单光子调制锁定Fabry-Perot腔

基于Fabry-Perot(FP)腔的量子密钥分配系统在相位编码的量子密钥分配应用方面具有优势,把FP腔锁定在携带密钥信息的单光子光学频率上决定着密钥的实用安全.提出利用单光子调制解调的方法锁定FP腔.使用工作于盖革模式的单光子探测器探测单光子(平均光子数为0.1),对离散的单光子响应脉冲累计锁定放大,获得的鉴频信号信噪比达112,锁定后FP腔透射光频率起伏为2 MHz.     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

单光子调制频谱用于量子点荧光寿命动力学的研究

本文开展了基于单光子调制频谱测量量子点荧光寿命动力学特性的研究.在脉冲激光激发下,对探测到的量子点单光子荧光信号进行频谱分析以获得荧光调制频谱,研究发现特征频谱信号幅值与荧光寿命之间存在确定的非线性对应关系.这种单光子调制频谱方法能有效消除背景噪声和单光子探测器暗计数的影响,用于分析量子点荧光寿命动力学特性时在准确度以及时间分辨率方面都较目前普遍采用的荧光衰减曲线寿命拟合方法呈现出明显优势:当涨落误差为5%时,寿命测量准确度提高了一个数量级;当涨落误差和偏离误差均为5%时,对动力学测量效率以及时间分辨率提高了四倍以上.因此单光子调制频谱可以作为获取量子点在短时间尺度内激发态动力学信息的一种有效技术手段.     

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。     

基于波长调制-直接吸收光谱的CO分子2.3μm处谱线参数高精度测量

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)结合了直接吸收光谱(DAS)可直接测量吸收率和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,可用于测量气体分子吸收谱线的光谱参数。采用WM-DAS方法结合有效光程约为45 m的Herriott型长光程吸收池,在CO浓度为24.151μmol·L^-1、常温常压条件下,测量了CO分子中心频率为4 300.700 cm^-1谱线的吸收率,用Voigt线型(VP)函数对测量的吸收率进行拟合,结果表明对WM-DAS方法测量结果进行拟合所得的残差标准差比用传统DAS方法减小一半以上,证明WM-DAS方法的抗干扰能力比DAS更强。采用该方法与光程约为50 cm的吸收池结合,对CO分子在4 278～4 304 cm^-1波段的8条弱吸收谱线在不同压力下的吸收率进行测量,实验采用浓度为0.411μmol·L^-1的CO标准气体。分别采用VP、 Raution线型(RP)和quadratic-speed-dependent-Voigt线型(qSDVP)对测量所得吸收率进行拟合,得到CO分子与空气...     

单光子和双光子电磁诱导透明谱的相干调制

采用一束相干外场作用在倒Y模型原子的基态与另外状态构成的跃迁上,实现对单光子和双光子电磁诱导透明谱的调制.经研究发现相干外场对单光子和双光子的吸收性质有类似的影响效果.由于相干外场的作用,吸收谱的共振点附近出现吸收峰将原单重透明谱分裂为双重透明谱.诱导的吸收峰的高度和透明谱的频谱宽度与相干外场的强度有密切关系.并用缀饰态理论解释了这些物理现象.这些研究对多通道光通信以及对原子光学性质的调控方面有积极意义.     

单光子和双光子电磁诱导透明谱的相干调制

采用一束相干外场作用在倒Y模型原子的基态与另外状态构成的跃迁上,实现对单光子和双光子电磁诱导透明谱的调制。经研究发现相干外场对单光子和双光子的吸收性质有类似的影响效果。由于相干外场的作用,吸收谱的共振点附近出现吸收峰将原单重透明谱分裂为双重透明谱。诱导的吸收峰的高度和透明谱的频谱宽度与相干外场的强度有密切关系。并用缀饰态理论解释了这些物理现象。这些研究对多通道光通信以及对原子光学性质的调控方面有积极意义。     

基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、高选择性和快速响应的特点,被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势,是最常用的TDLAS气体传感方法之一。近年来,为了扩展WMS方法的适用范围,减小光谱参数标定误差,针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟,对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。针对以上问题,提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法,可以实现气体参数的快速、精确测量。与传统免标定WMS方法相比,新方法有以下特点和优势：(1)新方法基于Voigt线型导出,可以适应于任意展宽条件下的测量;(2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、积分吸收面积等关键光谱参数,进而实现浓度、温度等气体参数的测量;(3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算,降低了对硬件系统的要求;(4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状,解决了传统方法在高温高压下由于吸...     

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在线监测大气CO浓度

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)同时具有直接吸收光谱(DAS)可测量吸收率函数和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,本文首先采用WM-DAS光谱,在50 cm光程和室温低压下,CO分子近红外4300.7 cm^-1谱线吸收率检测限低至4×10^-7(200 s);然后结合120 m长光程Herriott池,在室温大气压下,吸收率函数拟合残差标准差达到5.1×10^-5(1 s).最后利用长光程WM-DAS测量系统,对不同浓度(体积分数为0.44×10^-6—9.6×10^-6)CO进行了动态测量,并将其与腔衰荡光谱(CRDS)进行比较;实验结果表明:本文采用的长光程WM-DAS与CRDS方法测量结果相同,其中长光程WM-DAS系统CO浓度检测限低至0.9×10^-9(200 s),系统简单且测量速度远快于CRDS.与此同时,利用建立的长光程WM-DAS测量系统连续监测1个月时间内大气痕量CO浓度及其变化趋势,测量结果与中国环境监测总站测量结题高度一致.     

信号处理改善波长调制光谱灵敏度的实验研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱，提出了一种新的信号处理方法用于提高吸收光谱测量的灵敏度. 研究结果表明：采用信号处理（DSP）可以使波长调制光谱的信噪比提高一个数量级,且测量CO₂分子的时候发现一条新谱线. 这些信号处理包括多次平均、数字低通滤波以及最小二乘法拟合. 由于该方法不需要增加设备的复杂性，所以比其他噪声抑制技术更容易在实验中实施、有更实际的应用价值. 关键词： 波长调制 信号处理 半导体激光器 吸收光谱     

1.315 μm波长附近实际大气高分辨率吸收光谱

 用窄线宽、脉冲可调谐光参量振荡器（OPO）作光源，使用光程长达1 097m的怀特池，采用单探测器分时复用的探测方法，首次在吸收池中精确测量了实际大气中1.315 μm波长附近高分辨率吸收光谱，实验验证了实际大气中水汽是该波段的主要吸收气体；得到了实际大气中吸收分子在氧碘激光波长（7 603.14cm^-11）处的吸收截面为 (1.05±0.09)×10^-24 cm²(标准大气条件下）以及在该波段主要吸收谱线的参数，包括吸收线的位置、线强度、压力加宽半宽度等。利用实测的线参数计算了在氧碘激光波长附近大气分子的吸收截面，发现吸收最小的波长分别位于7 603.31和7 603.93cm^-1，其值约为(8.9±0.8)×10^-25 cm²，比氧碘激光波长处的吸收截面约小15%。     

1.315 μm波长附近实际大气高分辨率吸收光谱

用窄线宽、脉冲可调谐光参量振荡器（OPO）作光源,使用光程长达1 097m的怀特池,采用单探测器分时复用的探测方法,首次在吸收池中精确测量了实际大气中1.315 μm波长附近高分辨率吸收光谱,实验验证了实际大气中水汽是该波段的主要吸收气体;得到了实际大气中吸收分子在氧碘激光波长（7 603.14cm-11）处的吸收截面为 (1.05±0.09)×10-24 cm2(标准大气条件下）以及在该波段主要吸收谱线的参数,包括吸收线的位置、线强度、压力加宽半宽度等。利用实测的线参数计算了在氧碘激光波长附近大气分子的吸收截面,发现吸收最小的波长分别位于7 603.31和7 603.93cm-1,其值约为(8.9±0.8)×10-25 cm2,比氧碘激光波长处的吸收截面约小15%。     

基于伪随机码调制和单光子计数的星载测高计仿真

为使星载激光高度计实现高空间分辨率,提出了一种联合采用伪随机码调制光纤激光器和单光子计数的测距方法.讨论了此方法的实施方案,推导了此方法用于测高时的信噪比公式.对方案中的激光发射功率、接收望远镜口径对信噪比的影响进行了数值模拟.对系统参数进行分析,得到了相关参数的关系和优化的参数.结果表明接收望远镜口径为0.8～1 m,激光出射功率约为10 W,伪随机码调制宽度为600 μs,调制速率为1 GHz时,基于伪随机码调制和单光子计数的星载激光测高计能够使系统信噪比达到10,距离分辨率达到15 cm.     

环行染料激光器用于内腔吸收光谱的研究

本文报告了利用新型连续波环行染料激光器,即使行波工作于超过阈值两倍以上,仍在大气中获得了近10~5的内腔吸收灵敏放大;并首次利用单频扫描方法,在不降低灵敏放大的同时,得到了10~(-2)的光谱分辨率。实验结果与经改进后的Brunner-Paul理论分析一致。     

室温下1.3μm附近CO2的高灵敏度半导体激光吸收光谱

用DFB（分布反馈）半导体激光器结合波长调制吸收光谱技术观测了CO2在1.31μm附近的泛频吸收光谱，并获得的相应的光谱参数（如：谱线位置，谱线强度以及自加宽系数），同时发现了15条弱的新谱线。在665 Pa压力下，本实验可探测的最弱谱线是2.25163′10-27 cm-1/(molecule×cm-2)，相应的吸收是3.88′10-8。     

1.3μm注入锁定半导体激光器及其远场特性

报道了利用１．３μｍ分布反馈（ＤＦＢ）半导体激光器注入锁定普通半导体激光器后的模式及其远场分布特性实验。在不加隔离器和主被协激光器偏振方向相互垂直的情况下，获得了静态和动态单纵模运转，并观察和测量了普通半导体激光器注入锁定前后输出光的远场分布，最后对实验结果进行了讨论。     

F-P半导体激光器实现多波长注入锁定

F-P半导体激光器中对于TE模比TM模有更大的束缚系数,并且在其反射面上有更高的反射率.当TE模和TM模同时注入F-P半导体激光器的谐振腔时,TE模方向的信号得到增长,TM模方向的信号受到抑制.F-P半导体激光器的这种特性使得它类似于一个偏振器,但是其优越之处在于经过F-P半导体激光器注入锁定之后的光信号没有功率损耗.采用F-P半导体激光器的注入锁定原理,使入射光信号没有功率损耗地由偏振光转换为部分偏振光,降低了通信系统中传输信号的偏振敏感性,使传输信号的质量得到提高,实现了F-P半导体激光器三波长和四波长注入锁定.     

调制噪声下激光检测气体吸收光谱信号处理研究

为减小调制噪声背景的干扰,提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939cm-1附近氨气分子吸收为例,分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明,经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01,基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍;连续5次测量浓度5%标准氨气,反演浓度值平均偏差为0.0743%,相对标准偏差为1.4%,优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号,提高了气体浓度反演精度,可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.     

5.33 μm处磁旋转吸收光谱NO分子探测研究

本文基于直流磁场的磁旋转吸收光谱技术探测研究一氧化氮分子的痕量. 使用5.33 μm连续波量子级联激光器作为探测光源,结合Chernin型光学多通池,在1875.81 cm^-1(²∏_3/2(3/2),υ=1←0)波长处进行探测. 108 m吸收光程下,实现了1.15 ppbv的探测极限(1s,1σ). 当采样时间延长到15 s,探测极限可提高至0.43 ppbv.