可调谐激光 1-1
用于TDLAS气体检测的DFB激光器驱动电路设计
现代电子技术Modern Electronics TechniqueJan. 2024Vol. 47 No. 22024年1月15日第47卷第2期0 引 言可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy, TDLAS ）技术具有灵敏度高、通用性强、响应时间短等特点，在大气污染物监测、矿井气体浓度检测等方面取得了广泛应用[1‐4]。
TDLAS 气体检测通常利用含有低频锯齿波和高频正弦波的电流信号对激光器调制，以使出射激光扫描待测气体的吸收谱线，激光被待测气体吸收后光强减弱，从而形成气体吸收峰，吸收峰幅值与气体浓度呈正相关，从而可以反演出待测气体浓度[5‐7]。
DOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2024.02.017引用格式：徐鹏飞，李炜楠，陈红岩，等.用于TDLAS 气体检测的DFB 激光器驱动电路设计[J].现代电子技术，2024，47（2）：89‐94.用于TDLAS 气体检测的DFB 激光器驱动电路设计徐鹏飞1， 李炜楠1， 陈红岩2， 叶有祥2（1.中国计量大学 机电工程学院， 浙江 杭州 310018； 2.中国计量大学 现代科技学院， 浙江 义乌 322000）摘 要： 分布反馈（DFB ）激光器作为可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS ）技术的常用光源之一，在实际应用中应当同时对驱动电流和温度进行控制，以减小出光质量对气体浓度检测结果的影响。
为了解决上述问题，文中设计一种高精度激光器驱动电路。
由STM32F103RCT6控制AD9834和DAC8560分别产生正弦波和锯齿波信号，对两个信号输入至OP27GS 构成的信号叠加电路进行叠加后，输出至由OP27GS 、AD8065和IRF520场效应管组成的具有限流功能的压控恒流源电路，将电压信号转变为激光器的驱动电流；同时采用MAX1978温控芯片对激光器进行温度控制。
一建【通信】概念解释26、可调激光器
可调谐激光器可调谐激光器可调激光器一般指可调谐激光器可调谐激光器tunable laser 是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器（见激光）。
这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。
中文名可调谐激光器外文名tunable laser类别激光器适用范围光谱学、光化学、医学、生物学目录1工作原理2技术分类3产品类型1工作原理2技术分类可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。
其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。
温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。
该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。
基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。
机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。
基于机械控制技术的主要有DFB（DFB (DistributedFeed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。
下面从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。
基于电流控制技术基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱，通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光。
一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR （Sampled Grating Distributed Bragg Reflector）结构。
该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布喇格光栅区、激活区、相位调整区和后布拉格光栅区。
New Focus可调谐激光器选型指南
New Focus可调谐激光器选型指南一、TLB-6000 Vortex TM可调谐激光器提示：TLB-6000采用PZT调谐（压电精密调谐），窄线宽是该型号的最大特点，主要性能：◆PZT调谐范围：75GHz；◆线宽：<300K；◆支持FM、电流调制；◆支持固定功率输出；◆支持固定电流；◆支持RS232和GPIB接口；二、TLB-6300 Velocity TM可调谐激光器提示：TLB-6300采用DC调谐（直流电机调谐）+ PZT调谐（压电精密调谐），灵活的波长和功率选择是该型号的最大特点，PZT细调分辨率：0.02nm，DC粗调范围：>80nm，实现真正实时、线性、无跳模波长扫描，支持扫描、单步和精密调谐，支持FM、电流调制，支持恒功率、恒电流输出，支持RS232和GPIB接口。
三、TLB-6600 Venturi TM可调谐激光器1、无综合选项（5）的基准模块；2、最大测量功率；3、用0.1nm带宽测量的信号(载波) /自发辐射噪声（ASE）比，距离载波1-3nm处信号/最大自发辐射噪声（ASE）比；4、无综合选项（5）；5、WR =波长基准，VOA =可调衰减器，PC =偏振控制器，PS =偏振扰频器综合选项提示：TLB-6600是调谐速度最快的产品，有高功率和低噪声不同选择，主要性能：◆波长范围：C+L波段（1550nm）和O波段（1330nm）；◆调谐速度：2000nm/s；◆调谐范围：>110nm；◆波长精度：<±30pm；◆波长稳定性：<±15pm；◆ASE噪声：>70dB；◆通过OEM-Proven 24/7可靠性论证；◆支持以太网、USB和GPIB接口；提示：TLB-7000是波长稳定性最好的产品，高功率有突破，主要性能：◆波长范围：630nm-1650nm；◆波长稳定性：<±1pm/连续12小时；◆PZT调谐范围：150GHz；◆线宽：<500K；提示：TLB-3900是为DWDM测试而专门设计的宽范围不连续调谐激光器，主要性能：◆20mW的高光功率输出；◆25GHz或更高频道空隙的全波长锁定；◆内置DSP（数字信号处理器）和电子控制器；◆良好的性能/价格比；。
可调谐二极管激光吸收光谱诊断技术：原理和应用
关键词： 可调谐激光吸收光谱 ； 激光诊断 ； 温度 ； 组分浓度 ； 化学反应流 中图分类号： V211.7 文献标识码： A
器以快速调谐成本低和易于光纤耦合等特性，促进 了近红外吸收光谱技术在各领域的广泛应用[3].在 超声速燃烧领域，近红外吸收光谱技术已经成为发 动机地面试验研究的重要探测手段[ 4 -11]，为研究燃 烧 稳 定 性 评 估 燃 烧 效 率 验 证 C F D 计算模型等提供 了大量定量信息.在燃烧化学反应动力学研究方面， 美 国 S ta n fo rd 大 学 H a n s o n 小组利用激波管开展了大 量的基础实验，在温度（ 500〜 5000
第 1卷 第 5期 2016年 9 月
气体物理
PHYSICS OF GASES
Vol. 1 No. 5 Sep. 2016
文章编号： 2096-1642(2016)05-0052-12
可 调 谐 二 极 管 激 光 吸 收 光 谱 诊 断 技 术 ：原 理 和 应 用
余 西 龙 \ 曾 徽 '
( 1 . 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室 ， 北 京 100190; 2 . 中国航天空气动力技术研究院 ， 北 京 100074)
(1. State Key Laboratory of High Temperature of Gas Dynamics, Beijing 100190, China; 2. China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)
L IU L itu o 1
摘要： 可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种非接触的光谱诊断技术 ， 已经广泛应用于高温气动研究中 . 文章对
可调谐激光器及应用
可调谐激光器及应用可调谐激光器是一种可以调整其输出波长的激光器。
这种激光器的输出波长可以通过外部输入，或通过内部调节系统来改变。
可调谐激光器因其具有广泛的应用领域而备受关注。
在本文中，我将介绍可调谐激光器的工作原理、分类以及几个主要的应用领域。
可调谐激光器的工作原理基于光学共振腔的谐振条件。
光学共振腔是由两个反射镜构成的空间，在腔内产生了多次反射，形成一系列光的干涉。
当光的波长满足谐振条件时，干涉叠加效应将使得光在腔内形成驻波。
而可调谐激光器通过调节共振腔的长度或改变反射镜的位置，可以使得不同波长的光满足谐振条件，从而实现输出波长的调节。
根据激光的输出波长范围，可调谐激光器可以分为连续可调谐激光器和离散可调谐激光器两类。
连续可调谐激光器可以在较大的波长范围内连续调节输出波长，通常通过改变共振腔长度或使用光电调制器来实现。
离散可调谐激光器则只能在离散的波长点上进行调节，通常采用多个谐振腔或光栅的构造。
可调谐激光器在许多领域都有广泛的应用。
其中一个主要的应用领域是通信。
在光纤通信系统中，不同波长的光分别承载着不同的信息。
可调谐激光器可以用于光纤通信系统中的光波长调谐，使得不同的信息可以通过不同波长的光传输。
此外，可调谐激光器还可以用于频率携带多路复用（WDM）系统，将多个波长的光信号传输到同一根光纤中，从而提高光纤通信的传输容量。
另外一个重要的应用领域是光谱分析。
可调谐激光器可以用于光谱学研究，通过改变激光器的输出波长来扫描样品吸收或发射的光谱，从而获得样品的化学成分或结构信息。
这种技术被广泛应用于物质分析、环境监测以及生物医学研究等领域。
此外，可调谐激光器还可以应用于医疗领域。
在激光治疗中，不同波长的激光具有不同的组织穿透性和生物学效应。
可调谐激光器可以根据需要选择合适的波长来进行激光治疗，例如用于皮肤科、眼科和牙科等领域的治疗。
除了以上的应用领域，可调谐激光器还可以应用于光存储、光刻、光学传感和光子学实验等领域。
可调谐DFB 激光器
OPEAK OptoElectronics Technology Co., Ltd. Laser center 437, No.6, Keyanxi Road, Nankai District, Tianjin City, 300192 Peoples Republic of China Tel: +8622-87899303/87898266 Fax: +8622-87898266
Laser Safety The module contains class 3B laser source per CDRH, 21CFR 1040.10 Laser Safety requirements. The module is Class IIIb laser products per IEC 60825-1:1993.
TLS-DFB-xxx 型可调谐激光器模块是为光纤无源器件测试、光 谱分析检验、光纤传感等应用设计的低成本可调谐分布反馈式 （DFB）半导体激光模块。模块工作在连续发光（CW）模式下， 通过电位器可实现激光器工作温度与驱动的电流的模拟调节， 可实现输出光功率与输出光波长的精密调节。模块内置高精度 温度控制电路与自动功率 APC（或恒流源 ACC）驱动电路，波 长锁定线路（依据激光器规格可选配） ，使得模块具有高波长稳 定性与功率稳定性。内置静电（ESD）防护、过流/过压保护等 完善的安全使用设计，严格的工艺控制与测试流程保证了产品 可长期可靠运行。
OPEAK
可调谐 DFB 激光器
TLS-DFBxxx 系列
产品特点
分布反馈（DFB）式半导体激光器 输出波长模拟连续调谐 输出光功率可调 窄光谱线宽 优异的光功率稳定性与波长稳定性 结构尺寸紧凑
XLPE电缆接头局部放电紫外光谱吸收在线检测技术
XLPE电缆接头局部放电紫外光谱吸收在线检测技术交联聚乙烯（XLPE）电力电缆局部放电，是电缆绝缘介质的一种电气放电，仅局限于电缆绝缘介质的一部分，且只使半导体间的绝缘介质局部桥接，这种放电可能发生或不发生于导体的邻近[1]。
如果XLPE电力电缆存在长时间局部放电，会引起绝缘劣化甚至击穿而导致XLPE电力电缆运行寿命缩短，甚至无法正常运行。
导致XLPE电力电缆局部放电原因有生产工艺瑕疵，安装缺陷和运行过程中的绝缘老化[2]。
基于XLPE电力电缆局部放电所产生的物理现象，如电、光、声、热等现象的研究，发展出了与之相应的各种在线探测方法，包括电检测法、声检测法、光检测法和红外热检测法 [3] 。
其中电检测法是基于两个原理：（1）局部放电伴有一定数量的电荷通过电介质，引起电力电缆接头外部电极的电压变化；（2)每次放电时间很短，这种短脉冲会产生高频电磁辐射。
电检测法包括脉冲电流法、无线电干扰电压法和超高频检测法。
这些技术做为在线检测方法的弊端主要是电信号太弱容易被干扰[3]。
声检测法是利用介质中发生局部放电时，瞬时释放的能将放电部位的介质加热蒸发而产生声波。
使用声音传感器可以探测到局部放电的发生。
但是由于声波在传播过程中衰变畸变严重，声检测法不能反映放电量的大小[4]。
XLPE电力电缆局部放电初始阶段，放电不严重，所以XLPE电力电缆局部放电最好造成严重后果是一个漫长累计过程。
声检测法不利于测量这个累计过程的结果，这是该检测方法的弊端。
光检测法包括使用光纤检测法、可调谐激光光谱吸收法（TDLAS）、荧光法和红外热检测法。
光纤检测法是利用介质中发生局部放电而产生声波时，该声波挤压光纤使得光纤折射率和长度发生变化，从而光谱被调制，通过测量该光谱的变化可以实现放电定位[5]。
可调谐激光光谱吸收法（TDLAS）[6]利用可变波长激光器作为光源，用光纤将激光导入一个光学气体测量池内，并射向位于光学气体测量池一端的凹面反射镜，经反射镜反射和聚焦，激光被聚焦导入第二根光纤，第二根光纤将激光导入光电探测器，光电探测器将激光转换为电信号。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1
2
激光材料的受激辐射截面
红宝石激光晶体
波长694 nm 折射率1.76 半高宽0.34 THz 荧光寿命 4×10-3 s 受激辐射截面2.8×10-20 cm2
若丹明6G
波长590 nm 折射率1.36 半高宽30 THz 荧光寿命 5.5×10-9 s 受激辐射截面1.8×10-16 cm2
可调谐激光器的基本原理
董志伟
本节内容
激光基本概念
可调谐激光器的分类
可调谐激光器的组成
受激辐射光放大（LASER）
无辐射跃迁
E2
hv
E2 E1
hv
hv
Light or laser
E1
输入
hv
hv hv
hv hv hv hv
输出
受激光放大特点
粒子数反转 相干光 强度高 方向性好 单色性好
发光粒子具有相同运动状态 不存在粒子间相互作用
均匀展宽
均匀展宽：对不同频率跃迁展宽效果相同 碰撞展宽:系统压力较大，粒子间相互碰撞(压力展宽)
p
1
p
p 1 pv He-Ne 1 MHz/Pa（632.8 nm） 300 Pa 氩离子 10 MHz/Pa 50 Pa
参考教材
1．张国威，可调谐激光技术，国防工业出版 社，2001 2. W. Koechner. 固体激光工程，科学出版社， 2005 3.王雨三，激光物理，哈工大出版社， 4．C. Rulliere. 飞秒激光脉冲-原理及实验，科 学出版社,，2007 5．钱士雄，王恭明，非线性光学，复旦大学 出版社，2001
汉斯振荡-放大系统组成
激光泵浦系统
泵浦光能量分配及延迟
光栅选频腔与线宽压窄
扩束及主被动选频 望远镜扩束+光栅选频(汉斯型选频腔)
前置放大与光隔离
阻断ASE后向传播
功率放大与光学滤波
棱镜光谱滤波+小孔空间滤波 抑制ASE背景与高阶模
激光调谐系统
光栅调谐、标准具调谐及气压调谐
光倍频及其他混频技术
300 MHz 500 MHz
非均匀展宽
非均匀展宽：对不同频率跃迁展宽效果不同 多普勒（Doppler）展宽
2 D 20 2kT ln 2 Mc
1 2
以CO2激光器为例 T=300 K 1大气压时
多普勒展宽 60 MHz 自然线宽 0.1 MHz 碰撞展宽 1 GHz
介质增益
介质增益
G Eout / Ein
G expk l
小信号增益系数
k N 21
反转粒子数
N N 2 N1
21 e
受激辐射截面
原子辐射线宽
自然线宽
2 in 1
一般原子寿命 10-9～10-8 s 线宽 10 ～ 100 MHz 分子振动能级跃迁 10-3 s 线宽 0.1 KHz
扩宽调谐范围
商用染料可调谐激光器
脉冲掺Ti蓝宝石振荡-放大系统
连续波可调谐激光器
泵浦源
连续波或准连续波激光器 泵浦功率及速率较小
增益介质长度及掺杂浓度小 泵浦光会聚 低浓度、小增益体积 谐振腔光器共同点
发光机制 宽带二能级 荧光寿命相对较短 波长选择 泵浦源 。。。
泵浦源
激光泵浦（横向泵浦、纵向泵浦） 闪光灯泵浦（快放电）
谐振腔
选频（光栅、标准具、棱镜等） 腔镜镀宽带介质膜
脉冲可调谐激光器的基本组成
染料激光器
脉冲可调谐激光器的基本组成
掺钛蓝宝石激光器
脉冲染料可调谐振荡-放大系统
1974 Haesch, Wallenstain 汉斯振荡-放大系统
N q ,0 N 2
N d q ,0 N2d
单位频率辐射（吸收）跃迁几率
q , d 1
0 0
均匀展宽线型
洛伦兹（Lorentzian）线型
2 q 0 2 2
峰值ν= ν0
2 ln 2 q0
1 2
受激发射截面
谱线中心处的受激发射截面
2 e q 2 8n f
0
对洛伦兹线型
e 0
2
0
4 2 n 2 f
2
0
对高斯线型
ln 2 e 0 2 4n f
2 1
峰值ν= ν0
2 q 0
非均匀展宽线型
高斯（Gaussian）线型
2 0 2 ln 2 q exp ln 2 2 12
跃迁展宽机理
气体/液体激光介质 碰撞展宽（压力） 多普勒展宽（温度） 1 GHz量级 固态激光介质 热振动展宽(均匀展宽) 随机不均匀性、局部缺陷（非均匀） 红宝石激光晶体 330 GHz（0.53 nm） Nd:YAG激光晶体 200 GHz（0.67 nm）
粒子数分布原子线型函数
上能级单位频率间隔粒子数
可调谐激光器
输出激光可在一定波长范围内连续改变
可调谐激光器种类
基于介质宽带发射光谱+选频技术
染料激光器、可调谐准分子激光器、固体过渡金属离子 激光器、高压气体激光器、色心激光器等
非线性光学的光参量过程
光参量振荡、光参量放大、倍频、和频、差频等
可调谐激光器种类
介质物态
气体、液体和固体可调谐激光器
可调谐波长范围
紫外、红外和可见可调谐激光器
工作状态
脉冲运转和连续运转可调谐激光器
各种可调谐激光器的调谐范围
固定波长激光器基本结构
工作介质
晶体、半导体、气体等
谐振腔
输出耦合镜+全反镜(Fabry-Perot)
泵浦源
光激励 电激励
脉冲可调谐激光器
工作物质
宽带荧光光谱 液态染料、激光晶体、高压分子气体、准分子气体
掺Ti蓝宝石
波长790 nm 折射率1.76 半高宽66 THz 荧光寿命 3.2×10-6 s 受激辐射截面2.4×10-19 cm2
固定波长与可调谐激光器
固定波长激光器
输出激光仅含有一个或几个固定波长激光 He-Ne 632.8 nm 1.15 μm 3.39 μm Nd:YAG 0.91 μm 1.06 μm 1.35 μm