大气颗粒物多参数激光自混合传感的数值模拟与特性分析

基于颗粒物米氏散射特性、激光自混合三镜腔理论和激光器稳态条件,推导出在大气颗粒物光反馈下激光器频率、功率、线宽的理论表达式,建立了大气颗粒物光反馈下的激光自混合理论模型。同时,数值模拟和分析了大气颗粒物物理参数对激光自混合干涉信号的影响。结果表明,在一定粒径范围内,激光自混合反馈强度随大气颗粒物粒径增大先增大后减小,且反馈强度峰值出现的位置随颗粒物折射率实部的增大、虚部的减小向粒径较大处移动;自混合系统的外腔长度影响自混合干涉信号的波动深度,激光器输出光信号的幅值随外腔长度增大呈指数衰减;自混合干涉信号波动频率与大气颗粒物运动速度呈线性关系。分析结果对基于激光自混合效应的大气颗粒物多物理参数传感具有重要作用。     

基于二次反馈激光自混合新型测距方法

在基于激光自混合干涉的理论上,提出了一种利用二次反馈激光自混合干涉的新型测距方法。利用三角波电流对半导体激光器进行调制,得到一次反馈自混合干涉信号。通过对信号分析可知,当半导体激光器被调制后,会产生一系列的模跳,模跳的数量与绝对距离成正比。通过计算在一个三角波电流调制周期内模跳的数量,就可以求出绝对距离。利用多重激光自混合的概念,提出该种新型测距方法。建立了距离测量系统,进行了实验验证。实验结果表明:由于步长分辨率精度的提高,测距精度明显提高。     

自混合干涉效应的一般模型及其仿真

从自混合干涉效应的等效结构出发,建立了该效应的一般模型。该模型包含了多重光反馈和多模激光的自混合干涉效应等情况,并且可以转化为以往所报道的弱光反馈水平的弱光模型和单模条件下的一般激光自混合干涉模型,明确了模型中各个参数的物理意义,对自混合干涉理论的研究提供了很好的理论指导。对单模的几种情况分别进行了数值仿真,仿真结果很好地验证了模型的正确性。     

多纵模激光二极管自混合干涉的观察和分析

自混合干涉信号的幅度和波形均会随外腔静态长度发生周期性变化。实验测量了干涉信号幅度和波形随外腔静态长度的变化,并用多模自混合干涉信号叠加的方法计算分析了干涉信号的幅度随外腔静态长度的变化,然后考虑反馈光对内腔反射率和激光介质增益的影响计算分析了干涉信号的波形随外腔静态长度的变化。结果表明,多模激光自混合干涉信号随外腔静态长度变化的周期为内腔的光学长度,而其主极大区域的宽度为激光的相干长度,小于内腔的光学长度。多纵模自混合干涉信号的叠加导致自混合干涉信号的幅度随外腔静态长度发生周期性变化,而波形随外腔静态长度周期性变化则是内腔反射率和激光介质增益均受反馈光影响导致的非线性的结果。     

含预反馈的激光自混合干涉型位移测量结构

提出了含预反馈的激光自混合干涉型位移测量结构，建立了系统模型，经理论分析和实验验证，结果表明，该结构具有提高温度量程，提高测量信号信噪比及获得粗糙表面的锯齿干涉信号等特点。     

基于经验模态分解的自混合干涉相位提取方法研究

为实现光反馈机理下激光自混合干涉信号相位的精确提取, 本文提出了一种基于经验模态分析(EMD)的方法.首先, 采用EMD算法对含噪的自混合干涉信号进行了降噪预处理, 提取有效的干涉信号.然后在对含有外腔物体运动信息的光反馈相位求解的过程中, 利用希尔伯特黄变换(HHT)原理实时提取每一时刻的瞬时相位, 将其去包裹处理后得到真实相位. 在弱、适度、强光反馈条件下, 分别对基于EMD的相位提取算法进行了仿真研究.最后, 搭建了基于自混合干涉效应的微位移测量实验平台, 进行实验研究.实验结果表明, 利用该方法可以实现对自混合干涉信号的相位提取, 最大误差小于1.6 rad.仿真和实验结果的一致性, 说明了EMD方法的有效性.     

激光二极管自混合干涉信号随外腔长度衰减

理论分析了激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增大的变化特点及规律。从复合谐振腔干涉函数出发,推导出激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增加指数衰减,衰减系数与光频虚部成正比,并给出光频虚部和实部满足的超越方程组。求解该超越方程组得到,当外腔长度超过一个临界值时,光频虚部随外腔长度近似反比衰减,则激光二极管自混合干涉信号随外腔长度增加衰减很缓慢;当外腔长度小于该临界值时,外腔反馈会使光频虚部增大,而且光频虚部随外腔长度变化而振荡,激光二极管自混合干涉信号出现复杂的状态。外腔反馈强度越大,或激光单模线宽越大,这一外腔长度的临界值则越小。分析激光二极管自混合干涉还需要考虑外腔反馈对光频虚部的影响。     

基于激光自混合干涉技术和小波变换的齿轮箱故障诊断

激光自混和干涉(SMI)技术是一种利用光反馈原理进行的振动检测技术,它具有结构简单,非接触式测量振动信号的特点。为了解决齿轮箱故障诊断的问题,提出了用激光自混合干涉技术提取信号,并通过小波变换对信号分析进行处理的方法。通过分析小波变换的各个分量以及最终经过小波变换去噪后的信号,能够准确地识别出齿轮箱在运转时所存在的周期性振动故障信号,实验得到的结果与理论值结果完全吻合。     

半导体激光器混沌输出的延时特征和带宽

外腔延时特征和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量.本文将一个单路光反馈的半导体激光器输出的激光部分地注入到另一个双路滤波光反馈的半导体激光器中,从而构成一个具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统,即主从激光器系统,用于抑制混沌激光的延时特征并研究其带宽.数值研究了外光注入系数、反馈强度、抽运因子和滤波器带宽对系统输出混沌激光的延时特征的影响,然后将该系统对延时特征的抑制效果和具有外光注入的单路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的双路光反馈半导体激光器系统、具有外光注入的单路滤波光反馈半导体激光器系统以及无光注入双路滤波光反馈半导体激光器系统进行对比和分析,结果表明本文提出的方案对延时特征的抑制效果最好.然后在本文提出的具有外光注入的双路滤波光反馈半导体激光器系统中,延时特征被有效抑制的参数条件下研究系统输出混沌激光的带宽,结果表明,通过适当选择参数的取值,本文提出的方案可以提高系统输出混沌激光的带宽.     

多重光反馈的激光自混合干涉

对多重光反馈的激光自混合干涉现象进行了实验观察,并基于含复合腔激光器结构,建立了系统模型,模型的仿真结果与实验结果相吻合,研究结果有助于设计高分辨的位移测量系统。     

激光自混合干涉位移测量系统的稳态解

基于三镜腔等效自混合干涉位移测量系统，对自混合干涉系统的稳定性问题，建立系统模型，通过求解模型的相位方程，确定其单值解和多值解时边界条件，从理论上确定自混合干涉系统稳态运行的光反馈水平。该结论对系统设计具有指导意义。     

Observation and Interpretation for a Phenomenon Involved with the Self-mixing Interference in Semiconductor Laser

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｉｎａｓｅｌｆｍｉｘｉｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍ,ａｐｏｒｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｅｄｆｒｏｍａｌａｓｅｒｓｏｕｒｃｅｉｓｒｅｆｌｅｃｔｅｄｂｙａｎｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｏｒ,ｓｕｃｈａｓａ?..     

半导体激光管位移传感器的模型建立及仿真分析

从激光应用系统稳态条件出发,建立了半导体激光管位移传感器系统的数学模型,其仿真结果与有关文献的实验结论相吻合,详细阐述了通过检测ＬＤ注入调制三角波相邻两周期对应点处信号的位相差而完成位移测量的原理。由理论分析提出了提高最大允许位移速度上限和减小测量非线性误差的措施,其结论对激光自混合干涉技术的应用具有重要指导意义     

The study of laser self-mixing vibrometer employing different feedback regime using a VCSELS

Laser interferometry based on self-mixing effect widely used to measure displacement, velocity, vibration and distance due to compactness, non-contact, as well as low cost. An important use of the self-mixing effect inside a laser diode is in optical self-mixing vibrometer. We have experimentally investigated self-mixing interference produced by the feedback of light from a vibrated target into a vertical-cavity surface-emitting laser for sensing applications. In this paper, the self-mixing vibrometer employing different feedback regime is discussed and a theoretical analysis is also proposed. Numerical analysis focused on the distortion self-mixing waveform. Numerical analysis and experimental results show that mode-hop occurs when the laser self-mixing vibrometer employing at high feedback level.     

线性调频半导体激光器自混频干涉理论模型

使用半导体激光器在弱反馈条件下的动力学理论,建立了线性调频半导体激光器的自混频干涉理论模型.基于该模型,分析了激光器振荡频率偏移与输出功率变化特性.通过测量激光器输出功率谱,可以得到激光器前端面与被测目标之间的距离.     

Real-time nanometer-vibration measurement with a self-mixing microchip solid-state laser

Nanometer vibration analysis of a target has been demonstrated by a self-aligned optical feedback vibrometry technique that uses a laser-diode-pumped microchip solid-state laser. The laser output waveform, which was modulated through interference between a lasing field and an extremely weak (<- 100-dB) frequency-modulated (FM) feedback field, was analyzed by the Hilbert transformation to yield the vibration waveform of the target. Experimental signal characteristics have been reproduced by numerical simulations. Real-time vibration measurement has also been achieved with a simple FM demodulation circuit.     

闭环光纤陀螺死区及光功率交扰误差的研究

数字闭环光纤陀螺引入的死区问题限制了其向更高性能惯性导航系统的应用。采用数学模型分析了数字闭环光纤陀螺死区的成因是反馈相关误差干扰,通过simulink仿真工具对死区现象进行了仿真,对比陀螺死区测试对模型进行了验证。以此为基础提出了电光合串扰造成死区的干扰模式,分析了干扰误差源的信号频域特征并使用频谱分析仪对受干扰的光功率信号进行了相关频点的测试,同时对比了干扰抑制后无死区的光功率信号相关频点的测试结果。通过抑制相关误差前后的测试结果对比,验证了与数字闭环反馈阶梯波相关的误差输入是死区形成的根本原因,除了电路交叉耦合之外,电路对光强的调制干扰也会造成死区问题。在采用针对干扰信号频率特性的退耦及PCB设计后,闭环光纤陀螺死区由0.2/h降低至0.02/h,满足系统应用需求。     

光源谱宽对法布里-珀罗干涉式光纤传感器工作灵敏度的影响

对干涉式光纤传感器来说,光源的谱宽直接影响着传感器的工作特性。从法布里—珀罗干涉式光纤传感器出发,推导其灵敏度的理论表达式,并用MathCAD软件进行了数学分析。讨论了光源谱宽对传感器灵敏度的影响。介绍了具有温度反馈功能的法布里—珀罗光纤干涉实验系统,给出了用该实验系统拍摄的谐振曲线照片。从该系统进行的两个重要的实验(不同干涉腔长的灵敏度对比实验和不同干涉长度的光源实验)表明,法布里—珀罗干涉式光纤传感器的灵敏度与光源谱宽的理论表达式是正确的,理沦公式与实验结论能很好地吻合。最后指出了该方法可以用于分析其他类型的干涉式光纤传感器的灵敏度问题,为光源的选择提供了参考。