可调谐环形腔光纤光栅激光器

采用新颖的调谐方式,实现了可调谐光纤光栅环形腔激光器的运转,得到了稳定的可调谐,窄线宽激光输出,调谐范围为５．７ｎｍ,线宽小于０．１ｎｍ。     

基于光纤光栅的可调谐半导体激光器

本文利用光纤光栅(FBG)形成外腔反馈及F-P半导体激光器的多模特性,得到波长稳定、可调谐的半导体激光光源,系统研究了不同反馈比率对激光器光谱特性的影响.通过向FBG施加轴向拉力和压力可实现10nm的波长调谐,得到一系列波长间隔0.94nm的激光输出,边模抑制比达35dB,光谱线宽小于0.2nm.     

基于数字微镜器件的多通道C波段可调谐光纤激光器

可调谐光纤激光器可广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光光谱、精密测量和激光加工等诸多领域。针对目前可调谐激光器在调谐性、灵活性、稳定性和多波长功率均衡性等方面的不足,提出一类新型的基于数字微镜器件(DMD)的多波长宽带可调谐光纤激光器。该激光器利用关键器件DMD作为波长调谐器,掺铒光纤作为激光增益介质,通过巧妙的光学设计,实现仅利用一块DMD芯片独立、灵活、稳定调谐多波长激光输出的目的。该激光器具有3个输出通道,各通道之间独立开关控制,每个通道均可实现波长在1530~1560nm之间的连续可调谐输出,波长调谐精度0.055nm/pixel,边模抑制比大于55dB,激光输出功率最大值为10mW,2h内的中心波长漂移小于0.02nm。     

基于内腔光纤激光器的痕量气体光谱检测

因为器件性价比高、可复用、远距离探测,抗电磁辐射等优势,基于内腔光纤激光器的气体光谱检测方法受到了广泛的关注.通过精心设计气室和反射镜,建立了内腔光纤激光器气体检测系统.在锯齿波电压驱动下,F-P可调谐滤波器连续调谐,实现了波长扫描,可获得多条气体吸收谱线,一次扫描相当于多次测量,极大的提高了测量灵敏度.实验结果表明,...     

波长可调谐取样光纤光栅激光器的输出特性研究

建立了具有两个取样周期略有不同的取样光纤光栅反射镜的Vernier波长调谐机制的光纤分布布拉格反射式激光器的数值仿真模型,对激光器的输出特性进行了分析. 研究了激光器输出特性随着激光器前后光栅反射镜波长以及前后光栅反射镜反射率的变化关系. 提出了对两取样光栅反射率的优化配置方案,可以使输出激光的边模抑制比有所提高;同时对波长调节方式也进行了探讨;进行了实验研究. 关键词： 取样光纤光栅 光纤激光器 波长可调谐激光器     

100nm宽光谱可调谐掺饵光纤激光器

采用1480 nm大功率激光二极管双向抽运,新型铋基掺饵光纤做增益介质,基于旋转法布里-珀罗腔的可调谐滤波器和带通滤波器做选频装置的宽光谱环形腔可调谐光纤激光器,可实现100 nm（1523~1623 nm）激光波长程控连续可调谐输出,激光输出功率大于1.58 mW,3 dB带宽小于0.1 nm,波长重复性准确度小于0.01 nm.     

高效率可调谐掺镱双包层光纤激光器研究

研究了一种高效率可调谐掺镱双包层光纤激光器，在抽运半导体激光为915nm、功率为1W的条件下，掺镱双包层光纤激光器的最大输出功率为440mW，输出斜效率约为80％。输出光束的M^2因子为：x方向1．06，y方向1．04。用一光栅作为输出耦合，输出波长可在1070nm-1150nm的范围内调谐。     

高斜率效率L波段宽带可调谐光纤环形腔激光器

利用环形腔结构在L波段获得了43nm(1567.1nm-1610.1nm）范围的宽带连续可调谐激光输出。由于同时采用了高浓度掺铒光纤和1480nm激光二极管（LD）抽运源，极大地降低了激光器的抽运阈值，提高了斜率效率和输出功率。在整个可调范围内，激光器的输出功率达10．9dBm-12.1dBm(95mW抽运），信噪比高于60dB，在1585nm的斜率效率为0．201。     

高速宽波长范围可调谐光纤激光器

研制了一台高速波长连续扫描光纤激光器。使用SOA作为增益介质,用高速可调谐法珀滤波器作为波长调谐器件,构成的环形腔激光器。测量结果表明,激光器的平均输出功率2.6mW,波长扫描范围40nm,波长扫描范围内功率波动范围小于±0.4dBm,线宽小于0.01nm,扫描速度达到2kHz。     

基于倾斜光栅的可调谐线偏振掺镱光纤激光器

提出了一种基于45°倾斜光纤光栅和光纤布拉格光栅的线性腔结构的可调谐线偏振掺镱光纤激光器。利用45°倾斜光纤光栅作为起偏器件实现了中心波长为1065.90 nm、3 dB带宽为0.03 nm、偏振消光比高于35 dB的线偏振激光输出,输出激光的偏振消光比在4 h内稳定性良好。基于光纤布拉格光栅反射波长的温度特性实现了中心波长在1065.92～1066.87 nm范围内的连续可调,在波长可调谐状态下输出激光的偏振消光比保持在30 dB以上。     

基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一种近红外乙炔气体检测系统。通过分析近红外波段乙炔分子的吸收谱线特性,选择了1.534 μm附近乙炔分子的吸收峰作为吸收谱线。该系统主要由分布反馈激光器、激光器驱动器、单光程对射式气室、光电探测模块及数字式锁相放大器构成。为了测试该检测系统的性能,配备了乙炔气体样品并开展了气体检测实验。实验结果显示,该系统的最小检测下限为0.02%;在体积分数为0.02%～1%范围内,二次谐波幅值与乙炔气体浓度呈现出良好的线性关系。通过长达20 h的稳定性实验测试了检测系统稳定性。鉴于近红外波段石英光纤传输损耗很小,可以将气室及光路部分与电路部分分离,从而可以进行远程气体检测,这是基于量子级联激光器、热光源的乙炔检测系统难以实现的。该系统采用了自主研制的分布反馈激光器驱动器和锁相放大器,结构简单,性价比高,便与集成,在工业现场乙炔浓度检测方面有着良好的应用前景。     

基于调谐二极管激光吸收光谱的燃气管道泄漏探测研究

根据可调谐二极管激光吸收光谱及谐波探测的原理,建立以分布反馈式半导体激光器为可调谐光源,利用多次反射池进行点式采样的实验装置。基于甲烷分子1 653.7 nm附近的吸收线,实验研究二次谐波信号对甲烷浓度的响应线性,并实现空气中甲烷本底含量的测量。研究结果表明可调谐二极管激光气体检测技术可为城市燃气管道泄漏探测提供了一种灵敏度高、抗干扰能力强的有效手段。     

可调谐半导体激光吸收光谱法监测燃烧过程中CO浓度的变化

可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析。它具有高灵敏、高分辨以及快速检测等特点,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及泄漏气体的检测,也是在燃烧环境下对气体进行非侵入式实时测量的理想方法。TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合,并利用自平衡探测加波长调制的新型检测方法,测量了酒精喷灯燃烧过程中产生的CO浓度,从测量结果中发现酒精喷灯火焰中CO的浓度成一定的周期性,并且得到火焰中CO的平均浓度为49.4(10-6体积比)。实验结果表明利用开放式多次反射池,结合自平衡探测加波长调制探测的新方法,满足了酒精喷灯燃烧过程中CO检测的需要,此系统为发展基于TDLAS的燃烧在线诊断技术奠定了基础。     

Recent Developments in Modulation Spectroscopy for Trace Gas Detection Using Tunable Diode Lasers

Abstract

The need for higher sensitive detection technology for trace gas samples, either in the laboratory setup or in the atmospheric remote sensing has been a goal for several decades. The development of the tunable diode laser has propelled the progress of trace detection technology, and modulation technology enables the improvement of the detection sensitivity. As a result, the detection of 10^?7 or 10^?8 absorbance is possible for some applications, and modulation technology has been applied to the ultraviolet as well as mid-infra red wavelength range. In this review, recent progress of tunable diode lasers and diode laser-based modulation technologies are presented. Wavelength modulation, frequency modulation, and two-tone frequency modulation techniques are mainly described along with the actual application of the techniques. In addition, the state-of-the-art of diode laser development which can be adopted for the trace detection is presented.     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

基于可调谐多模二极管激光吸收光谱的二氧化碳浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点,是气体探测中的主流技术。使用多模二极管激光器作为光源,将多模二极管激光吸收光谱技术与关联光谱技术相结合有助于提高测试可靠性和稳定性,同时还可有效解决单模二极管激光器长时间工作时中心波长随外界温度或机械特性的变化而发生偏移的问题。以1 570 nm多模二极管激光器为光源,利用多模二极管激光关联光谱和波长调制的气体测量技术(TMDL-COSPEC-WMS),通过计算待测气体和参考池气体之间二次谐波信号峰值高度之间的关系,实现了对二氧化碳浓度的测量。实验中二氧化碳浓度测量范围在0.6%～30%之间,计算结果表明,二氧化碳浓度与真实浓度值之间具有良好的线性关系,其线性度为0.998 7,线性拟合的斜率为1.061±0.016 8。对二氧化碳与氮气混合气体的连续测量结果表明,系统的探测极限达到335 ppm·m,对同一样品在20 min内的20次连续测量的标准偏差为0.036 7%,表明了系统良好的稳定性,所有测量结果都显示了系统用于二氧化碳气体监测的有效性。     

高温高压下基于TDLAS的二氧化碳浓度测量方法研究

通过具有高灵敏度、非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测,是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物,二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法,利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源,以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线,结合固定波长的吸收光谱调制技术,通过该CO₂谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO₂浓度测量,建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法,通过实验验证得出该方法在5 atm压力、500 K温度下和10 atm压力、1 000 K温度下对于CO₂浓度测量的平均标准偏差为3.99%;另外还对实验中所得CO₂直接吸收及二次谐波信号进行了分析,得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。     

基于TDLAS检测西林瓶内氧气浓度的多光束干涉抑制方法

应用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术开放单光路短光程检测西林瓶内氧气浓度,因玻璃瓶壁造成入射光多次反射和透射,形成多光束干涉,严重影响信号波形和检测精度。本文提出了一种改变激光入射角度来抑制瓶壁光学干扰的方法,理论分析了入射角度对透射光强分布的影响,详细推导了使两相干光束叠加部分在接收端探测范围之外的入射角度计算公式,并根据现场参数得到理论最佳入射角度。对氧气浓度1%的样瓶进行多次测量,将二次谐波信号峰值的平均值作为信号,峰值的标准差作为噪声,以信噪比(signal to noise radio, SNR)最大作为系统入射角角度的优化指标,实验获得系统的实际最佳入射角度。与决定系数较高的入射角度进行浓度预测对比,交互验证后的最小二乘拟合结果显示：相关系数分别为0.995 9和0.988 9,前者相比后者提高了0.7%,预测的均方根误差(root mean square errors of prediction, RMSEP)分别是0.003 1和0.005 3,前者相比后者降低了41.5%,说明本文方法所确定的最佳入射角,能有效抑制玻璃瓶壁引起的多光束干涉影响,改善系统检测精度。     

基于空心光波导的激光吸收光谱氨气传感器

空心光波导(hollow waveguide, HWG)可以同时传输红外激光和目标气体,是激光气体传感器中的新型气体池,具有体积小、响应速度快的特点。基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,以空心光波导为气体池,研制了氨气激光传感器。采用波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy, WMS)技术,同时解调气体吸收的一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号,通过1f归一化2f信号实现免校准(calibration-free)测量。利用标准气体进行验证实验,结果表明,传感器的响应线性度R2为0.999 8,响应时间24 s。Allan方差结果表明积分时间18 s时检测限为26 ppbv。该传感器可以用于空气中痕量氨气的快速、高灵敏检测。     

基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH4浓度

文章对可调谐二极管激光的直接吸收和波长调制光谱进行了理论分析,设计了一套用于研究甲烷吸收特性的测量系统.近红外二极管激光工作在室温下,选用波长为1.65 μm,利用甲烷的2v3带R(3)线实现对甲烷气体的吸收测量,对测量的信噪比和系统的基本噪声源进行了分析,为实现甲烷浓度的在线遥测打下基础.