定性研究

本文采用中心波长1566.64 nm的DFB激光器, 结合光程长度为56.7 m 的多次反射池, 对不同浓度的CO气体进行了长时间测量, 分析了系统的稳定性和线性度. 通过计算Allan方差, 预测了在积分时间为30 s时, 系统检测极限为0.25 ppmv, 基本上实现了在近红外波段CO的高灵敏检测. 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 多次反射池 CO检测 Allan方差     

基于一维耦合腔光子晶体的声光可调谐平顶滤波器的研究

本文利用一维耦合腔光子晶体,提出了一种声光可调谐平顶滤波器.该滤波器利用声光效应,通过改变超声波频率使一维耦合腔光子晶体透射谱的平顶滤波器的中心波长产生漂移,从而实现可调谐的滤波功能.基于传输矩阵法和声光效应理论,建立了这种平顶滤波器的理论模型;利用COMSOL软件,对平顶滤波器的矩形度、通带带宽、插入损耗、可调谐特性、加工精度进行仿真研究.研究结果表明,通过施加频率为6-11 MHz的超声波,可实现通带带宽为5-6 nm及中心波长在1514-1562 nm范围内可调谐的平顶滤波器;在可调谐范围内通带带宽内插入损耗不超过2.23 dB,最低仅为0.78 dB,矩形度最低可达1.4;加工误差在±10 nm内平顶滤波器的中心波长、矩形度、插入损耗、通带带宽出现的偏差很小.该平顶滤波器具有易于设计和集成、通带平坦、可调谐范围宽、通带带宽稳定、插入损耗低、品质因素高的特点,在光开关、可调谐光纤激光器、光纤传感等光通信领域有重要应用.     

基于可调谐激光器的局部放电光纤法珀传感器

针对局部放电测量中的光纤法珀传感器,研究了其工作点稳定和提高灵敏度的参数优化方法.通过改变可调谐激光器的波长稳定了传感器的工作点.用激光器波长调谐范围确定腔长,令玻璃薄板的反射率为1,根据单模光纤对高斯光束的耦合特性和多光束干涉原理,通过迭代算法得出光纤端面的最优反射率.基于波长调谐范围1530~1565nm的可调谐激光器,制作了自由光谱范围28nm,腔长43μm,玻璃薄板反射率大于0.97,光纤端面反射率0.52的法珀传感器.经实验测试,法珀腔光损耗为10%,条纹对比度为1.实验结果表明,基于可调谐激光器的传感器工作点稳定,可测试最小局放声压约为1Pa,达到实用要求.     

宽范围可调谐内腔液晶垂直腔面发射激光器设计与研究

为增加可调谐激光器的波长调谐范围,提高系统的可靠性和稳定性,基于液晶的电控双折射特性,设计了一种中心波长为852 nm的内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器结构。分析了该结构获得宽范围波长调谐和单偏振稳定输出的物理原理,利用传输矩阵法进一步计算整个器件下不同液晶层厚度所对应的反射谱,得出不同液晶厚度和折射率下激光器的激射波长。结果表明,液晶可调谐激光器单偏振波长调谐范围达到31 nm,调谐效率大于10 nm/V。     

多通道干涉大范围可调谐激光器控制系统（特邀）

多通道干涉大范围可调谐半导体激光器是波分复用系统中的新型关键器件,设计了一套针对此激光器高精度电流注入、温度控制、波长锁定等问题的控制系统。将该激光器的整套控制方案集成单板。在该控制系统下,测试得到激光器输出波长在1 524～1 572 nm中每间隔0.4 nm的120个ITU标准波长光谱图,调谐范围超过48 nm,并且在整个调谐范围内,边模抑制比超过了45 dB,波长偏差与ITU标准波长相差小于±10 pm,线宽小于100 kHz。     

10 GHz可调谐主动锁模光纤环形激光器研究

采用主动锁模技术 ,在光纤环形激光器中实现了脉冲重复率为 10GHz、脉冲宽度为 10ps、线宽为 0 171nm的激光输出 ,波长调谐范围达 37 8nm。实验结果表明 ,主动锁模光纤激光器由于其输出脉冲窄、脉冲啁啾小、波长调谐方便及与光纤系统兼容等优点 ,有望成为未来超高速光通信系统中的理想光源。     

高速大容量光纤光栅解调仪的研究

采用半导体光放大器和可调谐法布里-珀罗滤波器,以环路结构组成高速扫描激光器,结合光耦合器、光环路器和光电二极管等,形成4通道大容量高速光纤光栅解调仪。系统采用2kHz的类三角波调制信号,驱动法布里-珀罗滤波器在50nm的光谱范围内进行快速扫描。通过引入光纤梳状滤波器和单峰滤波器组成的参考通路,消除法布里-珀罗滤波器的非线性效应和扫描波长漂移问题,使得解调仪具有很好的稳定性和线性度。高速光纤光栅解调仪的稳定性为2pm,分辨率为1pm,线性度为0.99957,测量精度为5pm,解调频率为2kHz。