基于量子級(jí)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(jí)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(zhǎng)可調(diào)諧和可在室溫下工作等優(yōu)勢(shì)。它的波長(zhǎng)覆蓋廣（3-100μm），且可以通過(guò)能帶工程實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)計(jì)。目前量子級(jí)聯(lián)激光器已被廣泛應(yīng)用與無(wú)線光通信和光譜氣體測(cè)量領(lǐng)域。量子級(jí)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(diǎn)，可以通過(guò)近紅外激光照射量子級(jí)聯(lián)激光器端面有源區(qū)實(shí)現(xiàn)全光調(diào)制，同時(shí)實(shí)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(dá)到100

2、 GHz。隨著世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，大氣環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重威脅到人們的身體健康和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，已引起了世界各國(guó)的高度重視。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)氣體檢測(cè)提出高靈敏度、低檢出限、實(shí)時(shí)、大范圍、遠(yuǎn)距離檢測(cè)等要求。相對(duì)于其他氣體檢測(cè)技術(shù)，激光光譜氣體檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)限低、非接觸和無(wú)需化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為氣體檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。紅外光譜氣體檢測(cè)技術(shù)充分利用了氣體紅外吸收指紋光譜，可實(shí)現(xiàn)氣體定性和定量檢測(cè)，

3、結(jié)合量子級(jí)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(diǎn)，然而，中紅外波段的調(diào)頻光譜氣體檢測(cè)技術(shù)仍不成熟，尤其是檢測(cè)速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)氣體檢測(cè)。
　　本文針對(duì)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(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金的支持（紅外量子級(jí)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(duì)現(xiàn)有氣體檢測(cè)技術(shù)難以兼

4、顧檢測(cè)速度、檢測(cè)靈敏度、檢出限的問(wèn)題，結(jié)合紅外光譜氣體檢測(cè)優(yōu)勢(shì)和量子級(jí)聯(lián)激光器優(yōu)異特性，尤其是充分利用量子級(jí)聯(lián)激光器電子響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，提出了基于量子級(jí)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(cè)技術(shù)。采用近紅外光束，實(shí)現(xiàn)對(duì)中紅外量子級(jí)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO氣體的高速、高靈敏度、低檢出限檢測(cè)，相對(duì)于直接吸收光譜檢測(cè)技術(shù)，本文提出的高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測(cè)

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

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(duì)量子級(jí)聯(lián)激光器輸出特性的影響；為進(jìn)一步從理論上深入研究量子級(jí)聯(lián)激光器全光調(diào)制物理機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。
　?。?）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(jí)聯(lián)激光器全光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用近紅外相干光，激發(fā)量子級(jí)聯(lián)激光器出射端面有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出光強(qiáng)和波長(zhǎng)的高速調(diào)制；系統(tǒng)深入地開展了量子級(jí)聯(lián)激光器全光調(diào)制實(shí)驗(yàn)研究，研究了近紅外調(diào)制光功率、光波長(zhǎng)和調(diào)制頻率等，對(duì)量子

7、級(jí)聯(lián)激光器激光器I-V特性、I-L特性、強(qiáng)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(shí)驗(yàn)，確定了最優(yōu)近紅外調(diào)制光波長(zhǎng)（1550 nm）。
　?。?）建立了基于量子級(jí)聯(lián)激光器的高速中紅外調(diào)頻光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)波長(zhǎng)掃描時(shí)間為200 ns，重復(fù)頻率為10 KHz，全光調(diào)制波長(zhǎng)為1550 nm，調(diào)制頻率為200 MHz。完成了對(duì)系統(tǒng)的波長(zhǎng)標(biāo)定；并對(duì)中心波長(zhǎng)、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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試；選擇有毒氣體一氧化碳（CO）作為檢測(cè)對(duì)象，在200 ns內(nèi)獲得了CO氣體的調(diào)頻光譜；測(cè)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(cè)工作曲線，并對(duì)CO氣體濃度進(jìn)行定量測(cè)試；在同一光學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測(cè)方法和傳統(tǒng)的直接吸收譜氣體檢測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測(cè)方法的氣體檢測(cè)靈敏度提升了2倍，而氣體檢出限降