基于掺铒氟化物光纤的22.8μm可调谐激光输出

采用高浓度掺杂的掺铒氟化物光纤可以增强铒离子的能量转移上转换过程,从而产生2.8μm波段的中红外激光。铒离子的全波段发射光谱范围覆盖0.5~3.0μm,其发射波长与相应能级之间的跃迁相吻合。对铒离子全波段的激光输出开展了实验研究。由于氟化物掺铒光纤的高掺杂浓度, 2.8μm激光占据主导地位。当泵浦功率为2~4 W时,激光输出在2714~2784 nm范围内可调谐,这是由增益竞争和腔内选择性以及非均匀加宽效应造成的。当泵浦功率增加到3 W以上时,可以观察到激光的谱分裂现象。实验获得了2.8μm波段的高稳定中红外激光,最大输出功率为0.7 W,斜率效率为12%。

可调谐激光器多闭环控制驱动系统设计

为满足可调谐激光器输出激光的高控制稳定性需求,设计并实现了应用于可调谐激光器的多闭环控制驱动系统。首先,为实现高稳定性电流驱动,基于深度负反馈控制原理设计了电流控制内环,并通过积分补偿和RC滤波回路削弱了噪声和电流波动对激光二极管(LD)的干扰;其次,为了防止恒定电流驱动下LD仍存在的功率衰减问题,利用积分电路和光功率二极管(PD)设计了功率控制内环,并应用仪表放大电路消除了环内共模噪声干扰并实现了线性控制;最后,为了实现驱动电流和输出功率的实时调节,应用位置式PID对系统进行外环控制,与内环共同构成了多闭环控制系统。实验结果表明,电流控制稳定度均优于200 ppm,功率控制稳定度优于0.005 dB/h,激光波长稳定度均优于1 pm/h,能够满足可调谐激光器的高控制稳定性需求。

可调谐激光器高稳定性双闭环温控系统设计

温度稳定性对可调谐激光器波长和功率的稳定性起着至关重要的作用,因此,本文设计并开发了一种可调谐激光器高稳定性双闭环温控系统。首先,为了精确测得激光器工作温度值,设计了一种压差测量电路,对非线性热敏电阻进行精确线性测量;其次,为了向半导体制冷器(TEC)输出稳定的控制电流,设计了一种线性控制的H桥驱动电路,消除了TEC工作电流受到的纹波干扰;再次,为了提高温控系统的抗干扰能力,设计了深度负反馈电路作为系统的内环控制;最后,为了实现温度的实时调节,应用位置式PID对系统进行外环控制。实际电路测试结果表明:设定温度在15~35℃范围内时,激光增益芯片2 h温控稳定度优于±0.005℃,能够满足可调谐激光器温度控制的高稳定性需求。

可调谐半导体激光器压电驱动系统的优化设计

针对可调谐半导体激光器中普遍存在的输出光频率无跳模调谐范围小、扫描频率低、结构复杂等亟待解决的问题,研究了可调谐半导体激光器内部压电驱动系统的动力学特性。基于提高回转精度、降低轴心偏移量的设计目标,提出了一种多叶片并联的星型柔性机构结构。基于Lagrange方程和Duhamel积分,分别建立了压电驱动系统的运动微分方程和振动方程,在此基础上建立了柔性机构的动力学模型并对其结构参数进行了优化。最后,搭建了压电驱动系统动态特性测试平台,测试了压电驱动系统的机械响应特性以及可调谐半导体激光器的输出光可调谐范围。实验结果表明,压电驱动系统一阶固有频率为2187 Hz,柔性机构最大轴心偏移量为0.947 mm。在可调谐半导体激光器无跳模调谐性能测试中,当调谐频率为20 Hz时,实现了103.5 GHz的无跳模调谐范围。

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的烟气氨逃逸检测研究及应用(特邀)

烟气氨逃逸是许多大型能源转化设备脱硝系统都存在的问题,大量的氨逃逸不仅威胁机组运行,增加系统维护成本,而且还会形成二次污染,危害大气环境和人体健康,因此,必须对氨逃逸进行实时监测和有效控制。可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种先进的痕量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性强、可实时在线测量等优点,广泛应用于各种污染气体检测领域,并且已经成为当前烟气氨逃逸在线检测的主流技术。本文介绍了可调谐二极管激光吸收光谱技术的基本原理,总结了氨逃逸的常用检测方式,综述了可调谐二极管激光吸收光谱技术在烟气氨逃逸检测方面的研究和应用进展,并对未来的发展应用进行了展望。

基于REC-DFB可调谐激光器的无波长校正FBG传感系统

提出了一种无波长校正的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统,可在未对基于重构等效啁啾(REC)技术制造的扫频DFB激光器进行波长线性校正的情况下,识别波长变化,并解调出光栅传感器的温度变化。所提无波长校正FBG传感系统可以在200℃范围内进行精确的温度检测,测得的波长与温度的线性系数1-R^(2)仅为0.004 4。该传感系统光源在1 kHz的锯齿波调制下,调谐范围可达2.5 nm,且测量过程中无需额外波长校正器件。

可调谐激光器调频线性度测试技术研究

文章介绍了可调谐激光器调频线性度测试系统组成和测试理论模型,搭建了基于MZI的全光纤调频线性度测试系统,开发了测试软件,详细介绍了可调谐激光器调频线性度的测试过程,对可调谐激光器的研制和测试有一定的意义。

单波长和双波长可调谐的掺镱锁模光纤激光器

为了获得不同中心波长的锁模脉冲,采用带有保偏光纤的Sagnac环滤波器和半导体可饱和吸收镜搭建了结构紧凑的可调谐锁模激光器,并进行了实验验证。结果表明,当该激光器工作在单波长锁模状态时,具有良好的波长调谐功能,其输出波长在1031 nm~1040 nm范围内连续可调;该激光器还能输出稳定的双波长异步脉冲序列,两波长间隔在10 nm左右,且各波长的带宽可通过偏振控制器调节。该研究可以为搭建结构紧凑的可调谐激光器提供设计方案。

371~385 nm可调谐翠绿宝石连续激光器

371~385 nm波段的紫外激光器可以应用在超精密材料加工、激光多普勒冷却、光子纠缠和量子通讯等诸多领域。为实现这一波段激光输出,报道了一台可调谐翠绿宝石连续紫外激光器。首先,采用了水平偏振的635 nm红光半导体激光二极管阵列作为抽运源。其次,选用V型折叠腔结构,端面泵浦了长度为10 mm、Cr^(3+)掺杂浓度为0.2at.%的国产翠绿宝石晶体,再利用长度为7 mm的Ⅰ类位相匹配偏硼酸钡晶体进行腔内倍频。最后,微调节BBO晶体角度,实现了波长可连续调谐的371~385 nm连续运转的紫外激光输出。当泵浦光功率为17 W时,在波长为378 nm处得到最大稳定输出功率为1.25 W,泵浦光到紫外光的最大转换效率约为7.3%,波长为378 nm紫外激光光束质量因子沿着x和y方向分别为1.13和1.12。

窄线宽可调谐半导体激光器研究进展(特邀)

窄线宽、大范围可调谐半导体激光器在高速光通信、光纤传感、精密光谱测量、激光雷达等领域拥有广泛的应用前景。回顾了近年来窄线宽可调谐半导体激光器研究进展,着重分析了Littrow和Littman典型结构可调谐半导体激光器的工作原理及其特点,并对其未来发展趋势做出预测。

煤热解中痕量乙烯在线激光吸收光谱检测

为了实现煤热解过程中痕量乙烯(C2H4)标识气体的在线识别与检测,结合波长调制与长光程技术,搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源,有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池,利用SR830进行波长解调,通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器,利用高纯氮气稀释乙烯配比,制备得到10×10^(-6)到90×10^(-6)的标准乙烯样气,其线性拟合的相关系数R2为0.9989;对浓度为20×10^(-6)的乙烯进行连续4000 s的Allan方差分析,实验结果表明,检测极限为121×10^(-9)。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律,控制气体流速为150 mL/min,分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现,当温度小于500℃时,3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致,当温度在500~700℃时,氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体,但空气中乙烯释放的增速最快,最大释放量约为40×10^(-6),温度高于700℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。

非平面环形激光器的大范围调谐技术研究

为了实现窄线宽非平面环形Nd∶YAG激光器的大范围压电和温度调谐,采用对粘接在激光晶体上的薄压电陶瓷片施加高压驱动信号,并大范围控制激光晶体温度的方法,获得压电调谐范围达到210MHz,调谐带宽大于90kHz,压电调谐系数大于1MHz/V;当控制激光晶体温度在10℃到47℃范围内变化时,输出激光在8GHz范围内可连续调谐,总的调谐范围达到61GHz。结果表明,高频压电调谐时拍频展宽形状发生改变的主要原因是压电驱动信号失真。结合压电调谐和温度调谐的各自优点,激光频率调谐实验取得了良好效果。

基于调制激光光谱吸收的高稳定性气体检测

为了精确测定待测气体的体积分数,提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的稳定性,优化了TDLAS气体检测系统的扫描信号。基于HITRAN数据库,选定了甲烷气体在1654 nm附近吸收峰,计算出含甲烷、水蒸气和二氧化碳混合气体的吸收系数;使用可视化仿真工具对气体检测系统进行理论仿真,同时通过搭建的气体检测系统验证仿真结果。结果表明,通过优化扫描信号,提高了检测系统的稳定性,偏差值从0.3%降至0.07%;建立了2次谐波信号均值与气体体积分数的反演模型,线性拟合的相关系数R^(2)=99.99%。此研究为提升TDLAS系统的稳定性和准确性,及实现高稳定气体检测具有一定的参考价值。

掺铥光纤激光器的波长调谐特性研究

基于简化的二能级激光系统和均匀展宽理论模型,利用原子速率方程和功率传输方程建立了掺铥光纤激光器的理论模型,并以环形腔掺铥光纤激光器为例,通过Matlab编程数值模拟研究了其出射功率和波长调谐范围与腔内损耗、掺铥光纤长度、输出耦合比、泵浦波长和泵浦功率等激光器参量的关系。数值模拟结果表明,降低激光器腔内损耗、提高泵浦激光功率和优化掺铥光纤长度可以提高掺铥光纤激光器的出射功率和增加波长调谐范围,而增加输出耦合比虽能提高激光功率,却减小了波长调谐范围。经过参数优化,在腔内总损耗为3 dB、输出耦合比为10%的情况下,通过提高泵浦激光功率和优化掺铥光纤长度,掺铥光纤激光器的波长调谐范围可达528 nm(1 660~2 188 nm),高于目前已报道的实验结果。将部分模拟结果与文献报道的实验结果进行对比,较好地证实了模型的准确性。研究工作对于掺铥光纤激光器的设计和发展具有重要的理论参考价值和指导意义。

基于Sagnac滤波结构的波长可调谐掺铒光纤激光器

针对光纤激光器波长调谐范围较窄以及输出激光波长调谐难度较大的特点,设计了一种基于光纤Sagnac滤波结构的多波长可调谐掺铒光纤激光器,实现了单波长、双波长以及三波长激光稳定输出。所设计的光纤激光器为环形腔结构,采用5 m长度的掺铒光纤作为增益介质,选用长度为4 m的领结型单模保偏光纤结合3 dB光纤耦合器和偏振控制器构成Sagnac滤波器。实验中,激光器工作阈值为51 mW,通过调节激光器谐振腔内损耗,在1 561.68~1 568.19 nm光谱范围内实现了单波长激光可调谐输出,最小波长间隔为0.71 nm,且信噪比优于27.22 dB;所设计的激光器能够产生3种不同组合的双波长激光输出,双波长间隔最小为0.51 nm,并且通过调节偏振控制器,获得了2种不同组合的三波长激光输出。在20 min监测时间内,单波长、双波长、三波长激光功率漂移分别优于0.523,0.768,3.432 dB。

可调谐激光气体水分传感器设计

针对低露点水分测量过程,特别是进行-80~-60℃范围露点测量时,缺少精度高、速度快、稳定性好、成本低的解决方案的问题,设计并实现了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)的气体水分传感器。该传感器采用1392 nm可调谐分布式反馈(Distributed Feedbake,DFB)激光器,结合特殊设计的赫里奥特池,在吸收池体积为30 mL的情况下,光程达到了1.5 m。测量过程克服了空气背景干扰、管壁吸附等问题,实现了0.5~2000μmol/mol的微量水检测,通过分段检测、多点标定的方式,保证了较宽量程范围内的测量准确度。采用氮气作为背景气进行试验,试验结果按露点温度计算,误差优于±0.32℃。该传感器测量重复性符合二级精密露点仪要求,可用于氮气和空气中的水分测量。

掺铥光纤激光放大器在宽波段吸收光谱技术中的应用

利用掺铥光纤在2μm波段的宽带发射特性和光纤可饱和吸收体的线宽压缩特性,研制了宽带调谐窄线宽掺铥光纤激光放大器,该激光放大器可将窄线宽、宽带可调谐种子光源的功率放大至290 mW,放大后的光源连续运行30 min,均方根稳定性优于1%。利用激光放大器输出的32路激光中的任意一路测试了水分子在2μm波段的宽吸收光谱,并利用测试结果反演得到了该光源在动态扫描过程中的线宽约为0.06 nm。利用该激光放大器分别测试了空气和酒精火焰中温度和水分子摩尔分数。结果表明:常温下,空气和酒精火焰中温度的平均值分别为301.2,1263.3 K,相对偏差分别为1.28%,3.08%,水分子的摩尔分数平均值分别为2.11%,5.58%。利用该光源可有效获取水分子在2μm波段的宽波段激光吸收光谱,利用这些吸收光谱数据能够较为精确的反演出环境温度、水分子摩尔分数等信息,结果验证了该激光光源在燃烧流场2维层析诊断测量应用中的可行性。

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H2O和CO2等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25μm附近的ν2+ν3谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH3的测量能力,实验对H2O,CO2和NH3的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH3受较大浓度的H2O和CO2谱线的干扰较小,尤其是CO2谱线的干扰可以忽略不计,且2.25μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH3的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。

天然气管道泄漏可调谐二极管激光遥感探测的研究

天然气管道泄漏不仅造成经济损失而且是危险之源。传统的天然气管道泄漏检测技术效率低、速度慢,难以满足实际应用的需要。近年来以近红外二极管激光吸收光谱为基础的光学传感器由于具有灵敏度高、体积小、重量轻和无需维护等优点而得到了广泛的应用。文章以可调谐二极管激光吸收光谱和谐波探测技术为基础进行天然气管道泄漏遥感探测技术的研究,采用二次谐波与一次谐波信号的比值作为系统浓度标定,结果显示浓度与比值之间具有较好的一致性。文章还就不同地形散射体对探测结果的影响进行了测量和分析,实验结果表明二次谐波与一次谐波信号比值标定技术对便携式二极管激光光学测量能够很好的满足实际应用的需要。

可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术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,从而对污染气体进行定性或者定量分析。在大气痕量气体和气体泄漏的监测中,为了提高探测的灵敏度, 一般会根据具体情况对激光器采取不同的调制技术如波长调制、振幅调制、频率或者位相调制等,同时和长光程吸收池相结合使用,并辅之以各种噪声压缩技术。TDLAS不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地而的痕量气体和气体泄漏的检测。报道了最近研制的一套可调谐二极管激光吸收光谱检测大气中甲烷浓度的实验装置,这套装置具有灵敏度高、检测限低(ppb量级)、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点,若激光器的调谐波长范围能覆盖1.3～1.8μm 或者在光路中装配几台窄范围可调谐激光器实现波长扫描范围覆盖1.3—1.8μm,则可同时实现对大气中诸多重要痕量气体如CO2、CH4、CO、CH2O、H2S、NH3、HCI、C2H2等的同步监测。