基于可调谐半导体激光器的高分辨率多路复用光纤光栅波长解调系统

构建了一套高分辨率的可复用光纤光栅波长解调系统.采用波长调谐范围为1 546nm至1 558nm的紧凑型可调谐半导体激光器作为光源,来提高系统的紧凑性、波长分辨率以及响应速度,加入标准气室作为波长基准以提高系统的长期稳定性.使用多个电极电流共同调谐的办法,实现了在12nm范围内半导体激光器波长分辨率高达1pm的准连续波长扫描.利用重心算法提高光纤光栅中心波长的解调精确度和稳定性,并对解调过程进行模拟.解调系统的波长分辨率优于1pm,精确度接近2pm.整个光纤布拉格光栅温度传感系统在1 550nm附近实现了0.1℃的温度分辨率.     

用于抽运铯蒸气激光器的半导体激光器波长稳定与线宽窄化研究

针对铯蒸气激光器对窄线宽与高稳定852nm半导体激光抽运源的要求,采用体布拉格(Bragg)光栅作为外腔输出镜,研究了体Bragg光栅衍射效率对外腔半导体激光器输出光谱特性的影响。研究结果表明,衍射效率为24%、32%与37%的体布拉格光栅均能够改善半导体激光器输出光谱特性;输出光束中心波长锁定在852nm附近、输出线宽约为0.26nm;外腔半导体激光器输出波长随抽运电流、温度的变化速率分别小于10.4pm/A、7.2pm/℃,优于自由运行半导体激光器;随着光栅衍射效率增加,全系统外腔效率从91%降低至86%。     

单片集成两段式双波长分布反馈半导体激光器

双波长激光器腔内模式竞争激烈，因此输出模式的稳定性是双波长激光器的关键参数。从降低双波长激光器中两个主模之间的功率差、提高边模抑制比出发，设计了集成反射区的两段式双波长分布反馈半导体激光器。利用传输矩阵法对激光器的光栅结构进行仿真，分析了反射区光栅对激光器的阈值、主模功率差等参数的影响。根据仿真优化的结果，制作了单片集成两段式双波长分布反馈半导体激光器芯片并进行了测试。测试结果表明两段式结构能够提高双波长激光器的稳定性和边模抑制比，减小两个主模的功率差。在稳定工作的情况下，两个主模功率差可达0.3 dB，边模抑制比大于35 dB。     

980 nm半导体激光器温度控制方案设计

980 nm半导体激光器作为掺铒光纤放大器的最佳泵浦源,其温度会影响激光器功率稳定性和放大器输出光谱漂移。提出将现场可编程门阵列（FPGA）作为核心控制元件,以半导体制冷器为执行元件、热敏电阻为温度传感器,利用FPGA自动切换内部状态机、控制流入半导体制冷器电流的方向和大小,实现980 nm半导体激光器内部的温度控制,并通过搭建基于FPGA的掺铒光纤放大器系统实验装置,验证所提方法的可行性。实验结果表明：所提出的温度控制方法能有效地实现980 nm半导体激光器的温度控制,使其功率-电流曲线的线性拟合度提高了23.07%,掺铒光纤放大器的输出光谱波长偏移减小了62.5%,保证了激光器输出功率及放大器输出波长的稳定性。该方法的结构简单且实时性高,对推进半导体激光器温度控制的发展及应用具有非常重要的意义。     

光栅耦合外谐振腔调谐的半导体量子级连激光器

本文研究了由InGaAs/InAlAs材料组成,波长为4.6和5.1微米的量子级连中红外半导体激光器的光栅外耦合谐振腔的特性。在温度是80K时波长可调制宽度是激光中心波长的1.5%左右。对于这两个激光器而言,它们的波长可调制宽度随温度升高而减低。被调制的单模激光器的输出光功率是几个毫瓦,激光的谱线宽度是1到2个微米。激光阈值电流随波长缓慢变化,然而激光输出效率在短波长时更加优化。     

室温连续中红外量子级联激光器驱动电源的研制

为了满足中红外波长调制光谱技术中室温连续中红外量子级联激光器的驱动要求,设计并研制了一种量子级联激光器驱动电源系统.首先,设计了直接数字合成模块来产生直流、锯齿波和正弦波的叠加驱动信号以调谐激光器的电流,进而调制其输出波长;其次,设计了高速(约40ns)过流保护电路,配合电压深度负反馈原理,保证激光器工作的可靠性,提高激光器电流的稳定度;再次,将比例-积分-微分软件算法与温度模拟控制电路相结合,在简化电路结构的同时,有效地控制和稳定激光器的温度,防止因温度变化造成激光器输出波长的漂移和发光功率的波动.利用该驱动电源系统对中科院半导体所研制的中心波长为4.76μm的量子级联激光器做驱动测试,结果表明:驱动电源系统电流调节的线性度为0.0068%,驱动电源的长期(240h)电流稳定度为4.99×10-5,量子级联激光器的光强稳定度为5.07×10-4,控温稳定性为0.01℃,温度稳定时间为17s;当量子级联激光器的驱动电流为330mA,温度为21℃时,在240h内峰值波长的漂移为±0.02nm.     

体布拉格光栅外腔红光半导体激光器实验研究

采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成红光外腔半导体激光器,对器件输出光特性进行了实验研究。重点研究了体布拉格光栅的位置对红光外腔半导体激光器远场特性的影响。实验结果表明,减小体布拉格光栅与激光器芯片之间的距离可提高激光器的锁模效果,窄化光谱,并且改善慢轴方向的光束发散角。使用衍射效率为20%的体布拉格光栅,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在634 nm附近,光谱线宽压缩至0.7 nm左右,输出功率可达1.06 W。     

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。     

970 nm高功率光栅外腔可调谐半导体激光器

宽条形半导体激光器广泛应用于激光泵浦、激光加工等领域。针对宽条型半导体激光器输出光谱宽、调谐范围小的问题,采用衍射效率分别为28%和55%的反射式衍射光栅作为反馈元件构建了宽条形970 nm波长光栅外腔半导体激光器。研究了Littrow结构激光器参数对其性能（调谐范围、功率、阈值电流、线宽）的影响。实验结果表明,通过结构优化可得到窄线宽可调谐激光输出,适当地提高温度和使用较高衍射效率的光栅可增加激光器调谐范围,并且较高衍射效率的光栅可降低激光器的阈值电流。基于S偏振入射方式的光栅外腔激光器最大可实现27.87 nm的波长调谐范围,光谱线宽压窄至0.2 nm,输出功率可达1.11 W。     

1.55-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

提出一种基于AlGaInAs材料的1.55-μm波段的大功率、高速直调分布反馈(DFB)激光器阵列。采用具有良好温度特性和高微分增益的AlGaInAs材料作为量子阱和波导层以实现大功率与高带宽的输出;引入稀释波导结构来减小有源区内部损耗,同时降低远场发散角;采用悬浮光栅并优化耦合系数以实现大注入电流下的单模稳定工作。最终实现了1.5-μm波段5波长的大功率直调激光器阵列,阵列波长间隔约为5 nm,室温连续波(CW)工作时各通道输出光功率均大于100 mW,单通道最大输出光功率为160 mW,500 mA工作电流范围内边模抑制比大于55 dB,小信号调制带宽可达7 GHz,激光器最小线宽为520 kHz,相对强度噪声低于-145 dB/Hz。     

808nm大功率分布反馈激光器列阵研制

为提高大功率半导体激光器的泵浦效率,必须降低半导体激光器输出波长随温度的漂移系数。采用MOCVD外延技术、纳米压印和干法刻蚀附加湿法腐蚀等工艺制备了大功率分布反馈激光器列阵。激光器列阵的腔长为1 mm, 25℃时中心波长为808 nm,通过测试不同热沉温度下的P-V-I曲线和光谱图,表明当脉冲工作电流为148 A时,激光器列阵的输出功率可以达到100 W,斜率效率为0.9 W/A,光谱的FWHM为0.5 nm,边模抑制比可以达到40 dB,出射波长随温度的漂移系数为0.056 nm/℃,单列阵波长锁定范围可达50℃,总锁定范围100℃。另外还分析了腔面镀膜对波长锁定效果的影响。     

光谱稳定的低功耗980nm单模泵浦源半导体激光器

由于在很多特殊应用领域要求980 nm泵浦源半导体激光器具有光谱稳定、低功耗等,本文通过对980nm单模半导体激光器的腔长、腔面反射率及光纤光栅反射率等优化设计,研制出低阈值、高功率980 nm光纤光栅外腔波长稳定半导体激光器。该低功耗、波长稳定的单模半导体激光器,在100 m A工作电流下尾纤输出功率达到51 m W,3 d B带宽为0.16 nm,边模抑制比大于40 d B,器件在250 m A工作电流下,尾纤输出功率达到120 m W。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器光谱特性研究

用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与瓦级半导体激光器(LD)以及快轴准直柱透镜构成一个可以将半导体激光器的工作波长稳定在体布拉格光栅布拉格波长处的外腔激光器。测量了体布拉格光栅外腔激光器的波长稳定性与其工作电流、热汇温度、激光束准直装置等因素的关系。分析了波长稳定效果与半导体激光器增益谱特性、外腔结构参量等因素的关系。研究表明,在相同的工作电流、热汇温度下,当准直柱透镜直径为0.4 mm时的波长稳定效果较好;在此情况下,当热汇温度控制在30℃,工作电流从0.5 A增加到1.5 A的测量范围内,以及当工作电流固定在1.5 A,热汇温度从20℃增加到35℃时,测得的光谱特性表明,半导体激光器的工作波长可以很好地稳定在体布拉格光栅的布拉格波长处。与该激光器在同样条件下自由运转的光谱比较,可以看到,自由运转激射波长与体布拉格光栅的布拉格波长差值小于2.6 nm情况下,可以获得很好的波长稳定效果。实验也表明,当该值大于4.8 nm时波长稳定效果变差。     

用于低噪声DPL激光器的高稳定性LD驱动源的研制

根据高稳定性、低噪声半导体泵浦激光器(DPL激光器)对于激光电源的要求,研制了一台工作电流可达7A、集电流慢启动和过流保护等多重保护于一体的高稳定性LD驱动源,分析了其高稳定性电源的工作原理和影响电流稳定度的主要因素,得到了电流稳定度为2.0×10-4的高稳定性电流输出。以此激光电源作为高稳定性DPL激光器的LD驱动源,获得了3.5h内功率稳定性小于4‰的激光输出。     

半导体激光器实现波长转换的理论模型分析

作为自动交换光网络中的核心器件，全光波长转换器的研究是目前的热点。提出了基于半导体激光器实现波长转换的理论模型，采用小信号分析方法，利用速率方程求解了波长转换的频率调制响应特性。并初步研究了不同半导体激光器工作电流、码速、输入信号光功率、增益吸收系数条件对波长转换性能的影响。这对于优化基于半导体激光器的全光波长转换器有一定的参考价值。     

光栅外腔半导体激光器GHz射频调制特性研究

研究了光栅外腔半导体激光器(ECDL)对射频频率调制的响应特性,分析了射频频率调制时光栅外腔对半导体激光器的边带信号的影响.实验中测量了GHz射频频率调制的.ECDL输出的边带信号随射频信号功率、注入电流、光栅外腔长度的变化情况.证实了当射频调制频率等于光栅外腔自由光谱区的整数倍时,ECDL输出的边带信号可在一定程度上得到增强.     

光纤光栅外腔半导体激光器的多参量优化分析

采用多参量优化的多目标遗传算法优化了光纤光栅外腔半导体激光器（FGECL）管芯的两个端面反射率和外腔长度.研究了FGECL的阈值特性，并对多个参量优化和单个参量优化的结果进行了比较分析.表明获取最低阈值电流，要以激光器的电光转换效率和输出光功率为代价，从而得到高边模抑制比、窄光谱线宽、良好动态特性和高调制速率的FGECL.并且发现当两端面的反射率增加，同时激射波长在外腔长度中形成稳定谐振时，激光器的阈值电流达到最小值，但相应的电光转换效率和出光功率会急剧地减小.     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式（DFB）光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器（ECDL）线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔（F-P腔）结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%）的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷（PZT）和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。     

采用偏振光谱对外腔半导体激光器稳频时反馈环路带宽的影响

在采用磁光阱实现单个铯原子俘获的实验中, 运用无调制偏振光谱方法将光栅外腔半导体激光器(提供冷却/俘获光)的频率锁定在铯原子6S1/2 F=4→6P3/2 F′=5的超精细跃迁线上.采用偏振光谱技术得到的类色散曲线作为鉴频信号, 并同时对光栅外腔半导体激光器的电流调制端口和光栅外腔的压电陶瓷电压调制端口进行反馈, 以拓展反馈环路的带宽, 实现激光器的频率锁定.与通常的饱和吸收光谱稳频技术相比, 激光频率锁定之后的频率稳定度得到了明显改善.在取样时间τ=300 s时, 阿仑方差σy(τ)=4.6×10-12.     

高功率全光纤激光器特性

介绍了采用国产光纤光栅研制的全光纤激光器,单端泵浦获得468 W的连续激光输出。从理论上分析了光纤光栅的反射率与波长的关系,计算了输出谱宽值,与实验测得的数据相符。全光纤激光器的光-光转换效率达到70%,且随着功率的增加,光纤光栅的中心波长有向长波方向漂移的趋势。在最高输出功率下180 s之内输出功率波动在0.04%以内。