双频激光技术研究新进展及发展趋势

双频激光器在干涉测量和光学传感等技术领域扮演极其重要的角色。综述了近年来双频激光技术研究的新进展(包括双折射双频He Ne激光器、双折射双频Nd:YAG激光器和双纵模半导体激光器),简要介绍了各种双频激光器的工作原理,分析了这些双频激光器在频差大小、频差稳定性和频差调谐特性等方面的优缺点,指出了今后双频激光技术研究的发展趋势。     

异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频

为了解决光强差稳频系统易受光电元件参量影响的问题,设计了一套用于异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频系统。采用高频放大和幅度检波电路检出四频差动激光陀螺顺时针(或逆时针)输出光束的拍频幅度,然后用模数转换器采集到数字信号处理器(DSP)内。四频差动激光陀螺正常工作时拍频幅度取极大值,因此可通过对腔长进行小抖动调制实现稳频。利用DSP设计了一套数字式稳频系统,1 s取样的稳频精度为2×10-9,更重要的是稳频点不受光电元件参量变化的影响。设计的小抖动稳频电路精度高、通用性好,对提高四频差动激光陀螺适应恶劣环境的能力有一定的价值。     

基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量

提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。     

基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量

提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。     

有限冲击响应滤波器在四频激光陀螺中的应用

针对目前四频差动激光陀螺光学解调方案可靠性和温度特性差的特点,介绍一种基于FPGA的数字拍频解调方案。分析了四频差动激光陀螺数字拍频解调对电路系统的需求,对数字拍频解调的关键部件低通滤波器进行了设计与实现。根据四频差动激光陀螺的特性参数计算滤波器的通带截止频率及阻带截止频率,使用MATLAB的滤波器设计和分析工具FDATool完成了有限冲击响应（FIR）数字滤波器的参数设计,并利用Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE实现FIR数字滤波器的片上系统设计。仿真和实验结果表明,所设计的FIR数字滤波器对四频差动激光陀螺的和频分量衰减达到-66 dB,满足四频差动激光陀螺拍频解调的需求,并有助于实现四频差动激光陀螺的小型化和数字化。     

几种新型全反射棱镜式环形激光器的模式选择技术

根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线;由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线;根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。     

环形激光器用于角速度测量的实验

基于环形激光器测量角速度的原理,搭建了实验系统,测量了环形激光器频差与步进电机转动角速度的关系.实验表明环形激光器可用来进行角速度的测量.     

双频氦氖激光回馈位移测量系统的实验与应用研究

研究了一种全新的纳米尺度位移测量系统。将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应，使原本单模谐振的激光器输出变成了频差可调的2个正交偏振频率（o光和e光），而形成双频激光器。在激光谐振腔外放置沿激光轴线位移的反射表面，将输出的激光束反射回腔内，以便对激光的光强进行调制，可实现高分辨率非接触式可判向位移测量。提出了一种细分方法，该方法突破了传统干涉系统的衍射极限（1/2波长）。对于633nm波长He-Ne激光，本系统的理想分辨率为1/8波长（约为79nm）。     

双频激光回馈位移测量研究

提出了一种基于双频激光回馈效应的位移测量系统，并在理论和实验两方面进行了研究.实验中对激光器输出功率变化进行了探测，同时对两正交偏振光的光强变化进行了探测.研究发现当被测物体移动时，激光器输出功率受到调制，物体每移动半个光波长时，回馈信号为调制深度相等的两峰，系统分辨率提高了一倍，达到四分之一光波长.当物体运动方向改变时，两正交偏振光的光强变化顺序也随之改变，可以实现物体位移方向的判断.理论分析及模拟结果与实验结果相符合.研究表明该位移传感系统具有结构简单、分辨率高、可判向、测量范围大、可工作于强回馈区等优点. 关键词： 激光回馈 位移传感 自混合干涉 双频激光器     

高功率宽带射频调制连续激光源

射频强度调制激光作为激光雷达系统的载波可以有效提高系统的抗干扰和抗散射能力,高功率宽带射频强度调制光源是实现高分辨率远距离探测的关键.本文采用在Nd:YAG激光器的耦合腔中插入一对四分之一波片的方法实现了频差调谐范围为30 MHz—1.5 GHz的双频激光输出,结合光纤振荡功率放大技术,将双频信号光功率放大为50 W.耦合腔双频种子源具有良好的功率和频率稳定性,输出功率为9.5 mW时,功率标准差为0.145 mW,稳定性为1.52%,输出双频激光的频差为250 MHz时,拍频的标准差为1.6144 MHz.种子光进行三级光纤功率放大,得到50 W双频激光输出.放大后的双频激光功率波动范围小于0.1 W,双频拍频的标准差为1.777 MHz,很好地保持了放大之前的功率稳定性和双频频差稳定性.     

一种控制环形激光器光学腔长的新方法

提出了一种控制环形激光器光学腔长的新方法.该方法是利用压电陶瓷电控环形激光器毛细管内干燥空气的折射率，实现对环形激光器光学腔长的控制.这种控制方法对环形激光器性能影响很小，具有响应速度快、灵敏度高、功耗低等优点，可用于全反射棱镜式环形激光器、反射镜式环形激光器的稳频系统.对于激光陀螺、激光计量等应用具有重要意义.     

基于FPGA的四频陀螺信号解调系统的设计与仿真

为了简化四频差动激光陀螺的信号读出系统,采用了一种基于FPGA实现的数字电路解调方案取代传统的合光棱镜中的1／4波片和偏振片来分离左、右旋陀螺信号。简述了四频差动激光陀螺的信号读出原理及解调电路方案,设计了主要由A／D转换器和FPGA构成的四频陀螺信号读出系统。通过Quartus Ⅱ等EDA工具在软件上对系统予以了实现,并针对其主要功能模块进行了仿真验证。仿真结果表明,将四频陀螺信号转化为数字信号后,利用FPGA实现信号解调并最终达到分离左、右旋陀螺信号的方案是可行的,该方案将有助于全数字化激光陀螺的研制。     

双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术

双频激光干涉仪功能强大，50年来保持良好的发展势头，应用面（特别是在先进制造业）越来越宽广。本文以解决关键技术为线，概述笔者及合作者经40年坚韧研究完成的“可伐-玻璃组装式单频He-Ne激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪”的全链条技术。技术亮点有：开国内可伐-玻璃组装式He-Ne激光器之先，吹制工艺或成历史；开国内外内雕应力双频激光器之先，解大频差和高功率不可得兼之难，保持1 mW功率运转而频差可以在1～40 MHZ范围选择，还在源头上消除了干涉仪一直存在的测量非线性误差。目前，双折射双频激光器和干涉仪已在北京镭测科技有限公司批量生产。中国计量科学院测试结果表明，此双频激光干涉仪非线性误差小于1 nm，测量70 m长度时误差小于5μm。     

用于光生毫米波的双频激光放大特性

采用激光二极管端面抽运的双纵模Nd∶YVO4微片激光器作为种子光源,双端面抽运的Nd∶YVO4行波放大器作为功率放大器,获得了大频差、高功率双频激光信号输出。分析了放大过程中光谱匹配对双频激光输出特性的影响。结果表明,随种子光入射功率从小到大变化,放大倍率呈起伏减小的趋势;受到放大器增益带宽的限制,放大后双频激光频差小于种子光频差。当种子源和放大器的抽运电流分别为14.5A和40.0A时,最终获得了功率为2.38 W,频差为47.7GHz的双频激光信号输出。     

四频差动激光陀螺中的S—P各向异性效应

理论分析了四频差动激光陀螺中左，右旋椭圆偏振模式的非对称性，这种非对称性激光陀螺性能的影响是至关重要的，而引起这种非对称性的物理因素是环形的Ｓ－Ｐ相位和损耗的各向异性。     

高功率全光纤光载微波信号功率放大器

为获得可应用于光载微波雷达系统的高功率双频激光源,用1 064nm窄线宽Nd∶YAG单块非平面环形腔激光器作为单频种子源,其输出分为两路,一路直接耦合入光纤,另一路经声光移频,与未移频的光束合束后获得中心频差为150 MHz、功率为20mW的双频激光.利用以半导体激光泵浦和掺Yb3+石英光纤为增益介质的3级主振荡功率放大系统对双频固体激光器输出的双频激光进行放大,获得50.3W的双频放大输出,光束质量因子为1.30,第三级主放大斜效率为74%.双频成分的幅度比、频差在放大过程中得到保持,拍频调制深度及信噪比等特性也未有恶化.双频光纤功率放大器在频差稳定和高功率输出等方面均有良好的表现.     

用激光多普勒效应远距离测量固体散射表面的位移

利用激光多普勒效应实现了远距离固体表面的横向位移测量。从理论上分析了双光束差动结构的多普勒频移 ,设计了声光调制、双光束差动、大口径接收的光路系统和计算机实时跟踪补偿的位移测量系统。分别对普通纸张表面和金属表面进行实际测量 ,测量距离为 10m ,测量精度为± 0 .4%。     

载体振动对差动激光多普勒测速仪的影响

 为了减小载体振动对传统差动激光多普勒测速仪(LDV)测速精度的影响,提出了Janus配置的差动LDV,并对其速度测量的相对误差进行了理论分析与数值仿真。结果表明：Janus配置技术可以近似反演出载体上下振动时的俯仰角,并对速度进行补偿;载体上下振动对传统差动LDV的测量精度有较大影响,而对Janus配置的差动LDV的影响较小;在Janus配置的差动LDV中,当存在俯仰角且大小一定时,随着载体上下起伏速度与运行速度比值增大,速度测量的相对误差增大;当载体上下起伏速度与运行速度的比值为0.01,俯仰角小于10°时,Janus配置的差动LDV的速度测量的相对误差小于0.2%。     

四频差动激光陀螺工作点的选择

当四频差动激光陀螺工作于增益曲线上左、右旋陀螺比例因子相等位置时,误差因素在拍频的差动中得到较好的抵消,因而具有较优的性能。为了从实验上寻找该最佳工作点,对四频差动激光陀螺拍频表达式进行了分析,发现静态下和频的电压扫描曲线呈抛物线变化,而且当左、右旋陀螺比例因子相等时,和频的电压扫描曲线处于转折点。设计了实验通过和频电压扫描曲线得到了理论最佳工作点,在不同工作点下对陀螺进行测试,根据其零偏稳定性随工作点的变化趋势,得到了实测最佳工作点。对某型5个陀螺的多次实验表明,由和频电压扫描曲线得到的理论最佳工作点与实测最佳工作点基本一致,最大误差2Hz。该方法可作为四频陀螺选择最佳工作点的参考方法。     

基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统

提出一种基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统,将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应,使激光器变成了频差可调的双频激光器。运用频率分裂、模竞争、双纵模功率调谐等激光物理效应和设定浮动阈值,研制了新型的激光器纳米测尺。以激光波长为尺子,具有可溯源性,在没有任何电细分的条件下达到了纳米量级的分辨率,与激光干涉仪的比对实验表明,该系统的分辨率为79 nm,量程为15 mm,线性度为5.4×10-5,标准差为380 nm。