半导体激光器的宽谱快速调谐与其在气体检测中的应用

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1、’3．3．1实验方法和装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．3．2温度补偿公式参数的辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．33波长预测的实验验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l3．33．1不同环境温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3l3．3．3．2不同TEC电流⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。333．3．3．3结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯343．3．4宽谱调谐的快速性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．3．5动态波长预测方法的适用性仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．3．5．1仿真目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．3．5．2仿真有效性验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．373．3．5．3仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。403．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．42第四章温度调谐在气体检测中的应用4．1仪器响应函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．444．1单一气体的检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．454．2多成分气体的吸收谱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．504．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．53第五章总结与展望5．1全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．545．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～55参考文献⋯．发表论文和参加科研情况说明⋯⋯⋯。致谢⋯⋯⋯⋯⋯．56⋯⋯⋯⋯

4、⋯．59◆_、第一章绪论1．1课题背景第一章绪论环境污染是近年来全世界广泛关注的焦点问题，在各种环境污染中，大气污染尤为突出，对气态污染物的在线监测、控制和治理非常重要。在大气痕量气体测量技术中，光谱学技术具有不需多点采样，能同时测量多种气体成分，可以实现非接触在线自动监测以及系统易于更新维护等优势而成为当前大气痕量气体在线监测的发展方向和技术主流fl】。目前用于大气环境监测的光学和光谱学方法主要有：非色散红外(NDIR)技术、傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术、差分吸收激光雷达(DIAL)技术、差分吸收

5、光谱技术(DOAS)、激光诱导荧光(LIF)技术、调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术、拉曼散射激光雷达、激光诱导荧光光谱技术、激光光声光谱技术掣21。其中，TDLAS技术由于具有高灵敏度(ppbv，甚至sub．ppbv)、高选择性、实时、动态快速等优点而受到重视，发展迅速。国内外许多公司相继推出了基于TDLAS技术的激光气体分析仪，并广泛应用于生产工艺过程或环境气体监测领域【3】。目前，TDLAS大都是控制激光器工作在某一恒定温度下，采用电流双重调制的方式进行气体检测的。即给激光器施加一个慢扫描电流

6、控制激光波长扫描待测气体吸收峰，同时对激光器加一高频正弦电流信号进行波长调制，根据锁相放大器相敏检测得到的二次谐波信号幅度，来反演待测气体的浓度。但是，这种TDLAS技术存在以下几个缺点：1、利用电流调谐获得的光谱范围很小，以DFB激光器为例，调谐范围小于lnm，一般只能得到单一气体的单个吸收峰。若要进行多种气体的同时检测，则需采用多个激光器分时扫描多路的方法【4】，导致系统结构复杂，经济性差；2、调谐范围小不但限制了可探测的气体种类，并且使得测量容易受到共存干扰物的影响：3、测量过程中需要高精度的温度稳

7、定，这也增加了系统设计的复杂性和成本；4、小的调谐范围使得对挥发性有机物(VOCs)带状吸收谱【5】的检测无能为力。为了扩展检测气体种类，实现多成分气体的同时检测，就需要拓宽激光器的‘l第一章绪论调谐范围。同时为了满足在线实时检测等需求，调谐的快速性也很重要。因此，在气体检测等应用领域，半导体激光器的快速宽谱调谐是非常有意义的。本课题是国家863课题“调谐激光光谱在线监测挥发性有机物的技术及仪器”的一部分，旨在研究二极管激光器的快速宽谱调谐技术，以实现多种气体成分的同时检测以及带状吸收光谱气体的检测。1．

8、2可调谐半导体激光器1．2．1TDL在激光光谱学中的应用优势自激光问世以来，可调谐光源一直受到人们的极大关注【61。与其它激光器相比，可调谐半导体激光器(TunableDiodeLaser，TDL)具有结构紧凑、转换效率高、单模输出、价格便宜、阈值低等突出的优点，在科学领域已显示出越来越广泛的应用前景。它在光谱分析、激光测距、工业现场工艺监测、大气环境污染监测、医学诊断、光通信和雷达等方面有许多应用。调谐激光光谱应用于痕量气体