基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术研究

中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用,然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源,很难实现中红外精密光谱测量.本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术,分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性,利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考,基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定.经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz,压窄激光线宽的同时稳定了激光频率,将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h.其中,为了获取长时间稳定的光学反馈,基于PDH技术获取了误差信号,用于对反馈相位的实时伺服控制.

中红外激光技术研究进展

报告介绍了3~5μm中红外激光的主要应用领域,概述了该波段中红外激光器国内外研究的最新进展。并对中红外激光器的主要技术路线进行了详细的对比分析,总结其关键技术;结合应用场景,指出不同方案工程应用的难点和特点。最后,对中红外激光技术未来的发展进行了展望。

热键合、凹端面及晶体棒直径对Er∶YSGG中红外激光性能的影响

对热键合、凹端面及不同直径Er∶YSGG晶体棒的中红外激光性能进行了系统对比研究。晶体经高温退火、定向切割、端面精密抛光后,测量得到其平面度和表面粗糙度分别小于0.1λ@633 nm和0.5 nm。通过精密加工实现了YSGG与Er∶YSGG室温光胶,然后进行了高温热键合,透过谱表明键合界面基本无损耗,达到了一体化。热焦距结果表明,热键合、凹端面能够有效改善和补偿高功率泵浦条件下晶体的热透镜效应,有利于提高晶体的激光性能。对比未键合、热键合及凹面热键合Er∶YSGG晶体在968 nm LD侧面泵浦条件下的激光性能发现,低频150 Hz以下,键合与凹面并未表现出优势,三种棒的最大输出功率和斜效率分别均在24 W和28%附近;但随重频增加,热效应逐渐加重,键合晶体良好散热能力和凹面热补偿效应使激光性能得到提高。在重频300 Hz下,未键合、热键合及凹面热键合三种棒的最大输出功率分别为15.54,17.85和18.33 W、斜效率分别为16.6%,18.3%和18.4%;重频600 Hz条件下,三种棒的最大输出功率分别为9.4,13.32和13.18 W、斜效率分别为6.7%,8.6%和9%。此外,对比研究了不同直径Er∶YSGG晶体的激光性能,在低于100 Hz的低频下,三种晶体的激光性能接近。但相比于3和4 mm键合凹面棒,直径2 mm棒有大的比表面积,拥有更好的热管理能力,使其在高重频条件下具有更好的激光性能。如在150 Hz条件下,2 mm凹面键合Er∶YSGG晶体棒获得了功率23.82 W、斜效率27.7%的中红外激光输出,大大高于直径3和4 mm棒的18 W和23%。在600 Hz,直径2 mm键合凹面棒中实现了功率13.18 W,斜效率9%的激光输出,相比于直径3和4 mm键合凹面棒的9 W,7%具有较大的改善。测量得到2 mm凹面键合Er∶YSGG晶体棒在150 Hz,200μs条件下的光束质量因子M_(x)^(2)/M_(y)^(2)=6.28/6.30,表明该激光具有良好的光束质量。综上,选择合适晶体棒直径,并将键合与凹面相结合是实现高性能2.79μm激光的有效方法。

基于实验参数的Dy^(3+),Na^(+):PbGa_(2)S_(4)中红外激光理论研究

基于加工出的Dy^(3+),Na^(+):PbGa_(2)S_(4)晶体元件的吸收光谱测试以及Judd-Ofelt理论计算数据,通过互易法计算出各发光能级间的荧光吸收与发射截面.通过测试与计算得到的数据,数值模拟了采用1.3μm和1.7μm泵浦源直接抽运Dy^(3+),Na^(+):PbGa_(2)S_(4)晶体产生4.3μm中红外激光的实验方案.计算分析了激光功率、增益和吸收系数在晶体内的空间分布,分析比较了泵浦光功率、元件长度和输出镜反射率对输出功率的影响.模型中在光路中引入2.9μm级联激光振荡,以此抽运因为4.3μm发光堆积在能级^(6)H_(13/2)上的粒子数,发现其可以有效降低能级^(6)H_(11/2)到^(6)H_(13/2)跃迁的自终止效应,提高激光输出功率.计算结果表明:采用1.3μm和1.7μm泵浦源,当功率都为4 W时,最大的输出功率分别为103 mW和315 mW,斜率效率可达到2.8%和8.0%.数值模拟的结果对下一步晶体元件的改良加工以及光路搭建参数的选取提供了一定的指导意义.

基于台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的3.4μm中红外脉冲串激光器

本文报道了一种台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的3.4μm中红外脉冲串激光器.建立了基频台阶声光调Q理论模型,模拟了不同台阶调Q间隔时光子数密度随时间变化趋势,获得了台阶信号最优触发时间,确定了台阶声光调Q获得脉冲串激光输出的可能性.根据理论模拟设计台阶信号触发时间,并应用于台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的中红外脉冲串激光器实验中,在每个重复周期内声光Q开关分三次开启,获得了单脉冲包络含三个子脉冲的3.4μm中红外脉冲串激光输出.脉冲包络内子脉冲间隔为5μs,最窄脉宽为12.8 ns,脉冲包络重频为20 kHz,理论和是实验中均发现脉冲包络内子脉冲宽度逐渐增大.在最大平均输出功率为1.08 W时,1064 nm基频光与3.4μm参量光的光-光转换效率为10.05%,光束质量因子M 2为2.01.

超宽调谐(2.6~5μm)中红外皮秒脉冲激光的研究

在超快脉冲激光中,超宽调谐通常应用于超连续谱产生、光谱分析和调制等多个领域。文章利用皮秒脉冲同步泵浦技术,搭建了一种基于MgO:PPLN晶体的“Z”形光参量振荡器,通过具有扇形周期极化的晶体在中红外波段产生了高功率、波长超宽调谐(2.6~5μm)的皮秒脉冲激光源输出。该振荡器由五镜一晶体组成,这五镜片的选择和精确调整是提高光参量振荡器输出性能的关键因素,采用波长为1.064μm的Nd:YVO_(4)皮秒脉冲激光源,选择周期在26~32μm可调谐的MgO:PPLN晶体,最大泵浦功率为15W时,2.66μm、3.44μm和4.99μm处获得了最大输出功率分别为3.41W、2.78W和0.52W的闲频光,相应的光-光转换效率分别为58%、55%、15%,测量到中红外光谱谱宽为2.37nm(2615nm)、Δλ=1.87nm(3687nm)、Δλ=1.30nm(4992nm),观察到在没有任何窄化光学元件条件下长脉冲随波长光谱谱宽具有线性变窄的过程。在2.6~4.5μm波段的激光输出功率均大于1W,实现了高功率,波长超宽调谐的中红外皮秒激光的连续输出。窄谱宽超宽调谐中红外皮秒脉冲激光为超快过程研究和应用领域提供了一种强大的工具。通过优化波长调谐范围和脉冲宽度能够满足不同领域对中红外激光的高要求,对推动相关领域的研究和发展至关重要。

高精密激光对中仪在设备检修中的作用

设备在轴未实现最佳对中的状态下运行可能导致很多问题,因此大多数中高速旋转设备的检修与维护工作都离不开轴的对中调整。利用高精密激光对中仪完成对中调整、提高对中精度是预防设备过早失效的主要方式之一,也是完成重要、关键设备检修工作、保障各类旋转设备正常运行的必要手段。

中红外片上非线性激光器研究进展(特邀)

中红外(Mid Infrared,MIR)波段在生物医学、环境监测以及强场物理等众多领域具有非常重要的应用。小型化高效率MIR激光器是近些年中红外领域的研究重点,其在MIR光谱探测和环境实时监测等应用领域具有重大的研究意义。尽管量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)可直接产生MIR输出,但受限于辐射带宽和锁模机制。因此,非线性频率下转换技术仍然是片上宽带超快MIR脉冲生成的首选方案。基于非线性频率变换的片上MIR激光器具有结构紧凑、调谐光谱范围宽、稳定性高等优势,近年来得到了快速发展和广泛应用。首先介绍了基于二阶非线性频率变换的片上MIR激光器的研究现状,然后对四种主要的片上三阶非线性MIR激光器的研究进展进行了综述总结,包括受激拉曼-斯托克斯散射(StimulatedRamanStokesScattering,SRSS)、四波混频(FourWave Mixing,FWM)、频率梳(Frequency Comb,FC)和超连续谱产生(Supercontinuum Spectrum Generation,SCG)。

基于中红外可调谐激光光谱技术的SO_(2)检测

在气体绝缘组合电器内发生绝缘缺陷时,设备内部SF_(6)气体可能发生分解生成分解产物导致绝缘与灭弧性能下降。针对SF_(6)分解产物的检测对设备内部绝缘情况的检测与评估具有重要意义。SO_(2)作为SF_(6)分解产物中主要产物之一,对其准确检测有助于评估设备内部绝缘情况。文中基于中红外可调谐激光光谱技术搭建了SO_(2)检测实验平台,针对不同体积分数SO_(2)气体进行检测,获得SO_(2)体积分数与二次谐波峰值平均值的线性关系,并进一步开展了误差分析实验。分析了装置的响应速度与恢复时间。实验结果表明,SO_(2)体积分数与二次谐波峰值平均值具有较好的线性关系,其拟合优度为0.987。不同体积分数SO_(2)实验气体验证拟合曲线最大误差为4.86%装置响应速度与恢复时间为202.2 s与49.4 s。在CO干扰下,SO_(2)体积分数与二次谐波峰值平均值的线性拟合优度达到0.981。研究成果为微量SO_(2)的有效检测提供了技术参考与支持。

基于石墨烯/WS_(2)可饱和吸收体的中红外Er^(3+):ZBLAN锁模激光器及其波长可调谐性能

石墨烯与过渡金属硫化物WS_(2)具有稳定的化学性质和宽带吸收光谱,可以实现中红外波段激光的脉冲运转。本文报道了石墨烯/WS_(2)作为可饱和吸收体在中红外波段锁模激光器中的应用,实验证明石墨烯/WS_(2)复合材料具有更好的非线性吸收特性,锁模调制时表现出低的锁模阈值和高的材料损伤阈值。当泵浦功率为5 W时,激光器在2781.7 nm处得到了脉冲宽度为24.04 ps的锁模脉冲,激光器的最大平均输出功率为237.7 mW,峰值功率为395.5 W。最后,通过光栅实现了激光器的波长可调谐输出,将石墨烯/WS_(2)锁模激光器的输出波长范围拓宽为2730~2810 nm。

中红外激光功率密度探测单元的研制

采用室温光导型HgCdTe探测器，研制了可用于中红外激光功率密度测量的探测单元，主要包括衰减片、探测器、放大电路、数据采集和信号处理5个部分。分析了室温中红外HgCdTe光电探测器的温度特性，并提出了探测器响应率温度自适应校正模型。该探测单元工作温度为-40～30℃，功率密度测量不确定度小于20％。

中红外Fe:ZnSe激光技术最新研究进展

3-5μm中红外激光处于大气传输窗口,在分子光谱学、环境遥感、工业加工、空间通讯、光电对抗等领域有重要的应用前景。过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体可以直接实现中红外激光输出,是最有前途的技术途径之一。具有优良物理特性和光谱特性的Fe：ZnSe晶体是高效、宽带可调谐中红外激光介质的有力竞争者,介绍并分析了Fe：ZnSe晶体的光谱特性及其制备方法,综合评述了Fe：ZnSe激光技术的发展历程和最新研究进展,指出制备高光学质量的Fe：ZnSe晶体和研制3μm波段高效、高能窄脉冲泵浦源是发展实用室温Fe：ZnSe激光器当前面临的挑战。并对实现室温高能、高功率Fe：ZnSe激光的关键问题进行了讨论。

中红外激光技术及其进展

3～5μm波段激光在民用和军用两方面都具有重要作用。文中简要介绍了产生中红外激光的各种方式,并分析其优缺点,从两个方面综述了中红外激光源的进展情况。首先介绍了半导体量子级联激光器、固体激光器、自由电子激光器、化学激光器、气体激光器等线性光学方法产生中红外激光的进展;然后对基于物质二阶非线性作用产生中红外激光的光学倍频、差频和光参量激光器的进展进行了介绍;最后指出了中红外激光技术的发展方向。

中红外固体激光技术研究进展

波长在3～5mm波段的中红外激光由于处于大气窗口波段,同时又是众多原子及分子的吸收峰,因此在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。目前,固体激光器实现中红外激光输出的途径按照工作介质划分主要包括以Fe:ZnSe晶体为代表的过渡金属掺杂硫族化合物激光器、以MgO:PPLN晶体为代表的光参量振荡器,及以ZGP晶体为代表的光参量放大器3种类型。本文分别介绍它们的技术路线及近年来的最新研究进展,讨论了高能高功率中红外固体激光器的关键技术问题,并对其发展趋势进行了展望。

中红外激光对红外探测系统的干扰试验研究

通过在实验室利用中红外激光干扰红外探测系统获得的数据表明,当入射到探测器上的激光功率密度达到8.15 W/cm2时,可以实现对红外探测器的串扰,当功率密度达到1.63×102 W/cm2时,实现全屏饱和。在饱和串扰过程中,跟踪目标丢失,实现了对红外探测系统的干扰。

中红外氟化物激光晶体的生长和性能优化研究

中红外激光晶体材料作为激光技术核心增益材料之一,在军事光电对抗、激光医疗、卫星遥感、环境监测、基础科学等领域具有非常重要的应用。本文介绍了近年来在中红外氟化物激光晶体材料中,关于晶体生长、光学性能优化以及中红外激光性能等方面的研究工作,特别是在中红外光学性能优化调控方面,主要介绍基于稀土能级耦合的相互作用,有效抑制发光离子的自终止效应,以及为发光离子提供有效泵浦通道。

高功率中红外激光器的进展

中红外激光器在光谱学、遥感、医疗、环保及军事等诸多领域都有重要的应用价值和发展前景,因此已成为各国研究的热门课题。首先介绍各类中红外光参量振荡器及其泵浦源的进展,而后介绍中红外单极型量子级联半导体激光器特点和进展。

碲镉汞光导探测器在中红外激光测量中的热问题

为了准确测量中红外高能激光系统的远场功率密度时空分布等参数,分析了室温光导型碲镉汞(HgCdTe)探测器在环境温度变化和光热效应情况下存在的探测器光敏元温升等热问题,并分别给出了应对措施。从HgCdTe的电学参数经验公式和光导型探测器工作原理出发,分析了暗电阻和响应率与光敏元工作温度的相关性。建立了计入接触热阻和自然对流效应的光导型HgCdTe探测器热分析模型,并对模型进行了实验验证。分析了光敏元与环境温度间的热平衡时间特性,提出了连续激光测量中的环境温度校正模型。讨论了激光辐照下探测器的动态响应特性,给出了激光加热探测器光敏元导致的附加光热信号的修正方法,该方法在典型应用条件下可将测量系统的单通道测量不确定度降低2%以上。目前,所述方法均已成功应用于多套远场激光光斑定量测量系统。

基于互相关的大型机组轴系激光对中微弱信号提取方法研究

为提高自主研发的大型机组轴系激光对中仪的对中精度,减少由位置检测单元(PSD)受杂散光干扰引起的误差,提出一种基于互相关算法的微弱信号提取方法。建立基于互相关算法的数学模型,并设计模拟电路,实现了大型机组轴系激光对中仪的位置误差补偿;搭建实验测试系统获取PSD坐标数据,使用二维精密微位移平台进行重复性实验验证,对测量数据进行分析。实验结果表明,该方法可以在自然光照条件下保证设备的精度,分辨力在0.005 mm内,可以有效地提高大型机组轴系激光对中仪对外界噪声的抗干扰性能。

中红外激光对红外导引头干扰试验研究

在实验室环境下完成了中红外激光对正交四元和凝视成像型两种红外导引头的干扰试验,验证了不同干扰方式对不同探测体制导引头的干扰效果,分析、总结了实现有效干扰的条件。