光学在大型几何尺寸测量中的应用

介绍了几种光学原理在大型几何尺寸测量中的应用．讨论的内容包括：多波长、双波长合成波长绝对距离干涉测量；激光频率分裂干涉测量；线性调频绝对距离干涉测量；相位板激光准直；旋光激光准直；半导体激光动态定位等．文章介绍了测量系统的工作原理，并讨论了测量精度和应用前景     

激光自外差相干测量中分布反馈半导体激光器电流调谐非线性的补偿方法

半导体激光器的电流调谐非线性对自外差相干测量的精度影响很大.研究了分布反馈半导体(DFB) 激光器的电流调谐特性,据此提出一种数学模型补偿方法.利用已知光程差下的差拍频率,建立了动态调频 系数的数学模型.以此模型对DFB激光器的电流调谐非线性进行补偿,可以将差拍信号频率预测值的相对误差 减小约3%,提高了系统的测量精度.数学模型补偿方法简化了测量系统的结构,适用于高精度的电流调谐 激光在线测量系统.     

双参考光半导体调频距离测量

利用半导体线性调频可以实现对距离的绝对测量，但半导体激光器的光频调制特性受环境温度变化的影响很大，限制了该方法的测量精度和稳定性，无法走出实验室。为了解决这一难题，本文提出一种采用双参考光的绝对测量方法。通过测量两个拍信号频率，消除了温度的影响，提高了测量精度。这种方法对促进距离绝对测量的实用化有重要的意义。     

基于飞秒光频梳的双频He-Ne激光器频率测量

利用光纤飞秒光频梳和外腔可调谐半导体激光器, 建立了一套双频He-Ne激光器频率测量系统. 选用铷钟作为系统的频率基准, 通过将外腔半导体激光锁定至光频梳使得其频率溯源至铷钟, 再利用外腔可调谐半导体激光与双频He-Ne激光器输出的正交偏振激光拍频, 同时测量两路正交偏振激光频率. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳第1894449个梳齿, 其绝对频率为473612190000.0±2.7 kHz, 相对不确定度为5.7×10^-12. 对商品双频He-Ne激光器进行频率测量实验, 双频He-Ne激光器水平方向偏振激光频率均值为473612229934 kHz, 竖直方向偏振激光频率均值为473612232111 kHz, 平均时间为1024 s的相对Allan标准差为5.2×10^-11, 频差均值为2.177 MHz, 标准偏差为2 kHz.     

干涉测量用半导体激光器驱动电源

设计了一种可调制的高稳定度半导体激光器驱动电路。该电路的直流稳定度高达1.5×10-5，输出电流在0～200mA内连续可调，长时间工作（12h以上）电流变化小于1μA；在直流基础上注入100kHz～300kHz的调制电流，其调制深度为0～100mA连续可调，可实现在激光干涉测量中对光波频率和光波强度的调制。将该电路驱动的光栅外腔半导体激光器和辅助温度控制电路应用于光干涉测量技术中，得到了功率稳定、波长单一的激光输出，解决了激光器的跳模现象，完成了对远距离微小振动（纳米量级）的测量。     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

激光光栅多普勒效应微小振动测量

为了提高测量微小振动的精度和动态范围，提出一种基于激光光栅多普勒效应的微振动测量系统。通过对差拍信号的频率分析，以峰值频率比值的方法可以排除干扰获得被测振动频率，找到振动的翻转点并判断振幅的大小；推导了在翻转点附近的微小位移与电压值的关系，对于小于计数当量值的位移由测量电压得到，提高了微小振动位移的测量精度以及系统测量的最小分辨率、动态范围。实验系统的频率范围为0．5～500Hz，振幅为20～10mm，相对误差小于1％，其动态范围大于100dB。     

多通道半导体激光器温控系统

研制了一种板级多通道半导体激光器温控系统,将其应用于混合气体检测中可实现同时对多个半导体激光器温度的控制.该系统硬件上由多通道温度采集模块、数字信号处理器模块、半导体制冷器(TEC)和TEC控制模块组成.软件上采用时间片轮转调度算法和积分分离式数字比例积分微分算法,实现了对多个半导体激光器温度的实时、精确控制.为了测试系统的性能,利用该系统同时控制中心波长为1.65μm和1.56μm的可调谐分布反馈激光器的温度,进行了温度控制实验并测试了两个激光器的发光光谱.实验结果表明,该系统可以实现对两个激光器温度的同时控制,温控精度为-0.011~0.015℃,响应时间小于3s.对温控系统的工作稳定性进行了测试,两个激光器连续工作6h,其工作温度保持恒定.连续10h测试两个激光器的输出光谱,输出波长的峰值未出现偏移.该温控系统体积小、成本低、便于集成且稳定可靠,在混合气体检测中有良好的应用前景.     

激光混沌通信中半导体激光器接收机对高频信号的滤波特性

数值研究了基于半导体激光器的混沌通信系统中构成混沌同步的接收半导体激光器对高频信号的滤波特性.分析了闭环结构的接收机对不同频率、不同幅度的加载信号的提取能力.研究发现，混沌保密通信系统对传输信号的提取能力与信号的频率有关.当信号频率较低时，闭环结构的接收机对信号的滤波效果较好；当信号频率接近半导体激光器的弛豫振荡频率时，接收机的滤波效果较差.分析结果同时表明，混沌保密通信系统中接收机对传输信号的提取质量不仅与实现混沌同步的两激光器的同步质量有关，而且依赖于传输信号的幅度. 关键词： 混沌 混沌同步 半导体激光器 滤波     

1.3μm注入锁定半导体激光器及其远场特性

报道了利用１．３μｍ分布反馈（ＤＦＢ）半导体激光器注入锁定普通半导体激光器后的模式及其远场分布特性实验。在不加隔离器和主被协激光器偏振方向相互垂直的情况下，获得了静态和动态单纵模运转，并观察和测量了普通半导体激光器注入锁定前后输出光的远场分布，最后对实验结果进行了讨论。     

红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法

为解决扫描镜摆角实时动态非接触测量问题,基于激光检测技术和CCD探测技术,提出一种红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法,并研制了扫描镜摆角动态测试系统,其可实现扫描镜的摆动频率、零位角、幅值、峰峰值平均等参量的动静态激光非接触测量。介绍了系统的组成和总体结构,着重对扫描镜摆角动态测量理论和大视场、大相对孔径特殊线性扫描光学系统的设计方法进行了分析与探讨,通过建立系统的数学模型,解决了测量数据误差修正与图形处理问题。对测量系统的精度进行了验证,结果表明系统的摆角测量范围为0~±12°,分辨力为0.01°,动静态测量精度优于±0.04°。     

激光干涉仪应用于无导轨测距的研究

本文提出了一种使用外差激光干涉仪实现无导轨测距的方法.该方法动态跟踪测量反射镜,使测量信号不中断,实现反射镜在一定范围内的非直线运动.这样,拥有双频激光干涉仪的用户,再添置一台比较简单的跟踪装置,即可用于无导轨测距,测量精度可远高于通用测距仪,为大型设备现场组装和安装提供了新方法.本文介绍了工作原理及实验情况.     

Electro-optic mapping systems of electric-field using CW laser diodes

Two novel systems are proposed to perform the electro-optic (EO) mapping of the electric-field strength close to electrode structure using CW laser diodes. By these systems, mappings of both static (DC) and high-frequency electric-field can be obtained. For the static field, the field is chopped to increase the sensitivity performance. For the high-frequency field, an intensity modulation laser, instead of a pulse laser, is used to perform the mapping measurement in frequency domain, instead of in time domain. This approach greatly simplifies the system. An experiment set-up using a vertical cavity surface emitted laser diode (VCSEL) of a wavelength 850 nm and its mapping results for a coplanar waveguide (CPW) with the signal frequency around 1 GHz are reported.     

Study of high precise measurement of large diameters by a dual frequency laser interferometer

Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ａ ｄｕａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ￥ＦＥＮＧＱｉｂｏ（Ｄｅｐ．ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｅｒｎ...     

模拟大气风场及其数据处理技术的研究

热层大气风速的测量可以采用干涉法来进行,由于光源（气辉辐射谱线）的强度很弱,故干涉法对测量系统要求很高。利用半导体激光器（LD）的调制特性和法布里-帕罗干涉仪(FPI)的高光谱分辨能力设计了一种用简单设备进行大气风场模拟与测量的方法。改变LD的驱动电流使其输出激光频率改变,从而模拟气辉辐射的多普勒频移,通过分析FPI获得的干涉图可检测出该频移,进而得到等效风速。模拟风速的相对误差不超过6.5%,最小模拟风速为20.01m/s,且测量结果与LD的线性调制特性很相符。使用该方法可以有效地对多普勒风速测量原理、数据处理方法、系统性能以及测量误差进行分析和评估。     

Wavefront reconstruction of high power laser diode array

A new method for the wavefront measurement of high power laser diode array with large dynamic ranges is presented. The wavefront sensor has a large dynamic range of −π/2 to π/2 and high precision on the measured wavefront slopes (±1′). According to the measurements of the slopes and intensity of the high power laser diode array, complex amplitudes can be obtained and the wavefront can be reconstructed. The reconstructed wavefront of high power laser diode array can be used in designing a laser beam shaping system in future work.     

Research on micro-vibration measurement by a laser diode self-mixing interferometer

The self-mixing vibration signals are observed in the laser diode when the optical beam is back-scattered into the laser cavity which causes laser output power modulated. Based on these properties, a laser diode self-mixing vibrometer with wide dynamic range is proposed. This current investigation further reports new work to improve the accuracy and range of the measured vibration signals. Numerical simulations and experimental results are given and discussed. The experimental results show that the frequency measurement range can be achieved up to 22 kHz with 0.241% maximum relative error while utilizing the reflecting film. For amplitude measurement utilizing the same reflecting film, the error of measurement result is 4.77 nm which has approached nanometer order of magnitude.     

半导体激光微小振动实时干涉测量仪

设计了一种半导体激光干涉测量仪,可以实时测量物体的微小振动。通过信号处理电路对干涉信号进行分析,得到实际振动的振幅和频率。给出了具体的理论分析,实验结果验证了该干涉仪的实用性。     

线性调频半导体激光器自混频干涉理论模型

使用半导体激光器在弱反馈条件下的动力学理论,建立了线性调频半导体激光器的自混频干涉理论模型.基于该模型,分析了激光器振荡频率偏移与输出功率变化特性.通过测量激光器输出功率谱,可以得到激光器前端面与被测目标之间的距离.