可调谐激光 3-1
基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统
基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统孙灵芳;于洪【摘要】为了提高环境气体监测精度,降低设备维护成本需求,设计了一种多组分气体同时或近同时在线检测系统.该系统基于TDLAS技术采用DFB可调谐激光测量气体浓度,能够实现760 nm O2和2 326 nm CO混合气体同时在线监测.设计发射单元、接收单元等模块,分析TDLAS可调谐激光检测、PID温度控制、锁相检测原理.结合火电厂烟道氧量浓度测试,对系统进行了验证.实验结果表明:与传统的工业气体测量装置相比,该系统能获得更高的精度、更快的响应速度以及良好的稳定性,适应恶劣环境能力强,具有较好的实用性及可行性.%In order to improve the accuracy of detecting the environmental gas in the industry and satisfy the requirement for reducing the equipment cost,a meanwhile online or nearly meanwhile on-line multi-component gas detection system was designed.Based on TDLAS technology,this system adopted the DFB tunable laser to detect the gas concentration.Moreover,it can also realize the online simultaneous detection of the mixed gas of 760 nm O2 and 2 326 nm CO.This paper designed and analyzed the modules such as transmitting unit and Receiving unit.TDLAS tunable laser detection,PID temperature control and principle of phase lock detection were analyzed.The system was verified through the test of flue oxygen concentration in the thermal power plant.According to the experimental result,comparing with the traditional industrial gas measuring device,this system has higher accuracy and faster response speed and goodstability,and has the strong ability to function in the harsh environment as well as the high applicability and feasibility.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P73-77)【关键词】光谱分析;多组分气体;锁相放大;正弦调制;谐波检测【作者】孙灵芳;于洪【作者单位】东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林 132012;东北电力大学节能与测控技术研究中心,吉林吉林 132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TP273可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)利用分布反馈激光器(DFB)的窄线宽和波长调谐等特性来实现气体分子“指纹区”吸收谱线的扫描和测量,具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快、适应恶劣环境强等优点[1]。
国家半导体激光标准规范
国家半导体激光标准规范1 远场光强分布在距离远远大于激光光源瑞利长度的接收面上得到的光强分布。
3.1.33 近场光强分布 Near field intensity distribution 激光器在输出腔面（AR面）上的光强分布。
3.1.34 近场非线性 Near field non-linearity热应力引起半导体激光器阵列或巴条中各个发光单元在垂直p-n结的方向上发生的位移，导致激光器阵列或巴条近场各个发光单元不在一条直线上，又称为"smile"效应。
3.1.35 偏振 Polarization半导体激光器是利用光波导效应将光场限制在有源区内，使光波沿着有源区层传播，并通过腔面输出，半导体激光器的偏振特性与电场和磁场两个空间变量有关，对于横向电场（TE）偏振光，只存在（Ey，Hx，Hz）三个分量，对于横向磁场（TM）偏振光，只存在（Ex，Ez，Hy）三个分量。
半导体激光器偏振特性优劣通常用偏振度来表征，偏振度为两种偏振态的光功率差与光功率和的比值，通常以百分比表示。
3.1.36 热阻 Thermal resistance热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，激光器产生1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。
2波长-温度漂移Wavelength-temperature shift半导体激光器稳定工作时，结温每升高1℃所引起的波长变化，单位是nm/K。
3.1.38 斜率效率 Slope efficiency激光器额定光功率的10％和90％对应的光功率差值△P与相应工作电流的差值△I的比值称为斜率效率。
3 光功率-电流曲线扭折 Optical power-current curve kink光功率-电流曲线上出现的非线性变化的拐点。
扭折表征了光功率与工作电流的线性关系的优劣。
4光输出饱和 Optical output saturation光输出饱和是指理想的线性响应光输出的跌落，表征激光器光输出效率下降。
光纤布拉格光栅传感器的一种波长解调方法
光纤布拉格光栅传感器的一种波长解调方法张红霞;郑林;黄岑;刘琨;贾大功;刘铁根;张以谟【摘要】光纤布拉格光栅(FBG)经过中心波长解调,可实现对应变、温度等物理量的高精度传感检测.在光纤光栅传感中,如何检测中心波长的微小移位是传感解调的核心问题.为此,文中介绍了一种基于互相关原理的FBG中心波长解调方法.FBG的初始光谱和被调制后的受扰光谱形状相似,只是中心波长产生了漂移,通过对初始光谱与受扰光谱互相关值的解算,即可解调出中心波长的位移量.将实验结果与自相关法、功率加权法和最小二乘法等波长解调方法进行了对比,结果表明互相关方法可以有效地进行中心波长解调.%By demodulating the central wavelength, fiber Bragg grating(FBG)can be used for high precision detection in strain, temperature and other physical quantities. The key problem of this demodulation method is the detection of the slight shift of the central wavelength. In this paper, a FBG central wavelength demodulation algorithm based on cross-correlation is presented. The perturbed and undisturbed spectra of FBG have the similar form, except a slight shift of the central wavelength. By computing the cross-correlation between the perturbed and undisturbed spectrums, the slight shift of the central wavelength can be obtained. Compared with the auto-correlation algorithm, the weighted wavelength algorithm and the least squares algorithm, the cross-correlation algorithm can demodulate the central wavelength shift effectively in experiments.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2012(045)002【总页数】5页(P111-115)【关键词】光纤传感;光纤布拉格光栅;波长解调;互相关【作者】张红霞;郑林;黄岑;刘琨;贾大功;刘铁根;张以谟【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN253光纤Bragg光栅(FBG)被广泛应用于各种条件下的传感测量．FBG传感器通过反射谱中心波长的位移来反映温度、应变等被测量的变化[1]．基于可调谐激光器[2-3]或者基于宽带光源结合可调谐滤波器[4-5]的解调系统，本质上都是应用扫描技术采集 FBG反射谱或透射谱的Bragg中心波长[6]来解调温度、应变等传感量．近年来，光纤光栅波长解调方法的研究一直是光纤光栅传感领域的研究热点．由于光纤光栅波长解调的优劣决定了检测范围、分辨率以及测量速度等，如何提高 FBG中心波长漂移量的检测精度是设计优良传感系统的关键之一．因此，采用合适的解调算法来精确计算FBG反射或透射光谱中心波长的位移成为需要解决的首要问题．目前，FBG波长解调的方法主要有功率加权法(weighted wavelength algorithm，WWA)[7]、最小二乘法(least squares algorithm，LSA)[8]、自相关(auto-correlation)法[9]和互相关(cross-correlation)法[10]等，笔者主要论述了一种基于互相关的解调算法，它通过计算受扰反射谱与未受扰反射谱的互相关值来确定其中心波长的位移．同时应用该方法对FBG的温度灵敏度进行了标定，补偿在应变测量中环境温度的影响．最后利用实验验证该算法的特性并与其他几种方法进行了比较．1 基本原理FBG传感器解调的基本原理是精确测量FBG反射谱的中心波长漂移量．测量之前先获得未受扰状态下FBG的反射谱，即初始光谱．设采样点数为N，则光谱序列为P (λi) ，i＝0，1，…，N−1．N 的大小为式中：λmax −λm in为光谱的扫描范围；δλ是扫描步长．设FBG的初始光谱为P (λi)，中心波长为λC；受温度或应变调制后受扰光谱为P ′(λi)，中心波长为．相对于初始光谱，受扰光谱中心波长发生了漂移[9]，即式中m为移位步数．用Δλ = m δλ表示受扰光谱与未受扰光谱中心波长移位量．利用式(2)计算受扰光谱与初始光谱之间的互相关值序列式中 jC是一个包含2N−1个元素的数列中的元素．等式假设超出P (λi )和P ′(λi)序号范围的值均为0．此外，由式(2)和式(3)可推出，互相关数列 C j的值是按高斯型分布的．位移量Δλ和受扰谱中心波长λC′可由式(4)求得，即式中 J表示高斯曲线取最大值处所对应的采样点数．可以看出λΔ与扫描步长δλ和J密切相关，选择合适的扫描步长以及对相关输出的序列进行高斯峰值拟合可有效提高检测精度．自相关法的基本原理是计算初始光谱和受扰光谱的相关函数A m =P(λi) P′(λi)，其中每个A是包含N个元素的向量，从每个向量中选取最大元素，重新组成新的数列，将该数列进行高斯拟合后即可得到中心波长的漂移量．功率加权法的基本原理是计算FBG反射波的波长对光功率的加权平均来定义其特征值，即计算中用特征值的漂移量代替中心波长的漂移量，选取合适的起始点和取点个数，使窗口中能够包含反射谱波形，求取取点窗口内n个脉冲点波长功率的加权平均即为反射波的特征值，从而解调出FBG反射波中心波长的漂移量．最小二乘线性拟合是根据最小二乘原理计算偏差平方和的最小值，确定线性拟合的最佳参数，从而解调出中心波长的漂移量．2 实验及数据处理FBG传感解调实验由光源、传感区和数据采集与处理3部分组成，实验系统如图1所示．图1 实验系统Fig.1 Experimental configuration实验系统表示，超辐射激光二极管(SLD)光源发出的激光经过 3,dB耦合器后进入FBG阵列中．从FBG反射回来的光再次通过 3,dB耦合器，经过Fabry-Perot(F-P)可调谐光滤波器对波长扫描后，由InGaAs光电探测器接收，并将采集到的数据经由数据采集(DAQ)设备传输到计算机以进行数据处理和显示．其中 SLD光源中心波长为 1,550,nm，3,dB带宽为 40,nm；F-P可调谐波长范围为 1,520,nm～1,620,nm，自由光谱范围(FSR)为 108,nm，3,dB 带宽为 10,pm；光电探测器自带温控设备，波长响应为800,nm～1,700,nm，噪声等效功率(NEP)小于1.5× 1 0- 14 W/；可调谐光滤波器由DAQ数据采集卡驱动．2.1 FBG温度标定测量采用图 1所示系统，只使用 1个中心波长为1,528,nm的FBG传感器．将该FBG 置于恒温箱中，温度从30,℃升至70,℃，每次变化1,℃．每次升温后，利用LabVIEW 数据采集程序记录各温度下的反射谱．出于标定的目的，将各温度下的反射谱作为受扰谱，而其对应的高斯拟合作为理想的未受扰谱．利用互相关算法，求得各温度下反射谱的中心波长值．在坐标系上利用互相关法得到FBG的标定结果，如图2所示．图2 互相关法标定结果Fig.2 Calibration results for cross-correlation algorithm由图 2可知，FBG的中心波长与温度成线性关系，通过比较线性拟合方差大小，可以判断 FBG温度敏感性的好坏．其中直线的斜率表示 FBG传感器的温度敏感系数，同时计算0,℃时 FBG的中心波长，将实验数据用几种不同方法处理后进行了对比，结果如表1所示．表1 标定结果比较Tab.1 Comparison of calibration results算法互相关法WWA自相关法LSA直线斜率/(pm·(℃)−1) 波长/nm 方差/pm2 9.41 9.45 9.42 11.40 1 528.037 1 528.032 1 528.042 1 528.016 7.26 13.81 7.28 3 826.44由表 1可知，互相关算法与功率加权法、自相关法所得出的结果基本相同．而最小二乘法所得到的大方差值表明该解调算法的抗噪声能力远低于其他算法．2.2 FBG应变测量采用图1所示系统，4个FBG串接在 1根光纤上，分别标记为 FBG1、FBG2、FBG3和 FBG4．实验过程中选用的4个FBG中心波长分别为1,521,nm、1,527,nm、1,533,nm和1,539,nm，FBG的3,dB带宽约为0.2,nm．实验中，把具有最高反射功率的 FBG4作为传感系统的温度补偿光栅，以抵消环境温度浮动带来的影响．实验过程中，SLD光源出射的激光经过FP可调谐光滤波器，在1,520,nm～1,542,nm范围内扫描整个传感系统，得到4个FBG的反射谱(见图3)．图3 4个FBG的反射谱Fig.3 Reflected spectra of four FBGs利用LabVIEW程序控制F-P可调谐光滤波器进行重复扫描，记录每个扫描行程的反射谱．通过分析应变变化量，即标准差，便可得到算法的解调精度．分别计算FBG1～FBG3的应变量，其标准差可说明解调算法的优劣，标准差越小，解调算法越好．数据处理过程中，将第1个扫描行程的反射谱作为未受扰谱，与其他反射谱按互相关方法做解调运算．实验中通过设置窗口来决定反射谱上每次有多少采样点参与互相关运算，同时用 LabVIEW 程序控制窗口随着 FBG反射谱的微小位移而移动．将窗口大小从1,600,pm 逐步缩小至 100,pm，每次变化 100,pm，分别计算 FBG1～FBG3应变量的标准差，所得结果如图4所示．图4 应变标准差与窗口大小的关系Fig.4 Variation of standard deviation of strain resolution with wavelength window width由图 4可知，当窗口宽度设置在 300,pm～1,600,pm范围内时，互相关算法的解调精度浮动较小．当该宽度趋近FBG的3,dB带宽(200,pm)时，该算法的解调精度开始恶化．所以，在窗口宽度接近或小于FBG的3,dB带宽的情况下，该算法无法准确计算中心波长的位移．实验中设定所选窗口宽度为1,500,pm，扫描步长从5,pm增加到75,pm，每次变化5,pm，分别计算FBG1～FBG3应变量的标准差，所得结果如图5所示．由图5可知，扫描步长对应变标准差的影响较明显，当扫描步长大于 35,pm后，应变标准差出现明显波动，无法保证解调精度．因此，控制 F-P可调谐光滤波器的扫描步长在35,pm之内，则互相关算法仍可以保持较高的解调精度．从图 4、图 5中可以看出，FBG1与FBG2的应变标准差的测量结果比较接近，而FBG3的测量结果明显优于FBG1和FBG2，因此FBG3的稳定性更好．图5 应变标准差与扫描步长的关系Fig.5 Variation of standard deviation of strain resolution with wavelength step在精度测量实验中，笔者从应变标准差、窗口大小、扫描步长和解调速度4个方面，将互相关法、功率加权法和最小二乘法进行了比较，结果如表2所示．由表2可知，3种方法在应变标准差上的解调精度相当，而在其他 3项的比较中各有优劣，因此可以根据不同的应用环境选择不同的解调算法．表2 几种解调算法的比较Tab.2 Comparison of different demodulation algorithms算法 FBG1 FBG2 FBG3 窗口大小/pm应变标准差/με互相关法 1.9 1.7 0.6 ＞300 WWA 2.0 1.5 0.5 ＞600 LSA 3.0 1.0 0.5 —扫描步长/pm 解调速度＜35 慢＜80 快＜100 慢3 结语介绍了一种基于互相关原理的光纤布拉格光栅传感器的解调算法，温度灵敏度标定实验显示，与其他算法相比，该算法具有最佳的抗噪声能力．应变测量实验显示，该算法在高反射率 FBG和低反射率FBG的应变传感精度分别达到了0.6,με和1.9,με，具有一定的优势，同时分析了窗口宽度和扫描步长对解调精度的影响．结果表明，该算法可以准确、高效地检测 FBG反射谱中心波长的漂移．利用互相关原理的波长解调算法不仅可以应用于与本系统相似的扫描光谱式的光纤传感系统，也可应用于其他 FBG传感系统中进行动态温度或应变传感．【相关文献】［1］ Kersey A D，Davis M A，Patrick H J，et al. Fiber grating sensors[J]. Journal of Lightwave Technology，1997，15(8)：1442-1463.［2］ Ball G A，Morey W W，Cheo P K. Fiber laser source/analyzer for Bragg grating sensor array interrogation[J]. Journal of Lightwave Technology，1994，12(4)：700-703. ［3］ Yan Lianshan，Yi Anlin，Pan Wei，et al. A simple demodulation method for FBG temperature sensors using a narrow band wavelength tunable DFB laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2010，22(18)：1391-1393.［4］ Kersey A D，Berkoff T A，Morey W W. Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor with a fiber Fabry-Perot wavelength filter[J]. Optics Letter，1993，18(6)：1370-1372.［5］ Allan W R，Graham Z W，Zayas J R，et al. Multiplexed fiber Bragg grating interrogation system using a microelectromechanical Fabry-Perot tunable filter[J].IEEE Sensors Journal，2009，9(8)：936-943.［6］李智忠，孙崇峰，杨华勇，等. FBG中心波长的可调谐光源法检测中光强起伏研究[J]. 光电子·激光，2005，16(4)：413-417.Li Zhizhong，Sun Chongfeng，Yang Huayong，et al.Study on optical power fluctuation measurement in FBG center wavelength detecting with tunable laser[J]. Journal of Optoelectronics·Laser， 2005 ， 16(4) ： 413-417(in Chinese).［7］井文才，王光辉，刘琨，等. 功率加权法用于光纤Bragg光栅特征波长检测[J]. 光电子·激光，2007，18(9)：1022-1025.Jing Wencai，Wang Guanghui，Liu Kun，et al. Application of weighted wavelength algorithm on the demodulation of a fiber Bragg grating optical sensing system[J].Journalof Optoelectronics·Laser，2007，18(9)：1022-1025(in Chinese).［8］董海，井文才，刘琨，等. 一种光纤 Bragg光栅波长移位量的计算方法[J]. 光电子·激光，2007，18(2)：144-146.Dong Hai，Jing Wencai，Liu Kun，et al. A calculating method for obtaining the wavelength shift of fiber Bragg grating[J]. Journal of Optoelectronics·Laser，2007，18(2)：144-146(in Chinese).［9］ Caucheteur C，Chah K，Lhommé F，et al. Autocorrelation demodulation technique for fiber Bragg grating sensor[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2004，16(10)：2320-2322.［10］ Huang Cen，Jing Wencai，Liu Kun，et al. Demodulation of fiber Bragg grating sensor using cross-correlation algorithm[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2007，19(9)：707-709.。
BBO晶体简介
BBO晶体简介•产品详细介绍作为一种优越的电光材料，BBO晶体常被用作波长在200nm到2500nm的高功率激光系统中。
Z切的BBO 晶体，在镀增透膜和电极镀金后，可用于持续波二极管泵浦Nd:YAG激光器的调Q器件，产生高功率的能量输出。
我司可提供厚度为0.05毫米的BBO薄片。
智和弘盛BBO晶体的特性：可实现相位匹配的波段范围宽（409.6—3500nm）可透过波段范围宽（190—3500nm）倍频转换效率高(相当于KDP晶体的6倍）光学均匀性好高损伤阈值（100ps脉宽的1064nm10GW/cm^2）温度接收角宽（55℃左右）智和弘盛提供的服务1. 严格的质量控制2. 可提供晶体长度从0.02mm--25mm,尺寸可达到15X15X15mm.3. 可提供晶体的镀膜(保护膜,增透膜)和重抛镀业务,并可提供支架4. 备货充足晶体结构Trigonal, space group R3c单孢参数a=b=12.532Å,c=12.717Å熔点~1095℃莫氏硬度 4密度 3.85 g·cm-3热传导系数 1.2 W·m-1·K-1 (┴c); 1.6 W·m-1·K-1 (//c)基本特性BBO晶体的光学和非线性光学特性透过波段190nm-3500nm可实现相位匹配的波段范围宽409.nm6-350 nm (Type I); 525nm-3500nm (Type II )热光系数dno/dT=-16.6×10-6; dne/dT=-9.3×10-6吸收系数<0.1%/cm @1064nm; <1%/cm @532nm接受角0.8 mrad·cm-1 (θ,Type I, 1064 SHG的有效倍频。
3.钛宝石激光和Alexandrite激光使用BBO晶体的Alexandrite激光的I类二次谐波可输出波长范围360nm-390nm的紫外光，其中378nm波长激光的脉冲能量为105mJ（31％的二次谐波转换率），三次谐波可输出波长范围244nm-259nm，脉冲能量7.5mJ（24％的混频转换率）的紫外光。
衰减激光的若干种方法
衰减激光的若干种方法包括：
1. 吸收衰减：
- 使用光学衰减器，如固态衰减器、液体衰减器或气体衰减器，这些设备可以吸收部分入射激光的能量，从而降低输出功率。
2. 反射衰减：
- 通过调整反射镜的反射率，使部分激光能量被反射而不是传输。
这可以通过使用半透半反镜或者可调谐反射镜来实现。
3. 散射衰减：
- 利用散射介质（如雾、烟雾或特殊的散射材料）来分散激光能量，使得激光强度降低。
4. 分束衰减：
- 使用分束器将激光能量分成两部分或多部分，只保留一部分能量进行传输，其余部分被旁路或吸收。
5. 脉冲调控：
- 如果激光是脉冲式的，可以通过调整脉冲宽度、重复频
率或占空比来改变激光的平均功率。
6. 电子控制：
- 对于某些激光系统，可以通过电子控制系统调节激光器的驱动电流或电压，间接改变激光输出功率。
7. 光纤衰减：
- 在光纤通信中，可以使用专门的光纤衰减器来减少光信号的强度。
8. 滤波衰减：
- 使用特定的光学滤光片，只允许特定波长的光通过，其他波长的光被吸收或反射，从而达到衰减的效果。
在实际应用中，选择哪种衰减方法取决于具体的应用需求、激光的类型和波长、所需的精度以及系统的整体设计。
同时，需要注意的是，过度衰减可能会导致激光质量下降、热效应增加或者稳定性变差等问题，因此需要合理控制衰减程度。
Cr~4+YAG固体激光器可调谐的研究
Cr 4+:Y AG 固体激光器可调谐的研究余先伦1,2,宋明成1,罗映祥1,杨伯君2,于 丽21.重庆三峡学院物理与电子工程学院,重庆万州404000;2.北京邮电大学理学院,北京100876提要:锁模固体C r 4+:Y AG 激光器可调谐输出其激光波长,深入分析了可调谐C r 4+:Y AG 固体激光器的基本原理和方法,对比分析研究了几种典型的C r 4+:Y AG 固体激光器可调谐技术方法,Cr 4+:Y AG 固体激光器调谐输出的激光波长在光纤的低损耗区,是未来光纤通信和量子通信中的理想光源。
关键词:激光技术;C r 4+:Y AG 激光器;调谐中图分类号:TN 248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2006)05-0047-02The anal ysis of t uning technique in the sol id -sta te Cr 4+:YAG la serY U Xian -lun 1,2,S ONGMing -cheng 1,LU O Y ing -xiang 1,Y A NG B o -jun 2,Y U Li 21.Department of P hysics and Elect ronics Engineeri ng ,the C hongqing Three G orges Univers it y ,W anzhou ,Chongqing 404000,China;2.Department of P hysics ,S chool of Science ,B eijing Univers ity of P os t s and T elec om m uni cations ,Beijing 100876,ChinaAbstract :The output wavelength in the m ode -locked s olid -s tate C r 4+:Y AG laser could be tuned.T he m ethod and t he principle of t he tuning wavelengthin t he s olid -s tate C r 4+:Y AG las er i s deepl y di s cuss ed ,the t uned m et hods of s ome typi cal C r 4+:Y AG las er experim ents are contrasted.T he out p ut wavelengthof the C r 4+:Y AG laser i s the lower l oss region of fiber and it is t he ideal optical s ource in the fi ber com m unicati on and the quantum com munication.K ey w ords :laser technique ;C r 4+:Y AG laser ;t uning收稿日期65基金项目自然科学基金项目(638)和重庆市教委项目计划(K 5)资助。
可调谐激光 2-2
固定波长激光晶体掺Ln3+ 4f电子跃迁，几个固定波长，红外 晶体场较强时，电子-声子耦合加强 5d 4f跃迁可能成为宽带能级结构 Ce3+唯一紫外区可调谐激光晶体 Ln2+,Sm2+已在可见光谱区可调谐
掺过渡金属离子晶体
掺钛离子激光晶体
基质晶体
蓝宝石、紫翠宝石、钙钛矿
稳定性好 高导热率 熔点高（2050℃） 硬度大(9级)
掺钛蓝宝石晶体结构
三角对称性 立方场、三角场 1s22s22p63s23p63d 一个3d价电子
掺钛蓝宝石晶体能级分裂
立方场》三角场 电子能级与声子耦合 宽带能级结构 最低激发态寿命3.2μs
晶体取向、端面布角切割
掺钛蓝宝石的品质因数
红外谱区存在吸收 增益峰红移 Ti3+-Ti4+离子对模型 π 分量吸收小于σ 分量 退火处理
掺钛蓝宝石的品质因数
吸收系数 品质因数（Figure of Merit, FOM）
FOM 晶体对泵浦光吸收系数 晶体对激光峰值波长吸 收系数
掺钛蓝宝石晶体能级图
声子参与弛豫 吸收谱有两个吸收峰 发射谱单峰
吸收谱的偏振特性
π 分量偏振方向与c轴平行 σ 分量偏振方向与c轴垂直 π 分量吸收远大于σ 分量 较高的线偏振光泵浦效率
发射谱的偏振特性
2T2能级的分裂与展宽
短波长与吸收谱重叠 具有偏振特性 可获线偏振激光输出
掺其它过渡金属离子激光晶体
掺钴（Co2+）离子晶体
【浙江省自然科学基金】_可调谐_期刊发文热词逐年推荐_20140812
2011年 科研热词 光纤光学 高非线性光纤 滤波器 法布里-珀罗干涉仪 水听器 四波混频 受激布里渊散射 参量振荡器 光纤激光器 光纤布拉格光栅 光纤传感 推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7
科研热词 推荐指数 遥测望远镜收发系统 1 开放式长光程光路 1 可调谐激光吸收光谱 1 可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas) 1 代数迭代重建算法 1 二维重建 1 ch4浓度实时测量 1
2008年 序号 1 2 3 4
科研热词 程控增益 痕量气体监测 前置放大 光电检测
ห้องสมุดไป่ตู้
推荐指数 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4
科研热词 氨气浓度测量 氨气流速测量 可调谐半导体激光吸收光谱 光学信号互相关法
推荐指数 1 1 1 1
2010年 序号
2011年 科研热词 推荐指数 序号 1 光纤bragg光栅(fbg) 滤波器 色散调谐 1 啁啾率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
科研热词 推荐指数 非线性光学 1 镁掺杂周期极化铌酸锂晶体 1 自拍频 1 燃烧参数 1 激光吸收光谱 1 温度调谐 1 气体二维浓度 1 在线测量 1 周期性极化铌酸锂晶体 1 可调谐激光吸收光谱 1 可调谐半导体 1 受激布里渊散射(sbs) 1 分布反馈(dfb)激光器 1 准相位匹配 1 内腔单共振 1 光谱测量 1 光学测量 1 光学器件 1 光学参量振荡器 1 光学参变振荡器 1 代数迭代重建 1 中红外连续波 1 co 1
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本节内容
可调谐激光泵浦源特点
增益波导效应
快放电闪光灯泵浦技术
会聚器的优化
LD泵浦技术
光泵浦技术
光泵浦技术
闪光灯泵浦 固体激光器 亚毫秒量级 与增益介质上能 级寿命匹配
激光泵浦 连续激光泵浦 脉冲激光泵浦 光学参量振荡 激光二极管
可调谐激光器泵浦特点
激光介质激光上能级寿命较短
qz1 A B qz 2 qz1 C D
1 l n 1
l 1
A C B D i
g 0 2 p
激活介质可看成具有半径 g g 的高斯孔径 0 《激光光学》 吕百达
p
增益波导与高斯型变反射率腔镜比较
变反射率腔镜非稳腔高斯模受腔放大率限制
激光纵向泵浦增益波导
通过介质的激光为高斯分布
1 1 i qz R 2
Ricatti方程
1 d 1 2 0 q 2 dz q
2 k2 k
1
复数传播常数
g r k r i 0 l 2n
激光纵向泵浦增益波导
1 sin l n qz2 qz1 n sin l cosl qz1 cosl
漫反射式
多灯串联会聚器的优化设计
镜反射会聚器
多灯串联会聚器的优化设计
漫反射会聚器
多灯串联会聚器的优化设计
高辐射效率 高吸收效率（接近黑体辐射） 吸收会聚器反射光 灯内等离子体温度升高，发射谱蓝移 闪光灯发光不稳定性 闪光灯互相隔离 收集后向发射光
提高泵浦转换效率的途径
20世纪80年代 LD室温运转
体积小 电光效率高 输出稳定性好
激光器的小型化、全固化
激光二极管
Semiconductor Optical Devices
M. Fukuda
激光二极管的选择
注入电荷通过半导体p-n结发生电子与空穴对 复合发光 LD辐射波长特性 基质材料组分 温度 大功率LD阵列 LD线阵 LD面阵（散热）
激光二极管泵浦与耦合
横向泵浦 纵向泵浦
泵浦源光束质量 输出功率
激光二极管泵浦与耦合
单条LD的输出
光束变换
激光二极管泵浦与耦合
光束变换器
圆形光束
激光二极管的寿命
商用LD室温寿命
室温条件下，LD失效平均时间
LD波导反射镜或表面退化
效率下降或吸收损耗增加
LD接触阻抗增大
电阻损耗或热损耗增加
可调谐激光器要求放电脉冲上升时间10-6s量级 需要解决的技术问题 放电稳定性 电光转换效率 使用寿命
快放电闪光灯的时间特性
放电电路：LC电路
降低放电损耗 小回路电阻 大储能 大电容 电感 抑制放电上升速度
回路放电微分方程（无回路电阻）
1 di 1 i 2 L Ri K 0 i idt VC dt C 0
增益波导高斯孔径随泵浦光斑而改变，具有自适应性
增益波导泵浦光功率大小可任意选择 增益波导高斯孔径自适应性利于腔内储能提取 可采用结构简单的平平腔
闪光灯泵浦技术
激光器泵浦
总体积庞大、总转换效率低、难获大输出能量
激光介质增益大小
掺杂浓度、受激发射截面、上能级寿命。。。
快放电闪光灯泵浦技术
闪光灯放电能量 放电回路时间常数
CVC2 E0 2
T LC
低感放电电路和预燃技术
放电初期电感较大 阻碍放电脉冲形成 加宽放电脉冲宽度 预燃技术
提高输出能量 3倍 缩短脉冲上升时间 1倍 增加闪光灯寿命 105
小电流预燃技术
预燃电弧细 灯壁灯芯间存在温度梯度 灯芯气体密度低、导电率高 预燃电弧向灯芯集中 电弧难于扩大
电容C很小，电压Vc很大 需要K0很大
闪光灯阻抗参数
p L K 0 t 0.85 q E t
0.2 0.6
临界阻尼放电LC回路设计
提高充气压 采用大长径比闪光灯 多灯串联
闪光灯高功率放电的光谱特性
放电电压kV量级 快放电闪光灯电流密度100kA/cm2量级 灯内等离子体具有极高色温 极宽发射谱
波长适应性强 有效光谱重叠差，泵浦效率低 短波长辐射促使形成色心或漂白导致工作物质退化 长波长辐射形成热致折射率梯度，导致光束质量变坏
发射谱随时间变化 近似黑体辐射 高色温等离子体对泵浦光的屏障
闪光灯高功率放电的光谱特性
低感放电电路和预燃技术
输入充电能量 放电脉冲宽度 t=3.2T 电容 电感
快放电闪光灯的时间特性
放电回路阻尼因子
K0 VC Z 0
Z0 L C
<0.8欠阻尼放电
>0.8过阻尼放电 ≈0.8临界阻尼放电
周期性极性改变，转换效率低
无振荡 电流峰值下降转换效率低
无振荡，高转换效率
临界阻尼放电LC回路设计
放电回路与闪光灯间阻抗匹配
K0 VC Z 0
可调谐激光器
放电电极退化与溅射
电极发射性能下降 灯壁对辐射透过降低
闪光灯石英管壁老化和破损
污染物腐蚀 热应力 声冲击波
所充气体污染或漏气
电极密封不好 影响等离子体触发和预燃
快放电闪光灯寿命
闪光灯寿命定义
发光效率下降到一半的有效闪光次数
闪光灯使用寿命经验公式(无预燃)
损伤阈值 寿命 回路放电能量
预脉冲预燃技术
大电流DC预燃技术
消耗电能
预脉冲预燃技术 混合预燃技术
DC预燃+预脉冲预燃
预燃效果
大体积放电等离子体 大电弧截面
短脉冲快放电电路特点
回路电感低、放电电容小
元件（闪光灯）电感尽量小 预燃降低电弧电感 回路连接线截面大、引线短
放电电压、放电电流高
电容小、耐高压
快放电闪光灯寿命
工作可靠性稳定性及便于操作
固体激光器：操作简单、工作可靠、便于维护 气体激光器：准连续、高重频
价格及使用寿命与维护费用
购买价格 日常维护费用
激光泵浦的增益波导效应
得到大尺寸TEM00模高斯光束
变折射率高斯反射镜输出耦合：工艺复杂、价格昂贵 增益波导效应(gain guiding)
增益波导
由被激励激光介质中细而长增益体积所形成的一种光 波导结构 纵向泵浦 横向泵浦
泵浦波长落在吸收谱范围内 选择对增益介质有最大吸收截面的波长
泵浦光脉宽与增益介质上能级寿命的匹配
泵浦脉冲上升时间小于等于上能级寿命
泵浦光光强与振荡阈值和抗损伤阈值
泵浦光斑 高功率密度 小增益体积 脉宽越窄损伤阈值越低 吸收饱和 热效应 效率降低
对泵浦光源的技术要求
激光光束质量与泵浦形式
纵向泵浦，泵浦光束质量决定输出光束质量 横向泵浦，介质截面横向不均匀性及腔轴方向纵向不均 匀性
热负荷小、无紫外辐射 使用寿命长 稳定性、可靠性好
功率稳定性好 光束指向稳定性好 全固化、体积小、易安装 无高压，安全
LD泵浦技术的不足
LD辐射区小 发散角大、耦合困难 非圆形光束截面、耦合困难 不适于高峰值功率状态下工作
适合储能调Q运转
8.5
闪光灯损伤阈值
Ex ld t
快放电闪光灯取大的长径比
～30
快放电闪光灯寿命
采用预燃 冷却
电极冷却 玻璃壳冷却 气体冷却 液体冷却
会聚器的优化设计
收集闪光灯发光 均匀照射激光介质 大而均匀的增益 镜反射式（灯轴、激光介质轴）
焦上配置：好成像质量、结构大 焦外配置：结构紧凑、高会聚效率、均匀性差
吸收光谱为宽带谱
泵浦波长适应性强，便于选择泵浦光源
存在三重态或受激态吸收等淬灭机制
激光泵浦技术
横向泵浦 纵向泵浦
离轴泵浦
共轴泵浦
脉冲泵浦源性能
波长 脉冲宽度 脉冲能量 光束质量 稳定性 价格 维护费用 操作难易
对泵浦光源的技术要求
泵浦光波长与增益介质吸收带的光谱匹配
泵浦转换效率
激光增益介质储能与闪光灯放电电能之比
提高闪光灯放电功率密度 提高闪光灯充气压
增大闪光灯触发和预燃难度
提高光谱重叠率
控制闪光灯色温控制
采用预燃技术 选择设计高效、可靠的会聚器
激光二极管泵浦技术
20世纪60年代发光二极管（LED）、激光二极 管（LD）泵浦
光强小、低温
激光纵向泵浦增益波导
纵向泵浦 轴向增益分布 会聚因子
exp p z
激光纵向泵浦增益波导
会聚镜焦距足够长 聚光介质掺杂浓度不很高 激活区圆柱体 增益沿纵向均匀分布 纵向小信号增益
G expg r z
径向小信号增益
2r 2 g0 g r exp 2 2 p
晶格内部存在缺陷