孔径透射率调制对外差探测的影响

信号光与本地光的夹角是影响探测器输出外差信号强度的主要因素。当夹角过大时,甚至不能检测到外差信号。通过分析提出,外差信号的振幅实际上是接收孔径透射率函数的傅里叶变换,以此为依据提出一种降低失配角对外差信号影响的方法,即在接收孔径处放置透射率分布满足一定函数形式的透过型元件,使其傅里叶频谱满足预定的要求,这种情况下两光束夹角增大时,探测器输出的外差信号强度能得到增强,从而降低了对探测系统瞄准精度的要求。     

相干探测系统最佳本振光功率测量方法(特邀)

相干探测系统受光电探测器非线性效应作用,难以达到散粒噪声极限下信噪比,存在最佳本振光功率使得系统信噪比最大。针对系统最佳本振光功率难以确定的问题,首先分析基于平衡探测器的最佳本振光功率理论,提出基于互相关法和频谱法直接测量外差信号并计算信噪比以确定最佳本振光功率,搭建实验完成了三型光电探测器对应的系统测试。结果表明,测量的信噪比随本振光功率的变化曲线与理论基本吻合,可以准确得到不同探测器对应的最佳本振光功率。本文方法可用于确定相干探测系统最佳本振光功率以及提高系统信噪比。     

光外差超声无损探伤系统的实验设计和信号处理

对光外差超声无损探伤实验系统的结构、原理进行了说明.分析了系统参数设计中信号光与本振光的光程差、探测器的相对位置和聚焦透镜的焦距这三个要素对外差效率的重要影响,根据理论计算所设计的光外差超声无损探伤系统,外差效率可达0.965.该系统用于由脉冲激励超声工件的内部探伤,观察到距离1 555 mm处钢管微小裂缝的超声反射信号.对零差信号利用三角函数拟合和最小二乘法进行数学处理,可测得裂缝处相对探测点的距离,相对误差为0.19%,可以达到对金属管道远程无损探伤的要求.     

信号与本振光振幅分布对星间相干光通信系统混频效率的影响

星间相干光通信系统中,信号光与本振光的不同分布将影响外差混频效率.在假设信号光与本振光偏振一致、相位匹配、几何中心重合的前提下,详细推导了信号光振幅为平面波(Uniform)、高斯(Gauss)分布,本振光为艾里斑(Airy)、Uniform及Gauss分布时的6种外差混频效率关系式,其中4种得到了精确的解析式.在此基...     

粗糙目标合成孔径激光雷达信号仿真

建立粗糙表面的蒙特卡罗模型,研究目标表面高度起伏对光外差信号的调制效应,对不同粗糙程度的目标引起的退相干效应进行定量分析,给出光外差信号恶化与粗糙目标表面参量的定量关系.结果表明:当相关长度为100λ,光外差信号随着高度起伏均方根的增大而减小,当高度起伏均方根超过0.2λ时,光外差信号非常微弱;当均方根高度起伏为0.1λ时,光外差信号随相关长度的减小而减小,给光外差探测造成困难.     

全光纤双通道大气温室气体激光外差光谱探测技术研究

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术,其装置具有体积小、光谱分辨率高等特点,适用于大气温室气体浓度的探测。各种观测实验已证明其是一种切实、有效的探测手段,在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。在现有激光外差光谱仪器的基础之上,提出了一种新型的仪器结构。采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束,实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。从激光外差探测的原理出发,分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数,并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪,搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数,着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能,详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。在此基础上,讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法,并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.004 4 cm-1)。利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N, 117.166°E)进行了实际的大气探测,同时在波段(6 056.2~6 058.1 cm-1)和(6 035.6~6 036.5 cm-1)分别获取了CH₄和CO₂分子的激光外差吸收信号,并对吸收信号进行了波长标定和归一化,得到了CH₄分子和CO₂分子的整层大气透过率谱,测量光谱信号的信噪比分别为197和209,同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化,实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量,拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。     

4.4 μm中红外激光外差光谱探测技术研究

在国内首次报道以窄线宽的4.4 μm外腔量子级联激光(QCL)作为本地振荡光源,黑体作为辐射光源的激光外差光谱实验装置的建立和测量工作。激光外差光谱是一种高灵敏度的光谱探测技术,并可以用于发展一种小型的光谱探测系统,进行地基或星载的地球大气或天文观测。介绍了激光外差的基本理论、装置的建立和实验测量工作。此激光外差光谱实验装置采用4.4 μm外腔量子级联激光,出光功率高达180 mW,在4.38～4.52 μm间连续可调,具有很宽的光谱调谐范围,能实现CO₂,CO和N₂O等大气重要分子的同时测量。通过开展不同压力下CO₂气体的激光外差光谱测量,对激光外差光谱实验装置的性能进行了评估。目前该激光外差系统的信噪比达到86,低于散粒噪声极限条件的理论计算值287,系统的光谱分辨率约为0.007 8 cm-1,能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。分析结果表明,中红外激光外差光谱系统具有很高的瞬态信噪比及光谱分辨率,在高精度测量大气温室气体的柱浓度和温室气体垂直廓线分布方面具有广阔的应用前景。     

非成像阵列探测器外差系统性能分析

受视场角限制,由单点探测器构成的外差系统不能充分接收信号光功率。若用阵列探测器代替单点探测器进行探测,可以增大接收视场,从而增强接收的信号光功率。在考虑到热噪声、光电流饱和效应的前提下,对这种阵列探测系统的信噪比进行了分析。结果显示,相对于单点探测系统,阵列系统能较大幅度地提高信噪比。分析结果指出,由于叠加的热噪声存在,当阵列中单元数增加到一定数量后,信噪比不能得到进一步提高。还对非等相位叠加因素对系统性能的影响进行了分析。由于系统输出信号是各探测单元输出信号的叠加,实际应用中不可能实现完全的等相位叠加,通过数值计算,分析了该因素的影响,并指出它可以在硬件设计过程中得到有效控制。     

基于有源Fabry-Perot腔的激光脉冲延时自外差研究

对注入有源Fabry-Perot腔内的单纵模脉冲进行了延时理论分析, 计算了Fabry-Perot腔内增益, 并对脉冲输出进行了数值模拟, 结果表明当脉冲能量衰减到一定值时, 新增抽运粒子数提供的增益可以补偿腔内损耗, 延时脉冲的输出可以达到稳态. 然后利用激光二极管侧面抽运Nd: YAG激光器做为Fabry-Perot腔, 对外部入射的单纵模脉冲光进行了延时, 得到了延时时间2 μups、脉冲数量140个的实验结果. 最后利用有源Fabry-Perot腔对参考光进行延时, 声光移频器对信号光产生频移, 进行了外差实验, 实验结果与移频器的设置值相符, 误差在4%以内.     

CO2激光外差探测系统灵敏度的研究

本文通过讨论探测器的信噪比和噪声等效功率的影响因素,研究了CO_2激光外差探测系统的灵敏度.     

Wavefront match simulation on receiver surfaces in coherent lidar

ＷａｖｅｆｒｏｎｔｍａｔｃｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｒｅｃｅｉｖｅｒｓｕｒｆａｃｅｓｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔｌｉｄａｒＺＨＡＯＹｕａｎＳＵＮＤｏｎｇｓｏｎｇＱＩＡＯＬｉｊｉｅＮＡＮＪｉｎｇｄａ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｈａ...     

Experimental verification of the optimum conditions for heterodyne detection of optical fields

Experiments were conducted for the optical mixing of a plane wave local oscillator with a plane wave signal and spherical wave signal for differing fields of view and aperture sizes. The results indicate that there is an optimum detector size which depends on the orientation of the detector in agreement with the theoretical analysis performed by Mandel and Wolf.     

Practical security analysis of continuous-variable quantum key distribution with an unbalanced heterodyne detector

When developing a practical continuous-variable quantum key distribution (CVQKD), the detector is necessary at the receiver's side. We investigate the practical security of the CVQKD system with an unbalanced heterodyne detector. The results show that unbalanced heterodyne detector introduces extra excess noise into the system and decreases the lower bound of the secret key rate without awareness of the legitimate communicators, which leaves loopholes for Eve to attack the system. In addition, we find that the secret key rate decreases more severely with the increase in the degree of imbalance and the excess noise induced by the imbalance is proportional to the intensity of the local oscillator (LO) under the same degree of imbalance. Finally, a countermeasure is proposed to resist these kinds of effects.     

相干激光雷达接收机混频效率

相干激光雷达接收机中,信号光为平面光经衍射形成的艾里斑,本振光为基模高斯光束,在文章中对两者在探测器光敏面上混频的混频效率进行了讨论。对于给定的信号光,若满足fλd21,那么高斯光束束腰半径取0.781fλ/d、探测器半径取1.130fλ/d时获得最大混频效率0.834,这一最佳混频可以通过离焦式扩束望远镜调节高斯光束束腰半径的大小与位置来实现。     

Optimisation of the light transmission and irradiance distribution of an aspherical lens for 3-D time-of-flight sensors

The irradiance distribution and power transmission in a 3-D sensor, which is based on the principle of time-of-flight (TOF) and uses modulated active illumination, should be optimised because of a large light energy damper and low signal-noise ratio at the receiver detector array. A numerical design of a spherical–aspherical lens with large numerical aperture has been presented to generate a homogeneous irradiance on a measure object from an LED source. Based on the design and analysis of reflection loss, optimisations have been taken to maximise the optical transmittance of the lens. The results show that the total transmittance can be improved by optimising the shape and material of the lens.     

Polarization Sagnac interferometer with postmodulation for gravitational-wave detection

We describe a polarization Sagnac interferometer with an in-loop half-wave plate that allows signal detection at the reciprocal port of the beam splitter while maintaining the ability to detect the signal at a dark fringe. Postmodulation and balanced heterodyne detection are used to recover the signal. This topology is simple to control because of its common-path characteristics and its collinear signal and local oscillator. The robustness of this scheme to amplitude and frequency fluctuations of the laser is demonstrated. Intraloop birefringence in this interferometer acts as a loss, reducing the power on the detector. The magnitude of this loss is discussed and experimentally verified.     

基于外差干涉的微振动测量技术研究

针对外差干涉的微振动测量存在稳定性低、严重受环境噪声影响等缺点,提出了对光路的改进方案。根据差分原理将其改为双光路,消除环境噪声的干扰;通过偏振分光棱镜（PBS）将椭圆偏振光变为线偏光,提高干涉信号幅值;改进频移装置(AOM),抑制频率漂移;增加光阑,滤除杂散光,提高系统信噪比。通过探测5 kHz压电陶瓷振动信号,以及2.5 MHz高频激光超声信号进行实验验证,结果表明:信号稳定且无纹波,系统分辨率为2.3 nm,信噪比提高16.7倍。两路干涉信号幅值分别为552 mV和736 mV,较传统外差干涉信号幅值提高近10倍,有利于纳米量级微振动信号的检测。     

激光光源线宽对外差探测性能的影响

本文根据统计理论分析了激光线宽对外差探测结果的影响, 并讨论了激光线宽对杨氏干涉条纹对比度的影响. 本文基于解析结果做了数值仿真, 所得结果表明激光线宽增加时, 外差探测方式仍可以检测到中频信号, 但在线宽较大时, 受噪声影响无法准确地提取到中频频率. 为验证理论分析结果, 使用线宽为1 MHz的激光光源进行了8.1 km外场实验, 实验结果与数值分析结论一致, 即不会因为线宽增加而无法检测到中频信号. 文中所得结论对于外差探测光源的选择有重要指导意义, 因此根据测量目标的特性和测量要求, 可按照文中结论评估光源的线宽指标.