基于量子級聯(lián)激光器全光調(diào)制的高速中紅外調(diào)頻光譜技術(shù)研究.pdf

1、量子級聯(lián)激光器作為一種高性能的中紅外相干光源，具有功率高、線寬窄、輸出波長可調(diào)諧和可在室溫下工作等優(yōu)勢。它的波長覆蓋廣（3-100μm），且可以通過能帶工程實現(xiàn)靈活設(shè)計。目前量子級聯(lián)激光器已被廣泛應(yīng)用與無線光通信和光譜氣體測量領(lǐng)域。量子級聯(lián)激光器是單極性器件，電子唯一的載流子。利用這一特點，可以通過近紅外激光照射量子級聯(lián)激光器端面有源區(qū)實現(xiàn)全光調(diào)制，同時實現(xiàn)振幅調(diào)制和頻率調(diào)制，全光調(diào)制不受寄生電容的影響，理論上最高調(diào)制頻率可以達到100

2、 GHz。隨著世界經(jīng)濟和社會的發(fā)展，大氣環(huán)境污染問題日益突出，嚴重威脅到人們的身體健康和社會、經(jīng)濟的進一步發(fā)展，已引起了世界各國的高度重視。大氣環(huán)境監(jiān)測對氣體檢測提出高靈敏度、低檢出限、實時、大范圍、遠距離檢測等要求。相對于其他氣體檢測技術(shù)，激光光譜氣體檢測技術(shù)具有檢測速度快、檢測靈敏度高、檢測限低、非接觸和無需化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點，已成為氣體檢測技術(shù)發(fā)展趨勢之一。紅外光譜氣體檢測技術(shù)充分利用了氣體紅外吸收指紋光譜，可實現(xiàn)氣體定性和定量檢測，

3、結(jié)合量子級聯(lián)激光器全光調(diào)制的調(diào)頻光譜技術(shù)具有信噪比高、靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點，然而，中紅外波段的調(diào)頻光譜氣體檢測技術(shù)仍不成熟，尤其是檢測速度較慢，難以實現(xiàn)實時氣體檢測。
　　本文針對現(xiàn)有的全光調(diào)制技術(shù)，開展振幅調(diào)制、頻率調(diào)制的研究。研究各參數(shù)對振幅調(diào)制和頻率調(diào)制的影響，并選擇最優(yōu)的調(diào)制參數(shù)。且本課題得到國家自然科學(xué)基金的支持（紅外量子級聯(lián)激光器的高速全光調(diào)制基礎(chǔ)理論及技術(shù)研究，61077057）。本文并針對現(xiàn)有氣體檢測技術(shù)難以兼

4、顧檢測速度、檢測靈敏度、檢出限的問題，結(jié)合紅外光譜氣體檢測優(yōu)勢和量子級聯(lián)激光器優(yōu)異特性，尤其是充分利用量子級聯(lián)激光器電子響應(yīng)速度快等特點，提出了基于量子級聯(lián)激光器全光調(diào)制的高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測技術(shù)。采用近紅外光束，實現(xiàn)對中紅外量子級聯(lián)激光器的高速全光頻率調(diào)制。在此基礎(chǔ)上，建立了高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對CO氣體的高速、高靈敏度、低檢出限檢測，相對于直接吸收光譜檢測技術(shù)，本文提出的高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測

5、技術(shù)，將最低氣體檢測濃度降低了7倍、靈敏度提高了2倍，較好地解決了檢測速度與檢測靈敏度、檢出限之間的矛盾，實現(xiàn)了實時、高靈敏、低檢出限的氣體檢測。
　　論文主要研究工作具體如下：
　?。?）針對傳統(tǒng)量子級聯(lián)激光器模型中缺失光輻射項和電子溫度項，無法同時對激光器光學(xué)特性和電子溫度進行研究等不足，提出了改進的量子級聯(lián)激光器物理模型；基于該模型建立了量子級聯(lián)激光器數(shù)值仿真算法，編寫了C++仿真程序；實現(xiàn)了含光輻射和電子溫度的量子級

6、聯(lián)激光器輸出特性數(shù)值仿真，并深入研究了電子溫度對量子級聯(lián)激光器輸出特性的影響；為進一步從理論上深入研究量子級聯(lián)激光器全光調(diào)制物理機制奠定了重要基礎(chǔ)。
　　（2）基于全光調(diào)制原理，建立了中紅外（4.6μm）分布式反饋量子級聯(lián)激光器全光調(diào)制實驗系統(tǒng)，采用近紅外相干光，激發(fā)量子級聯(lián)激光器出射端面有源區(qū)，實現(xiàn)對激光器輸出光強和波長的高速調(diào)制；系統(tǒng)深入地開展了量子級聯(lián)激光器全光調(diào)制實驗研究，研究了近紅外調(diào)制光功率、光波長和調(diào)制頻率等，對量子

7、級聯(lián)激光器激光器I-V特性、I-L特性、強度調(diào)制深度和頻率調(diào)制系數(shù)等影響，優(yōu)化了最佳掃描脈寬（200 ns）和最佳調(diào)制頻率（200 MHz）等；并結(jié)合光致熒光實驗，確定了最優(yōu)近紅外調(diào)制光波長（1550 nm）。
　?。?）建立了基于量子級聯(lián)激光器的高速中紅外調(diào)頻光譜氣體檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)波長掃描時間為200 ns，重復(fù)頻率為10 KHz，全光調(diào)制波長為1550 nm，調(diào)制頻率為200 MHz。完成了對系統(tǒng)的波長標定；并對中心波長、光譜

8、掃描范圍、光譜分辨率、穩(wěn)定性等主要系統(tǒng)性能參數(shù)進行了實驗測試；選擇有毒氣體一氧化碳（CO）作為檢測對象，在200 ns內(nèi)獲得了CO氣體的調(diào)頻光譜；測量了不同濃度CO氣體的調(diào)頻光譜，由此得到調(diào)頻光譜CO氣體濃度檢測工作曲線，并對CO氣體濃度進行定量測試；在同一光學(xué)系統(tǒng)中，對高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測方法和傳統(tǒng)的直接吸收譜氣體檢測方法進行實驗比較。實驗結(jié)果表明，高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測方法的氣體檢測靈敏度提升了2倍，而氣體檢出限降