针对利用可调谐半导体激光器吸收光谱学(TDLAS)技术测量气体浓度过程中二次谐波谱线存在的外界噪声干扰问题,提出一种基于变分模态分解和小波阈值函数复合算法的二次谐波降噪方法。首先对二次谐波含噪信号进行分解,得到有用固有模态函数(IMF)并进行重构,再对重构信号进行小波阈值函数降噪处理。讨论了变分模态分解中最佳平衡参数的选取,得出最佳平衡参数与含噪信号中噪声成正比的结论。通过改变小波变换的阈值函数改变高频小波系数,以更好地抑制噪声。对实际测量曲线的降噪结果表明,所提出的降噪方法可以在信噪比较低的情况下有效抑制噪声,提取有用的二次谐波信号。

外腔可调谐半导体激光器在光纤传感、冷原子物理和激光雷达等领域有着广泛的应用前景。为了得到大的无跳模调谐范围, 需要对激光器的腔长、光栅参数、各个元件的几何位置以及转动点的位置进行严格的设计。通过构建 Littman型可调谐激光源无跳模纵向允许误差范围的数学模型, 深入分析了转轴点到压电陶瓷电机运动轴线的距离、转轴点到闪耀光栅衍射点的距离、光栅安装角度和光栅刻线密度对无跳模纵向允许误差范围的影响。分析结果表明, 合理选择各个参数可有效避免激光输出光束的跳模。

调制光栅Y分支(MG-Y)可调谐半导体激光器能够实现宽波长范围的快速调谐,有望成为光纤传感应用中最有发展前景的光源之一。为了满足光纤传感应用中对于精细波长准连续调谐的需求,提出了一种基于样条插值的MG-Y型激光器的自动化测试技术。该方案充分利用了MG-Y激光器的调谐特性,通过左、右光栅反射区电流的粗扫描获取覆盖40 nm范围的平滑的调谐路径。将每一条路径内的左右光栅反射区电流组合对应的线性调谐段进行去重拼接后,可实现目标波长的快速插值检索。通过对半导体光放大器的电流和相位区电流的双重校准,实现了激光器在不同输出波长下的平坦功率。利用该技术构建了覆盖1527~1567 nm、波长间隔为8 pm的波长-电流查找表。该查找表的电流调谐路径平滑,功率波动小于0.2 dBm,可用于需要进行快速光谱采集的光纤传感应用中。

制备了一种中心波长为852 nm的内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器结构。研究了不加调谐电压时可调谐VCSEL的电流-电压-光功率关系, 注入电流为10 mA时, 得到了器件的最大输出功率为2.3 mW。结果表明, 内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器的波长调谐范围达到27 nm, 调谐效率为9 nm/V。

为增加可调谐激光器的波长调谐范围, 提高系统的可靠性和稳定性, 基于液晶的电控双折射特性, 设计了一种中心波长为852 nm的内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器结构。分析了该结构获得宽范围波长调谐和单偏振稳定输出的物理原理, 利用传输矩阵法进一步计算整个器件下不同液晶层厚度所对应的反射谱, 得出不同液晶厚度和折射率下激光器的激射波长。结果表明, 液晶可调谐激光器单偏振波长调谐范围达到31 nm, 调谐效率大于10 nm/V。

近年来国内外在可调谐垂直腔面发射激光器这一研究领域取得了极大的进步。叙述了可调谐垂直腔面发射激光器的结构原理和发展历程, 对不同结构的优缺点作了对比介绍, 展望了可调谐激光器的发展前景。这种器件在光传输、光互连及光并行信息处理等方面有着良好的应用前景。

报道了一种采用中红外室温连续带间级联激光器(ICL)的高精度大气甲烷检测系统.使用的ICL激光器的发光波数范围为2 998.4~2 999.6 cm-1, 覆盖甲烷在2 999.06 cm-1处的较强吸收峰.为增强气体吸收, 采用容积为220 mL、吸收光程为54.6 m多通池作为气体吸收池.采用LabVIEW平台和数据采集卡, 产生激光器扫描及调制信号, 同时获取探测器信号并采用数字运算提取二次谐波.实验结果显示, 当传感器系统的平均采样时间为3.3 s时, 传感器系统的阿伦方差为11.2 ppbv.采用该系统对实验室内外空气中甲烷浓度进行了长时间的测量, 证实该传感器系统具有较强的工程实用价值.

根据煤矿安全生产监控系统对测量甲烷浓度全量程高准确度的需要, 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术, 设计了一种全量程一体化激光甲烷传感器.采用1 653.72 nm 分布式反馈半导体激光器作为系统光源, 单板电路实现激光器驱动、温度控制、信号调制与解调、浓度反演.为兼顾高测量准确度和大动态测量范围, 系统在低浓度时利用波长调制技术进行甲烷浓度在线检测; 当气体浓度大于阈值时, 自动切换到直接吸收检测技术.实验结果表明, 该传感器在浓度范围为0～5%内误差小于±0.06%, 在浓度范围为5～100%内误差小于真值的±6%, 响应时间约为15 s, 满足矿井实际测量需要.

构建了一套高分辨率的可复用光纤光栅波长解调系统.采用波长调谐范围为1 546 nm至1 558 nm的紧凑型可调谐半导体激光器作为光源, 来提高系统的紧凑性、波长分辨率以及响应速度, 加入标准气室作为波长基准以提高系统的长期稳定性.使用多个电极电流共同调谐的办法, 实现了在12 nm范围内半导体激光器波长分辨率高达1 pm的准连续波长扫描.利用重心算法提高光纤光栅中心波长的解调精确度和稳定性,并对解调过程进行模拟.解调系统的波长分辨率优于1 pm, 精确度接近2 pm.整个光纤布拉格光栅温度传感系统在1 550 nm附近实现了0.1℃的温度分辨率.