1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
采用非对称大光腔外延结构设计制备出976 nm InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱脊形半导体激光器，通过对外延结构的设计优化，以实现器件低远场发散角、低功耗的基横模稳定输出。所制备基横模脊形半导体激光器的脊宽为5 μm、腔长为1500 μm，在25 ℃测试温度下，可获得422 mW最大连续输出功率，峰值波长为973.3 nm，光谱线宽（FWHM）为1.4 nm。当注入电流为500 mA时，垂直和水平远场发散角（FWHM）分别为24.15°和3.90°。在15~35 ℃测试温度范围内对脊形半导体激光器的水平远场发散角进行测试分析，发现随着测试温度的升高，器件远场分布变化较小，水平远场发散角基本维持在3.9°左右。
激光器 976 nm半导体激光器 基横模脊形波导 低远场发散角 非对称大光腔结构
1 太原科技大学 应用科学学院，山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心， 山西省光场调控与融合应用技术创新中心，山西太原030024
2 江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏徐州1116
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1 620 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0.998 9；对浓度为20×10-6的乙烯进行连续4 000 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。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 乙烯 Allan方差 波长调制 煤热解 tunable diode laser absorption spectroscopy ethylene allan variance wavelength modulation
1 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 河北农业大学海洋学院，河北 秦皇岛 066003
3 爱丁堡大学工程学院，英国 爱丁堡 EH93JL
4 河北省信息传输与信号处理重点实验室，河北 秦皇岛 066004
可调谐二极管激光吸收光谱层析成像（TDLAT）是一种重要的光学非侵入式燃烧检测技术。然而，TDLAT逆问题的欠定性本质使得现有迭代层析成像算法重建的燃烧场温度分布图像存在较大误差。针对该问题，笔者将图像处理领域的卡通-纹理模型引入TDLAT，提出了基于卡通-纹理模型的温度重建算法（TRACT）。该算法利用全变差约束下的Landweber算法重建气体吸收密度图像中的卡通成分，较好地恢复其中的平滑特征与边缘结构；构建改进的迭代收缩阈值算法深度展开网络，并用其重建气体吸收密度图像中的细节纹理成分；通过卡通成分重建与纹理成分重建的相互补充，提高气体吸收密度图像的整体重建质量，进而提高燃烧场温度分布图像的重建质量。利用火焰动力学模拟器生成的仿真数据与利用TDLAT实验系统实际测量数据进行的重建实验均表明，与现有的迭代层析成像算法相比，TRACT重建的燃烧场温度分布图像在客观评价指标与主观视觉质量方面均有较大提升。
光谱学 可调谐二极管激光吸收光谱 层析成像 温度重建 双线测温法 卡通-纹理模型
1 海南师范大学物理与电子工程学院海南省激光技术与光电子功能材料重点实验室，半导体激光海南省国际联合研究中心，海南 海口 571158
2 新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院，新加坡 639798
3 新加坡南洋理工大学淡马锡实验室，新加坡 637553
4 中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室，北京 100083
5 长春理工大学高功率半导体激光器国家重点实验室，吉林 长春 130022
2 μm波长附近可调谐半导体激光器在分子光谱学和光通信领域中有广阔的应用前景。基于绝缘体上硅（SOI）平台，对2 μm波长附近可调谐半导体激光器的外腔部分进行了设计优化。分析了不同尺寸光波导的模式损耗特性、单个微环谐振腔受总线波导耦合间距的作用以及总线波导光反馈终端对外腔半导体激光器性能的影响。并提出了一种具有高工艺兼容度的多模环形光波导光反馈结构。所设计的可调谐半导体激光器硅基外腔可通过环形波导上的镍铬合金微加热器进行0.1 nm/K的高精度调谐，对单个微加热器施加3.2 V电压时，调谐范围可达66 nm（1967~2033 nm）。
硅光集成 可调谐外腔半导体激光器 环形谐振腔 光波导终端
1 山西大学激光光谱研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
3 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
为了研究室内二氧化碳（CO2）体积分数变化以及其与人类活动之间的关系，设计了一种开放路径式可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）传感系统对室内CO2体积分数进行监测。采用中心波长为2004 nm的分布式反馈（DFB）激光器作为激励光源测量CO2的R（16）特征吸收线。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法拟合测量光谱，实现体积分数测量免定标。与商用XENSIVTMPAS二氧化碳传感器进行对比测量，二者的相关度R2达到0.89。结果显示，室内CO2每日体积分数均值为4.63×10-4，略高于室外的CO2体积分数，并且一天内波动范围在3.86×10-4~5.66×10-4之间。室内CO2体积分数受通风情况和室内人员活动的影响，其每日体积分数变化趋势与人员工作时间高度相关。在人员密度为0.005 人/m3的情况下，测量得到CO2体积分数的增长速率为2.3×10-5 h-1。因此，人员拥挤的室内环境应及时通风，以防止体积分数过高的CO2引起不适。
可调谐二极管激光吸收光谱技术 痕量气体 免标定 室内二氧化碳检测 在线监测 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0530004
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
采用具有模式转换和无损传输特性的三模非模式选择光子灯笼（PL）实现了976 nm波长的半导体激光的相干合束。相对于半导体激光常规空间孔径相干合束的方式，所提合束光场不会产生旁瓣，且能拥有较高的光束质量。通过仿真PL合束特性，搭建合束实验系统，最终976 nm波长的半导体激光基模输出功率达99.7 mW，转换效率为33.2%。实验结果表明，此合束系统实现了模式转换，使半导体激光能够以基模输出，展现了一种有潜力的半导体激光相干合束的方法。
半导体激光 光子灯笼 相干合束 相位调控 光纤模式 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0514006
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春3003
2 中国科学院大学，北京100049
为了分析光子灯笼用于光合束时的模式控制能力波动，建立算法提取光场灰度矩阵，使用数值计算结果替代角功率分布方差来分析光子灯笼模式控制能力随合束功率的波动。根据功率流方程与临近模耦合理论推导了算法的理论基础。从算法结构和灰度值提取精度参数两方面详细介绍灰度提取算法。通过对比复原图与原光场图，证明算法将光强分布情况转化成灰度值矩阵的数值准确性；最后，以自制的3×1光子灯笼在弱主动模式控制下的表现为例，分析其模式控制能力随合束功率变化导致的输出光质量与合束损耗的变化。实验结果解释了合束功率从0增加到270 mW时3×1光子灯笼的光合束损耗曲线斜率变化以及合束光最大高斯拟合度波动。算法能简单、快速地分析光子灯笼用于基模合束光制备时模式控制能力的波动情况，且环境敏感度低，光场功率分布提取准确率大于99%。
半导体激光 模式控制 灰度矩阵 光子灯笼 光合束 diode laser mode control gray matrix photonic lantern beam combining 光学 精密工程
2023, 31(19): 2818
1 太原理工大学电气与动力工程学院热能工程系， 山西 太原 030024
2 太原锅炉集团有限公司， 山西 太原 030024
基于可调谐激光吸收光谱的二维温度和浓度分布重建对于燃烧诊断具有重要意义， 而数值迭代算法在温度和组分浓度的重建中起着重要作用。 通过对比发现自适应迭代算法和最小二乘QR分解算法对于重建二维温度和气体浓度分布具有很好的优势。 研究表明， 波长7 154.35， 7 153.75， 7 185.60和7 444.36 cm-1四条H2O的吸收谱线， 非常适合测量高温预混火焰中的温度和水蒸气浓度分布。 与7 444.36, 7 185.60, 7 154.35和7 153.75 cm-1处的吸收谱线相比， CO2和CH4的光谱吸光非常微弱， 在该波段O2和CO基本没有吸收， 因此燃烧环境中CO2， CH4， O2和CO等气体对于H2O吸收谱线基本没有影响。 通过比较不同算法的最优松弛因子、 计算时间和重建误差等， 发现与最小二乘QR分解算法相比， 自适应迭代算法具有更好的重建质量和更短的计算时间。 在自适应迭代算法的基础上进一步比较了不同吸收线对(7 444.36和7 185.60， 7 154.35和7 153.75 cm-1)在射线束为16， 32， 48和64时的二维重建结果。 结果表明， 采用吸收谱线7 153.75和7 154.35 cm-1得到的重建结果优于吸收谱线7 185.60和7 444.36 cm-1的重建结果。 随着激光束的增加， 重建结果越来越接近模型假定的温度和浓度分布。 考虑到有限的测量空间和重建精度， 分析认为32束的光路布置更适合实际火焰的二维温度和浓度重建。 为了分析自适应迭代算法对不同温度和浓度分布的重建能力， 进一步模拟了双峰温度和浓度分布。 结果表明， 随着射线束的增加， 温度的重建误差总是大于浓度的重建误差， 表明射线数对温度的影响更为明显。 在双峰分布中， 投影射线束为16时的重建误差最大， 但此时的重建结果也能反映温度和浓度的分布趋势。
可调谐激光吸收光谱 重建算法 温度分布 浓度分布 Tunable diode laser absorption spectroscopy Reconstruction algorithm Temperature distribution Concentration distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1367
光子学报
2023, 52(10): 1052406
