[發明專利]激光二極管快速溫度調諧的動態波長辨識方法與裝置

有效

• 申請號: 200910312829.4
• 申請日: 2009-12-30
• 公開（公告）號: CN101841128A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 杜振輝;李金義
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06;G01J9/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發明涉及激光二極管快速溫度調諧的動態波長辨識方法與裝置；特別是對激光二極管進行快速溫度調諧的方法，能夠獲得很寬范圍的調諧光譜，可以應用于激光調諧吸收光譜技術測氣體、光通信等領域。

背景技術

可調諧激光器可以在一定范圍內連續改變輸出波長，在光譜學、光化學、醫學、生物學、集成光學、污染監測、半導體材料加工、信息處理和通信等領域有著廣泛的應用。

當前，二極管激光器調諧的典型方法有四種：電流調諧、溫度調諧、外諧振腔技術和可調激光器陣列。

電流調諧技術，通過改變激光器的注入電流實現波長調諧，其技術方案簡單，具有很高的調諧速度(ns級)和很寬的調諧帶寬，但是其調諧范圍很小，一般只有零點幾個nm。

溫度調諧技術，通過改變激光腔的溫度來改變激光器的輸出波長。其技術方案簡單，其調諧范圍一般為幾個nm，其主要缺點調諧時間較長，一般需要幾秒的調諧穩定時間。

外諧振腔技術(ECL)，將激光二極管作為增益介質，激光器諧振腔的選頻由外部可旋轉的光柵組成，激光二極管的一面涂層作為高反射鏡，而另一面是激光輸出和諧振腔調諧部分。ECL的調諧范圍一般為幾十個nm，其輸出功率高、線寬窄。但是系統的結構復雜、存在運動部件、成本高，調諧時間比較長，一般需要幾秒的調諧穩定時間。

可調激光器陣列，以激光器陣列，借助于耦合器或微機電系統(MEMS)做粗略選擇波段，可實現較寬的調諧范圍。具有較高的輸出功率，但是其結構復雜、成本高，調諧時間比較長，一般需要幾秒的調諧穩定時間。

后兩種調諧技術由于系統復雜性、較高的成本以及對運行環境的較高要求，目前應用較少，尤其是在工業現場、野外等工況下，以前兩種技術應用為主。例如，在調諧激光吸收光譜中應用的是電流調諧技術，目前通行的做法是，設定激光器的工作溫度，并保持溫度恒定，通過注入電流調制的方式對激光器進行調諧，再以鎖相放大器對二次諧波進行檢測。這種技術方案的缺點是：

激光器的調諧范圍很小，對于DFB激光器電流調諧范圍只有0.1～0.3nm，只能覆蓋一個氣體線吸收峰，一旦受到某種干擾，發生的測量錯誤無法得到判斷和修正；

由于激光器調諧范圍小，通常一個激光器只能測量一種氣體，經濟性較差；

對激光器的溫度穩定性要求很高，由于溫度對激光二極管的輸出波長影響很大，為了保證激光調諧的波長范圍穩定，一般要求溫度的穩定性達到±0.02℃以內，這么高穩定性系統的復雜性和成本是很高的。

在調諧激光器的各種應用中，都有著對拓寬激光調諧范圍、提高調諧速度的需求。例如，在密集波分復用(DWDM)光通信系統中，寬范圍調諧是擴展光網絡容量的最佳技術；在光譜學應用中，通過拓寬激光器的調諧范圍可以覆蓋多個吸收峰，同時檢測多種氣體、并提高檢測精度。

激光二極管的溫度調諧可以拓寬波長調諧范圍，但是由于激光器組件的熱慣性較大，使得應用溫度調諧技術在實用化方面還有較多的障礙，不同技術方案的問題為：

方案1：通過設定在若干個不同的恒定溫度，分別進行電流快速調諧測量，該方案中，激光器的溫度從一點改變到另外一點，并達到要求的穩定度，與兩點溫度差異的大小有關，一般需要幾秒到十幾秒的時間，不能滿足同時測量和實時監測的需要。

方案2：依據激光器組件的熱慣性，以較小的TEC驅動電流改變激光腔的溫度實現調諧，保證NTC的溫度值能夠反映激光腔的溫度，在最大允許溫度范圍內可以獲得幾個nm的連續調諧，但是需要十幾到幾十秒的掃描時間，調諧速度慢，一般為0.1～0.5nm/s。

方案3：以較大的TEC驅動電流改變激光腔溫度實現快速調諧，但是由于激光器組件的熱慣性，激光腔的溫度值與NTC測量值存在差異，且溫度差異的大小與TEC驅動電流、環境溫度、激光器組件封裝形式以及器件離散性都有關系。難以確定激光腔的準確溫度值，進而無法得到調諧過程中的波長值。

在調諧激光器的具體應用中，知道調諧過程中的準確波長值是非常重要的。例如，在調諧激光吸收光譜(TDLAS)技術中，激光器的波長與被測氣體的特征吸收相關，波長是準確判斷氣體種類的依據。在外差光學探測、光通信等領域，對調諧過程中的波長值不僅需要知道，而且在調諧非線性、調制度等方面有著嚴格的要求。就激光二極管而言，其輸出波長可以由注入電流和激光腔溫度兩者來唯一地確定，這樣就要求激光二極管在調諧過程中的LD驅動電流和激光腔的溫度可準確感知。

總之，目前的二極管激光器的調諧技術在調諧范圍、調諧時間以及技術方案的復雜性等方面存在較大的不足，無法滿足應用中的需求。

發明內容