基于光学超晶格可用于气体探测的中红外光学参量振荡器研究

发布时间：2017-03-21 22:11

  本文关键词：基于光学超晶格可用于气体探测的中红外光学参量振荡器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：中红外激光技术在大气检测,军事领域,遥感技术以及生物分析等领域有众多应用,是目前激光领域的研究热点。周期性极化铌酸锂(PPLN)以及准位相匹配技术的迅猛发展使周期性极化铌酸锂光参量振荡器(PPLN OPO)成为目前中红外激光技术研究的主流方向,是目前生成中红外激光的主要方法。中红外是大气的传输窗口,其中1.5-4.3波段涵盖了众多气体吸收峰,中红外波段属于气体的基频吸收峰,吸收效率较近红外紫外高2-3个数量级,运用中红外对气体进行吸收测试可大幅度提升测量的准确度和距离。本论文基于PPLN,对PPLN OPO腔型优化设计,获得了W级以上的连续中红外宽调谐1.5-4.3um输出,同时利用光纤放大器放大DFB信号,并作为OPO泵源,获得可扫频的中红外2.6-4.3 um输出,其可扫频,宽调谐,大功率的输出特性在国内尚属首例。设计工程化样机并成功与可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS)结合,并解调出二次谐波信号。本论文的主要内容有以下几个方面：1、介绍了非线性激光以及中红外激光领域的发展历程,阐述了介绍了气体探测领域的发展历程。2、阐述了光参量振荡器基本原理,对各类型光参量振荡器进行分析解释,推导了光参量振荡器的阈值与增益条件,计算了波长调谐范围,对腔型进行了理论设计。介绍了中红外应用于气体探测领域的原理,针对TDLAS探测方式进行理论解释。3、研究连续中红外外腔OPO,在实验台上搭建连续环形腔OPO,设计实验方案,采用光纤放大器作为泵浦源,多通道周期MgO:PPLN为激光变频材料,在3.3um处输出功率4w(泵浦19W),激光线宽(5MHz)；1.5-4.3um波长范围内连续可调,闲频光2.6-4.3um波长范围内为可扫频输出。调整输出波长在甲烷吸收峰3.3um处进行直接吸收测试,查看到功率吸收减少情况。4、基于以上实验结果设计工程化样机。包括设计激光器内部光路,镜片加持,OPO腔中步进电机紧凑化,温控炉设计,外型美观等方面工程化设计。于稳定性方面,进行整体温度控制,减震化处理。使之成为可应用于科研,环保领域的样机使用。5、采用研制成功的样机进行气体吸收测试,测试方法为可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS),并将其应用于远程气体探测系统中,分别进行30m、 70m、400m、850m大气痕量甲烷遥测实验。探测精度达到2.3ppm.m。6、总结与展望
【关键词】：中红外 光学超晶格 准位相匹配 TDLAS探测技术
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN753.91
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 绪论10-20
• 1.1 激光的发展10
• 1.2 中红外的发展10-11
• 1.3 中红外在于气体探测上的应用11-12
• 1.4 本文的研究背景与研究内容12-14
• 参考文献14-20
• 第二章 光学参量振荡器及气体吸收理论基础20-43
• 2.1 光学参量振荡器分类20-21
• 2.2 光学参量振荡器的增益系数与阈值条件21-31
• 2.2.1 耦合波方程一般解21-22
• 2.2.2 阈值条件22-26
• 2.2.3 波长调谐性能26-28
• 2.2.4 腔形设计28-31
• 2.3 气体分子的选择性吸收光谱特性31-32
• 2.4 Beer-Lambert定律32-33
• 2.5 TDLAS探测原理33-40
• 2.5.1 直接扫描吸收检测法34-36
• 2.5.2 谐波检测测量技术36-40
• 参考文献40-43
• 第三章 可扫频连续中红外参量振荡器的研究应用43-62
• 3.1 总体方案43-44
• 3.2 光纤放大器的搭建44
• 3.3 连续环形腔OPO搭建44-45
• 3.4 OPO参数测量45-54
• 3.4.1 阈值测量45
• 3.4.2 宽调谐测试45-50
• 3.4.3 单一波长功率及稳定性测试50-51
• 3.4.4 光束质量测试51-52
• 3.4.5 输出线宽测试52-54
• 3.5 气体测试实验54-59
• 3.5.1 甲烷直接吸收测试实验54-56
• 3.5.2 波长调制气体探测实验56-59
• 3.6 本章小结59-60
• 参考文献60-62
• 第四章 可调频宽调谐连续中红外样机工程化62-78
• 4.1 中红外样机工程化背景62-64
• 4.2 连续中红外样机工程化设计64-69
• 4.2.1 温控炉的设计64-67
• 4.2.2 镜架设计67-69
• 4.3 样机设计69-76
• 参考文献76-78
• 第五章 甲烷气体遥测实验78-92
• 5.1 遥测背景意义78
• 5.2 甲烷测量的谱线标定78-81
• 5.3 激光器输出标定81
• 5.4 远场设备搭建81-84
• 5.5 不同距离遥测实验84-90
• 5.5.1 室内甲烷衡量气体测量84-86
• 5.5.2 远距离遥测86-90
• 小结90-91
• 参考文献91-92
• 第六章 总结与展望92-93
• 攻硕期间发表论文与专利、参加的学术会议与参与项目93-95
• 致谢95-97

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