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窄线宽泵浦光纤激光器差频产生中红外光源的特性研究及甲烷检测
Hiroaki ASHIZAWA1, Shinobu OHARA1, Shigeru YAMAGUCHI1, Masao TAKAHASHI1, Masamori ENDO1, Kenzo NANRI1, Tomoo FUJIOKA1 and Frank. K. TITTEL2
摘要：详细研究了高功率、窄线宽光纤激光器和光纤布拉格光栅泵浦在周期性极化的铌酸锂（PPLN）晶体中的差频过程。 3.3mu;m处的中红外输出功率约为2.3mu;W，斜率为0.85mW / W2。 利用0.1m长气池在133Pa的压力下获得CH4 分子3038.497cm -1（3.2911mm）处的多普勒扩展吸收光谱，DFG光源的线宽从观察到的值估算小于96MHz 。 还完成了对光路长度为10米的多次反射池中的CH4（1.78 ppm）含量的实时监测。
关键词：光纤激光器; 差频产生; 连续中红外源; 激光光谱; CH4检测; PPLN晶体
1引言
几乎所有的分子，如氨，甲烷，硝基二氧化碳，甲醛和二氧化碳，在近红外和中红外光谱区域都有基频振动吸收线。从1毫米到2毫米，在近红外区的吸收线，通常属于第一和第二泛频带，并且已经使用III–V半导体二极管激光器观察到。在中红外区域，这些线是基频带，其具有比泛频带更强的吸收。 由于这个原因，中红外区域中的可调谐窄线宽光源可用于检测环境空气中的痕量气体种类。 在此之前，铅盐的二极管激光器已经应用于高灵敏的痕量气体检测。然而，它们只能在低温环境下工作，通常在77和150 K之间。近来，已经在中红外波长区域中开发了具有多量子阱结构的量子级联（QC）激光器。类似于铅盐二极管激光器，连续 QC激光器工作在液氮冷却环境下。在实现脉冲时，QC激光通过采用珀尔帖元素已经实现了室温工作。为获得窄线宽2-5mu;m波段区域的中红外光源，可以通过差频得到（DFG）。DFG技术用来红获得中红外光源非常方便，通过在准相位匹配非线性光学铌酸锂晶体中混合两种近红外光源。近红外激光器工作在单一的空间模式和单一的频率下，并在没有任何模式跳跃的宽频率下连续可调谐。 DFG的可调谐范围由泵浦和信号激光器的可调范围以及非线性光学材料的透明度范围确定，铌酸锂的透明度范围为0.4〜5mm。
到目前为止，LD泵浦Nd：YAG激光器和DFB激光二极管已经主要用作DFG泵浦源。此外，组合的掺镱光纤放大器和DBR激光器二极管也被用作DFG的泵浦光源。近来，作为强光源，光纤激光器已经被积极地开发用于各种研究。在这项工作中，我们用紧凑的Yb光纤激光器与光纤布拉格光栅（FBG）作为DFG的泵浦源之一。 使用具有FBG的Yb光纤激光器而不是高功率DFB激光二极管或LD泵浦Nd：YAG激光器具有如下优点：泵浦光源的输出功率高达1W，且在1mm区域周围具有单一空间模式。
此外，通过调整对应于Yb掺杂光纤放大器的增益区域的1035至1120nm范围内的FBG参数，方便于选择中心波长。 因此，通过选择Yb光纤激光器波长（1035-1120nm）连同从1400到1650nm的可调DFB通信激光二极管，容易获得从2.6mm到4.5mm的中红外范围，获得极佳的波长调谐灵活性。 在我们以前的研究中，我们报道了使用DFB激光二极管的DFG的1038nm Yb光纤激光泵浦光谱源的NH 3检测。然而，FBG作为DFG泵浦源的Yb光纤激光器的DFG特性还不清楚。 在本文中，我们报告了基于光纤激光器设计的CH4气体传感器的高灵敏度和实时测量的性能特性。 通过在1064nm处的200mW Yb光纤激光器和在1572nm处的30mW DFB激光二极管的不同频率混合来产生3.3mm的中红外辐射。DFG输出性能使用0.1m长的气室进行评价。 在该系统中CH 4浓度的检测限度使用10m的光程长度的多通道池进行评价。
2实验装置
3.3mm的中红外DFG光源，微量甲烷气体检测系统的原理图如图1所示。在非线性差频过程中，两束入射光被称为泵浦光（omega;p）和信号光（omega;s）通过下转换产生的闲频光，关系为omega;i= omega;p-omega;s。如上所述，用于生成中红外光源的关键部件是两个紧凑型单模光纤尾纤近红外光源。
图1 中红外DFG系统实验装置图
我们使用了一种频率固定的具有FBG的Yb掺杂光纤激光器作为DFG泵浦源之一。 光纤激光器由FBG稳定的种子激光振荡器级和专为本研究而设计的双包层Yb光纤放大器级组成。光纤激光振荡器由具有稳定的FBG的Yb掺杂单模光纤构成，其由Peltier热电元件和980nm大功率激光器控制泵浦源，并被熔接到波分复用器（ WDM）上。光纤激光振荡器可以工作在1064nm，输出功率为5mW，激光线宽根据设计规格窄至1 MHz。 所生成的窄线宽激光源通过WDM被传送到双包层Yb光纤放大器，该双层包层Yb光纤放大器使用Yb掺杂的双包层光纤构建。 为了防止折射光学噪声，在激光振荡器级和Yb光纤放大器级之间设置了在线光隔离器。最后，为了放大种子激光源，该光纤激光器可以在输出功率为200mW的1064nm下工作。 DFG信号源是用于电信领域的频率可调DFB激光二极管（NTT Electronics Inc.型号：NLK1554STB）。该DFB激光二极管可以在波长为1572plusmn;2nm，线宽为1MHz的条件下工作，具有30mW的输出功率。 DFB激光二极管频率可以注入电流改变为0.02 cm /mA ，温度可以调制为0.35 cm /K。WDM用于组合泵浦源和信号源，激光源和WDM之间的光纤连接会引起功率损耗（lt;0.5 dB）。在每个输送光纤中的泵浦和信号源之间插入在线偏振控制器。 这些偏振控制器用于设置在PPLN中e e→e相互作用的垂直基频光线性偏振，用于提高铌酸锂的最高非线性系数。信号和泵浦光束从角度抛光耦合器（APC）光纤端发射到自由空间。 具有高斯空间分布的光束通过AR涂覆的消色差透镜 (f = 10 mm, N.A. = 0.35). 聚焦到直径约为80mm的PPLN晶体的中心。本实验中使用的PPLN晶体长20.5mm，厚0.5mm。 参考文献中描述了该实验中PPLN晶体的详细参数。为了优化DFG功率，PPLN晶体温度由珀尔帖热电元件控制。 相位匹配条件n3 /lambda;3= n1 /lambda;1-n2 /lambda;2-1/Delta;（其中Delta;是光栅周期，n1，n2和n3是使用Sellmeier方程计算的非常折射率），满足了在313K条件下的珀尔帖热电元件的30.3mm光栅通道周期。来自PPLN的中红外DFG辐射由CaF2透镜(f = 50 mm) 准直，并且剩余的泵浦光束被Ge滤光器阻挡。3.3 mm DFG探头光束通过0.1 m长的气体电池或多通道电池（光程长度为10 m）与CaF2窗口，最后通过采用50.4 mm焦距金涂层的o- 轴抛物面镜送至具有1 mm2有效面积的低噪声HgCdTe（MCT）检测器。
MCT检测器以光电导模式工作，并通过三级热电冷却器冷却至200K。 检测到的信号由直流放大器放大并由数字示波器和具有数据采集GPIB卡的计算机采集。通过函数发生器产生20Hz的锯齿波同步叠加于DFB激光二极管，进行256次扫描（测量时间大约为10s）取平均。
极化稳定性和中心频率稳定性是DFG光源的重要问题。 为了研究可能导致DFG光源的功率波动的任何极化效应，偏振器被放置在光纤激光器和Si检测器（New Focus Inc.型号2033）之间。测量相对功率作为偏振器角度的函数。 使用波形计（Burleigh WA-1500 NIR，0.002 cm 绝对精度）测量具有稳定的FBG波长的FBG的光纤激光器的波长稳定性和特性。此外，为了研究DFG的线宽和漂移，使用0.1mu;m长的吸收玻璃电池观察到CH4的一条特定的线。在本实验中，作为痕量气体吸收监测的示范，选择3波段3038.497cm -1（3.3mm）的CH4吸收谱线（吸收强度为8.919times;10 -20 cm /mol），因为它相对不受H2O和其他气体的干扰。
3结果与讨论
3.1 DFG的特点
3.1.1 DFG斜率效率
图2分别显示了 DFG输出功率与入射泵浦光和信号光功率的乘积的函数关系。使用30.3 mu;m周期的PPLN晶体使1064和1572 nm的波长产生3.3 mm中红外辐射。DFG功率与两个激光源功率的乘积成线性关系。当使用110mW的光纤激光功率和25mW的DFB激光二极管功率，乘积为2750（mW）2，的情况下，通过CaF2透镜和Ge滤光片后，DFG功率为2.3mu;W 。DFG斜率效率为0.85mW/ W2。从斜率来看，光纤光栅调谐光纤激光器可以媲美其他DFG泵浦。
图2 DFG系统转换效率
3.1.2 DFG的频率稳定性
验证光纤激光器是否有足够的稳定性可以作为DFG光谱源的泵浦激光器。极化的功率稳定性和光纤激光器的中心频率稳定性对DFG光源至关重要。 还使用前面详细描述的相同的实验设置来检查极化特性。光纤激光器的极化与以前测试的激光器非常相似，输出性能在长期运行中表现出极好的稳定性。 然而，关于FBG的光纤激光器的中心频率稳定性知之甚少。光纤激光器频率漂移引起的DFG频率漂移取决于固定激光器的稳定性。 为了研究中心频率稳定性与光纤激光器工作时间的关系，采用了高分辨率波长计（Burleigh WA-1500 NIR）。事实证明，预热60分钟后，中心频率漂移小于100MHz。 为了进行更详细的检查，通过观察CH4吸收线中心漂移量化DFG频率漂移。这里，测量精度约为15MHz。 结果示于图3。 事实证明，90分钟后，光纤激光器的中心频率漂移在15 MHz内。 FBG光纤激光器的中心频率漂移将导致FBG的温度漂移。然而，我们的实验结果清楚地表明，通过FBG的常规温度控制，光纤激光器的中心频率漂移在15MHz下仍然足够稳定。
图3 DFG频率漂移
3.2光谱性能
DFG线形和线宽是该系统的光谱分辨能力的重要问题。在测量吸收光谱后，利用卷积算法进行了仔细分析，积累吸收光谱数据。利用快速傅里叶变换和数据积累（FFT）滤波。背景噪声电平在吸收信号中降至峰峰值的0.2％。 然后，验证DFG的线形和线宽。
3.2.1吸收测量
如图4的上部曲线所示，获得在（光路长度为0.1m）压力为133Pa的约3038.5cm -1（3.291mm）处的CH 4吸收光谱。通过对DFB激光驱动器施加电流调制，DFG光谱源的频率被扫描为0.058cm -1（1.75GHz）。 这里，光谱分辨率为1.04times;10 -4 cm -1 /pts（3.1MHz / pts）。 吸收光谱的线宽测量为297MHz（FWHM）。
图4 133pa下CH4吸收光谱
3.2.2 DFG线形特征
通常，在总压力为133Pa的情况下，通过每个分子在光束方向上的速度的变化比获得多普勒偏移。从HITRAN 96数据库获得的CH4多普勒吸收光谱线宽值为281 MHz，公式为：
(1)
其中多普勒是CH4多普勒吸收光谱线宽，V0是对应于固定原子的频率，c是光速，T是温度，m是分子量，k是玻耳兹曼常数。 然而，由于自扩展（Lorenzian轮廓）的影响，这种吸收谱扩展可以由Voigt分布表示。 更确切地说，考虑到自扩展的影响，理论CH4谱可以用Voigt剖面和线宽宽度表示（Voigt）以及近似使用。
(2)
其中voigt被认为是自扩展的CH4光谱线宽。 在3.3 mm区域测量的CH4吸收光谱在3 MHz / Torr（FWHM）下显示出碰撞扩展，因为使用纯CH4气体测量， 如果碰撞比多普勒小得多， 公式（2）可以近似获得
(3)
原来，考虑到自扩展，可以获得284 MHz的CH4光谱线宽。 估计Doppler和voigt之间的差异为3 MHz（约为Doppler的1％，对应于所使用的检测系统的分辨率极限）。
因此，所获得的CH 4吸收光谱通过高斯分布拟合。 通过从数据中减去拟合曲线获得拟合残差，如图4的下部曲线所示。 发现拟合残差在plusmn;7times;10 -4以内，频率为3038.5cm-1。
我们认为，在这种拟合残差中，组合因子，如泵浦源的光学噪声和信号源
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