双波长高光谱分辨率激光雷达光谱鉴频器设计

提出了一种可作为高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱鉴频器的双波长视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)的设计方法.详细阐述了双波长FWMI的设计原理,权衡考虑色散对于鉴频性能的影响.通过双波长视场展宽设计实现折射率补偿,从而使FWMI在355 nm和532 nm均有较大的接收视场.给出适用于355 nm和532 nm的双...     

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.     

多纵模激光F-P标准具双边缘测风可行性分析

讨论采用多纵模激光器作探测光源用于双边缘多普勒激光雷达测风的可行性。给出了多纵模激光器谐振腔腔长与边缘滤波器F-P标准具腔长之间的关系。分析了多纵模双边缘测风的主要特性,计算灵敏度、信噪比和径向测速误差,并与单纵模测风性能进行对比。可用类似单纵模测风中动态频率跟踪技术解决多纵模激光器频率漂移问题。     

多纵模短腔染料激光放大前后光谱的比较

实验观测了短腔染料激光器输出的多纵模激光及其经一级染料放大的激光光谱，比较了光谱特性。在一定情况下，短腔染料激光器的多纵模激光经放大器放大可产生一个至几个新纵模，新纵模与短腔染料激光器输出的纵模有相似的频率间隔、线宽及频率牵引等特征。新纵模产生属于三阶四光子混频（即四波混频）为主导的非线性光学效应。存在频率牵引表明，增益介质中的多波混频存在频率失配，在这一四波混频中光子能量并不守恒     

多纵模短腔染普激光放大前后光谱的比较

实验观测了短腔染普激光器输出的多纵模激光及其经一级染料放大的激光光谱，比较了光谱特性。在一定情况下，短腔染料激光器的多纵模激光经放大器放大可产生一个至几个新纵模，新纵模与短腔染料激光器输出的纵模有相似的频率间隔、线宽及频率牵引等特征。新纵模产生属于三阶四光子混频（即四波混频）为主导的非线性光学效应。存在频率牵引表明，增益介质中的多波混频存在频率失配，在这一四波混凝中光子能量并不守恒。     

用于干涉测量的短相干固体激光器光谱纵模特性

对固体激光器的光谱纵模特性与复相干度的关系进行了理论分析,推导出了在任意纵模数下的光程差与复相干度的关系式。通过比较窄谱宽激光器与谱宽较宽的测量用普通固体激光器在不同纵模数下的复相干度特性,发现固体激光器谱宽较宽,复相干度衰减较快,不同纵模数下的衰减速度和周期不同,纵模数越多复相干度震荡衰减越快,不会出现周期性的高相干区域。根据理论分析搭建了一台用于干涉测量的短相干多纵模固体激光器,并对其光谱纵模特性和相干长度进行了测量,实验结果与计算结果一致。     

光谱滤光器透射率参数对高光谱分辨率激光雷达的影响分析

研究了高光谱分辨率激光雷达(HSRL)中光谱滤光器透射率参数对其反演大气气溶胶光学属性精度的影响。建立了一种基于普通三通道HSRL配置的、与光谱透射率参数有关的反演误差理论分析模型,并通过蒙特卡罗(MC)算法仿真验证了该误差分析理论模型的正确性。理论模型及MC仿真结果表明,滤光器的分子信号透射率和谱分离比(SDR)越大,HSRL系统反演精度越高,并且SDR主导低海拔区域的反演精度,而分子信号透射率对高海拔区域的反演影响更明显。此结论适用于大多数具有类似的多信号通道结构的HSRL,对HSRL滤光器的选型和设计具有一定的指导意义。     

采用铯原子偏振光谱对894.6nm外腔式半导体激光器稳频的实验研究

通过铯原子D_1线超精细跃迁能级的偏振光谱获得鉴频曲线,利用电子伺服系统将鉴频曲线反馈到894.6nm外腔式半导体激光器的压电陶瓷上进行锁定。由于偏振光谱技术不需要对激光器进行调制,因此不会带来额外的噪声。激光器自由运转400s内频率起伏为2.35 MHz,采用偏振光谱锁定激光器后400s内频率起伏为0.95 MHz,有效抑制了激光器的频率起伏。     

结合二维分光光谱仪与可调谐法布里-珀罗干涉仪的超高分辨率光谱测量技术研究

提出并实验演示了一种新型的超高分辨率光谱测量技术,通过将二维分光的高分辨率面阵光谱仪和可调谐法布里-珀罗(F-P)干涉仪相结合来实现超高分辨率的光谱测量,其中高分辨率面阵光谱仪的分辨率优于可调谐F-P干涉仪的自由光谱范围(FSR)。所采用的可调谐F-P干涉仪光谱范围为780~840 nm,FSR为3.75 GHz,精细度大于100。利用虚拟成像阵列和平面衍射光栅构建了二维分光面阵光谱仪,实现了17.4 nm(792~809.4 nm)光谱范围内0.7 GHz的光谱分辨率,分辨率值高于可调谐F-P的FSR。二者的结合实现了优于37.5 MHz的超高光谱分辨率。利用所构建的光谱仪实际测量了锁模钛宝石激光器的激光光谱,证实可以较为清晰地分辨其间隔为76.3 MHz的各个纵模。     

基于单法布里-珀罗标准具的双频率四边缘鉴频光电探测技术

提出了一种基于单固体法布里-珀罗(F-P)标准具和可调谐半导体激光器的高精度鉴频新技术双频率四边缘技术。导出了F-P标准具反射谱和透射谱函数表达式,分析了双频率四边缘技术的鉴频原理;根据鉴频原理,给出了鉴频系统结构及相应的探测信号分析处理方法;进一步分析了噪声引起的测量误差,导出了具体的误差公式;与传统的基于F-P标准具双边缘鉴频技术的探测性能做了对比分析。结果表明,该技术通过对F-P标准具的透射和反射信号同时探测,鉴频精度将提高2.82~3.03倍,而且由于采用的是单固体F-P标准具,光路简单且系统成本低。     

顶部反射镜对GaN基共振腔发光二极管性能的影响研究

本文在Ga N基共振腔发光二极管(RCLED)顶部设计制备了高反膜结构分布式布拉格反射镜(DBR)和滤波器结构DBR,对比分析了两种反射镜的反射率曲线特征以及对应的RCLED器件的光输出纵模模式、光谱线宽和输出光强等性能差异,详细研究了顶部反射镜的光反射特性对RCLED器件输出光谱性能的影响机理.研究结果表明,顶部反射镜是RCLED的重要组成部分,其反射率曲线特征决定器件的光输出性能.常规高反膜结构DBR顶部反射镜的反射率曲线具有较宽的高反射带,将其作为顶部反射镜可有效压窄RCLED发光纵模线宽,但是发光光谱仍呈现多纵模光输出特征.滤波器结构DBR顶部反射镜的反射率曲线在中心波长处具有较窄的透光凹带,利用透光凹带对输出光的调制作用,器件可实现单纵模光输出,在光通信、光纤传感等领域展示了广阔的应用前景.通过进一步设计RCLED顶部反射镜结构,可以改变其反射率曲线特性,进而优化RCLED器件的输出光谱特性,以满足器件在多个领域的应用需求.     

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

基于Fabry-Perot半导体激光器实现全光波长转换及其最优纵模选择

采用Fabry-Perot半导体激光器作为波长转换器件,利用半导体激光器内部的交叉增益调制效应,通过同时将脉冲信号光与连续探测光耦合到半导体激光器,实现了对波长为1552.62nm、重复速率为2.7GHz的光脉冲信号转换到波长为1548.23nm的连续激光,同时实现了脉冲时间抖动的抑制.实验发现,对于确定的半导体激光器及其工作参数,总存在一个固定的纵模,当探测光的波长与该纵模波长一致时可获得最高的波长转换效率和最大的消光比.理论分析了探测光与Fabry-Perot半导体激光器多纵模间的模式选择对波长转换效 关键词： 纵模选择 波长转换 注入锁定 交叉增益调制     

用双折射晶体相位延迟法选纵横的理论分析和实验研究

提出了一种新的固体激光器纵模选择技术，分析了该方法的损耗调制原理，用半经典理论建立二模光场竞争的运动方程，并对这种方法的纵模选择能力进行了计算。实验中用KTP和方解石两种双折射晶体都实现了固体激光器的单纵模振荡，用KTP晶体获得了CW 44 mW的单纵模激光输出，稳定性优于±3％。实验表明在半导体激光泵浦的中小功率固体激光器中用该方法选纵模具有稳定、可靠的优点。     

双纵模稳频氦氖激光器的光谱与频率复现性分析

对双纵模稳频氦氖激光器的光谱及其频率复现性进行了理论估计,进行了633 nm碘稳定氦氖激光器的拍频实验,实验采用内腔激光器,并采用双纵模稳频的方法,通过观测激光器的两个偏振态互相垂直的相邻纵模的输出,并使二者稳定到功率相等的参考点处,获得激光稳定输出。实验通过观察双纵模稳定激光的模式输出,分析了影响激光频率复现性与频率稳定度的因素,测量了稳定激光的功率和频率稳定度。通过拍频测量,对激光器的频率复现性进行了分析,复现性用频差可以达到(1～2)×10-8量级。通过实验表明,双纵模稳频氦氖激光器的频率复现性完全符合用于长度精密测量的稳频激光器的要求,激光器可以很稳定地工作,稳定度用阿伦偏差表示可以达到10-10量级,可以作为实用的稳频激光标准。     

用双折射晶体相位延迟法选纵模的理论分析和实验研究

提出了一种新的固体激光器纵模选择技术，分析了该方法的损耗调制原理，用半经典理论建立二模光场竞争的运动方程，并对这种方法的纵模选择能力进行了计算。实验中用ＫＴＰ和方解石两种双折射晶体都实现了固体激光器的单纵模振荡，用ＫＴＰ晶体获得了ＣＷ４４ｍＷ的单纵模激光输出，稳定性优于±３％。实验表明在半导体激光泵浦的中小功率固体激光器中用该方法选纵模具有稳定、可靠的优点。     

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.     

利用啁啾脉冲光谱滤波和非线性偏振旋转技术实现高稳定性和开机自启动的全光纤掺Yb~(3+)光纤锁模激光器

建立理论模型,讨论了非线性偏振旋转全光纤锁模激光器的锁模过程、谐波过程以及导致激光器锁模运行难以稳定的影响因素.讨论了采用啁啾脉冲光谱滤波产生脉冲自振幅调制、增加激光器锁模稳定性和自启动能力的机理以及非线性偏振旋转与啁啾脉冲光谱滤波相结合实现锁模的物理过程和脉冲演化过程.研制出全光纤结构的超短脉冲掺Yb~(3+)光纤环形激光器,采用非线性偏振旋转和啁啾脉冲光谱滤波相结合的锁模技术,实现了激光器锁模的开机自启动和高稳定运行.对激光器进行了长期运行稳定性、锁模开机自启动能力、锁模输出参数可重复性监测.锁模脉冲中心波长1052.9 nm,谱宽9.1 nm,脉冲能量4.25 nJ,脉冲宽度17.8 ps.运行期间,各参数波动均小于0.3%.开机自启动能力和可重复性测试显示,激光器可实现一键自启动,启动后各参数可重复精度在0.55%以内.     

双重复频率锁模Yb:YAG陶瓷激光器

近年来,双重复频率锁模激光器在诸如双光梳光谱和异步光学采样等应用领域吸引了广泛关注.基于单一激光腔的双梳系统能大大降低成本,简化系统结构,且性能优异.双重复频率锁模激光器为发展紧凑型和实用型双梳装置开辟了道路.本文报道了一种可用作双光梳光谱系统光源的双重复频率锁模Yb:YAG陶瓷激光器.该激光器基于半导体可饱和吸收镜锁模技术,采用双通道抽运结构,利用新型非水基流延成型制备的Yb:YAG透明陶瓷,在单一的五镜腔中,当吸收抽运光功率为5.6 W时,实现了自启动、稳定运转的双重复频率锁模脉冲Pulse1和Pulse2,其重复频率分别为448.918和448.923 MHz,重复频率差为5 kHz.在吸收抽运功率为7 W时,得到最大的总平均输出功率170 mW,其中Pulse1和Pulse2的功率分别为89和81 mW,相应的光谱宽度分别为1和1.16 nm.性能相似的双重复频率脉冲彼此间保持了良好的相干性,实验结果证明了双通道抽运在双重复频率锁模激光器应用中的可行性,此种新型双重复频率激光器在双光梳光谱和测距等领域具有较好的应用潜力.     

基于DSP技术的外腔半导体激光器自动稳频系统

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。