大气颗粒物多参数激光自混合传感的数值模拟与特性分析

基于颗粒物米氏散射特性、激光自混合三镜腔理论和激光器稳态条件,推导出在大气颗粒物光反馈下激光器频率、功率、线宽的理论表达式,建立了大气颗粒物光反馈下的激光自混合理论模型。同时,数值模拟和分析了大气颗粒物物理参数对激光自混合干涉信号的影响。结果表明,在一定粒径范围内,激光自混合反馈强度随大气颗粒物粒径增大先增大后减小,且反馈强度峰值出现的位置随颗粒物折射率实部的增大、虚部的减小向粒径较大处移动;自混合系统的外腔长度影响自混合干涉信号的波动深度,激光器输出光信号的幅值随外腔长度增大呈指数衰减;自混合干涉信号波动频率与大气颗粒物运动速度呈线性关系。分析结果对基于激光自混合效应的大气颗粒物多物理参数传感具有重要作用。     

光纤激光器自混合干涉效应研究

针对光纤激光器自混合干涉传感应用,研究了光纤激光器自混合干涉特性,运用四镜法布里-珀罗腔模型对掺铒线形腔光纤激光器自混合干涉效应进行了理论分析,对不同反馈水平下的自混合干涉信号进行了数值模拟,获得了光反馈条件下光纤激光器输出特性.外腔长度的改变会调制激光器的输出强度,外腔长度变化半个波长,对应一个干涉条纹,弱反馈条件下,由反馈引起的激光器的频率变化可以忽略.设计了基于光纤激光器的自混合干涉实验,实验结果和理论分析相符合.此研究结果为进一步开展光纤激光器的自混合干涉传感应用研究奠定了理论与实验基础.     

基于适度光反馈自混合干涉技术的振动测量

光反馈自混合干涉技术是一种新浮现的有别于传统双光束干涉的一类新的测试技术。为了在适度光反馈下进行振动的精密测量,提出了一种基于适度光反馈自混合干涉技术的振动测量方法。经对光反馈自混合干涉信号条纹分析,发现通过选定合适的光反馈水平及激光器线宽展宽因数,可以得到锯齿干涉条纹。这种干涉信号不仅包含振动幅度信息也包含振动方向信息。该振动测量方法利用锯齿干涉条纹的特点,首先通过条纹记数实现大范围振幅粗测,具有半波长位移分辨力;然后基于适度光反馈下小数条纹的特点,给出了小于半波长位移测量的线性表达式,从而实现位移的精测。仿真计算表明,该方法可以实现大量程高分辨力振动位移测量,在叠加20 dB的噪声下,振幅测量相对误差平均为0.5%。     

基于经验模态分解的自混合干涉相位提取方法研究

为实现光反馈机理下激光自混合干涉信号相位的精确提取, 本文提出了一种基于经验模态分析(EMD)的方法.首先, 采用EMD算法对含噪的自混合干涉信号进行了降噪预处理, 提取有效的干涉信号.然后在对含有外腔物体运动信息的光反馈相位求解的过程中, 利用希尔伯特黄变换(HHT)原理实时提取每一时刻的瞬时相位, 将其去包裹处理后得到真实相位. 在弱、适度、强光反馈条件下, 分别对基于EMD的相位提取算法进行了仿真研究.最后, 搭建了基于自混合干涉效应的微位移测量实验平台, 进行实验研究.实验结果表明, 利用该方法可以实现对自混合干涉信号的相位提取, 最大误差小于1.6 rad.仿真和实验结果的一致性, 说明了EMD方法的有效性.     

半导体激光器输出混沌光的延时特性和带宽

提出一个新的方案用于抑制半导体激光器输出混沌光的延时特性并研究其带宽.在该方案中,将由伪随机信号驱动的相位调制器加到具有双路光反馈的半导体激光器的两个反馈腔中,从而构成具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统.数值研究了延迟时间和反馈系数等参数对该系统输出混沌光的延时特性的影响,用自相关函数曲线中的延时特征峰的最大值表示延时特性.然后将该系统对延时特性的抑制效果和具有双路光反馈的分布反馈半导体激光器系统以及具有单路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器系统进行比较,结果表明本文所提出方案的抑制效果最好.进而基于能有效抑制延时特性的参数条件研究了具有双路相位调制光反馈的分布反馈半导体激光器输出混沌光的带宽,结果表明,抽运因子的增大和反馈系数的增加都能使系统输出混沌光的带宽变大.     

自混沌光相位调制光反馈半导体激光器输出光的混沌特性

混沌光的延时特征(time delay signature, TDS)和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量,常用来表征混沌光的混沌特性.将具有外腔光反馈的半导体激光器(semiconductor laser, SL)作为主激光器,以具有自混沌光相位调制光反馈的SL作为从激光器,并将主激光器输出的混沌光双路注入到从激光器中,构成具有外光双路注入的自混沌光相位调制光反馈的半导体激光器系统.数值研究了外光注入系数和反馈系数等参数对系统输出光TDS的影响,然后将此系统对TDS的抑制效果和具有外光双路注入的光反馈半导体激光器以及具有外光单路注入的自混沌光相位调制光反馈半导体激光器进行对比和分析,从而阐明了本文所提出的方案对TDS的抑制效果较好.在TDS被有效抑制的参数条件下,研究了混沌光的带宽,结果表明:本文提出的方案可以有效提高系统输出混沌光的带宽,获得混沌光的3 dB带宽的最大值约为16 GHz.     

光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术测量腔镜高反射率的对比研究(英文)

基于半导体激光器的光反馈效应,提出了光反馈光腔衰荡技术用于测量腔镜的高反射率。相对于没有光反馈的情况,光腔衰荡信号振幅提高了两个数量级,从而大大提高了高反射率测量精度。在四个衰荡腔长采用光反馈光腔衰荡技术测量得到的腔镜反射率非常一致,统计平均值为99.9356±0.0008%。通过实验比较了光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术。结果表明,光反馈光腔衰荡技术的测量精度比脉冲光腔衰荡技术高。     

多纵模激光二极管自混合干涉的观察和分析

自混合干涉信号的幅度和波形均会随外腔静态长度发生周期性变化。实验测量了干涉信号幅度和波形随外腔静态长度的变化,并用多模自混合干涉信号叠加的方法计算分析了干涉信号的幅度随外腔静态长度的变化,然后考虑反馈光对内腔反射率和激光介质增益的影响计算分析了干涉信号的波形随外腔静态长度的变化。结果表明,多模激光自混合干涉信号随外腔静态长度变化的周期为内腔的光学长度,而其主极大区域的宽度为激光的相干长度,小于内腔的光学长度。多纵模自混合干涉信号的叠加导致自混合干涉信号的幅度随外腔静态长度发生周期性变化,而波形随外腔静态长度周期性变化则是内腔反射率和激光介质增益均受反馈光影响导致的非线性的结果。     

光注入下外光反馈半导体激光器输出自相关特性研究

基于半导体激光器(SL)受到外部扰动(光反馈和光注入)下的速率方程组,研究了反馈系数、延迟时间、注入强度和频率失谐对半导体激光器输出混沌信号自相关特性的影响.研究表明：上述四个参量对SL输出混沌信号的自相关函数曲线的半高全宽(FWHM)以及边峰抑制比都有影响;通过合理选择各参量,可以使SL输出的混沌信号具有尖锐的自相关函数曲线分布,其FWHM可降到0.02 ns,比已有相关报道提高了一个数量级. 关键词： 半导体激光器 光反馈 光注入 自相关函数     

一种提取光反馈混沌激光器时延信息的谱分析方法

鉴于时延信息严重威胁着混沌通信的保密性,提出了一种利用频谱仪直接确定激光器时延信息的新方法。通过记录和观察信号的频谱,发现其频谱受到了时延信息的调制;进一步对频谱作逆傅里叶变换,即可直接获取光反馈混沌激光器的时延信息。实验中对腔长L=11.02 m的单反馈和腔长近似相等(L1=11.02 m, L2=11.25 m)或腔长成整数比(L1=11.02 m, L2=22.03 m) 的双反馈情形进行了研究。分析结果表明:在两外腔长度近似相等的情况下,2个外腔长度信息不能被隐藏;当反馈外腔长度成整数比时可以从频谱中提取出半导体激光器的反馈延迟时间。     

Self-mixing interference in distributed feedback laser diode with multiple external cavities

The self-mixing interference in distributed feedback laser diode (DFB-LD) with multiple external cavities is analyzed. Each external cavity is considered to be an optical thin film, and the equivalent reflectivity can be got from the theory of the thin film optics, the general expressions of gain and frequency in compound laser cavity are theoretically deduced. This principle is helpful to build the fiber-coupled self-mixing interference system. Considering that different parameters have influence on self-mixing interference, we make some simulation analysis at different conditions. The output of self-mixing interference is analyzed in numerical analysis, and the amplitude variations of the output gain is discussed along with different parameters, e.g., the coupling coefficient, the linewidth enhancement factor, and the reflection coefficient of external reflector.     

双反馈半导体激光器的混沌特性研究

实验利用双反馈半导体激光器获得了关联维数为3.8的高维混沌光.同时对比分析了双反馈与单反馈两种不同模式产生混沌的区别.结果表明：在反馈强度均为-26 dB时,双反馈产生混沌的关联维数高于单反馈产生混沌的关联维数2.6;双反馈可获得带宽为11 GHz的混沌光,为单反馈产生混沌带宽5.5 GHz的两倍.当双反馈的两个外腔长度不相等时,混沌的自相关曲线能很好的隐藏外腔长度信息,可提高混沌通信的保密性. 关键词： 双反馈 半导体激光器 混沌 带宽     

Distortion of optical feedback signals in microchip Nd:YAG lasers subjected to external multi-beam interference feedback

This paper proposes a theoretical analysis for the characteristics of an external cavity Nd:YAG laser with feedback of multiple-beam interference, which is induced by the multi-reentrance of the light from the external Fabry--Perot cavity. The theoretical model considers the multiple beam interference of the external Fabry--Perot cavity. It is found that the optical feedback signals are distorted to pulse waveforms instead of the sinusoidal ones in conventional feedback. The experimental results are in good agreement with the theoretical analysis. The obtained theoretical and experimental results can advance the development of a laser feedback interferometer.     

调频微片Nd:YAG激光器光回馈特性的研究

研究了调频微片Nd：YAG激光器的光回馈特性.在没有光回馈的情况下，激光频率每改变一个纵模间隔，激光器输出功率变化一个条纹.有光回馈时，同时改变激光频率和外腔相位，激光器输出功率波动频率正比于内、外腔长度之比.基于三镜腔等效模型的理论分析和实验结果相符合.并且讨论了这一现象在精密测量领域的潜在应用.     

Effect of Linewidth Enhancement Factor on Doppler Beat Waveform Obtained from a Self-Mixing Laser Diode

The asymmetry and fringe inclination of the sawtooth-like waveform observed in the self-mixing signal obtained from a semiconductor laser with optical feedback enable the direction discrimination of line-of-sight motion of external target surfaces. We investigated the effects of linewidth enhancement factor and feedback strength on the asymmetry and the direction of fringe inclination of the signal by numerical simulations. For the first time, we show that direction of the fringe inclination is determined not only by the direction of the target motion but also by the value of the linewidth enhancement factor.     

各向异性外腔微片Nd:YAG激光器调频回馈研究

研究了在各向异性外腔下微片Nd:YAG激光器调频回馈特性.作为对比,首先给出了在各向同性外腔下调频回馈结果,激光器输出功率的半波条纹数正比于外、内腔长度之比.在回馈外腔中内置一个四分之一波片,激光偏振态发生规律性跳变,每个纵模带宽内的偏振跳变次数正比于外、内腔长之比,相同外腔长下,回馈条纹再次倍频.进行了基于法布里-珀罗腔等效模型的理论分析,结果和实验相符合.此现象在精密测量领域有潜在应用. 关键词： 光回馈 调频回馈 各向异性外腔 半波条纹数     

Polarization switching in a quasi-isotropic microchip Nd:YAG laser induced by optical feedback

This paper demonstrates the influence of external optical feedback on the polarization state of longitudinal modes in quasi-isotropic microchip Nd:YAG lasers. Under optical feedback, the polarization state of longitudinal modes in quasi-isotropic lasers relies strongly on the intracavity anisotropy loss and mode competition. When the intracavity anisotropy loss is small, external optical feedback can cause polarization switching and strong mode competition between two orthogonal linearly polarized eigenstates of one laser longitudinal mode, which leads to the distortion of laser intensity modulation waveform. The polarization switching is independent of the initial external cavity length. By increasing the intracavity anisotropy loss, one polarization eigenstate can be suppressed and the laser works in single-polarization state. A theoretical analysis based on the compound cavity model is presented, which is in good agreement with the experimental results. The results offer guidance to the development of laser feedback interferometers.