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基于量子级联激光器全光调制的高速中红外调频光谱技术研究

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作者:
彭琛
导师:
陈刚
学科专业:
光学工程 
文献出处:
重庆大学 2016年
关键词:
中红外调频光谱论文  量子级联激光器论文  高速全光调制论文  气体检测论文  

摘要:量子级联激光器作为一种高性能的中红外相干光源,具有功率高、线宽窄、输出波长可调谐和可在室温下工作等优势。它的波长覆盖广(3-100μm),且可以通过能带工程实现灵活设计。目前量子级联激光器已被广泛应用与无线光通信和光谱气体测量领域。量子级联激光器是单极性器件,电子唯一的载流子。利用这一特点,可以通过近红外激光照射量子级联激光器端面有源区实现全光调制,同时实现振幅调制和频率调制,全光调制不受寄生电容的影响,理论上最高调制频率可以达到100 GHz。随着世界经济和社会的发展,大气环境污染问题日益突出,严重威胁到人们的身体健康和社会、经济的进一步发展,已引起了世界各国的高度重视。大气环境监测对气体检测提出高灵敏度、低检出限、实时、大范围、远距离检测等要求。相对于其他气体检测技术,激光光谱气体检测技术具有检测速度快、检测灵敏度高、检测限低、非接触和无需化学反应等优点,已成为气体检测技术发展趋势之一。红外光谱气体检测技术充分利用了气体红外吸收指纹光谱,可实现气体定性和定量检测,结合量子级联激光器全光调制的调频光谱技术具有信噪比高、灵敏度高、检出限低等优点,然而,中红外波段的调频光谱气体检测技术仍不成熟,尤其是检测速度较慢,难以实现实时气体检测。本文针对现有的全光调制技术,开展振幅调制、频率调制的研究。研究各参数对振幅调制和频率调制的影响,并选择最优的调制参数。且本课题得到国家自然科学基金的支持(红外量子级联激光器的高速全光调制基础理论及技术研究,61077057)。本文并针对现有气体检测技术难以兼顾检测速度、检测灵敏度、检出限的问题,结合红外光谱气体检测优势和量子级联激光器优异特性,尤其是充分利用量子级联激光器电子响应速度快等特点,提出了基于量子级联激光器全光调制的高速中红外激光调频光谱气体检测技术。采用近红外光束,实现对中红外量子级联激光器的高速全光频率调制。在此基础上,建立了高速中红外激光调频光谱气体检测系统,实现了对CO气体的高速、高灵敏度、低检出限检测,相对于直接吸收光谱检测技术,本文提出的高速中红外激光调频光谱气体检测技术,将最低气体检测浓度降低了7倍、灵敏度提高了2倍,较好地解决了检测速度与检测灵敏度、检出限之间的矛盾,实现了实时、高灵敏、低检出限的气体检测。论文主要研究工作具体如下:(1)针对传统量子级联激光器模型中缺失光辐射项和电子温度项,无法同时对激光器光学特性和电子温度进行研究等不足,提出了改进的量子级联激光器物理模型;基于该模型建立了量子级联激光器数值仿真算法,编写了C++仿真程序;实现了含光辐射和电子温度的量子级联激光器输出特性数值仿真,并深入研究了电子温度对量子级联激光器输出特性的影响;为进一步从理论上深入研究量子级联激光器全光调制物理机制奠定了重要基础。(2)基于全光调制原理,建立了中红外(4.6μm)分布式反馈量子级联激光器全光调制实验系统,采用近红外相干光,激发量子级联激光器出射端面有源区,实现对激光器输出光强和波长的高速调制;系统深入地开展了量子级联激光器全光调制实验研究,研究了近红外调制光功率、光波长和调制频率等,对量子级联激光器激光器I-V特性、I-L特性、强度调制深度和频率调制系数等影响,优化了最佳扫描脉宽(200 ns)和最佳调制频率(200 MHz)等;并结合光致荧光实验,确定了最优近红外调制光波长(1550 nm)。(3)建立了基于量子级联激光器的高速中红外调频光谱气体检测系统,系统波长扫描时间为200 ns,重复频率为10 KHz,全光调制波长为1550 nm,调制频率为200 MHz。完成了对系统的波长标定;并对中心波长、光谱扫描范围、光谱分辨率、稳定性等主要系统性能参数进行了实验测试;选择有毒气体一氧化碳(CO)作为检测对象,在200 ns内获得了CO气体的调频光谱;测量了不同浓度CO气体的调频光谱,由此得到调频光谱CO气体浓度检测工作曲线,并对CO气体浓度进行定量测试;在同一光学系统中,对高速中红外激光调频光谱气体检测方法和传统的直接吸收谱气体检测方法进行实验比较。实验结果表明,高速中红外激光调频光谱气体检测方法的气体检测灵敏度提升了2倍,而气体检出限降低了7倍,极大地提高了气体检测性能。进一步实验研究表明增加近红外调制光功率,有望使高速中红外激光调频光谱气体检测灵敏度和检出限得到进一步大幅改善。

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 常见气体检测技术

1.3 基于量子级联激光器的激光光谱气体检测技术

1.3.1 直接吸收光谱气体检测技术

1.3.2 光声调制光谱气体检测技术

1.3.3 法拉第效应光谱气体检测技术

1.3.4 相位调制光谱气体检测技术

1.4 本文工作安排

2 量子级联激光器调频光谱技术相关理论

2.1 引言

2.2 全光调制原理

2.3 直接吸收光谱与激光调频光谱

2.3.1 直接吸收光谱

2.3.2 激光调频光谱

2.4 量子级联激光器修正模型

2.4.1 量子级联激光器基本结构与工作原理

2.4.2 量子级联激光器的能带结构

2.4.3 量子级联激光器的电子散射机制

2.4.4 量子级联激光器修正模型

2.5 本章小结

3 量子级联激光器相关数值仿真

3.1 引言

3.2 量子级联激光器能级与波函数的数值计算

3.3 电子温度对量子级联激光器输出特性的影响

3.3.1 数值仿真算法

3.3.2 电子温度计算

3.3.3 电子温度对量子级联激光器I-L、I-V曲线的影响

3.3.4 输入电功率对电子温度的影响

3.3.5 光辐射对电子温度的影响

3.4 最优调制波长范围估计

3.5 本章小结

4 量子级联激光器全光调制实验

4.1 引言

4.2 实验系统设计

4.3 全光调制实验研究

4.3.1 全光调制对量子级联激光器输出特性影响

4.3.2 近红外光照射点位置对全光调制影响

4.3.3 全光振幅调制

4.3.4 量子级联激光器荧光光谱测试实验

4.3.5 全光频率调制

4.4 本章小结

5 量子级联激光器高速全光调频光谱气体检测系统

5.1 引言

5.2 系统设计

5.2.1 系统结构

5.2.2 各模块组成及工作原理

5.3 系统参数测试

5.3.1 系统中心波长测量

5.3.2 系统光谱扫描范围及扫描脉宽优化

5.3.3 系统光谱分辨率测量

5.4 系统波长标定

5.4.1 绝对波长点的确定

5.4.2 相对频率标定

5.4.3 波长标定

5.5 量子级联激光器高速全光调频光谱气体检测

5.5.1 系统稳定性测试

5.5.2 调频光谱确定

5.5.3 调制频率对调频光谱的影响

5.5.4 调制光功率对调频光谱的影响

5.5.5 气体浓度定量测试工作曲线

5.5.6 CO气体浓度定量测试

5.5.7 直接吸收光谱气体检测与调频光谱气体检测实验对比

5.5.8 直接吸收谱与调频光谱检出限对比

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 主要创新点

6.3 不足之处及进一步工作展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读博士学位期间发表的论文和专利目录