本文關(guān)鍵詞： 中紅外調(diào)頻光譜 量子級聯(lián)激光器 高速全光調(diào)制 氣體檢測　出處：《重慶大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：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 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,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:(1)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)。(3)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,而氣體檢出限降低了7倍,極大地提高了氣體檢測性能。進一步實驗研究表明增加近紅外調(diào)制光功率,有望使高速中紅外激光調(diào)頻光譜氣體檢測靈敏度和檢出限得到進一步大幅改善。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN248

【參考文獻】

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本文編號：1504133