基于法布里-珀罗标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达研究

对基于法布里-珀罗(F-P)标准具四边缘技术的双频率多普勒测风激光雷达进行研究。简要分析了F-P标准具四边缘双频率风速测量原理。详细介绍了基于F-P标准具四边缘双频率多普勒激光雷达系统结构。对发射激光双频率间隔、入射光束发散角、标准具有效口径和标准具干涉平板反射率等参数进行了详细的优化设计。根据选取的系统参数,对多普勒激光雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:晴天天气条件下,在±25m/s的径向风速测量动态范围内,在满足径向风速误差小于2m/s的情况下,当发射激光仰角为60°、距离和时间分辨率分别为60m和1min时,系统在晚间和白天的探测高度分别可达到8km和6.5km。系统在晚间的整体探测性能明显要优于基于F-P标准具双边缘技术的多普勒测风激光雷达系统。同时,系统的探测性能受天空背景噪声的影响较大,系统在白天工作时应采用窄带宽的滤光片以提高系统的探测性能。     

固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究

针对固体介质间隔层的镀膜标准具, 以1 064 nm激光镀膜标准具为例, 首先研究了反射膜堆数对反射带宽、基底厚度以及对自由光谱区的影响:标准具的带宽随着膜层堆数增加而减小, 自由光谱区随着基板厚度的增加而减小;其次研究了基底误差对标准具中心波长定位和透过率的影响, 通过定量数值计算证明了基底误差可通过标准具的使用角度补偿;针对典型的H(LH)^m/Substrate/(HL)^mH和L(LH)^m/Substrate/(HL)^mL两个膜系结构, 研究了入射激光发散角对标准具中心波长偏移、通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率的影响。随着激光发散角的增加, 中心波长向短波方向移动, 通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率呈现下降的趋势, 并且第二个膜系结构的标准具性能优于第一个膜系结构的标准具。     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具设计

为了由非机械扫描式F-P标准具的透过率得到来袭激光的入射角,设计了一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具。把薄膜光学原理应用于F-P标准具的设计之中,考虑了斜入射条件下,特别是大入射角下,增透膜和干涉腔反射层特性参数变化对其透过率的影响,针对1.06μm激光,经过仿真设计,确定了F-P标准具主要参数。反射板选用K9玻璃,反射层采用单层ZnS膜时,腔长(475±5)nm,膜厚(65±5)nm,膜层垂直反射率20.7%～24.0%,对应标准具的透过率与入射角之间线性关系为T=-52.23θ+87.92,透过率非线性误差±5%;采用Ag膜时,腔长(460±10)nm,膜厚(3.80±0.15)nm,膜层垂直反射率22.4%～24.8%,T=-52.28θ+82.05,透过率非线性误差±4%。但具体的实现形式和制作工艺有待进一步研究。     

利用平凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束发散的方法

角锥棱镜常被用作光电测距和光电跟踪的合作信标。在一些特殊应用场合中,要求被角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对远场不同位置处激光器和探测器的全覆盖。标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,但是可以利用角锥棱镜中光束出射点与入射点不同的特性,在标准角锥棱镜前加装平凹透镜来实现对反射光束的发散。采用理论分析方法和几何光学追迹模拟方法分析了利用平凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束发散的可行性,同时研究了反射光束发散半角与入射光束参数和平凹透镜几何参数的定量关系。理论和模拟结果都表明,当入射光束半径小于平凹透镜半径时,反射光束的发散半角随入射光束半径准线性增加;平凹透镜曲率半径越小,反射光束发散半角越大。     

Sinc切趾布拉格光栅谱合成特性

 谱合成是获得高功率激光输出的有效方法。反射布拉格光栅衍射旁瓣是影响谱合成效率的主要因素。建立了sinc切趾布拉格光栅谱合成理论模型,采用传输矩阵法,分析了光栅参数对切趾光栅衍射特性的影响,以及入射光束光谱宽度和发散角对谱合成效率的影响。计算结果表明：sinc切趾布拉格光栅可有效抑制衍射旁瓣的影响,其一级衍射旁瓣和二级衍射旁瓣的峰值分别由62%和36%下降为0.57%和0.12%。通过优化光栅参数,利用sinc切趾布拉格光栅可实现窄光谱间距、高谱合成效率的多光束谱合成。切趾后,在10 nm的带宽内,参与谱合成光束的数目由7束增加为25束。对于波长为1 064 nm和1 064.4 nm的两束光谱合成,当入射光束光谱宽度小于0.15 nm,且发散角小于0.8 mrad时,谱合成效率达90%以上。     

基于单法布里-珀罗标准具的双频率四边缘鉴频光电探测技术

提出了一种基于单固体法布里-珀罗(F-P)标准具和可调谐半导体激光器的高精度鉴频新技术双频率四边缘技术。导出了F-P标准具反射谱和透射谱函数表达式,分析了双频率四边缘技术的鉴频原理;根据鉴频原理,给出了鉴频系统结构及相应的探测信号分析处理方法;进一步分析了噪声引起的测量误差,导出了具体的误差公式;与传统的基于F-P标准具双边缘鉴频技术的探测性能做了对比分析。结果表明,该技术通过对F-P标准具的透射和反射信号同时探测,鉴频精度将提高2.82~3.03倍,而且由于采用的是单固体F-P标准具,光路简单且系统成本低。     

基于内置电光晶体F P标准具的扫描滤波方法

基于内置电光晶体的F-P标准具,利用F-P多光束干涉原理和晶体的线性电光效应,提出了一种能有效提高啁啾脉冲信噪比的扫描滤波方法。给出了电光晶体加载电压的时变函数表达式,分析了影响信噪比提升效果的主要因素,并重点讨论了电光晶体的电压控制参数对信噪比提升效果和滤波器透过率的影响。研究结果表明,利用该扫描滤波方法可将啁啾脉冲激光信噪比提升约2个量级。     

利用含二面角误差的角锥棱镜阵列实现反射光束均匀发散的方法

角锥棱镜常应用于光电跟踪、卫星通信、干涉仪等领域.在一些特殊应用场合中,要求经角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对距离激光器较远位置处探测器的覆盖.由于标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,本文利用含二面角误差的角锥棱镜对反射光束的不均匀发散特性,提出利用角锥棱镜阵列实现对反射光束均匀发散的方法和设计原则.采用衍射光学理论分析了所提方法及其设计原则的可行性,并依此设计了一个发散半角为0.5 mrad的角锥棱镜阵列.分析了光束参数、结构参数对反射光束远场衍射特性的影响,结果表明,入射光斑强度分布对反射光束发散半角没有影响,当角锥阵列满足点光源条件时,传输距离对反射光斑的角向均匀性没有影响;当阵元数超过一定值时,均匀性不再显著变化,但反射光斑的强度将进一步增加.在工程应用中,角锥棱镜阵列安装方位角误差对反射特性影响不显著,但角锥棱镜二面角的加工精度对反射特性影响较大,可通过进一步增加阵元数加以解决.     

光纤空气隙法布里-珀罗标准具透射谱线型研究

空气隙法布里-珀罗(F-P)标准具是一种常见的光无源器件,其作为滤波器广泛应用于光通信、光电测量和光传感领域。根据经典干涉理论,F-P标准具的光谱为周期出现的洛伦兹峰。但在对F-P标准具透射谱的校准与拟合过程中,发现其透射峰存在左右不对称以及展宽现象,导致使用经典洛伦兹公式的拟合误差较大。通过分析透射峰不对称度和展宽间的关系,并考虑光纤准直器的发散角以及F-P标准具的装配误差因素,提出了一种基于传统F-P干涉理论并融合发散角与入射偏角的多峰叠加拟合公式。使F-P透射谱的拟合方差提高到0.008、重合精度为0.9998,与基于洛伦兹线型的拟合结果相比提高了近15倍。该研究提供了一种对光纤空气隙F-P标准具透射谱精确拟合的方法,并对其设计以及装配工艺有着重要的指导意义。     

Confocal Fabry-Perot interferometer for frequency stabilization of laser

The frequency shift of laser source of Doppler lidar is required in the range of a few megahertzs. To satisfy this demand, a confocal Fabry-Perot (F-P) interferometer was manufactured as the frequency standard for frequency stabilization. After analyzing and contrasting the center frequency shift of confocal Fabry-Perot interferometers that are made of three different types of material with the change of temperature, the zerodur material was selected to fabricate the interferometer, and the cavity mirrors were optically contacted onto the end of spacer. The confocal Fabry-Perot interferometer was situated within a double-walled chamber, and the change of temperature in the chamber was less than 0.01 K. The experimental results indicate that the free spectral range is 500 MHz, the full-width at half maximum is 3.33 MHz, and the finesse is 150.     

Accurate measurement of ultralow loss in a high-finesse Fabry-Perot interferometer using the frequency response functions

We describe the accurate measurement of ultralow loss in a high-finesse Fabry-Perot interferometer using a diode-pumped Nd:YAG laser locked to the longitudinal mode with an active frequency-stabilization technique. By measuring the resonance full width and the free spectral range with the frequency response functions, and by measuring the transmission efficiency on resonance, the finesse and the loss at 1064 nm are accurately measured to be 78100 ± 1200 (reflectance of 99.99598 ± 0.00006%) and 1 5.9 ±2.0 × 10^–6 (15.9 ± 2.0 ppm), respectively.     

应用于碳同位素丰度测量的激光频率刻度系统研究

对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析,通过对4976–4980 cm^-1波段CO₂吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较,得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10^-4 cm^-1,线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性. 关键词： 激光频率实时刻度 共焦法布里-珀罗干涉仪 同位素丰度测量 激光吸收光谱法     

用于激光稳频系统的控温F-P标准具特性研究

法布里-珀罗标准具由于其结构简单、性能稳定,不仅可以实现不同频率光束的分离、高精度的长度测量、分析激光的纵模结构等,还可用于激光器的稳频系统。本文对F-P标准具的透射率、半高宽度、自由光谱区以及透射率与温度的关系等特性进行了研究,并将其应用在激光器的稳频装置中。     

基于相位调制器与Fabry-Perot干涉仪的激光多普勒频移测量方法

提出了一种激光多普勒频移测量方法, 此方法利用正弦相位调制使信号光在原频率成分基础上产生正负一阶边带, 再由Fabry-Perot干涉仪对调制光振幅和相位进行调整, 使其产生固定频率的拍频信号, 利用此拍频信号的振幅随频率变化而变化的性质来进行多普勒频移测量. 通过理论分析证明该方法具有很高的测量精度, 加工装调难度不大, 兼顾了普通相干与非相干探测方法的优势. 另外通过实验证明该方法的正确性与可行性, 并通过与普通非相干方式比较发现该方法在测量精度上可以提高 约1个数量级. 关键词： 多普勒频移 相位调制 Fabry-Perot干涉仪 拍频     

Spectrally scanned,repetitively pulsed erbium-doped fiber laser for spectral and temporal multiplexing of fiber Bragg grating sensors

An erbium-doped fiber laser that emits a series of spectrally scanned pulses is used to monitor an array of fiber Bragg grating (FBG) sensors. The cavity for this Fabry-Perot laser is formed by two spectrally selective reflectors: a rotating mirror-grating combination for scanning the reflectance peak wavelength and a fiber Fabry-Perot interferometer (FFPI) with a periodic reflectance spectrum. During a scan of the rotating mirror, the laser produces a set of Q-switched pulses over the 1522-1568-nm spectral range at each of the FFPI reflectance peak wavelengths. This laser is used to simultaneously demonstrate wavelength-division multiplexing of FBGs with reflectance peaks in different spectral regimes and time-division multiplexing of FBGs with overlapping spectra. The spectral location of the FBG peaks was determined to an accuracy of 1.4 pm.     

Silicon as a standard material for infrared reflectance and transmittance from 2 to 5 μm

We have investigated the specular reflectance and transmittance of polished, high-resistivity single-crystal Si in the spectral range from 2 to 5 μm. Measurements were performed with a nearly collimated (≈0.7° divergence) beam at angles of incidence from 12° to 80°, and a spectral resolution of 16 cm⁻¹. The measured values agree with the expected values obtained from the published index of refraction of Si to within 0.002. This represents a substantial reduction in experimental uncertainty compared to previous results and demonstrates the usefulness of Si as a standard material for infrared reflectance and transmittance.     

Optimization of parameters and the ultimate sensitivity of interferometric detectors of gravitational waves

The signal-to-shot-noise ratio is calculated for three types of laser interferometers used in gravitational wave detectors: for two types of Fabry-Perot interferometers (with direct reading of the output signal and with the modulation technique used for outcoupling the signal) and for the Michelson interferometer with Fabry-Perot arms. It is shown that the signal-to-noise ratio can be substantially increased by using “supermirrors” with losses of the order of 10 ^?6. It is very important, in this case, to properly choose the mirror transmittance, because, otherwise, the sensitivity inevitably decreases by orders of magnitude and the requirements of lasers become more stringent. The efforts to increase the signal-to-noise ratio by increasing the power are limited either by an insufficient laser power or by the overheating of interferometer mirrors. Our estimates show that the present-day technical level with laser power of about 1 W provides sufficient sensitivity for detecting gravitational waves.     

Demonstration of a recombined Fabry-Perot-Michelson interferometer with suspended mirrors

We describe preliminary experimental results concerning the operation of a 3 m arm-length Michelson interferometer with two Fabry-Perot cavities whose mirrors and beam splitter are suspended independently by wires. The reflected light beams from the two Fabry-Perot cavities are recombined to obtain interference at a photo-detector; this scheme is necessary for future power-recycled laser interferometers used to detect gravitational waves. The fundamental properties of the interferometer are presented, including the power spectral density of the displacement noise.