半导体激光器的宽谱快速调谐及其在气体检测中的应用

摘要

本文基于DFB半导体激光器的调谐机理,建立了半导体激光器的调谐特性的数学模型,结合实验,给出了激光器调谐特性传递函数,即辐射波长与电流、温度的关系。提出了快速温度调谐的方法并搭建了实验装置,通过给激光二极管组件中的热电制冷器(TEC)施加较大的周期性驱动电流改变激光腔温度实现快速连续调谐。TEC驱动电流为1.5A时,可在小于2.2s调谐时间内实现4nm的波长扫描,改善激光器散热条件等可以拓宽温度扫描范围从而实现更宽的波长扫描。
　　 本文提出了在快速温度调谐过程中的波长辨识方法,通过实测负温度系数(NTC)热敏电阻的温度值来预测LD chip的温度值,从而根据激光器的注入电流值和先验的激光器调谐特性实时预测快速调谐时激光器的输出波长。实验证明所述方法有效可行,波长预测的偏差小于10pm。建立了激光器模块(LDM)的等效电路模型,使用PSPICE仿真了不同环境温度下的温度调谐过程,验证了模型及波长补偿方法的适用性。
　　 利用宽谱温度调谐TDLAS系统进行了气体检测实验。首先,测得了CO2气体在6320cm-1～6336 cm-1波段的波长调制光谱的二次谐波(WMS-2f)信号,得到了8个强吸收线和14个弱吸收线的位置,线强、线宽等数据。然后又测得了CO2和CO混合气在6318.5cm-1～6336 cm-1波段的WMS-2f吸收谱。因此,宽谱TDLAS技术可以用于单一气体的高精度测量和多成分气体的同时检测。
　　 本文的创新之处在于提出了一种宽谱快速调谐方法以及调谐过程中激光器辐射波长精确预测方法,可用于调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术以及光通信等领域。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 可调谐半导体激光器

1.2.1 TDL在激光光谱学中的应用优势

1.2.2 可调谐半导体激光器类型

1.2.3 几种调谐技术及比较

1.3 温度调谐的国内外研究现状

1.4 本文的研究内容

第二章 半导体激光器的调谐机理及特性

2.1 半导体激光器

2.1.1 半导体激光器的工作原理

2.1.2 半导体激光器的性能参数

2.1.3 TDLAS对半导体激光器的要求

2.2 调谐机理

2.2.1 理论分析

2.2.2 LD调谐特性数学模型

2.2.3 实验验证

2.3 LD注入电流为50mA的温度调谐特性

2.4 本章小结

第三章 DFB激光器的快速宽谱调谐与动态波长预测

3.1 DFB激光器的快速宽谱调谐方法

3.1.1 激光二极管组件的结构

3.1.2 LD快速宽谱调谐方法

3.2 快速调谐过程中的动态波长预测方法

3.2.1 LD动态波长的预测机理

3.2.2 LD组件的热学模型

3.2.3 温度补偿公式

3.3 快速宽谱调谐与动态波长预测的验证

3.3.1 实验方法和装置

3.3.2 温度补偿公式参数的辨识

3.3.3 波长预测的实验验证

3.3.4 宽谱调谐的快速性

3.3.5 动态波长预测方法的适用性仿真

3.4 本章小结

第四章 温度调谐在气体检测中的应用

4.1 仪器响应函数

4.1 单一气体的检测

4.2 多成分气体的吸收谱

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢