基于相位调制-解调的光纤激光相位噪声检测方法研究

在主动相位控制相干合成中,常用的光纤激光主动相位控制方法主要有外差法、多抖动法和随机并行梯度下降算法等. 基于多抖动法和外差法的原理,提出了一种新型的基于相位调制-解调的相位检测与控制方法. 该方法利用周期信号对参考光进行相位调制,将调制后的参考光与待检测信号光进行相干检测,通过对相干光强信号和相位调制信号的融合处理,实现相位噪声的检测和控制. 对该方法进行了数值模拟和实验研究. 实验结果表明,对于频率为2 kHz,噪声范围为[0,2π)的正弦噪声,相位检测精度优于λ/50,控制精度可达 关键词： 光纤激光 相干合成 相位噪声检测 调制-解调     

两路关联光纤激光器互注入锁相实验

基于角锥互注入锁相相干合成方案,利用光纤Bragg光栅（R=85％@1064nm）作为两路光纤激光器的共用腔镜,实现了两路光纤激光器相关联,进一步提高了激光的互注入能量。采用外腔结构,较容易实现了两路光纤激光器的能量互注入锁相。在实验上观察到了远场清晰稳定的干涉条纹（可见度超过0．8）,获得了功率合成效率约为80％的线偏振相干激光输出。     

两个光纤激光器的相干合成及其闭环控制

 采用了并联主振荡-功率放大的相干合成方案，实现了光纤激光器的相干叠加。主振荡的输出光通过保偏光纤分束器分为两路，其中一路加入保偏光纤相位调制器以实现闭环控制，两个保偏光纤放大器分别对两路输出光进行放大，放大后的输出光再由一个2×2的保偏光纤耦合器会聚相干。合成输出光的一部分通过光电转换后进入数据采集卡，采集卡将采集到的数据送入计算机进行实时处理并将得到的反馈信号作用于相位调制器，相位调制器实时控制两路信号的相位差，从而实现整个实验系统的相干合成输出。系统实现闭环控制后，两路光纤放大器的相位差为2π的整数倍，输出光强始终保持最强。该相干合成方案简单易行，性能稳定。     

激光强度起伏及相位噪声对光学双频探测的影响

针对利用光纤延时自差系统获得双频拍频光的方法,建立了激光源强度起伏和相位噪声对拍频光功率谱影响的理论模型,并基于该模型进行了数值分析和模拟。结果表明,短延时差比长延时差更有利于减小激光器的噪声干扰。当延时差小于激光相干时间时,激光线宽越大,强度起伏越大,信号的信噪比越低。当延时差远大于激光相干时间时,激光器的相位噪声成为拍频光信号展宽的主要来源,且相位噪声越大,拍频光信号功率越小;强度起伏也有一定的展宽效应,但对于拍频信号功率有增大作用。在长延时情况下,拍频光信号功率和线宽随两个频率光的延时差呈余弦规律变化,存在最佳工作点。     

两路双包层光纤激光器互注入锁相实验研究

提出了一种利用45°半透半反分束镜和角锥反射器实现两路光纤激光器的能量相互注入,从而获得相干合成激光输出的新方法,分析了其锁相原理.在实验上成功实现了两路独立振荡双包层光纤激光器的互注入锁相输出,在远场观察到了清晰稳定的干涉条纹（可见度约0.57）,获得了超过10W的相干合成激光输出,功率合成效率约为76%.实验表明,这种互注入锁相方法可以在更高功率条件下运行,是光纤激光相干合成领域一种有前途的新技术. 关键词： 光纤激光器 相干合成 互注入锁相     

两光纤激光器相干合成的实验研究

利用迈氏腔技术,进行了光子晶体光纤(PCF)激光器相干合成的实验研究,实现了两光子晶体光纤激光器的相位锁定,获得了功率为47W的相干输出.解释了在迈氏腔的两个输出光路上分别实现相干相长和相干相消的物理机理.实验结果表明,合成激光光谱较单台PCF激光器的激光光谱有显著的改善,波长带宽小于5nm. 关键词： 光子晶体光纤 相位锁定 迈氏腔 光纤激光器     

全光纤激光相干合成光谱响应特性研究

基于N-腔镜谐振腔理论对全光纤激光相干合成进行了理论分析，数值模拟了迈克尔逊型相干合成激光器的光谱特性，对两个光纤Bragg光栅的中心波长差和两路光的光程差对合成光谱特性的影响给出了理论解释.用啁啾光纤光栅取代其中一个光纤Bragg光栅，使激光相干合成的带宽由0.3 nm拓展到1.0 nm.     

线阵光纤激光相干合成控制器的设计

针对线阵光纤激光相干合成系统中对合成光束的质量、控制速度、控制精度的需求，完成了线阵光纤激光相干合成控制器的设计。该控制器以DSP2812和CPLD为核心处理器，通过AD976A模/数转换器接收光电探测器的电压信号，AD8544数/模转换器输出模拟电压控制压电陶瓷相位控制器，进而控制激光的相位变化。为了实现控制器与目标图像检测板和上位机的通信，设计了两路串口通信接口，并编写了相关测试程序，最终在线阵光纤激光相干合成系统中完成了四路1 064 nm激光的相干合成、扫描、跟踪实验。实验结果表明，该控制器搭载随机并行梯度下降（SPGD）算法，在光电探测器的配合下能够实现光纤激光锁相，控制主瓣能量变化优于±5%，锁相后主瓣能够完成±λ的扫描，扫描频率约为25 Hz，同时结合目标图像检测板完成了目标跟踪实验，实现激光相干合成条纹的目标跟踪。     

基于压电陶瓷与光纤电光调制器双通道伺服反馈的激光相位锁定实验研究

通过相干合束提高光纤激光源的输出功率是目前研究的一个热门领域,其中多束激光的相位控制是提高合束效率的关键技术之一.本文基于主动相位锁定技术对传统外差探测法进行了改进,基于压电陶瓷及光纤电光相位调制器双通道伺服反馈,实现了对同一激光源输出的两路相位独立变化的1531 nm激光长时间的相位锁定.通过选择合适的PID控制参数,将反馈带宽拓展到了220 k Hz(受限于PID控制器自身带宽).最终的相位锁定控制在0.88?以内,即相位控制精度为λ/400,经过160 s平均后可得到相位锁定的最佳值为0.006?,整体实验装置结构简单、运行稳定.     

基于能动分块反射镜的两路光纤放大器相位探测及其相干合成实验研究

在光纤激光相干合成中,需要探测各路光束之间的平移误差.提出了一种条纹提取算法,利用此算法能得到准确的相位平移扰动.基于此算法,针对两路光纤放大器测量了毫瓦量级的光纤放大器的相位噪声特性,然后采用高速数字处理电路以及能动分块反射镜完成了平移相位扰动的实时校正.实验结果表明,闭环前后条纹对比度从0.09提高到0.25,平移误相位噪声强度的幅值从1053.4 nm降低到116.7 nm,系统校正精度达到1/10λ,控制带宽约为50Hz. 关键词： 能动分块反射镜 条纹提取算法 相位扰动 光纤放大器     

两路光纤激光器自组织相干合成实验研究

 建立了两路光纤激光器自组织相干合成的理论模型，并进行实验验证。结果表明，通过能量的相互注入，可以实现光纤激光器的自组织相干合成，合成效率达到92%。当外界基本没有干扰时，远场光斑为稳定、高对比度的干涉条纹，激光器阵列输出模式为异相模，与理论分析的结果一致；当外界环境存在轻微干扰时，实验出现条纹移动现象，输出模式也不再是恒定的异相模。对外界干扰对自组织相干合成的影响进行了数值分析，结果表明：外界干扰的幅度与频率越大，两束激光的相位差的变化幅度与频率也就越大；当外界干扰超过一定程度，两束激光之间的相位差将不能被锁定，始终处于变化状态。     

Amplitude to phase conversion of InGaAs pin photo-diodes for femtosecond lasers microwave signal generation

When a photo-diode is illuminated by a pulse train from a femtosecond laser, it generates microwaves components at the harmonics of the repetition rate within its bandwidth. The phase of these components (relative to the optical pulse train) is known to be dependent on the optical energy per pulse. We present an experimental study of this dependence in InGaAs pin photo-diodes illuminated with ultra-short pulses generated by an Erbium-doped fiber based femtosecond laser. The energy to phase dependence is measured over a large range of impinging pulse energies near and above saturation for two typical detectors, commonly used in optical frequency metrology with femtosecond laser based optical frequency combs. When scanning the optical pulse energy, the coefficient which relates phase variations to energy variations is found to alternate between positive and negative values, with many (for high harmonics of the repetition rate) vanishing points. By operating the system near one of these vanishing points, the typical amplitude noise level of commercial-core fiber-based femtosecond lasers is sufficiently low to generate state-of-the-art ultra-low phase noise microwave signals, virtually immune to amplitude to phase conversion related noise.     

Coherent combination of two ytterbium fiber amplifier based on an active segmented mirror

To control the phase noise of two ytterbium fiber amplifiers, a coherent combination system based on an active segmented mirror (ASM) has been established in our laboratory. The ASM is controlled by a feed back control loop on the basis of a Peak Rate (PR) algorithm which is realized on a DSP + FPGA hardware control board. Experimental results indicate that when the control loop is off, the far-field interference pattern is blurred and dynamic, while when it is on, the far-field beams interference pattern achieves clear and stable. At two different output powers, the contrasts of the interference stripes are improved from 7% to 19% and 8% to 28% respectively.     

LaB6在低压强氮气和氦气中的放电特性

研究了LaB6在1~10 Pa氮气和氦气中的直流和脉冲放电特性以及放电过程对电极的影响。结果表明，电极直径为5 mm的LaB6氦气放电管在脉冲工作状态下可以长期稳定放电。在脉冲电压为2.2 kV、脉冲宽度10 ms、频率13.3 Hz下，脉冲峰值放电电流超过120 A。氦气放电管在放电过程中，阴极表面有离子的清洗和活化作用，可以使电极的表面逸出功降低，提高放电管的发射能力和稳定性。LaB6作为气体放电电极具有寿命长、延迟时间短、放电电流大等优点，可用于重复强流脉冲气体放电的高压高速开关器件。     

Attosecond‐precision ultrafast photonics

We review our recent progress toward attosecond‐precision ultrafast photonics based on ultra‐low timing jitter optical pulse trains from mode‐locked lasers. In femtosecond mode‐locked lasers, the concentration of a large number of photons in an extremely short pulse duration enables the scaling of timing jitter into the attosecond regime. To characterize such jitter levels, we developed new attosecond‐resolution measurement techniques and show that standard fiber lasers can achieve sub‐fs high‐frequency jitter. By leveraging the ultra‐low jitter of free‐running mode‐locked lasers, we pursued high‐precision optical‐optical and optical‐microwave synchronization techniques. Optical signals spanning 1.5 octaves were synthesized by attosecond‐precision timing and phase synchronization of two independent mode‐locked lasers. High‐stability microwave signals were also synthesized from mode‐locked lasers with drift‐free sub‐10‐fs precision. We further demonstrated the attosecond‐precision distribution of optical pulse trains to remote locations via timing‐stabilized fiber links. Finally, the application of optical pulse trains for high‐resolution sampling and analog‐to‐digital conversion is discussed.     

混沌干扰中基于同步挤压小波变换的谐波信号提取方法

针对混沌干扰背景下多个谐波信号的提取问题, 提出了一种基于同步挤压小波变换(SST)的谐波信号抽取方法. 首先利用SST将混沌信号和谐波信号组成的混合信号分解为不同的内蕴模态类函数, 然后利用Hilbert变换对分离出的内蕴模态类函数进行频率识别, 从中分离出各谐波信号. 以Duffing混沌背景为例, 对混沌干扰下多谐波信号的提取进行了实验分析. 实验结果表明: 对于不同频率间隔的多个谐波分量, 本文方法的提取结果都具有较高的精度, 而且所提方法对高斯白噪声的干扰具有较好的鲁棒性, 综合提取效果优于经典的经验模态分解方法.     

利用全光纤耦合环实现三路光纤激光器的相位锁定

利用三个2×2的光纤耦合器按一定规则联接成一个全光纤耦合环,该耦合环将三个独立的掺铒光纤激光器连成一个锁相阵列. 由于耦合环的引入,锁相阵列的整体损耗减小,且三个单元激光器之间可以进行有效的能量相互注入耦合,进而实现阵列的锁相输出. 实验中观察到的远场干涉图样和锁相前后的输出光谱均表明三路光纤激光器实现了相位锁定,当三路抽运源的功率均为100 mW时,获得了92 mW的稳定相干输出. 关键词： 光纤激光器 相干合成 光纤耦合器 相位锁定     

基于PCF-LPG的差分算法实现对光纤传感器的噪音消除

为了有效消除光源抖动及系统不稳定因素给光纤传感器带来的噪音干扰,提高光纤传感器的准确度,本文提出了一种基于光子晶体光纤长周期光栅的差分算法.利用光子晶体光纤长周期光栅良好的温度稳定性及宽光谱滤波特性,同时监测位于光子晶体光纤长周期光栅透射谱正负斜率线性区域内的两个信号功率变化.这两个信号是经同一路径到监测设备的,包含光源抖动以及系统其它不稳定因素带来的噪音干扰,对这两个信号进行差分处理即可有效消除噪音干扰,并将其应用于光纤环镜温度传感器.结果表明:通过基于光子晶体光纤长周期光栅的差分处理,在光源功率变化±10%的情况下,差分值基本保持不变,由此获得的温度测量值与真实值相对误差分别为0.04和0.03|与未引入差分算法相比,传感器准确度从约76%提高到约97%.本文提出的基于光子晶体光纤长周期光栅的差分算法可以有效消除光纤传感器内功率抖动所带来的噪音干扰,大大提高系统的准确度.     

Coherent beam combination of two thulium-doped fiber laser beams with the multi-ditheringtechnique

Coherent beam combination of two thulium-doped fiber laser beams using a multi-dithering technique is presented for the first time. In the experiment, two fiber lasers centered at 1948.6 nm are coherently combined, and a phase modulator based on piezoelectric ceramics transducer is connected in one beam path to compensate for the phase errors between the two beams. When the phase control system is closed loop, the fringe contrast of the far-field intensity pattern is improved to be more than 75%, from 15% in open-loop, and the residual phase error is less than λ/20. The experimental results show that the performance of the phase control system is robust and the control bandwidth is more than 1 kHz, which indicates that the above approach can be scaled to facilitate the coherent beam combination of kilo-watt level thulium-doped fiberlaser.