差频产生中红外光源的大气痕量成分高灵敏检测系统研究

室温工作的连续可调谐相干光源在痕量气体检测技术中有着重要应用价值,非线性差频产生方法是获得室温工作的中红外相干光源的有效途径,是对传统激光光源的重要补充.研究了基于准相位匹配技术的差频产生基本原理和PPLN晶体的温度调谐特性;以甲醛为检测目标气体,研究了基于差频产生的大气甲醛中红外高灵敏探测系统组成,采用光通信波段半导体激光器和掺镱光纤激光器作为信号和泵浦激光,通过PPLN晶体的非线性差频过程实现3.53 μm差频输出.系统具有室温工作、全光纤耦合、结构紧凑的特点,能够满足大气痕量气体实时在线检测的需要.     

差频中红外激光光谱技术探测大气甲醛污染研究

文中开展室温工作的差频中红外激光吸收光谱技术及其对大气痕量有机污染物的探测研究.采用高效、宽带和准相位匹配的周期极化铌酸锂晶体(PPLN)作为激光差频器元件,把1.523 μm DFB半导体激光器和1064.5 nmNd:YAG激光器泵浦PPLN晶体产生的差频输出调谐到甲醛在3.5μm附近的一条吸收线附近,利用调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术测量大气中甲醛气体浓度,并通过波长调制和二次谐波检测技术消除光路中干涉条纹的干扰,同时使用紧凑型Herriott多次反射池,使检测下限达到1 ppb量级.系统具有快速、实时、室温工作等特点,通过调谐差频器的泵浦半导体激光器波长,就能够实现对其他有毒有害有机和无机污染物的检测.     

差频产生中红外激光光谱检测系统研究

报道了最近研制的一种基于差频方法实现的室温工作宽调谐中红外激光光谱系统,使用波长范围分别为1490～1580 nm和1058.1～1060.8 nm的两台近红外半导体激光器分别作为信号和种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2～3.7 μm连续相干光输出.针对该系统的输出带宽特性进行实验研究和分析,并与理论研究的结果进行了比较和讨论.     

可调谐二极管激光吸收光谱法监测环境空气中甲烷的浓度变化

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是利用二极管激光器波长调谐特性，获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱，从而对污染气体进行定性或定量分析。通过该方法对环境空气中甲烷（CH4）的含量进行了长时间的监测。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器作为光源；使用多次反射池增加吸收光程来提高检测灵敏度；并且使用了二次谐波检测技术进一步降低了检测限，使检测限低于0.087mg／m^3，满足了对环境空气中甲烷进行监测的需要。     

碘分子吸收稳定中红外差频激光频率

差频光源用于大气分子稳定同位素丰度研究需要频率稳定的连续输出的空闲光。基于连续可调谐钛宝石激光器和单频连续Nd:YAG激光器建立差频系统,为了稳定差频系统产生的红外光源的波长,利用MgO:PPLN作为倍频晶体,采用有多普勒展宽的碘分子吸收稳频方法,结合数字比例-积分-微分(PID)反馈控制技术,将Nd:YAG激光器的频率漂移量稳定在1.2MHz/h内,稳定度为4.26×10-9。实验结果表明:增加对压电陶瓷(PZT)的调制电压时,Nd:YAG激光在1h内的频率漂移量迅速减小,超过1V后漂移量趋于稳定;改变对PZT调制频率没有获得较高的稳定度。将频率稳定后的Nd:YAG激光用于产生3.42μm附近的差频光源,通过对低压下CH4气体分子吸收谱线的测量,去卷积运算得到差频系统的线宽约为6.9MHz。实验结果既为该方法用于稳定激光频率提供了重要的参考,又为痕量气体探测提供了频率稳定的差频光源。     

如何扩展可调谐激光器的频率范围

虽然掺钛蓝宝石激光器提供可调谐红外输出，但用脉冲激光器产生可调谐输出，历来属染料激光器的范畴。最近光参量振荡器已成为引人注目的光源，它使调谐范围扩大，使用也较容易。对染料和钛蓝宝石激光器以及多数商业化光参量振荡器，基频调谐范围扩大到可见和近红外光谱区。但许多用户要求输出进一步扩大到紫外和红外区。最直接满足这种要求的技术是以非线性过程为基础。不管是通过倍频、三倍频和和频达到200nm以下，还是通过差频达到1．5μm以上，这些固体频率转换技术都可产生令人振奋的实验结果。激光器产生一系列脉冲宽度和连续波输出。…     

1550 nm波段窄线宽高调谐带宽激光光源

随着空间技术的发展,空间数据传输速率日益成为制约空间科技应用的瓶颈。空间相干光通信技术由于其较高的通信灵敏度、较强的抗干扰能力和较高的保密性成为研究的热点。在空间相干光通信技术中,零差相干光通信体制在理论上具有最好的灵敏度和抗干扰能力,但需要复杂的锁相闭环系统,对本振激光器的线宽和激光频率调谐带宽都提出了很高的要求。在1550 nm波段,现有的常规激光器难以同时满足窄线宽和高调谐带宽的要求。为此,采用窄线宽种子源结合外电光调制和窄带光栅滤波的方案,实现了光谱信噪比约为28 dB、线宽约为5 kHz、激光频率调谐带宽约为1.5 MHz的激光光源输出。     

8μm～14μm长波红外相干辐射技术

8μm~14μm长波红外相干辐射在大气激光遥感与通信、高分辨分子指纹光谱及国家安全等诸多领域具有重要应用价值。概述了几种可获得8μm~14μm相干辐射的光源, 主要有CO₂气体激光器、半导体量子级联激光器、红外自由电子激光器、红外超连续谱光源和非线性变频中红外固体激光器等。分别介绍了不同技术的基本原理及国内外进展, 并分析比较了各自的优缺点、发展方向及应用适用范围。其中, 非线性变频中红外固体激光器具有8μm~14μm连续调谐, 可飞秒、皮秒、纳秒及连续波运转, 重频1Hz~GHz可调的突出优势, 且全固化结构、可靠性高、光束质量好, 将成为发展实用化与精密化长波红外相干辐射光源的最佳选择。     

基于量子级联激光器的气体检测研究

随着社会的发展,对基于激光光谱技术的快速、灵敏和选择性气体探测的需求日益增加,量子级联(QC)激光器特有的高输出功率、宽调谐范围和能够在室温或者接近室温下工作的特性使它成为气体遥测的理想光源.详细描述了QC激光器,介绍了基于室温脉冲QC-DFB激光器的典型的中红外激光光谱实验装置,并探讨了QC激光器应用于气体检测的广阔前景.     

宽调谐中红外飞秒及窄带长脉冲激光器件的研制和集成

中红外飞秒光参量放大器(OPA)是重要的红外飞秒激光源,笔者在此领域发展了一系列创新技术,以实现装置高效、稳定、紧凑的目标,成功地将100 fs的中红外飞秒激光在2.0～4.5μm宽波长范围内可调谐.基于OPA输出,研制了产生窄带长脉冲激光的时间望远镜,其集成化器件可输出时间同步的可调谐长短脉冲激光,在一个系统上集成了波长可调谐,高光谱(～0.1nm)分辨率和高时间(～100 fs)分辨率等三种独特的功能.     

Development of a Broadly Tunable Mid-Infrared Laser Source for Highly Sensitive Multiple Trace Gas Detection

A room-temperature broadly tunable mid-infrared difference frequency laser source for highly sensitive trace gas detection has been developed recently in our laboratory. The mid-infrared laser system is based on quasi-phase-matched （QPM） difference frequency generation （DFG） in a multigrating, temperature-controlled periodically poled LiNbO3 （PPLN） crystal and employs two near-infrared diode lasers as pump sources. The mid-infrared coherent radiation generated is tunable from 3.2 μm to 3.7μm with an output power of about 100 μW. By changing one of the pump laser head with another wavelength range, we can readily obtain other needed mid-infrared wavelength range cover. The performance of the mid-infrared laser system and its application to highly sensitive spectroscopic detection of CH4, HCl, CH2O, and NO2 has been carried out. A multi-reflection White cell was used in the experiment gaining ppb-level sensitivity. The DFG laser system has the features of compact, room-temperature operation, narrow line-width, and broadly continuous tunable range for potential applications in industry and environmental monitoring.     

小型化宽调谐光纤型DFG中红外激光源的研制

研制了一种小型化宽调谐光纤型DFG/QPM中红外光源。该光源的基频光采用分段调谐的方案,以3个不同工作波段的YDFL作为泵浦源,3个不同工作波段的EDFL作为信号源,并通过光开关实现各波段间的快速切换。研制了DFG中红外光源样机,其尺寸为440×290×500mm3,测试结果表明,泵浦/信号光可在1050~1110nm和1535～1600nm范围内宽带连续调谐,经差频过程最终中红外激光实现3054.5~4009.1nm波段内宽带无缝调谐。     

光纤型宽调谐中红外激光光源的设计与研制

报道一种光纤型宽调谐中红外差频产生（DFG）激光光源,该系统分别以掺镱光纤激光器（YDFL）和掺铒光纤激光器（EDFL）作为泵浦和信号源。为拓宽基频光调谐范围,采用了4个不同工作波段的YDFL,并通过电控光开关实现段间的快速切换,总调谐范围为1040-1110nm;采用电控偏振控制器 (ECPC)分别对基频光偏振态进行精确快速控制,以提高系统转化效率;利用PID算法和负反馈技术分别稳定泵浦LD温度和驱动电流,并将其工作状态通过LCD实时显示。测试结果表明,该中红外激光系统可在3.04-3.72μm内连续调谐。     

同步脉冲诱导的高功率中红外差频产生技术（特邀）

提出并实验探究了基于同步脉冲诱导的中红外差频产生技术,利用高速光电探测器将泵浦光脉冲转换为超短电信号,使其驱动宽带的幅度调制器,作用于可调谐连续激光器上,从而实现双色脉冲的稳定时域同步。利用了同步脉冲诱导的非线性差频过程,有效降低了光参量下转换的泵浦阈值,能够获得瓦量级的中红外超短脉冲输出,最大泵浦光转换效率达60%,且中心波长在3000~3175 nm范围内可调谐。得益于全保偏光纤架构,平均功率的不稳定度(STD/MEAN)在1 h内低至0.07%,展现了优异的长期稳定性。此外,该方案利用光-电-光高速调制实现高精度脉冲同步,免除了复杂的反馈电路,具有结构简单、即插即用、鲁棒性强的特点,为拓展中红外光源在野外的应用奠定了基础。     

中红外可调谐量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是中红外波段重要的激光光源,其中,可调谐中红外量子级联激光器具有单纵模、频率可调谐的优点,成为目前研究的热点。可调谐中红外量子级联激光器主要通过分布反馈(DFB)光栅、分布布拉格反射(DBR)光栅、外腔衍射光栅等方法实现。本文介绍了中红外量子级联激光器的基本原理,分别归纳、总结了近年来DFB、DBR可调谐量子级联激光器以及外腔可调谐量子级联激光器的研究进展,讨论了各种可调谐方法的优缺点。最后,对可调谐量子级联激光器的发展趋势进行了展望。     

High-power mid-infrared wavelength generation using difference frequency generation in damage-resistant Zn:LiNb03 waveguide

High-power 3.4 mum difference frequency generation (DFG) using a quasi-phase-matched Zn:LiNbO₃ waveguide fabricated by direct bonding technology is presented. The high resistance of the waveguide to photorefractive damage allows high-power generation. A 65 mW mid-infrared output was obtained using a continuous-wave high- power fibre amplifier as pump source. The DFG source can access over 10 nm continuously simply by scanning the signal wavelength, and will be useful for real-time trace gas sensing.     

基于差频产生太赫兹的中远红外非线性光学晶体

文章介绍了ZnGeP2,GaSe,CdSe,GaAs,GaP,DAST等几种用于太赫兹辐射的中远红外非线性光学晶体的非线性性能,总结了利用它们通过非线性光学差频产生太赫兹方面的最近进展.最后给出了获得较高转换效率和能量的太赫兹波输出的非线性光学晶体应具备的条件.     

基于铌酸锂晶体电光效应的差频转换效率调制

为了在差频过程中得到较高的转换效率,利用铌酸锂晶体的电光效应来改变晶体的折射率,进而在非线性过程中调整位相失配量来实现差频转换效率的调制,模拟了外加电场对差频转换效率的影响。结果表明,利用铌酸锂晶体的电光效应,可以在任意给定抽运光强的情况下,获得较高的差频转换效率。这一结果对于获得新的中红外光源是非常有益的。     

Tunable all-optical time-slot-interchange and wavelength conversionusing difference-frequency-generation and optical buffers

In this letter, we demonstrate a module that simultaneously performs optical time-slot interchange and wavelength conversion of the bits in a 2.5-Gb/s data stream to achieve a reconfigurable time/wavelength switch. Our switch uses difference-requency-generation (DFG) for wavelength conversion and fiber Bragg gratings as wavelength-dependent optical time buffers. This tunable technique employs high-extinction-ratio and low-additive-noise DFG