CN107941467B - 直接获取分布反馈半导体激光源电流调制波长响应的方法 - Google Patents

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium

Abstract

本发明提供的直接获取分布反馈半导体激光源电流调制波长响应的方法，属于激光光谱技术领域，主要解决提高实时检测系统的时效性的问题，包括四个步骤，第一步，分布反馈激光源输出波长的调制，通过函数发生器产生一个0～50Hz锯齿波扫描信号和一个5k～50kHz正弦波调制信号，两信号由加法器相加后接入激光器控制器，实现对激光器的调制；第二步，定义κ是分布反馈激光源引起的幅度‑频率响应因子，ψ是分布反馈激光源引起的相位‑频率响应因子，引入一中间过渡量有效电流ie(t)，第三步，向分布反馈激光源只加锯齿波扫描信号确定电流与波长之间的关系；第四步，将扫描加调制的有效电流ie(t)代入第三步得到的关系式中，则得出激光源输出的波长响应函数。

Description

直接获取分布反馈半导体激光源电流调制波长响应的方法
技术领域
本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及直接获取电流调制分布反馈半导体激光源波长响应的方法。
背景技术
近年来环境问题已经成为制约我们国家经济快速发展的最大因素，而大气污染又直接影响我们每个人的生活，所以精确的检测环境空气中污染气体的成分以及含量，是治理气体污染关键的第一步。痕量气体检测技术在环境气体监测中的应用越来越广泛，准确的分析大气成分和含量对于确定污染源，判断排放是否达标具有指导性的意义；在工业生产中，根据对生产系统气体排放的监测，可以有目的的调控生产过程，提高效率，减少污染气体的排放。同时，痕量气体检测在生物、医学、养殖业、海洋治理等领域也有很重要的作用。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种新型的痕量气体检测技术，主要分为直接吸收光谱技术(DAS)和波长调制光谱技术(WMS)，可以实现分子的非入侵、实时、在线检测。由于波长调制光谱技术技术使用kHz量级的波长调制，可以有效抑制探测系统的1/f噪声，使其具有其受环境影响小，探测灵敏度高和对仪器设备要求不高的优点，从而在痕量气体检测领域广泛应用。
WMS技术中，通常使用两种方法获取吸收气体的浓度信息，一种是将激光波长稳定在气体吸收线中心，测量二阶解调信号的幅度，然而这种方法更易受到噪声的影响；另一种方法是对激光波长进行扫描，得到整条吸收线型，再对线型进行拟合得到浓度信息，在这个拟合过程中，要求精确地知道激光频率随电流的变化关系，尤其是电流调制波长响应。电流调制波长响应是分布反馈半导体激光源的输入电流被幅度恒定正弦波调制后的波长输出响应，通常认为它是一个幅度正比于电流调制幅度的正弦响应。然而实际的响应函数要复杂很多，所以目前很多时候都采用标准具对波长调制响应进行实时测量，这样会引入大量计算，使系统繁杂的同时会降低实时检测系统的时效性。
为了解决以上问题，就需要一种直接确定分布反馈半导体激光源电流调制波长响应的方法。不仅能简化气体检测装置，同时还可以减少复杂的计算。
发明内容
本发明为了提高实时检测系统的时效性，提供了一种直接获取电流调制分布反馈半导体激光源波长响应的方法。
本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案是：
直接获取分布反馈半导体激光源电流调制波长响应的方法，包括如下步骤：
第一步分布反馈激光源输出波长的调制，通过调制分布反馈激光源注入电流i(t)来实现，通过函数发生器产生一个0～50Hz锯齿波扫描信号和一个5k～50kHz正弦波调制信号，两信号由加法器相加后接入激光器控制器，实现对激光器的调制，输入电流可由(1)表示：
Figure GDA0002203691660000021
式(1)中，i0(t)是扫描电流，ia是电流调制幅度，
Figure GDA0002203691660000022
是扫描信号和调制信号的初始差，i(t)是注入电流；
第二步定义κ是分布反馈激光源引起的幅度-频率响应因子，ψ是分布反馈激光源引起的相位-频率响应因子；在特定调制频率下，κ和ψ是唯一确定的；引入一中间过渡量有效电流ie(t)其表示为：
Figure GDA0002203691660000023
式(2)中，κ＝κa/κ0，κ0和κa分别对应扫描和调制的幅度-频率响应因子，公式(2)由于扫描频率较低，忽略了相移；
分布反馈激光源的输出波长ν(t)与有效电流ie(t)的关系表示为：
ν(t)＝f[ie(t)] (3)
第三步向分布反馈激光源只加锯齿波扫描信号确定电流与波长之间的关系，用标准具定标可以获得波长和电流之间的关系f[i0(t)]，通过多项式拟合写成：
Figure GDA0002203691660000031
第四步将扫描加调制的有效电流ie(t)带入上述关系就可以得到分布反馈激光源输出的波长响应函数：
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明技术提供了一种基于电流扫描波长响应获得分布反馈激光源电流调制波长响应的新方法。
2.本方法在实际使用前对激光器注入电流和输出波长的关系进行确定，不需要在测量过程中进行处理和拟合，大大减少了测量过程中关于电流调制波长响应函数的计算量，便于更快更准确的进行实时监测，同时还可以节省人力、物力资源。
3.本发明技术简单、便捷，可以应用在激光器生产厂商对产品的性能测试和质量检测，可以为购买相关产品的顾客提供参考。
附图说明
图1为本发明实验装置图；
图2为本发明的激光器注入电流拟合结果示意图；
图3为本发明只加扫描情况下，分布反馈激光源输出波长对注入电流的响应；
图4为本发明获得的波长响应调制函数和实际输出波长的比较以及残差图。
图1中：1—函数发生器；2—激光源控制器；3—分布反馈激光源；4—标准具；5—探测器。
具体实施方式
下面是结合附图对本发明技术做进一步说明。
1.如图1所示，由函数发生器(AFG3102)产生的32Hz的扫描信号和16kHz的调制信号经过加法器后接入激光控制器(LDC-3724C)，用于调制分布反馈激光器(NTT,NLK1L5EAAA)的波长，激光器输出光经过标准具后进入探测器(PDA10CF-EC)，探测器的信号用一个10M的数据采集卡(NI Corporation,PCI-6115)接入电脑，用LabVIEW软件进行寻峰定标得到测量的电流调制波长响应函数，即νm。
2.在分布反馈激光器电流接入线外接一10Ω电阻，通过测量电阻两端电压来得到激光器注入电流i(t)，通过公式(1)拟合得到i0(t)、ia、
Figure GDA0002203691660000042
拟合结果如图2。
Figure GDA0002203691660000043
的取值可以调整采集数据的起始位置而实现数值为零。
3.测量幅度-频率响应因子κ和相位-频率响应因子ψ。函数发生器产生一个32Hz的正弦调制时，改变调制幅度，使得正弦波一个周期内波峰和波谷刚好对应一个自由光谱区(FSR)时，自由光谱区与调制幅度的比值就是κ0值，而此时波峰(波谷)与自由光谱区的相对相移就是ψ0值。再测量16kHz的值得到κa和ψa。
4.只加扫描信号时根据激光器输入端外接电阻可以测得扫描电流，得到相对时间和扫描电流的关系，根据标准具定标可以得到相对时间和扫描频率的关系，两者得出扫描电流和频率变化的关系，用多项式拟合得出系数A，拟合结果如图2。得出公式(4)。
5.根据拟合的i0(t)、ia、
Figure GDA0002203691660000041
测量的κ和ψ可以写出有效电流公式(2)，带入公式(4)，得到理论模拟的分布反馈激光源电流调制波长响应，即νs。
6.比较νs和νm及相对残差，结果如图4。分析发现残差小于5％，说明本方法能够直接准确确定分布反馈激光源的电流调制波长响应函数。
7.改变激光器偏置电流和工作温度重复上述过程验证本方法的适用性。

Claims (1)

1.直接获取分布反馈半导体激光源电流调制波长响应的方法，包括如下步骤：
第一步电流调制分布反馈激光源输出波长的调制，通过调制激光源注入电流i(t)来实现，采用波长调制光谱技术，通过函数发生器产生一个0～50Hz锯齿波扫描信号和一个5k～50kHz正弦波调制信号，两信号由加法器相加后接入激光器控制器，实现对激光器的调制，并得到下述函数式(1)：
Figure FDA0002013621730000011
式(1)中，i0(t)是锯齿波扫描电流，ia是电流调制幅度，
Figure FDA0002013621730000012
是扫描信号和调制信号的初始差，i(t)是注入电流；
第二步定义κ是激光源引起的幅度-频率响应因子，ψ是激光源引起的相位-频率响应因子；在特定调制频率下，κ和ψ是唯一确定的；引入一中间过渡量有效电流ie(t)其表示为：
式(2)中，κ＝κa/κ0，κ0和κa分别对应扫描和调制的幅度-频率响应因子，公式(2)由于扫描频率较低，忽略了相移；
激光源的输出波长ν(t)与有效电流ie(t)的关系表示为：
ν(t)＝f[ie(t)] (3)
第三步向激光源只加锯齿波扫描电流i0(t)从而确定锯齿波扫描电流与波长之间的关系，用标准具定标可以获得波长ν(t)和锯齿波扫描电流i0(t)之间的关系f[i0(t)]，通过多项式拟合写成：
Figure FDA0002013621730000021
第四步将锯齿波扫描电流加正弦波调制电流的有效电流ie(t)带入上述关系就可以得到激光源输出的波长响应函数：
Figure FDA0002013621730000022
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