近年来, 可调谐半导体激光吸收光谱^{[1, 2]}(tunable diole laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术被广泛应用于环境监测^[3]、 燃烧诊断^[4]、 天然气泄漏检测^[5]、 痕量气体成分分析^[6]等诸多领域。 然而在实际应用中, 特别是长时间连续运行过程中, 激光器的输出频率受外界环境变化(温度、 湿度、 震动等)的影响会造成频率的漂移, 特别是外界环境温度的变化对激光器输出频率的影响尤为严重。 目前比较实用的半导体激光器稳频技术主要有光反馈稳频技术、 直接电控稳频技术, 以及混合稳频(光反馈和电反馈相结合的稳频方法)等。 光反馈稳频指的是利用相干或者非相干光反馈进行稳频。 直接电控稳频技术^[7]是利用反馈电路对激光器的驱动电流、 温度或者其他被控对象[如电压陶瓷(piezoelectric ceramic transbucer, PZT)]等进行反馈来稳频。 传统稳频中方法^[8]通常采用分束器结合参考池的方法, 利用一次谐波信号或三次谐波信号作为反馈控制信号将激光器的输出频率稳定在特定的吸收峰上。 如利用该方法设计的频率锁定装置使得激光器稳定在± 0.001 cm^-1范围内; 利用该方法设计的装置在9 h内使得激光器波长漂移在1.2 pm内。 但是这种方法要求检测系统多出一个分束器、 参考吸收池、 探测器以及锁相放大器, 不仅增加了系统的成本, 而且使得系统的结构复杂。

本研究基于波长调制吸收光谱技术, 创新性地提出了利用二次谐波吸收特性的稳频新方法, 并基于该方法建立了一套DFB激光器稳频装置, 在连续监测100 h时间内, 其波长漂移有效地控制在± 0.16 pm范围内。 该装置较传统稳频方法结构更为紧凑, 无需分束器及参考吸收池(同时还减少了一路探测器及锁相放大器), 并且有效抑制了外界环境变化对激光器输出频率的影响。

二极管激光输出可以通过改变激光器温度和注入电流对激光输出进行调制, 注入电流的表达式可描述为

I(t)=Ic+Iasin(ωt)(1)

式(1)中I_c是中心注入电流, I_a是正弦波调制振幅, ω =2π f, f是正弦波调制频率。 由此可以得出激光器输出的瞬时频率为

ν(t)=ν̅+νacos(ωt)(2)

式(2)中 ν̅为激光中心频率, ν _a为调制振幅。 又频率调制振幅ν _a与注入电流I_a的调制振幅线性度有关, 有ν _a=k_{ν , ic}I_a, k_{ν , ic}是激光频率随注入电流变化的系数。 激光器的注入电流同时也会影响激光器的出射功率, 因此在对二极管激光器进行调制时, 不仅激光频率被调制而且激光器输出电流I(t)也同时被调制。

I(t)=k'I, ic[iic(t)-ith]+h″I, ic[iic(t)-ith]2(3)

式(3)中k'_{I, ic}是注入电流与激光功率响应的线性项系数, k″_{I, ic}是注入电流与激光功率响应的非线性项系数, i_th是激光发射电流的阈值。

当调制频率振幅比吸收谱线线宽小得多的时候, 即在调制振幅ν _c≪1条件下, 探测器接收的信号经锁相放大, 得到n次谐波信号的表达式通过在激光中心频率ν _c附近的泰勒展开, 其n次谐波信号可描述为式(4)

S̅n(ν̅c, ν̅a, θn)≈S̅n(ν̅c, ν̅a≪1, θn)cosθn=-ηIi2-δn02nn!ν̅0nχ̅(n)(ν̅c)α0(4)

其中 χ̅(n)( ν̅c)是激光中心频率为 ν̅c时所求的线型函数的n阶导数。 由此可知, 在小的调制振幅下, 锁相放大器的输出n次谐波信号正比于线型函数的n阶导数, 正比于吸收系数a₀, 锁相放大器输出的偶次谐波信号的幅值随探测阶数的增加而减小, 为获得最大的信噪比, 选择二次谐波信号作为所需要的探测信号。

在理想情况下, 当注入电流与设定工作温度保持不变时, DFB激光器的输出频率保持稳定, 即在上升沿与下降沿上的二次谐波信号峰与峰之间的间距Δ d应保持固定(如图1所示)。 然而在实际运用中, 特别是长时间连续运行过程中, 激光器的输出频率受外界环境变化(温度、 湿度、 震动等)的影响会产生频率的漂移, 特别是外界环境温度的变化对激光器输出频率的影响尤为严重, 严重时激光频率会远离吸收峰。 因此在本工作提出了利用激光器注入电流的上升沿和下降沿产生的两个吸收峰作为反馈控制信号, 选取峰1与峰2之间的间距作为变量值(Variation), 设定值(Set Point)与变量值(Variation)之间的差值作为反馈控制所需的误差信号(Error Signal)。

图1

Fig.1

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	图1 基于二次谐波吸收特性来实现 二极管激光器的稳频新方法Fig.1 Based on second harmonic absorption characteristics of new methods to realize the diode laser frequency stabilization

实验装置如图2所示, 光源采用波长为1.396 μ m的DFB二极管激光器, 输出功率为7.5 mW。 利用自行设计的电流和温度控制器驱动DFB激光光源。 探测器将检测到的信号送至锁相放大模块, 并解调出所需要的二次谐波信号, 计算机采集该信号后进行分析处理, 计算出稳频所需的误差信号(Error Signal)并经由模拟PID及运放反馈至激光电流控制器, 从而实现对激光器输出波长的闭环反馈控制。

图2

Fig.2

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	图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

将激光器注入电流与工作温度设定在恒定值(I_set=70 mA, T_set=25 ℃), 并利用波长计(Buleigh-WA-1500, 最小分辨率0.1 pm)监测激光器在不同外界温度下的输出波长值, 以及在外界环境温度变化情况下激光输出波长的长时间稳定性。 由图3(a)可知, 在外界环境温度紊定的情况下激光器的输出波长相对稳定。 在25 ℃时, 激光器输出中心波长为1 396.370 8 nm, 并稳定在中心值± 0.000 7 nm范围内, 标准偏差为SD=± 2.22× 10^-4。 外界环境为30 ℃时, 激光器输出中心波长为1 396.369 9 nm并稳定在中心值± 0.000 65 nm范围内, 标准偏差SD=± 1.79× 10^-4, 但激光器中心输出波长较25 ℃时下降了0.000 9 nm。 利用高低温试验箱, 以1 ℃为步进记录下25~40℃区间内的外界环境温度变化与激光器输出波长变化的关系, 如图3(b)所示, 由图3(b)可知随着外界环境温度的升高, 激光器输出波长呈下降趋势。

图3

Fig.3

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	图3 激光器在不同温度环境中频率稳定性 (a): 25与30 ℃波长漂移; (b): 不同温度下波长漂移Fig.3 Fequency ability of the DFB laser in different temperature environment (a): Wavelength drift under the temperature conditions of 25 and 30 ℃; (b): Wavelength drift under different temperature conditions

采用标准的61 Hz的三角波叠加7.5 kHz的正弦波作为调制信号用以驱动DFB激光器, 激光器输出的中心波长设定在水汽1.396 μ m的吸收峰位置, 激光器环境工作温度为25 ℃, 探测器接收到的直接吸收信号与锁相解调出的高低温柜内水汽二次谐波信号如图4所示, 由图4可知, 在作为波长扫描的三角波的上升沿与下降沿均能解调出气体吸收的二次谐波信号, 此时上升沿与下降沿吸收峰的间距为1 308个采样点, 将此数据作为稳频控制的设定值(SetPoint), 而实时采集的两峰间距值作为反馈变量(Variation)。 Variation与SetPoint的差值即为PID稳频控制环节所需的误差信号(Error Signal), 即反馈控制值。

图4

Fig.4

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	图4 波长调制扫描通过吸收峰Fig.4 The 2f-abosorption signal by wavelength modulation

记录下激光器在1 396 nm附近水汽吸收的二次谐波信号变化与不同环境温度的关系, 如图5所示。 由图5可知随着环境温度的升高, 上升沿部分的二次谐波信号向右逐渐偏移, 下降沿部分的此信号向左偏移, 两峰呈合拢趋势。 不同温度下的峰值高度的变化是由于外界温度升高而导致高低温柜内水汽浓度降低引起的。 由图5可知, 外界环境温度为25和37 ℃时, 该激光器输出波长分别为1 396.371 1和1 396.366 2 nm, 对应波长变化0.004 9 nm, 两波峰采样点位置分别为728和881, 对应间隔为153个采样点, 由此计算出每个采样点对应的波长变化约为0.032 pm。

图5

Fig.5

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	图5 不同温度环境中二次谐波信号Fig.5 The 2f-abosorption signal under different temperature environment

采用高低温试验箱模拟外界环境温度的变化(由室温25 ℃升温至40 ℃), 实时记录下升温过程中波形的变化情况以及实时的峰峰值间距, 在未开启稳频控制的情况下, 峰峰值间距由1 308采样点减少为1 125采样点, 峰峰值间距减少了183个采样点, 如图6所示。 在相同的实验条件下, 开启稳频控制后, 峰峰值的间距稳定在设定值附近, 波动仅为± 5个采样点。

图6

Fig.6

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	图6 稳频开启与未开启时二次吸收信号间距变化Fig.6 The change of spacing between 2f-abosorption signal under the condition of the ON and OFF states

为了进一步验证长时间的稳频效果, 先让系统连续自由运转约100 h后, 再开启稳频控制继续运行100 h(整个实验阶段内室温自由变化区间为18~25 ℃), 如图7所示。 在开启稳频控制情况下, 峰峰值间距的波动仅为± 5个采样点, 其对应的波长漂移仅为± 0.16 pm。

图7

Fig.7

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	图7 稳频开启与未开启实验结果Fig.7 The experimental results for the ON and OFF states

基于波长调制吸收光谱技术, 创新性地提出了利用二次谐波吸收特性的稳频新方法, 基于该方法建立了一套DFB激光器稳频装置, 该装置无需参考池及分束器, 使得系统更为紧凑、 可靠。 该装置不仅实现了激光器频率输出的长时间稳定, 并且有效地抑制了外界环境变化对激光器输出频率的影响(尤其是温度变化), 其波长漂移有效地控制在± 0.16 pm范围内。 激光器输出频率稳定后, 其吸收峰的位置不随环境温度的变化而漂移, 并且当采用采样率更高的采集卡进行吸收峰的间距采集时能够更加有效地提高激光器输出频率的稳定性。 同时如果选用其他波长的激光器作为光源, 采用本套装置也能很好的实现激光器输出频率稳定。 本方法为基于二极管激光吸收光谱技术的气体传感器实现长时间外场监测提供了有效的技术保障。