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可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

陶蒙蒙 陶波 叶景峰 沈炎龙 黄珂 叶锡生 赵军

陶蒙蒙, 陶波, 叶景峰, 沈炎龙, 黄珂, 叶锡生, 赵军. 可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用. 物理学报, 2020, 69(3): 034205. doi: 10.7498/aps.69.20191515
引用本文: 陶蒙蒙, 陶波, 叶景峰, 沈炎龙, 黄珂, 叶锡生, 赵军. 可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用. 物理学报, 2020, 69(3): 034205. doi: 10.7498/aps.69.20191515
Tao Meng-Meng, Tao Bo, Ye Jing-Feng, Shen Yan-Long, Huang Ke, Ye Xi-Sheng, Zhao Jun. Linewidth compression of tunable Tm-doped fiber laser and its hyperspectral absorption application. Acta Phys. Sin., 2020, 69(3): 034205. doi: 10.7498/aps.69.20191515
Citation: Tao Meng-Meng, Tao Bo, Ye Jing-Feng, Shen Yan-Long, Huang Ke, Ye Xi-Sheng, Zhao Jun. Linewidth compression of tunable Tm-doped fiber laser and its hyperspectral absorption application. Acta Phys. Sin., 2020, 69(3): 034205. doi: 10.7498/aps.69.20191515

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

陶蒙蒙, 陶波, 叶景峰, 沈炎龙, 黄珂, 叶锡生, 赵军

Linewidth compression of tunable Tm-doped fiber laser and its hyperspectral absorption application

Tao Meng-Meng, Tao Bo, Ye Jing-Feng, Shen Yan-Long, Huang Ke, Ye Xi-Sheng, Zhao Jun
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  • 可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术. 利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据, 可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力. 分析了在2 μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求. 利用掺铥光纤在2 μm波段较宽的发射谱, 采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2 μm光纤激光器. 获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出, 激光器静态线宽仅为0.05 nm. 利用该光源对空气中水在2 μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量, 在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线. 通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现, 测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线, 且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近. 这表明, 在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.
    Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a widely used technology for measuring absorption spectrum. However, the measurement efficiency of TDLAS is greatly limited by the narrow tuning range of conventional tunable laser diode. Exploiting a wideband, narrow linewidth tuning laser source, hyperspectral absorption spectroscopy possesses the ability to provide the overall absorption information over a continuous waveband in a single scan, which would significantly improve the data volume and diagnostic capability of TDLAS. With profound and strong absorption lines of water and carbon dioxide, the 2 μm waveband is an ideal candidate for water and carbon dioxide related absorption spectrum. An absorption line recognition threshold of 0.07 nm is derived for the absorption spectrum measurement of water around 2 μm through theoretical analysis. Utilizing the wideband emission spectrum of Tm-doped fiber, a wideband tunable, narrow linewidth fiber laser operating at 2 μm is built by combining a tunable FP filter with a fiber saturable absorber. The tunable FP filter is responsible for the wavelength control of the laser system, with which a 60 nm wideband tuning range from 1840 nm to 1900 nm is achieved. With a section of Tm-Ho codoped fiber as the fiber saturable absorber which is used for linewidth compression, a static linewidth of 0.05 nm is attained. This wideband tunable, narrow linewidth fiber laser is tested for the hyperspectral absorption spectrum measurement of water around 2 μm. Drived with a 0–10 V triangle wave at a repetition rate of 50 Hz, the output spectrum of the laser spans over a wavelength range of about 30 nm from 1856 nm to 1886 nm. The laser beam propagates about 50 cm through an open air, and then enters into the detectors for direct measurement. The 35 absorption lines of water are recognized after processing the data. Within the 1870–1880 nm range, comparisons with the theoretical absorption spectra at different laser linewidths, derived from the HITRAN2012 absorption database, show that the measured data cannot effectively distinguish two absorption lines adjacent to the strong absorption line at 1873 nm and 1877 nm. And, the measured results can be best fitted to a laser linewidth of about 0.08 nm, demonstrating that in the dynamic scanning process, the linewidth of the laser is expanded beyond the absorption line recognition threshold. Thus, when operating in a fast wideband scanning mode, the laser system should further compress its linewidth.
      通信作者: 陶波, taobo@nint.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 91541203, 91641112)和激光与物质相互作用国家重点实验室基金(批准号: SKLLIM1709)资助的课题
      Corresponding author: Tao Bo, taobo@nint.ac.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 91541203, 91641112) and the Fund of the State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, China (Grant No. SKLLIM1709)

    可调谐窄线宽激光器在高精度激光光谱学, 尤其是吸收光谱领域有着十分重要的应用[1-3]. 激光吸收光谱技术利用气体分子对特定激光谱线的选择性吸收来实现对气体特性的精确测量. 可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术是目前应用最为广泛的吸收光谱测量技术之一. 该技术使用可调谐半导体激光器作为激光光源, 其输出线宽极窄, 可以获得高精度的吸收光谱数据[4-7]. 但是, 传统的可调谐半导体激光器的快速调谐范围极其有限, 无法实现对多谱线、多气体组分的测量, 极大地限制了TDLAS技术的测量效率[8].

    在较宽的光谱范围内获得连续吸收光谱信息的测量技术称为超光谱吸收测量技术. 与传统的分立谱线吸收技术相比, 超光谱吸收技术可以大大提高吸收光谱的测量效率[9,10]. 宽带调谐窄线宽激光器是超光谱吸收技术的重要光源.

    与传统的1.25—1.65 μm通信波段相比, 2 μm波段有着更为丰富且吸收强度更强的水和二氧化碳的吸收峰[11-14], 这表明2 μm波段在吸收光谱领域有着更大的应用价值, 亟待开发. 2 μm波段光源的研制将大大提高TDLAS技术的诊断能力和效率, 拓展其应用范围.

    掺铥和铥钬共掺光纤激光器发射谱段覆盖1.7—2.1 μm[15-17], 是水和二氧化碳吸收谱线测量的理想光源. 早在2003年, Stark等[18]通过在一个多模掺铥光纤激光器系统内使用腔内吸收设计, 在1.7—1.98 μm测到了大量的水和二氧化碳的吸收谱线. 2010年, 美国国家航空航天局兰利研究中心研发了一套掺铥光纤激光器雷达系统来测量地球和火星上的水气分布[19]. 通过使用光栅和标准具, 该激光器线宽仅为20 pm. 2013年, Bremer等[20]搭建了一个1.995 μm的全光纤掺铥激光器, 对二氧化碳的吸收特性进行了测量. 该激光器线宽为0.14 nm, 可调谐范围为5 nm. 但是, 对于超光谱吸收应用而言, 除了要求激光器具有宽调谐、窄线宽特性之外, 还要求激光器能够做到快速调谐, 这就对激光器的研发提出了极大的挑战.

    可调谐法布里-珀罗滤波器是实现激光器光谱快速大范围调谐的重要光学器件. 前期的实验中, 使用可调谐法布里-珀罗滤波器对掺铥光纤激光器的波长可调谐特性进行了实验研究, 获得了1840—1900 nm的可调谐输出, 调谐光谱范围达60 nm[21]. 虽然该激光器输出线宽较窄, 仅约为0.07 nm, 但仍然无法满足光谱吸收测量技术的要求. 本文使用光纤可饱和吸收体对激光器的输出光谱做了进一步压缩. 压缩后激光器静态输出线宽约为0.05 nm. 利用该光源对水在2 μm波段的吸收谱线开展了超光谱吸收测量, 实验中在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内测得了35条水的吸收谱线, 与HITRAN2012光谱数据库相吻合.

    水在2 μm附近存在密集的吸收线, 所以测量中不可能探测和分析所有的吸收谱线, 而是根据具体的测量需求选择特定的吸收谱线. 图1所示为基于HITRAN2012光谱数据库作出的常温常压环境下水在1840—1900 nm波段的吸收谱线[11]. 其中设定激光器线宽为0, 吸收谱线型为Voigt, 大气压强为1 atm (1 atm = 1.01 × 105 Pa), 水摩尔分数为0.1. 可以看出在常压环境下水的吸收谱线基本是相互分立的, 且在1870 nm附近集中了大量的较强的吸收谱线.

    图 1 水在1840−1900 nm波段的吸收谱线\r\nFig. 1. Absorption spectrum of water in the wavelength range of 1840−1900 nm
    图 1  水在1840−1900 nm波段的吸收谱线
    Fig. 1.  Absorption spectrum of water in the wavelength range of 1840−1900 nm

    激光线宽对水在1871 nm附近吸收光谱测量结果的影响如图2所示, 其中激光线型采用Gauss函数, 吸收谱线线型采用Voigt函数. 可以看出激光线宽达到0.10 nm时还可以勉强分辨出不同的吸收谱线, 而在达到0.14 nm时不同的吸收线之间则开始存在明显的重叠. 鉴于实际应用中存在测量噪声以及激光波长的模式抖动, 所以要求激光器的线宽应小于0.07 nm, 以达到分辨不同吸收谱线的要求. 因此, 0.07 nm可认为是该波段的光谱分辨阈值.

    图 2 不同激光线宽对1870 nm附近吸收谱线的影响\r\nFig. 2. Influences of laser linewidth on the detected absorption lines around 1870 nm.
    图 2  不同激光线宽对1870 nm附近吸收谱线的影响
    Fig. 2.  Influences of laser linewidth on the detected absorption lines around 1870 nm.

    在前期实验获得可调谐波长输出的基础上, 设计了如图3所示的改进结构. 该结构中通过激光器谐振腔内加入一段铥钬共掺光纤作为可饱和吸收体, 对激光器的输出线宽进行进一步的压缩.

    图 3 基于光纤可饱和吸收体的激光器线宽压缩光路设计(WDM, 反射式波分复用器; OC, 输出耦合器; ISO, 光纤隔离器; FSA, 光纤可饱和吸收体; FP filter, 法布里-珀罗滤波器)\r\nFig. 3. Linewidth compression design of laser based on fiber saturable absorber (WDM, wavelength division multiplexer; OC, output coupler; ISO, isolator; FSA, fiber saturable absorber; FP filter, Fabry Perot filter).
    图 3  基于光纤可饱和吸收体的激光器线宽压缩光路设计(WDM, 反射式波分复用器; OC, 输出耦合器; ISO, 光纤隔离器; FSA, 光纤可饱和吸收体; FP filter, 法布里-珀罗滤波器)
    Fig. 3.  Linewidth compression design of laser based on fiber saturable absorber (WDM, wavelength division multiplexer; OC, output coupler; ISO, isolator; FSA, fiber saturable absorber; FP filter, Fabry Perot filter).

    实验中观察到激光器的振荡阈值约为210 mW, 但是, 在低抽运功率下激光器输出呈脉冲模式, 如图4所示. 图中脉冲序列是在可调谐法布里-珀罗腔重频扫描模式下记录的. 可以看出, 在一个三角波扫描周期中当扫描电压发生非线性变化时, 脉冲强度出现明显的降低.

    图 4 低抽运功率下激光器脉冲输出序列\r\nFig. 4. Output pulse train of laser at low pump power.
    图 4  低抽运功率下激光器脉冲输出序列
    Fig. 4.  Output pulse train of laser at low pump power.

    图5为在半个三角波扫描周期内截取的激光器输出脉冲. 从图5(a)可见, 各脉冲间隔相等, 对应的脉冲重频(repeat rate, RR)约为11.8 kHz, 但脉冲强度波动较大. 图5(b)所示为脉冲序列中的单个脉冲波形, 其脉冲宽度w约为7.5 μs.

    图 5 低抽运功率下半个扫描周期内的输出脉冲 (a)脉冲序列; (b)单个脉冲\r\nFig. 5. Output pulses in a half scanning period at low pump power: (a) Pulse train; (b) a single pulse.
    图 5  低抽运功率下半个扫描周期内的输出脉冲 (a)脉冲序列; (b)单个脉冲
    Fig. 5.  Output pulses in a half scanning period at low pump power: (a) Pulse train; (b) a single pulse.

    该脉冲输出是由环形腔内的铥钬共掺光纤所导致的. 铥钬共掺光纤作为可饱和吸收体一方面能够实现对激光线宽的压缩, 另一方面也可以实现对激光信号的脉冲调制. 由图5所示的脉冲输出特性可见, 该激光器脉冲输出特性(RR为10 kHz量级, w为数微秒)与铥钬共掺光纤可饱和吸收体的脉冲调制特性相近[22,23].

    抽运功率在300 mW以上时, 激光器进入连续运转模式. 在连续运转模式下使用量热型功率计对激光器的长时间输出功率稳定性进行了监测, 测量结果如图6所示. 可以看出, 激光器长时间输出功率稳定性较好. 统计分析表明, 10 min内激光器平均输出功率约为27.4 mW, 功率均方根(root mean square, RMS)不稳定度约为0.5%.

    图 6 连续运转模式下激光器的长时间输出功率监测\r\nFig. 6. Long-time output power record of laser at continuous wave operation.
    图 6  连续运转模式下激光器的长时间输出功率监测
    Fig. 6.  Long-time output power record of laser at continuous wave operation.

    为了进一步测量激光器输出功率的瞬时稳定性, 使用光电探测器对激光器在波长扫描连续运转模式下的瞬时输出功率进行了监测, 测量结果如图7所示. 可以看出, 在三角波扫描的过程中, 当扫描电压发生转折时, 光强会出现较大的噪声, 因此, 在吸收光谱测量应用中应尽量避开这些区域. 但是, 由于该噪声持续时间极短, 量热型功率计无法分辨, 因此图6中并未发现明显的功率抖动现象.

    图 7 连续运转模式下激光器的瞬时输出功率监测\r\nFig. 7. Instantaneous output power of laser at continuous wave operation
    图 7  连续运转模式下激光器的瞬时输出功率监测
    Fig. 7.  Instantaneous output power of laser at continuous wave operation

    激光器扫描波长范围与文献[21]中的测量结果一致, 均为1840—1900 nm. 在固定波长条件下激光器的典型输出光谱如图8所示. 与文献[21]中的实验结果对比可以看出, 插入光纤可饱和吸收体后激光器输出光谱宽度得到了明显压缩. 受限于光谱仪的分辨率(0.06 nm), 实际测到的光谱线宽约为0.05 nm, 能够满足吸收光谱测量的线宽要求.

    图 8 加入光纤可饱和吸收体后激光器典型输出光谱\r\nFig. 8. Typical output spectrum of laser with fiber saturable absorber.
    图 8  加入光纤可饱和吸收体后激光器典型输出光谱
    Fig. 8.  Typical output spectrum of laser with fiber saturable absorber.

    使用法布里-珀罗干涉仪对激光器的输出线宽进行了扫描测试. 法布里-珀罗干涉仪自由光谱范围为10 GHz, 设定扫描频率为10 Hz, 典型的扫描结果如图9所示. 可以看出, 激光器为多纵模输出. 根据各模式之间的时间关系, 计算可得多纵模输出下激光器线宽约为3.4 GHz, 即0.04 nm, 与图8中光谱仪的测量结果基本一致.

    图 9 法布里-珀罗干涉仪扫描得到的激光器线宽特性\r\nFig. 9. Laser linewidth measured with a scanning Fabry-Perot interferometer.
    图 9  法布里-珀罗干涉仪扫描得到的激光器线宽特性
    Fig. 9.  Laser linewidth measured with a scanning Fabry-Perot interferometer.

    为了进一步优化激光器的输出线宽, 在腔内引入了偏振控制, 通过对环形腔内光纤施加应力, 改变激光器的输出纵模特性. 不同应力下的激光器输出线宽扫描结果如图10所示. 图10(a)所示为激光器双纵模输出时的测量结果, 计算可得两个纵模之间的间隔约为4 GHz (47 pm), 单个纵模线宽约为0.20 GHz (2.4 pm). 通过调节偏振控制器, 抑制了双纵模中其中一个纵模的振荡输出, 得到了如图10(b)所示的单纵模输出, 计算可得此时的激光线宽约为0.33 GHz (3.9 pm).

    图 10 偏振控制条件下激光器输出纵模特性 (a)双纵模; (b)单纵模\r\nFig. 10. Oscillating laser modes measured with polarization control: (a) Dual modes; (b) single mode.
    图 10  偏振控制条件下激光器输出纵模特性 (a)双纵模; (b)单纵模
    Fig. 10.  Oscillating laser modes measured with polarization control: (a) Dual modes; (b) single mode.

    无偏振控制状态下, 利用上述宽带调谐、窄线宽为2 μm激光光源对室温下大气中水的吸收谱线进行了超光谱吸收测量. 测量中, 法布里-珀罗腔通过一个50 Hz的三角波进行驱动, 扫描电压范围为0—10 V, 此时激光器覆盖1856—1886 nm约30 nm的光谱范围. 激光光束传输通过约50 cm长的大气后进入探测器直接进行吸收光谱探测.

    实验中使用了两种探测器对吸收谱线进行测量, 分别是HgCdTe探测器和带放大电路的扩展型InGaAs (InGaAs PDA)探测器. 两种探测器测得的吸收数据如图11所示. 图11(a)为HgCdTe探测器的测量数据, 图11(b)为InGaAs PDA探测器的测量数据. 通过对比可知, InGaAs PDA探测器的信号经放大后在幅度上要高于HgCdTe探测器, 但是HgCdTe探测器得到的吸收谱线强度和信噪比要明显高于InGaAs PDA探测器, 因此实验数据处理中使用HgCdTe探测器的测量数据.

    图 11 实验测得的吸收信号: (a) HgCdTe探测器; (b) InGaAs PDA探测器\r\nFig. 11. Measured absorption signal: (a) HgCdTe detector; (b) InGaAs PDA detector.
    图 11  实验测得的吸收信号: (a) HgCdTe探测器; (b) InGaAs PDA探测器
    Fig. 11.  Measured absorption signal: (a) HgCdTe detector; (b) InGaAs PDA detector.

    图11(a)中包含5个扫描周期的吸收测量信号, 可以看出, 吸收信号表现出较好的周期性. 可见, 虽然激光器不是单纵模输出, 但依然可以满足超光谱吸收测量的应用要求. 图12为减去基线后典型的单个扫描周期内测量的直接吸收光谱, 可以看出前半个扫描周期和后半个扫描周期获得直接吸收光谱存在很好的对称性, 表明激光器在三角波的上升沿和下降沿扫描过程中有着良好的波长稳定性和重复性. 图12内插图为局部的吸收光谱放大图, 可以看出每个吸收峰其实是由多条吸收谱线构成的.

    图 12 典型的单个激光器扫描周期内测量的直接吸收光谱(内插图为局部的吸收光谱放大图)\r\nFig. 12. Typical direct absorption spectrum in a single scanning period. The insert is the enlarged local absorption spectrum.
    图 12  典型的单个激光器扫描周期内测量的直接吸收光谱(内插图为局部的吸收光谱放大图)
    Fig. 12.  Typical direct absorption spectrum in a single scanning period. The insert is the enlarged local absorption spectrum.

    对数据做匀化处理, 得到的半个扫描周期内水的吸收谱线如图13所示. 同时, 图13给出了根据HITRAN2012光谱数据库计算得出的理论吸收谱线. 可以看出, 在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内, 水的吸收谱线主要集中在1870 nm附近. 实验中共测量并分辨了35条水的吸收谱线. 必须指出的是, 计算中设定激光线宽约为0.08 nm, 此时, 理论吸收谱线与实测数据吻合较好. 可见, 与静态线宽相比, 激光器在动态扫描下线宽出现了一定的展宽.

    图 13 1856—1886 nm范围内水的吸收光谱数据\r\nFig. 13. Absorption spectra of water from 1856 nm to 1886 nm
    图 13  1856—1886 nm范围内水的吸收光谱数据
    Fig. 13.  Absorption spectra of water from 1856 nm to 1886 nm

    为了检验实验所测吸收光谱数据的分辨率, 对1870—1880 nm范围内的吸收谱线进行放大, 如图14所示. 图14(a)同时给出了理想激光线宽下的理论吸收谱线. 通过对比可以发现, 理想线宽下, 在1870—1880 nm范围内, 水存在约17条吸收谱线, 而实测吸收谱线和激光线宽为0.08 nm的理论计算谱线均无法有效分辨图中所标注的A和B两条吸收线. 这是由于A和B处两套吸收线与相邻的吸收线距离较近, 而激光器在动态扫描过程中线宽展宽使得无法有效分辨相邻的吸收谱线.

    图 14 1870—1880 nm范围内吸收谱线及残差 (a)吸收谱线; (b)残差\r\nFig. 14. Absorption lines and corresponding residuals of water in 1870—1880 nm wavelength range: (a) Absorption lines; (b) residuals.
    图 14  1870—1880 nm范围内吸收谱线及残差 (a)吸收谱线; (b)残差
    Fig. 14.  Absorption lines and corresponding residuals of water in 1870—1880 nm wavelength range: (a) Absorption lines; (b) residuals.

    图14(b)所示为实测吸收谱与两种不同激光线宽下计算得到的理论吸收谱之间的残差. 对比可见, 实测吸收谱与0.08 nm激光线宽下的理论吸收谱较为吻合, 验证了大范围扫描时激光线宽的展宽, 可见大范围快速扫描条件下激光器的线宽特性还有待进一步提高.

    本文搭建了一台基于法布里-珀罗腔的窄线宽可调谐掺铥光纤激光器, 并使用铥钬共掺光纤作为可饱和吸收体对掺铥光纤激光器进行了线宽压缩. 静态测量中, 激光线宽约为0.05 nm, 且通过偏振控制可实现单纵模输出. 利用该光源对水在2 μm波段的超光谱吸收数据进行了测量, 测量结果与HITRAN2012光谱数据库相吻合. 但通过与理论计算吸收数据对比发现, 动态扫描中激光线宽出现了展宽. 后续可通过在腔内引入光纤环滤波器的方法对激光器输出线宽做进一步压缩. 另外, 通过适当的设计, 该光源还有望覆盖二氧化碳在2 μm波段的部分吸收谱线, 实现对二氧化碳的吸收光谱的测量.

    [1]

    Goldenstein C S, Spearrin R M, Jeffries J B, Hanson R K 2017 Prog. Energ. Combust. Sci. 60 132

    [2]

    Bolshov M A, Kuritsyn Y A, Romanovskii Y V 2015 Spectrochim. Acta B 106 45Google Scholar

    [3]

    丁武文, 孙利群, 衣路英 2017 物理学报 66 100702Google Scholar

    Ding W W, Sun L Q, Yi L Y 2017 Acta Phys. Sin. 66 100702Google Scholar

    [4]

    Wu Q, Wang F, Li M, Yan J 2017 Combust. Sci. Technol. 189 1571Google Scholar

    [5]

    Sur R, Sun K, Jeffries J B, Socha J G, Hanson R K 2015 Fuel 150 102Google Scholar

    [6]

    Tao B, Hu Z Y, Fan W, Wang S, Ye J F, Zhang Z R 2017 Opt. Express 25 A762Google Scholar

    [7]

    Witzel O, Klein A, Wagner S, Meffert C, Schulz C, Ebert V 2012 Appl. Phys. B 109 521Google Scholar

    [8]

    Wang F, Wu Q, Huang Q, Zhang H, Yan J, Cen K 2015 Opt. Commun. 346 53Google Scholar

    [9]

    Kranendonk L A, Caswell A W, Hagen C L, Neuroth C T, Shouse D T, Gord J R, Sanders S T 2009 J. Propul. Power 25 859Google Scholar

    [10]

    Ma L, Cai W, Caswell A W, Kraetschmer T, Sanders S T, Roy S, Gord J R 2009 Opt. Express 17 8602Google Scholar

    [11]

    Rothman L S, Gordon I E, Babikov Y, Barbe A, Chris Benner D, Bernath P F, Birk M, Bizzocchi L, Boudon V, Brown L R, Campargue A, Chance K, Cohen E A, Coudert L H, Devi V M, Drouin B J, Fayt A, Flaud J M, Gamache R R, Harrison J J, Hartmann J M, Hill C, Hodges J T, Jacquemart D, Jolly A, Lamouroux J, Le Roy R J, Li G, Long D A, Lyulin O M, Mackie C J, Massie S T, Mikhailenko S, Müller H S P, Naumenko O V, Nikitin A V, Orphal J, Perevalov V, Perrin A, Polovt-seva E R, Richard C, Smith M A H, Starikova E, Sung K, Tashkun S, Tennyson J, Toon G C, Tyuterev V G, Wagner G 2013 J. Quant. Spectrosc. Ra. 130 4Google Scholar

    [12]

    聂伟, 阚瑞峰, 许振宇, 姚路, 夏晖晖, 彭于权, 张步强, 何亚柏 2017 物理学报 66 204204Google Scholar

    Nie W, Kan R F, Xu Z Y, Yao L, Xia H H, Peng Y Q, Zhang B Q, He Y B 2017 Acta Phys. Sin. 66 204204Google Scholar

    [13]

    Refaat T F, Singh U N, Yu J, Petros M, Ismail S, Kavaya M J, Davis K J 2015 Appl. Opt. 54 1387Google Scholar

    [14]

    Gibert F, Flamant P H, Bruneau D, Loth C 2006 Appl. Opt. 45 4448Google Scholar

    [15]

    Jackson S D, King T A 1999 J. Lightwave Technol. 17 948Google Scholar

    [16]

    Jackson S D 2006 IEEE Photon. Technol. Lett. 18 1885Google Scholar

    [17]

    Jackson S D 2009 Laser Photon. Rev. 3 466Google Scholar

    [18]

    Stark A, Correia L, Teichmann M, Salewski S, Larsen C, Baev V M, Toschek P E 2003 Opt. Commun. 215 113Google Scholar

    [19]

    Young R J De, Barnes N P 2010 Appl. Opt. 49 562Google Scholar

    [20]

    Bremer K, Pal A, Yao S, Lewis E Sen R, Sun T, Grattan K T V 2013 Appl. Opt. 52 3957Google Scholar

    [21]

    陶蒙蒙, 陶波, 余婷, 王振宝, 冯国斌, 叶锡生 2016 红外与激光工程 45 1205002Google Scholar

    Tao M M, Tao B, Yu T, Wang Z B, Feng G B, Ye X S 2016 Infrar. Laser Eng. 45 1205002Google Scholar

    [22]

    Tao M M, Feng G B, Yu T, Ye X S, Wang Z B, Shen Y L, Zhao J 2018 Opt. Laser Technol. 100 176Google Scholar

    [23]

    Tao M M, Yu T, Chen H W, Shen Y L, Ye X S, Zhao J 2018 Laser Phys. 28 115108Google Scholar

    期刊类型引用(9)

    1. 王亚民,吴昊龙,陶蒙蒙,刘洋阳,李国华,王晟,叶景峰. 掺铥光纤激光放大器在宽波段吸收光谱技术中的应用. 现代应用物理. 2024(02): 89-95 . 百度学术
    2. 吴昊龙,王亚民,陶蒙蒙,王晟,李国华,叶景峰,吴振杰,王立君. 高压强下2μm波段CO_2宽光谱吸收测量与分析. 光子学报. 2024(07): 256-267 . 百度学术
    3. 陶蒙蒙,吴昊龙,王亚民,王晟,王科,曹慧琳,叶景峰. 宽光谱吸收应用中光谱扫描区间的选择. 光谱学与光谱分析. 2024(11): 3043-3051 . 百度学术
    4. 陶蒙蒙,吴昊龙,王亚民,刘洋阳,李国华,叶景峰. 基于遗传算法的2μm波段水的吸收谱线选择. 现代应用物理. 2023(02): 90-97+105 . 百度学术
    5. 陶蒙蒙,叶锡生,叶景峰,余婷,全昭,漆云凤,冯国斌,陈卫标. 同带泵浦千瓦级掺铥光纤激光器输出特性理论模拟. 中国激光. 2022(01): 211-221 . 百度学术
    6. 陶蒙蒙,王亚民,吴昊龙,李国华,王晟,陶波,叶景峰,冯国斌,叶锡生,陈卫标. 基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量. 物理学报. 2022(11): 190-197 . 百度学术
    7. 段叶珍,杨昌盛,李佳龙,蒋葵,赵齐来,冯洲明,徐善辉. 可调谐单频光纤激光器的研究进展(特邀). 红外与激光工程. 2022(06): 89-98 . 百度学术
    8. 周坤,何林安,李弋,贺钰雯,张亮,胡耀,刘晟哲,杨鑫,杜维川,高松信,唐淳. 高功率793 nm半导体激光器. 红外与毫米波学报. 2022(04): 685-689 . 百度学术
    9. 李亚凡,刘琨,刘铁根,江俊峰,闪霁芳. 基于掺铥光纤激光器的内腔气体传感系统研究. 光子学报. 2021(09): 185-192 . 百度学术

    其他类型引用(3)

  • 图 1  水在1840−1900 nm波段的吸收谱线

    Fig. 1.  Absorption spectrum of water in the wavelength range of 1840−1900 nm

    图 2  不同激光线宽对1870 nm附近吸收谱线的影响

    Fig. 2.  Influences of laser linewidth on the detected absorption lines around 1870 nm.

    图 3  基于光纤可饱和吸收体的激光器线宽压缩光路设计(WDM, 反射式波分复用器; OC, 输出耦合器; ISO, 光纤隔离器; FSA, 光纤可饱和吸收体; FP filter, 法布里-珀罗滤波器)

    Fig. 3.  Linewidth compression design of laser based on fiber saturable absorber (WDM, wavelength division multiplexer; OC, output coupler; ISO, isolator; FSA, fiber saturable absorber; FP filter, Fabry Perot filter).

    图 4  低抽运功率下激光器脉冲输出序列

    Fig. 4.  Output pulse train of laser at low pump power.

    图 5  低抽运功率下半个扫描周期内的输出脉冲 (a)脉冲序列; (b)单个脉冲

    Fig. 5.  Output pulses in a half scanning period at low pump power: (a) Pulse train; (b) a single pulse.

    图 6  连续运转模式下激光器的长时间输出功率监测

    Fig. 6.  Long-time output power record of laser at continuous wave operation.

    图 7  连续运转模式下激光器的瞬时输出功率监测

    Fig. 7.  Instantaneous output power of laser at continuous wave operation

    图 8  加入光纤可饱和吸收体后激光器典型输出光谱

    Fig. 8.  Typical output spectrum of laser with fiber saturable absorber.

    图 9  法布里-珀罗干涉仪扫描得到的激光器线宽特性

    Fig. 9.  Laser linewidth measured with a scanning Fabry-Perot interferometer.

    图 10  偏振控制条件下激光器输出纵模特性 (a)双纵模; (b)单纵模

    Fig. 10.  Oscillating laser modes measured with polarization control: (a) Dual modes; (b) single mode.

    图 11  实验测得的吸收信号: (a) HgCdTe探测器; (b) InGaAs PDA探测器

    Fig. 11.  Measured absorption signal: (a) HgCdTe detector; (b) InGaAs PDA detector.

    图 12  典型的单个激光器扫描周期内测量的直接吸收光谱(内插图为局部的吸收光谱放大图)

    Fig. 12.  Typical direct absorption spectrum in a single scanning period. The insert is the enlarged local absorption spectrum.

    图 13  1856—1886 nm范围内水的吸收光谱数据

    Fig. 13.  Absorption spectra of water from 1856 nm to 1886 nm

    图 14  1870—1880 nm范围内吸收谱线及残差 (a)吸收谱线; (b)残差

    Fig. 14.  Absorption lines and corresponding residuals of water in 1870—1880 nm wavelength range: (a) Absorption lines; (b) residuals.

  • [1]

    Goldenstein C S, Spearrin R M, Jeffries J B, Hanson R K 2017 Prog. Energ. Combust. Sci. 60 132

    [2]

    Bolshov M A, Kuritsyn Y A, Romanovskii Y V 2015 Spectrochim. Acta B 106 45Google Scholar

    [3]

    丁武文, 孙利群, 衣路英 2017 物理学报 66 100702Google Scholar

    Ding W W, Sun L Q, Yi L Y 2017 Acta Phys. Sin. 66 100702Google Scholar

    [4]

    Wu Q, Wang F, Li M, Yan J 2017 Combust. Sci. Technol. 189 1571Google Scholar

    [5]

    Sur R, Sun K, Jeffries J B, Socha J G, Hanson R K 2015 Fuel 150 102Google Scholar

    [6]

    Tao B, Hu Z Y, Fan W, Wang S, Ye J F, Zhang Z R 2017 Opt. Express 25 A762Google Scholar

    [7]

    Witzel O, Klein A, Wagner S, Meffert C, Schulz C, Ebert V 2012 Appl. Phys. B 109 521Google Scholar

    [8]

    Wang F, Wu Q, Huang Q, Zhang H, Yan J, Cen K 2015 Opt. Commun. 346 53Google Scholar

    [9]

    Kranendonk L A, Caswell A W, Hagen C L, Neuroth C T, Shouse D T, Gord J R, Sanders S T 2009 J. Propul. Power 25 859Google Scholar

    [10]

    Ma L, Cai W, Caswell A W, Kraetschmer T, Sanders S T, Roy S, Gord J R 2009 Opt. Express 17 8602Google Scholar

    [11]

    Rothman L S, Gordon I E, Babikov Y, Barbe A, Chris Benner D, Bernath P F, Birk M, Bizzocchi L, Boudon V, Brown L R, Campargue A, Chance K, Cohen E A, Coudert L H, Devi V M, Drouin B J, Fayt A, Flaud J M, Gamache R R, Harrison J J, Hartmann J M, Hill C, Hodges J T, Jacquemart D, Jolly A, Lamouroux J, Le Roy R J, Li G, Long D A, Lyulin O M, Mackie C J, Massie S T, Mikhailenko S, Müller H S P, Naumenko O V, Nikitin A V, Orphal J, Perevalov V, Perrin A, Polovt-seva E R, Richard C, Smith M A H, Starikova E, Sung K, Tashkun S, Tennyson J, Toon G C, Tyuterev V G, Wagner G 2013 J. Quant. Spectrosc. Ra. 130 4Google Scholar

    [12]

    聂伟, 阚瑞峰, 许振宇, 姚路, 夏晖晖, 彭于权, 张步强, 何亚柏 2017 物理学报 66 204204Google Scholar

    Nie W, Kan R F, Xu Z Y, Yao L, Xia H H, Peng Y Q, Zhang B Q, He Y B 2017 Acta Phys. Sin. 66 204204Google Scholar

    [13]

    Refaat T F, Singh U N, Yu J, Petros M, Ismail S, Kavaya M J, Davis K J 2015 Appl. Opt. 54 1387Google Scholar

    [14]

    Gibert F, Flamant P H, Bruneau D, Loth C 2006 Appl. Opt. 45 4448Google Scholar

    [15]

    Jackson S D, King T A 1999 J. Lightwave Technol. 17 948Google Scholar

    [16]

    Jackson S D 2006 IEEE Photon. Technol. Lett. 18 1885Google Scholar

    [17]

    Jackson S D 2009 Laser Photon. Rev. 3 466Google Scholar

    [18]

    Stark A, Correia L, Teichmann M, Salewski S, Larsen C, Baev V M, Toschek P E 2003 Opt. Commun. 215 113Google Scholar

    [19]

    Young R J De, Barnes N P 2010 Appl. Opt. 49 562Google Scholar

    [20]

    Bremer K, Pal A, Yao S, Lewis E Sen R, Sun T, Grattan K T V 2013 Appl. Opt. 52 3957Google Scholar

    [21]

    陶蒙蒙, 陶波, 余婷, 王振宝, 冯国斌, 叶锡生 2016 红外与激光工程 45 1205002Google Scholar

    Tao M M, Tao B, Yu T, Wang Z B, Feng G B, Ye X S 2016 Infrar. Laser Eng. 45 1205002Google Scholar

    [22]

    Tao M M, Feng G B, Yu T, Ye X S, Wang Z B, Shen Y L, Zhao J 2018 Opt. Laser Technol. 100 176Google Scholar

    [23]

    Tao M M, Yu T, Chen H W, Shen Y L, Ye X S, Zhao J 2018 Laser Phys. 28 115108Google Scholar

  • [1] 侯刘敏, 侯云龙, 刘圆凯, 李渊华, 林佳, 陈险峰. 基于可饱和吸收体锁模激光器中的呼吸子. 物理学报, 2025, 74(4): 044206. doi: 10.7498/aps.74.20241505
    [2] 戴川生, 董志鹏, 林加强, 姚培军, 许立新, 顾春. 基于纯水可饱和吸收体的1.9 μm波段被动调Q和锁模掺铥光纤激光器. 物理学报, 2022, 71(17): 174202. doi: 10.7498/aps.71.20212125
    [3] 崔文文, 邢笑伟, 肖悦嘉, 刘文军. 高损伤阈值可饱和吸收体锁模脉冲光纤激光器的研究进展. 物理学报, 2022, 71(2): 024206. doi: 10.7498/aps.71.20212442
    [4] 张铭珂, 高振威, 高光珍, 江宇豪, 蔡廷栋. 基于二极管激光消光光谱的高温气体与颗粒物同时探测研究. 物理学报, 2022, 71(19): 193301. doi: 10.7498/aps.71.20220866
    [5] 陶蒙蒙, 王亚民, 吴昊龙, 李国华, 王晟, 陶波, 叶景峰, 冯国斌, 叶锡生, 陈卫标. 基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2 μm波段水的超光谱吸收测量. 物理学报, 2022, 71(11): 114203. doi: 10.7498/aps.71.20212127
    [6] 王前进, 孙鹏帅, 张志荣, 张乐文, 杨曦, 吴边, 庞涛, 夏滑, 李启勇. 混合气体测量中重叠吸收谱线交叉干扰的分离解析方法. 物理学报, 2021, 70(14): 144203. doi: 10.7498/aps.70.20210286
    [7] 龙慧, 胡建伟, 吴福根, 董华锋. 基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器. 物理学报, 2020, 69(18): 188102. doi: 10.7498/aps.69.20201235
    [8] 袁浩, 朱方祥, 王金涛, 杨蓉, 王楠, 于洋, 闫培光, 郭金川. 基于铋可饱和吸收体的超快激光产生. 物理学报, 2020, 69(9): 094203. doi: 10.7498/aps.69.20191995
    [9] 俞强, 郭琨, 陈捷, 王涛, 汪进, 史鑫尧, 吴坚, 张凯, 周朴. MnPS3可饱和吸收体被动锁模掺铒光纤激光器双波长激光. 物理学报, 2020, 69(18): 184208. doi: 10.7498/aps.69.20200342
    [10] 张倩, 金鑫鑫, 张梦, 郑铮. 基于二维纳米材料可饱和吸收体的中红外超快光纤激光器. 物理学报, 2020, 69(18): 188101. doi: 10.7498/aps.69.20200472
    [11] 管林强, 邓昊, 姚路, 聂伟, 许振宇, 李想, 臧益鹏, 胡迈, 范雪丽, 杨晨光, 阚瑞峰. 基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量. 物理学报, 2019, 68(8): 084204. doi: 10.7498/aps.68.20182140
    [12] 张云刚, 刘如慧, 汪梅婷, 王允轩, 李占勋, 童凯. 漫反射立方腔单次反射平均光程的理论和实验研究. 物理学报, 2018, 67(1): 016102. doi: 10.7498/aps.67.20171808
    [13] 令维军, 夏涛, 董忠, 刘勍, 路飞平, 王勇刚. 基于WS2可饱和吸收体的调Q锁模Tm,Ho:LLF激光器. 物理学报, 2017, 66(11): 114207. doi: 10.7498/aps.66.114207
    [14] 王小发, 张俊红, 高子叶, 夏光琼, 吴正茂. 基于石墨烯可饱和吸收体的纳秒锁模掺铥光纤激光器. 物理学报, 2017, 66(11): 114209. doi: 10.7498/aps.66.114209
    [15] 曹亚南, 王贵师, 谈图, 汪磊, 梅教旭, 蔡廷栋, 高晓明. 基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的密闭玻璃容器中水汽浓度及压力的探测. 物理学报, 2016, 65(8): 084202. doi: 10.7498/aps.65.084202
    [16] 王敏锐, 蔡廷栋. 1.5μm处CO2与CO高温线强的实验分析与理论计算. 物理学报, 2015, 64(21): 213301. doi: 10.7498/aps.64.213301
    [17] 耿辉, 刘建国, 张玉钧, 阚瑞峰, 许振宇, 姚路, 阮俊. 基于可调谐半导体激光吸收光谱的酒精蒸汽检测方法. 物理学报, 2014, 63(4): 043301. doi: 10.7498/aps.63.043301
    [18] 蓝丽娟, 丁艳军, 贾军伟, 杜艳君, 彭志敏. 可调谐二极管激光吸收光谱测量真空环境下气体温度的理论与实验研究. 物理学报, 2014, 63(8): 083301. doi: 10.7498/aps.63.083301
    [19] 张东, 张磊, 史久林, 石锦卫, 弓文平, 刘大禾. 受激布里渊散射的线宽压缩及时间相干性. 物理学报, 2012, 61(6): 064212. doi: 10.7498/aps.61.064212
    [20] 阚瑞峰, 刘文清, 张玉钧, 刘建国, 董凤忠, 高山虎, 王 敏, 陈 军. 可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量. 物理学报, 2005, 54(4): 1927-1930. doi: 10.7498/aps.54.1927
  • 期刊类型引用(9)

    1. 王亚民,吴昊龙,陶蒙蒙,刘洋阳,李国华,王晟,叶景峰. 掺铥光纤激光放大器在宽波段吸收光谱技术中的应用. 现代应用物理. 2024(02): 89-95 . 百度学术
    2. 吴昊龙,王亚民,陶蒙蒙,王晟,李国华,叶景峰,吴振杰,王立君. 高压强下2μm波段CO_2宽光谱吸收测量与分析. 光子学报. 2024(07): 256-267 . 百度学术
    3. 陶蒙蒙,吴昊龙,王亚民,王晟,王科,曹慧琳,叶景峰. 宽光谱吸收应用中光谱扫描区间的选择. 光谱学与光谱分析. 2024(11): 3043-3051 . 百度学术
    4. 陶蒙蒙,吴昊龙,王亚民,刘洋阳,李国华,叶景峰. 基于遗传算法的2μm波段水的吸收谱线选择. 现代应用物理. 2023(02): 90-97+105 . 百度学术
    5. 陶蒙蒙,叶锡生,叶景峰,余婷,全昭,漆云凤,冯国斌,陈卫标. 同带泵浦千瓦级掺铥光纤激光器输出特性理论模拟. 中国激光. 2022(01): 211-221 . 百度学术
    6. 陶蒙蒙,王亚民,吴昊龙,李国华,王晟,陶波,叶景峰,冯国斌,叶锡生,陈卫标. 基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量. 物理学报. 2022(11): 190-197 . 百度学术
    7. 段叶珍,杨昌盛,李佳龙,蒋葵,赵齐来,冯洲明,徐善辉. 可调谐单频光纤激光器的研究进展(特邀). 红外与激光工程. 2022(06): 89-98 . 百度学术
    8. 周坤,何林安,李弋,贺钰雯,张亮,胡耀,刘晟哲,杨鑫,杜维川,高松信,唐淳. 高功率793 nm半导体激光器. 红外与毫米波学报. 2022(04): 685-689 . 百度学术
    9. 李亚凡,刘琨,刘铁根,江俊峰,闪霁芳. 基于掺铥光纤激光器的内腔气体传感系统研究. 光子学报. 2021(09): 185-192 . 百度学术

    其他类型引用(3)

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-08
  • 修回日期:  2019-11-01
  • 刊出日期:  2020-02-05

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