基于音叉增强气体光声光谱的半导体激光器稳频技术研究

音叉增强光声光谱技术是近几年出现的一种新型气体吸收光谱检测方法。本项目研究首次将音叉增强气体光声光谱技术用于半导体激光器稳频，提出的音叉增强光声光谱稳频技术与传统气体吸收光谱稳频技术相比，具有体积小、成本低、稳定性高和工作温度范围广等优势。本研究将建立石英音叉与光声信号相互作用的仿真模型，分析气压、温度与光声光谱线宽的关系，归纳音叉增强光声光谱稳频技术的工作特性和器件设计方法，为音叉增强光声光谱稳频技术提供必要的理论依据和实验参考。进一步，本项目将实现基于音叉增强光声光谱的1.55μm通信波段稳频DFB激光器，推动音叉增强光声光谱稳频技术的实用化，以满足光通信、光学传感和精密测量等领域对低成本、小型化、高稳定性稳频半导体激光器的需求。

具有良好频率稳定性的半导体激光器在许多领域有着十分重要的应用，如光谱探测、长度计量、光学仪器和密集波分复用等。受环境温度变化、驱动电流变化和机械扰动等因素的影响，自由运转的半导体激光器输出光频率的漂移过大，不能满足上述应用的需要，因此需要采取主动稳频的手段来减小频谱展宽和漂移..本项目研制了基于音叉增强气体光声光谱技术的半导体激光器稳频系统，该系统将传统的气体分子吸收光谱稳频和音叉增强气体光声光谱技术相结合，具有成本低、体积小、系统简单并且不易受环境干扰等优点。稳频装置选取稳定的气体吸收谱线作为外部频率标准。将激光器输出光通过自聚焦透镜聚焦于音叉两臂的间隙。当激光器输出频率恰好位于气体吸收谱线上，气体分子吸收激光能量并转化为热能。周期性地调制激光频率即可在音叉两臂之间产生光声信号。当光声信号与音叉产生共振时，石英音叉即可拾获光声信号并通过压电效应转化为电流信号。实时监测石英音叉的输出信号即可获得激光器的输出光频率与气体吸收谱线之间的偏差，进而通过PID控制器控制激光器的输出光频率，将激光器的输出光频率锁定在气体吸收谱线的中心。为验证系统的稳频效果，分别对其短期稳定性（10秒）和长期稳定性（3小时）进行了测试。采用该装置，一旦激光器受到大的扰动后，输出频率5秒内即可恢复到气体吸收谱线的中心。.本项目还分析了影响系统性能的重要因素，对系统性能进行了优化。为了研究气体浓度对稳频系统的影响时，项目组搭建了基于音叉增强气体光声光谱技术的水汽浓度传感装置。实验表明基于QEPAS的水汽传感系统具有很好的灵敏度和线性度。