可調諧摻銩光纖激光器線寬壓縮及其超光譜吸收應用*

陶蒙蒙 陶波? 葉景峰 沈炎龍 黃珂 葉錫生 趙軍

1) (西北核技術研究院, 激光與物質相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

2) (中國科學院上海光學與精密機械研究所, 上海市全固態(tài)激光器與應用技術重點實驗室, 上海 201800)

可調諧二極管激光吸收光譜技術是一種應用非常廣泛的吸收光譜測量技術.利用寬帶可調諧窄線寬光源進行吸收光譜測量的超光譜吸收技術可以在單次掃描中獲取一段連續(xù)光譜的所有吸收數(shù)據(jù), 可大大提高可調諧二極管激光吸收光譜技術的數(shù)據(jù)信息容量和光譜診斷能力.分析了在2 μm波段對水進行超光譜吸收測量時對激光器輸出線寬的具體要求.利用摻銩光纖在2 μm波段較寬的發(fā)射譜, 采用可調諧法布里?珀羅濾波器和光纖可飽和吸收體相結合的技術方案搭建了一臺寬帶調諧窄線寬的2 μm光纖激光器.獲得了1840—1900 nm約60 nm范圍的調諧光譜輸出, 激光器靜態(tài)線寬僅為0.05 nm.利用該光源對空氣中水在2 μm波段的吸收光譜數(shù)據(jù)進行了超光譜吸收測量, 在1856—1886 nm約30 nm的光譜范圍內(nèi)分辨了35條水的吸收譜線.通過對不同線寬條件下1870—1880 nm范圍內(nèi)的理論吸收光譜數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn), 測量數(shù)據(jù)無法有效分辨分別位于1873 nm和1877 nm處與強吸收線相鄰的兩條吸收譜線, 且測量結果與激光線寬在0.08 nm條件下的HITRAN2012光譜數(shù)據(jù)庫最為接近.這表明, 在動態(tài)掃描過程中激光器的線寬得到了展寬.

1 引 言

可調諧窄線寬激光器在高精度激光光譜學, 尤其是吸收光譜領域有著十分重要的應用[1?3].激光吸收光譜技術利用氣體分子對特定激光譜線的選擇性吸收來實現(xiàn)對氣體特性的精確測量.可調諧二極管激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技術是目前應用最為廣泛的吸收光譜測量技術之一.該技術使用可調諧半導體激光器作為激光光源, 其輸出線寬極窄, 可以獲得高精度的吸收光譜數(shù)據(jù)[4?7].但是, 傳統(tǒng)的可調諧半導體激光器的快速調諧范圍極其有限, 無法實現(xiàn)對多譜線、多氣體組分的測量, 極大地限制了TDLAS技術的測量效率[8].

在較寬的光譜范圍內(nèi)獲得連續(xù)吸收光譜信息的測量技術稱為超光譜吸收測量技術.與傳統(tǒng)的分立譜線吸收技術相比, 超光譜吸收技術可以大大提高吸收光譜的測量效率[9,10].寬帶調諧窄線寬激光器是超光譜吸收技術的重要光源.

與傳統(tǒng)的1.25—1.65 μm通信波段相比, 2 μm波段有著更為豐富且吸收強度更強的水和二氧化碳的吸收峰[11?14], 這表明2 μm波段在吸收光譜領域有著更大的應用價值, 亟待開發(fā).2 μm波段光源的研制將大大提高TDLAS技術的診斷能力和效率, 拓展其應用范圍.

摻銩和銩鈥共摻光纖激光器發(fā)射譜段覆蓋1.7—2.1 μm[15?17], 是水和二氧化碳吸收譜線測量的理想光源.早在2003年, Stark等[18]通過在一個多模摻銩光纖激光器系統(tǒng)內(nèi)使用腔內(nèi)吸收設計,在1.7—1.98 μm測到了大量的水和二氧化碳的吸收譜線.2010年, 美國國家航空航天局蘭利研究中心研發(fā)了一套摻銩光纖激光器雷達系統(tǒng)來測量地球和火星上的水氣分布[19].通過使用光柵和標準具,該激光器線寬僅為20 pm.2013年, Bremer等[20]搭建了一個1.995 μm的全光纖摻銩激光器, 對二氧化碳的吸收特性進行了測量.該激光器線寬為0.14 nm, 可調諧范圍為5 nm.但是, 對于超光譜吸收應用而言, 除了要求激光器具有寬調諧、窄線寬特性之外, 還要求激光器能夠做到快速調諧, 這就對激光器的研發(fā)提出了極大的挑戰(zhàn).

可調諧法布里?珀羅濾波器是實現(xiàn)激光器光譜快速大范圍調諧的重要光學器件.前期的實驗中,使用可調諧法布里?珀羅濾波器對摻銩光纖激光器的波長可調諧特性進行了實驗研究, 獲得了1840—1900 nm的可調諧輸出, 調諧光譜范圍達60 nm[21].雖然該激光器輸出線寬較窄, 僅約為0.07 nm, 但仍然無法滿足光譜吸收測量技術的要求.本文使用光纖可飽和吸收體對激光器的輸出光譜做了進一步壓縮.壓縮后激光器靜態(tài)輸出線寬約為0.05 nm.利用該光源對水在2 μm波段的吸收譜線開展了超光譜吸收測量, 實驗中在1856—1886 nm約30 nm的光譜范圍內(nèi)測得了35條水的吸收譜線, 與HITRAN2012光譜數(shù)據(jù)庫相吻合.

2 吸收光譜應用對激光器的線寬要求

水在2 μm附近存在密集的吸收線, 所以測量中不可能探測和分析所有的吸收譜線, 而是根據(jù)具體的測量需求選擇特定的吸收譜線.圖1所示為基于HITRAN2012光譜數(shù)據(jù)庫作出的常溫常壓環(huán)境下水在1840—1900 nm波段的吸收譜線[11].其中設定激光器線寬為0, 吸收譜線型為Voigt, 大氣壓強為1 atm (1 atm = 1.01 × 105Pa), 水摩爾分數(shù)為0.1.可以看出在常壓環(huán)境下水的吸收譜線基本是相互分立的, 且在1870 nm附近集中了大量的較強的吸收譜線.

圖1 水在1840?1900 nm波段的吸收譜線Fig.1.Absorption spectrum of water in the wavelength range of 1840?1900 nm.

激光線寬對水在1871 nm附近吸收光譜測量結果的影響如圖2所示, 其中激光線型采用Gauss函數(shù), 吸收譜線線型采用Voigt函數(shù).可以看出激光線寬達到0.10 nm時還可以勉強分辨出不同的吸收譜線, 而在達到0.14 nm時不同的吸收線之間則開始存在明顯的重疊.鑒于實際應用中存在測量噪聲以及激光波長的模式抖動, 所以要求激光器的線寬應小于0.07 nm, 以達到分辨不同吸收譜線的要求.因此, 0.07 nm可認為是該波段的光譜分辨閾值.

圖2 不同激光線寬對1870 nm附近吸收譜線的影響Fig.2.Influences of laser linewidth on the detected absorp?tion lines around 1870 nm.

3 寬帶調諧、窄線寬2 μm光源

在前期實驗獲得可調諧波長輸出的基礎上, 設計了如圖3所示的改進結構.該結構中通過激光器諧振腔內(nèi)加入一段銩鈥共摻光纖作為可飽和吸收體, 對激光器的輸出線寬進行進一步的壓縮.

實驗中觀察到激光器的振蕩閾值約為210 mW,但是, 在低抽運功率下激光器輸出呈脈沖模式, 如圖4所示.圖中脈沖序列是在可調諧法布里?珀羅腔重頻掃描模式下記錄的.可以看出, 在一個三角波掃描周期中當掃描電壓發(fā)生非線性變化時, 脈沖強度出現(xiàn)明顯的降低.

圖3 基于光纖可飽和吸收體的激光器線寬壓縮光路設計(WDM, 反射式波分復用器; OC, 輸出耦合器; ISO, 光纖隔離器; FSA, 光纖可飽和吸收體; FP filter, 法布里?珀羅濾波器)Fig.3.Linewidth compression design of laser based on fiber saturable absorber (WDM, wavelength division multiplexer;OC, output coupler; ISO, isolator; FSA, fiber saturable ab?sorber; FP filter, Fabry Perot filter).

圖4 低抽運功率下激光器脈沖輸出序列Fig.4.Output pulse train of laser at low pump power.

圖5為在半個三角波掃描周期內(nèi)截取的激光器輸出脈沖.從圖5(a)可見, 各脈沖間隔相等, 對應的脈沖重頻(repeat rate, RR)約為11.8 kHz,但脈沖強度波動較大.圖5(b)所示為脈沖序列中的單個脈沖波形, 其脈沖寬度w約為7.5 μs.

該脈沖輸出是由環(huán)形腔內(nèi)的銩鈥共摻光纖所導致的.銩鈥共摻光纖作為可飽和吸收體一方面能夠實現(xiàn)對激光線寬的壓縮, 另一方面也可以實現(xiàn)對激光信號的脈沖調制.由圖5所示的脈沖輸出特性可見, 該激光器脈沖輸出特性(RR為10 kHz量級, w為數(shù)微秒)與銩鈥共摻光纖可飽和吸收體的脈沖調制特性相近[22,23].

抽運功率在300 mW以上時, 激光器進入連續(xù)運轉模式.在連續(xù)運轉模式下使用量熱型功率計對激光器的長時間輸出功率穩(wěn)定性進行了監(jiān)測, 測量結果如圖6所示.可以看出, 激光器長時間輸出功率穩(wěn)定性較好.統(tǒng)計分析表明, 10 min內(nèi)激光器平均輸出功率約為27.4 mW, 功率均方根(root mean square, RMS)不穩(wěn)定度約為0.5%.

圖5 低抽運功率下半個掃描周期內(nèi)的輸出脈沖 (a)脈沖序列; (b)單個脈沖Fig.5.Output pulses in a half scanning period at low pump power：(a) Pulse train; (b) a single pulse.

圖6 連續(xù)運轉模式下激光器的長時間輸出功率監(jiān)測Fig.6.Long?time output power record of laser at continu?ous wave operation.

為了進一步測量激光器輸出功率的瞬時穩(wěn)定性, 使用光電探測器對激光器在波長掃描連續(xù)運轉模式下的瞬時輸出功率進行了監(jiān)測, 測量結果如圖7所示.可以看出, 在三角波掃描的過程中, 當掃描電壓發(fā)生轉折時, 光強會出現(xiàn)較大的噪聲, 因此, 在吸收光譜測量應用中應盡量避開這些區(qū)域.但是, 由于該噪聲持續(xù)時間極短, 量熱型功率計無法分辨, 因此圖6中并未發(fā)現(xiàn)明顯的功率抖動現(xiàn)象.

圖7 連續(xù)運轉模式下激光器的瞬時輸出功率監(jiān)測Fig.7.Instantaneous output power of laser at continuous wave operation.

激光器掃描波長范圍與文獻[21]中的測量結果一致, 均為1840—1900 nm.在固定波長條件下激光器的典型輸出光譜如圖8所示.與文獻[21]中的實驗結果對比可以看出, 插入光纖可飽和吸收體后激光器輸出光譜寬度得到了明顯壓縮.受限于光譜儀的分辨率(0.06 nm), 實際測到的光譜線寬約為0.05 nm, 能夠滿足吸收光譜測量的線寬要求.

圖8 加入光纖可飽和吸收體后激光器典型輸出光譜Fig.8.Typical output spectrum of laser with fiber satur?able absorber.

使用法布里?珀羅干涉儀對激光器的輸出線寬進行了掃描測試.法布里?珀羅干涉儀自由光譜范圍為10 GHz, 設定掃描頻率為10 Hz, 典型的掃描結果如圖9所示.可以看出, 激光器為多縱模輸出.根據(jù)各模式之間的時間關系, 計算可得多縱模輸出下激光器線寬約為3.4 GHz, 即0.04 nm, 與圖8中光譜儀的測量結果基本一致.

圖9 法布里?珀羅干涉儀掃描得到的激光器線寬特性Fig.9.Laser linewidth measured with a scanning Fabry?Perot interferometer.

圖10 偏振控制條件下激光器輸出縱模特性 (a)雙縱模;(b)單縱模Fig.10.Oscillating laser modes measured with polarization control：(a) Dual modes; (b) single mode.

為了進一步優(yōu)化激光器的輸出線寬, 在腔內(nèi)引入了偏振控制, 通過對環(huán)形腔內(nèi)光纖施加應力, 改變激光器的輸出縱模特性.不同應力下的激光器輸出線寬掃描結果如圖10所示.圖10(a)所示為激光器雙縱模輸出時的測量結果, 計算可得兩個縱模之間的間隔約為4 GHz (47 pm), 單個縱模線寬約為0.20 GHz (2.4 pm).通過調節(jié)偏振控制器, 抑制了雙縱模中其中一個縱模的振蕩輸出, 得到了如圖10(b)所示的單縱模輸出, 計算可得此時的激光線寬約為0.33 GHz (3.9 pm).

4 超光譜吸收測量實驗

無偏振控制狀態(tài)下, 利用上述寬帶調諧、窄線寬為2 μm激光光源對室溫下大氣中水的吸收譜線進行了超光譜吸收測量.測量中, 法布里?珀羅腔通過一個50 Hz的三角波進行驅動, 掃描電壓范圍為0—10 V, 此時激光器覆蓋1856—1886 nm約30 nm的光譜范圍.激光光束傳輸通過約50 cm長的大氣后進入探測器直接進行吸收光譜探測.

實驗中使用了兩種探測器對吸收譜線進行測量, 分別是HgCdTe探測器和帶放大電路的擴展型InGaAs (InGaAs PDA)探測器.兩種探測器測得的吸收數(shù)據(jù)如圖11所示.圖11(a)為HgCdTe探測器的測量數(shù)據(jù), 圖11(b)為InGaAs PDA探測器的測量數(shù)據(jù).通過對比可知, InGaAs PDA探測器的信號經(jīng)放大后在幅度上要高于HgCdTe探測器, 但是HgCdTe探測器得到的吸收譜線強度和信噪比要明顯高于InGaAs PDA探測器, 因此實驗數(shù)據(jù)處理中使用HgCdTe探測器的測量數(shù)據(jù).

圖11(a)中包含5個掃描周期的吸收測量信號, 可以看出, 吸收信號表現(xiàn)出較好的周期性.可見, 雖然激光器不是單縱模輸出, 但依然可以滿足超光譜吸收測量的應用要求.圖12為減去基線后典型的單個掃描周期內(nèi)測量的直接吸收光譜, 可以看出前半個掃描周期和后半個掃描周期獲得直接吸收光譜存在很好的對稱性, 表明激光器在三角波的上升沿和下降沿掃描過程中有著良好的波長穩(wěn)定性和重復性.圖12內(nèi)插圖為局部的吸收光譜放大圖, 可以看出每個吸收峰其實是由多條吸收譜線構成的.

對數(shù)據(jù)做勻化處理, 得到的半個掃描周期內(nèi)水的吸收譜線如圖13所示.同時, 圖13給出了根據(jù)HITRAN2012光譜數(shù)據(jù)庫計算得出的理論吸收譜線.可以看出, 在1856—1886 nm約30 nm的光譜范圍內(nèi), 水的吸收譜線主要集中在1870 nm附近.實驗中共測量并分辨了35條水的吸收譜線.必須指出的是, 計算中設定激光線寬約為0.08 nm, 此時, 理論吸收譜線與實測數(shù)據(jù)吻合較好.可見, 與靜態(tài)線寬相比, 激光器在動態(tài)掃描下線寬出現(xiàn)了一定的展寬.

圖11 實驗測得的吸收信號：(a) HgCdTe探測器;(b) InGaAs PDA探測器Fig.11.Measured absorption signal：(a) HgCdTe detector;(b) InGaAs PDA detector.

圖12 典型的單個激光器掃描周期內(nèi)測量的直接吸收光譜(內(nèi)插圖為局部的吸收光譜放大圖)Fig.12.Typical direct absorption spectrum in a single scan?ning period.The insert is the enlarged local absorption spectrum.

圖13 1856—1886 nm范圍內(nèi)水的吸收光譜數(shù)據(jù)Fig.13.Absorption spectra of water from 1856 nm to 1886 nm.

圖14 1870—1880 nm范圍內(nèi)吸收譜線及殘差 (a)吸收譜線; (b)殘差Fig.14.Absorption lines and corresponding residuals of water in 1870 —1880 nm wavelength range：(a) Absorption lines;(b) residuals.

為了檢驗實驗所測吸收光譜數(shù)據(jù)的分辨率,對1870—1880 nm范圍內(nèi)的吸收譜線進行放大,如圖14所示.圖14(a)同時給出了理想激光線寬下的理論吸收譜線.通過對比可以發(fā)現(xiàn), 理想線寬下, 在1870—1880 nm范圍內(nèi), 水存在約17條吸收譜線, 而實測吸收譜線和激光線寬為0.08 nm的理論計算譜線均無法有效分辨圖中所標注的A和B兩條吸收線.這是由于A和B處兩套吸收線與相鄰的吸收線距離較近, 而激光器在動態(tài)掃描過程中線寬展寬使得無法有效分辨相鄰的吸收譜線.

圖14(b)所示為實測吸收譜與兩種不同激光線寬下計算得到的理論吸收譜之間的殘差.對比可見, 實測吸收譜與0.08 nm激光線寬下的理論吸收譜較為吻合, 驗證了大范圍掃描時激光線寬的展寬, 可見大范圍快速掃描條件下激光器的線寬特性還有待進一步提高.

5 結 論

本文搭建了一臺基于法布里?珀羅腔的窄線寬可調諧摻銩光纖激光器, 并使用銩鈥共摻光纖作為可飽和吸收體對摻銩光纖激光器進行了線寬壓縮.靜態(tài)測量中, 激光線寬約為0.05 nm, 且通過偏振控制可實現(xiàn)單縱模輸出.利用該光源對水在2 μm波段的超光譜吸收數(shù)據(jù)進行了測量, 測量結果與HITRAN2012光譜數(shù)據(jù)庫相吻合.但通過與理論計算吸收數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn), 動態(tài)掃描中激光線寬出現(xiàn)了展寬.后續(xù)可通過在腔內(nèi)引入光纖環(huán)濾波器的方法對激光器輸出線寬做進一步壓縮.另外, 通過適當?shù)脑O計, 該光源還有望覆蓋二氧化碳在2 μm波段的部分吸收譜線, 實現(xiàn)對二氧化碳的吸收光譜的測量.