小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测，基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构，编写了上位机软件，嵌入了不同的寻峰算法，可适用于不同噪声环境下中心波长的计算，以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例，提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法，提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验，结果表明，阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果，且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算，所得系统精度为5.89 pm，与模拟评测结果的误差小于1.7 pm，验证了模拟评测的可行性。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

Wollaston棱镜阵列中子棱镜结构角误差分析

Wollaston棱镜阵列中各个子棱镜的结构角间的误差影响着光谱仪的性能.从干涉图的无缝拼接入手,推导了n元Wollaston棱镜阵列的最大光程差公式,以三元Wollaston棱镜阵列为例,分析子棱镜结构角误差对光谱分辨率的影响,通过干涉条纹光强公式构建干涉图样模型,利用Matlab软件编写相关程序,仿真了630 nm单色光的复原光谱,分析结构角误差对光谱的影响.实验结果表明:当子棱镜结构角误差大于10-3数量级时,光谱中将有伪峰出现,为Wollaston棱镜阵列的研制提供了理论依据.     

激光器的部分相干性对光纤激光器阵列相干合成远场图样的影响

考虑光纤激光器阵列相干合成的远场分布时，一般都认为单个激光器的输出光束是理想的高斯光束，实际上受各种因素的影响，一般激光器的输出光束都是一部分相干光.从部分相干光的高斯-谢尔模型出发，首次推导出了当单个激光器的输出光束是部分相干光时，激光器阵列相干合成的远场光强分布模型，并给出了数值模拟计算结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 部分相干光     

基于LED峰值的太阳光谱合成方法

为了利用不同波段LED快速准确地模拟太阳光谱,基于LED的光谱合成原理,提出了一种利用LED光谱峰值波长处的数据合成太阳光谱的方法,简化了太阳光谱的拟合过程。首先,建立所有LED峰值波长处的函数方程组,利用约束最小二乘法确定各波段的拟合参数。进而,通过3组等间隔的LED光谱数据组对该方法进行了仿真分析,间隔40,30,20 nm的LED合成光谱与目标光谱相关系数对应为0.902,0.935,0.977,并对合成光谱失真处进行了分析和修正。最后,根据所选LED的实际光谱对太阳光谱进行了仿真分析。仿真结果表明：合成光谱与太阳光谱最大失配误差为4%,达到AM1.5的A级标准,满足LED太阳模拟器光谱匹配要求。     

多孔径激光阵列光束排布模式及误差对相干合成效率影响的研究

多孔径激光阵列相干合束是获得高功率、高亮度激光束的有效方法。为了设计更有效的多孔径激光阵列相干合成系统,主要分析了三光束"品"字形、七光束六角形、十九光束大六角等工程应用中的典型激光阵列排布模式对合成功率的影响,并基于MATLAB模拟了不同阵列排布情况下的激光相干合成情况,讨论光束排列的位置误差、发射光束光轴角度偏移误差以及各个相干合成阵列激光器之间的活塞相位误差对合成效率的影响。结果表明,不同的激光阵排布在观察位置处的光强分布差别很大;各光束之间的角度偏差越小,初始相位差越小,相干合成的效率越高。这些结果将对于指导设计多孔径激光阵列相干合成系统有重要意义。     

子激光器功率差对光纤激光器相干组束的影响

设计了由两支光纤激光器通过耦合器组成的迈克尔逊腔型光纤激光器阵列,实现了相干合成输出,相干合成功率与完全相干合成的理论值偏差约9％。研究了子激光器功率差对低损耗端口相干合成特性的影响。结果表明：当子光纤激光器功率差减小时,耦合效率增大,理论与实验偏差减小,泵浦效率增大,输出功率增大,光谱中心波长基本不变;子激光器功率越大,子激光器功率差对以上物理量的影响越小。     

光学线性调频步进信号合成与高分辨测距演示

利用分立激光器合成大带宽线性调频步进信号(FSCS)激光信号源以实现高分辨测距。依据FSCS信号测距原理,数值计算了激光器各参数对合成FSCS信号的影响及其误差容限。计算表明,在各激光器参数误差中,起始频率和起始时间误差是引起合成FSCS信号测距分辨力恶化的最主要因素。另外,利用一台中心波长1550nm、线宽为150kHz的线性调波长激光器,通过光学斩波方式,模拟产生了合成FSCS信号,进行了高分辨力的测距演示。理论分析与实验结果表明,采用分立激光器合成高分辨力测距FSCS信号是可行的。     

808 nm大功率半导体激光器阵列的优化设计

 采用激射波长为808 nm的GaAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制单量子阱结构外延片,制备了沟道深度不同的半导体激光器阵列,并对载流子分布进行理论分析和模拟。理论和实验结果表明：引入脊形台面和隔离沟道后,激光器阵列的输出功率、电光转换效率、斜率效率和光谱特性均有显著提高。随着沟道的加深,对电流侧向扩散的限制作用增强,从而提高了阵列性能。     

光电阵列探测器对色散型光谱仪分辨极限及波长准确性的影响

针对光电阵列探测器对色散型光谱仪的光谱分辨极限和波长准确性可能造成的不利影响，分别从空域和频域两方面分析了阵列探测器的光敏元中心距、谱线的宽度有普线与光敏元的相对位置对分辨极限及波长准确性的影响，并通过计算机模拟定量地给出了在不同情况下其分辨极限和波长准确性的大小，得出了高斯型谱线的宽度小于光敏元中心距的5倍时，光谱仪系统不能同时提高其光谱分辨极限和波长准确性的结论。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

4 mm腔长高功率单管半导体激光器封装应力的研究

为了减小长腔长高功率单管半导体激光器在封装过程中引入的热应力,根据应力改变禁带宽度的原理,理论上推导了应力与波长漂移的关系,提出了一种通过测量激光器脉冲条件下的光谱来定量计算激光器应力的方法。利用这种方法得到的研究结果表明,焊接质量直接决定着应力的大小,由焊接质量的不同引起的应力差值超过了300 MPa,提出了优化焊接回流曲线的方法,使激光器的应力由原来129.7 MPa降低到53.4 MPa,该方法还有效的解决了封装应力随储存时间变化的问题。实验表明,激光器光谱图的测量分析是研究高功率单管半导体激光器封装应力的有效方法,也是检测分析烧结工艺的有效手段。     

High-power passive mode-locking of a diode pumped Yb:GdVO4 laser

Passive mode-locking of a diode pumped Yb-doped GdVO₄ crystal laser was demonstrated for the first time to our knowledge. The laser was mode-locked at the wavelength of 1019.1 nm and had an average output power of 1.01 W. The mode-locked pulse duration was 3.1 ps. The laser was end-pumped by a high-power fiber pigtailed laser diode bar and the mode-locking was enabled by a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM).     

基于莫尔干涉的激光中心波长精确检测的研究

为了提高激光中心波长检测的精确度,提出了基于正交干涉原理的静态干涉系统,由两个相互垂直的棱镜组成产生二维平面上的光程差分布,以面阵CCD取代线阵CCD,对平面上的正交干涉条纹数据进行采集.在计算分析莫尔干涉仪的光程差分布的基础上,计算干涉图像中干涉条纹的拼接及傅氏变换等,最终得到光谱分辨率.由MATLAB仿真软件分析结果可知,静态莫尔干涉系统可以产生的光程差最大为234μm,比等尺寸的傅里叶干涉体高约一个数量级.实验标定用的光谱仪选用LAB SPAKR 750A型光谱仪,针对中心波长为635 nm的半导体激光器进行测量,结果显示中心波长位置基本一致,但在中心波长附近的光谱细节上莫尔干涉优于传统干涉具.     

808 nm高占空比大功率半导体激光器阵列

 采用渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构,通过降低非辐射复合、有源层载流子泄露、散射和吸收损耗来提高出射效率和降低激光阈值电流,从而提高半导体激光器阵列的输出功率;同时使P面具有更高的粒子掺杂数密度,优化N面合金条件,降低半导体激光器的串联电阻,降低焦耳热,提高了半导体激光器阵列的转换效率。利用金属有机化学气相淀积技术生长GaInAsP/InGaP/AlGaAs渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构激光器材料,利用该材料制成半导体激光线阵列在20%高占空比的输入电流下,半导体激光器的输出峰值功率达到189.64 W(180 A),斜率效率为1.1 W/A,中心波长为805.0 nm,阈值电流为7.6 A,电光转换效率最高可达55.4%;在1%占空比的输入电流下,阵列的输出峰值功率可达324.9 W(300 A),斜率效率为1.11 W/A,阈值电流为7.8 A,电光转化效率最高达55.6%,中心波长为804.5 nm。     

一种大功率窄脉冲半导体激光器测试台的研制

大功率窄脉冲半导体激光器主要光电性能参数为:输出峰值光功率、阈值电流、正向电压、上升时间、峰值波长、光谱半宽、半强度角.根据激光制导系统对大功率窄脉冲激光器参数的特殊测试要求,研制一种大功率窄脉冲激光器测试平台,将小型化大功率激励器功放模块、大范围可调DC-DC模块、信号源板、激光器座、光学准直镜集成在一个平台上,与峰值功率计、光谱仪、CCD摄像机等仪器配合,可测出大功率窄脉冲激光器的峰值功率、峰值波长及波长随温度变化的漂移特性、发光芯均匀性等参数.介绍了大功率窄脉冲激光器测试台的特点,并对测试结果作了论述.     

Spectrum Improvement of a High-Power Broad-Area Laser Diode Based on a Grating Semi-Feedback External Cavity Scheme

We propose a grating semi-feedback external cavity (GSFEC) scheme for high-power broad-area laser diodes for improving the spectrum characteristics of high-power semiconductor lasers. We design this scheme as two crossed cylindrical resonators employing a holographic diffraction grating and a rectangular highly reflecting mirror. In our experiments, we obtain stable spectrum characteristics over a tuning range of 5 nm, with maximum output power up to 764 mW at an operating current of 3.5 A. The wavelength drift rate with injection current decreases from 0.59 nm/A of free-running condition to 0.2 nm/A, and the laser bandwidth is compressed to 21.5% at 2 A.     

High-power multiple-frequency narrow-linewidth laser source based on a semiconductor tapered amplifier

The output of two grating-stabilized external-cavity diode lasers was injected into a semiconductor tapered amplif ier in a master oscillator-power amplif ier (MOPA) configuration. At a wavelength of 671 nm this configuration produced 210 mW of power in a diffraction-limited mode with two frequency components of narrow linewidth. The frequency difference delta was varied from 20 MHz to 12 GHz, while the power ratio of the two components was freely adjustable. For delta < 2 GHz additional frequency sidebands appear in the output of the MOPA. This configuration is a f lexible and simple high-power cw laser source for light with multiple narrow-linewidth frequency components.     

Widely tunable diffraction limited 1000 mW external cavity diode laser in Littman/Metcalf configuration for cavity ring-down spectroscopy

We report on recent progress on external cavity diode lasers (ECDL) using a new concept of a Littman/Metcalf configuration. Within this concept one facet of the diode laser chip is used for coupling to a high quality Littman/Metcalf resonator whereas the other side of the diode laser chip emits the output beam. The alignment of the external resonator is independent from the alignment of the output beam and there is no need for any compromise in the alignment. This results in an improved behavior of the external resonator with the benefit of a drastic increase in power and single mode tuning.We investigated this light source for high resolution spectroscopy in the field of cw-cavity ring-down spectroscopy (CRDS). The monitoring of environmental and medical gases from vehicles or human breath requires a suitable radiation source in the mid-infrared (MIR) between 3 and 5 μm that is frequency stable and can be widely tuned. Since this wavelength cannot be reached via direct emitting room temperature semiconductor lasers, additional techniques like difference frequency generation (DFG) are essential. Tunable difference frequency generation relies on high power, small linewidth, fast tunable, robust laser diode sources with excellent beam quality.With our new compact, alignment-insensitive and robust ECDL concept, we achieved an output power of 1000 mW and an almost Gaussian shaped beam quality (M²<1.2). The coupling efficiency for optical waveguides as well as single mode fibers exceeds 70%. The wavelength is widely tunable within the tuning range of 20 nm via remote control. This laser system operates longitudinally in single mode with a mode-hop free tuning range of more than 150 GHz without current compensation and a side-mode-suppression better than 50 dB. This concept is currently realized within the wavelength regime between 750 and 1080 nm.Our high powered Littman/Metcalf laser system was part of a MIR-light source which utilizes DFG in periodically poled lithium niobate (PPLN) crystals. At the wavelength of 3.3 μm we were able to achieve a high-resolution absorption spectrum of water with four different isotoplogues of H₂O components. This application clearly demonstrates the suitability of this laser for high-precision measurements. PACS 07.57.Ty; 42.55.Px; 42.62.Fi     

半导体激光器堆栈填充因子对慢轴光束准直的影响

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形,对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上,着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响,并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计,并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试,实现准直后剩余发散角半角2.12°,实验表明该准直方法的有效性。