应用案例

实验名称：可调谐半导体激光吸收光谱实验研究

研究方向：DFB激光器波长调谐特性实验研究、气体吸收二次谐波（2f）信号特征提取与验证实验、中红外吸收峰波长选择与对比实验

实验目的：利用台式分立仪器（激光驱动器、锁相放大器、波长计等）搭建TDLAS验证平台，通过实验标定DFB激光器的电流调谐与温度调谐特性，以确定最佳工作参数（25℃、140mA）使输出波长精确匹配CO在2331.91nm处的强吸收峰；同时通过波长调制光谱实验捕获并验证气体吸收的二次谐波（2f）信号特征，确认其峰-谷差值与气体浓度的正比关系，从而为后续第四章嵌入式低浓度CO检测仪器的激光器驱动参数设置、数字锁相放大器算法设计及中红外光源选型提供直接且可靠的实验依据。

测试设备：激光驱动器、信号发生器、光电探测器、激光波长计、锁相放大器、数字示波器、光源、气体吸收池、PC上位机。

实验过程：

首先按照实验系统框图连接ITC5052激光驱动器、AFG3052C信号发生器、NEL2332nmDFB激光器、气体吸收池、PDA20H-EC光电探测器、SR865锁相放大器、TDS2024C示波器和Bristol771B-IR波长计等设备；随后通过激光驱动器控制激光器温度恒定在25℃，逐步改变注入电流（40mA~300mA），记录输出波长变化，再固定电流为110mA，改变温度（6℃~51℃）并记录波长，以标定DFB激光器的电流调谐与温度调谐特性，确定最佳工作参数（25℃、140mA对应2331.89nm）；同时，信号发生器产生锯齿波叠加正弦波的调制信号驱动激光器，使其输出光经气体吸收池与CO气体作用后被光电探测器接收并转换为电信号，送入锁相放大器进行解调，提取出二次谐波（2f）信号，通过示波器观察和记录2f波形的峰-谷特征，最终验证了波长调制光谱技术用于低浓度CO检测的可行性与2f信号峰-谷差值与浓度成正比的原理，为后续仪器设计提供了实验依据。

图1实验系统框图

图2实验仪器连接图

实验结果：

1、实验标定了DFB激光器的调谐特性：在恒定温度下，输出波长随注入电流（40~300mA）增大而线性增大（2331.32nm→2333.59nm）；在恒定电流下，输出波长随温度（6℃~51℃）升高而增大（2328.59nm→2335.66nm）。

2、确定了激光器最佳工作参数为温度25℃、电流140mA，此时输出波长为2331.89nm，与HITRAN数据库中CO在2331.91nm处的强吸收峰高度匹配。

3、通过波长调制光谱实验成功捕获了CO吸收的二次谐波（2f）信号，确认其峰-谷差值与气体浓度成正比，验证了TDLAS-WMS技术用于低浓度CO检测的可行性。

4、对比实验证实CO在中红外2331.91nm处的吸收强度（1.46E-5）比近红外1567.33nm处（7.82E-8）高出近3个数量级，使最低探测极限浓度可达0.75ppm，为选择中红外光源提供了决定性依据。

5、示波器观测到的2f信号实际波形（频率约16Hz，峰峰值5V以内）为后续嵌入式系统的数字锁相参数设置和线型拟合算法开发提供了波形模板。

图3固定电流调节温度

锁相放大器在此应用中的产品优势：

1、将光电探测器输出的被噪声淹没的电信号进行高精度谐波解调，成功提取出表征CO气体浓度的二次谐波（2f）信号。

2、利用相关检测原理（混频与低通滤波），有效滤除外部杂散光干扰及电路背景噪声，显著提高了微弱吸收信号的信噪比。

3、提供清晰的2f谐波波形，通过观测其稳定的峰-谷特征，直接验证了峰-谷差值与气体浓度成正比的TDLAS-WMS定量理论。

4、具备双相（X/Y）解调能力（虽因同源可单用但具备条件），消除解调信号对相位差的敏感性，确保幅值输出的稳定性与可重复性。

【推荐产品】：ATA-5810锁相放大器

图：ATA-5810锁相放大器指标参数

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