光纤激光器自混合干涉效应研究

针对光纤激光器自混合干涉传感应用,研究了光纤激光器自混合干涉特性,运用四镜法布里-珀罗腔模型对掺铒线形腔光纤激光器自混合干涉效应进行了理论分析,对不同反馈水平下的自混合干涉信号进行了数值模拟,获得了光反馈条件下光纤激光器输出特性.外腔长度的改变会调制激光器的输出强度,外腔长度变化半个波长,对应一个干涉条纹,弱反馈条件下,由反馈引起的激光器的频率变化可以忽略.设计了基于光纤激光器的自混合干涉实验,实验结果和理论分析相符合.此研究结果为进一步开展光纤激光器的自混合干涉传感应用研究奠定了理论与实验基础.     

仿真分析测量参数对光反馈自混合信号的影响

针对含有光反馈的半导体激光器,在外腔波动条件下,研究其光反馈干涉自混合信号模型。经计算仿真分析,得到了外腔运动参数及激光器本身参数的变化对光反馈自混合信号波形的影响规律。结果表明,利用光反馈自混合干涉效应可以进行多参数传感测量。     

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。     

基于光反馈自混合干涉效应波形转折点的智能识别

对光反馈自混合干涉信号波形转折点的智能识别进行了理论分析和实验研究。首先经对光反馈自混合干涉信号特点的分析，发现其波形转折点可以作为外部物体运动位移实时测量的依据。通过对信号波形的逐步处理可以获得波形转折点的位置，以此为基准点可以实现位移的精测。实验测试结果同理论分析吻合较好。若系统进入较复杂状态，识别出的位置与其实际位置出现偏差，不再是单一值，可以对转折点位置的所有值取平均，从而得到其对应的精确位置。     

基于光纤自适应耦合和自调谐的光纤光栅传感系统设计

针对光纤光栅传感系统应用中面临的应变能力和可靠性不稳定的问题,研究并设计了一种基于自适应耦合切换和自调谐光纤光栅传感系统。首先,基于长周期和短周期光纤光栅耦合特性建立了自适应耦合器件及其切换算法,然后再分析耦合特性的基础上设计了支持自调谐功能的光纤光栅传感器及其调谐算法,最后给出了支持耦合自适应切换和耦合特性自调谐功能的光纤光栅传感系统。实验表明,在检测精度、抗干涉能力和应变能力等方面,所提方案表现出了明显优势。     

激光自混合干涉测振仪的硬件系统设计

基于激光自混合干涉技术的特点,设计了一种新型半导体激光自混合干涉测振仪系统。系统将频率调制引入自混合干涉中,实现对振动物体的非接触式测量。介绍了激光自混合干涉测振仪的原理、仪器系统的光路系统设计、信号的调制模块设计、解调模块设计以及DSP系统的采集处理模块设计。该仪器体积小、成本低、易于准直、可以非接触式测量,能够测量振动频率在50kHz内的物体,其中包括非周期性振动。可以测量出振动物体的振动频率、振幅以及还原振动波形,振动幅度测量精度可以达到0．325μm,频率精度为1Hz。     

激光自混合干涉在微位移测速上的应用

对传统光电码盘测速的原理进行了介绍,分析其精度较低的原因,提出了基于激光自混合干涉技术的一种激光高精度码盘传感器,并设计了数据采集系统。对自混合干涉的基本理论进行了阐述,分析了基于条纹计数法激光测速的原理,并搭建了基于条纹计数法的激光测速模型用于代替传统的光电码盘测速。实验研究了激光自混合输出与被测物体位移之间的关系,实验结果表明基于激光自混合干涉技术的激光码盘在测量精度上比传统光电码盘有很大提高,并且结构简单,适用范围广。     

耦合型高频光纤振动传感器实验研究

提出了一种耦合型高频光纤振动传感器,并设计了相应的解调电路和信号处理系统.对高频振动信号的响应波形和频率进行了测量,研究了光纤传感器对不同的振动强度和不同方向的振动信号的响应,分析了不同结构和不同材质的传输介质对光纤传感器测量结果的影响.实验证明所设计的耦合型高频光纤振动传感器截止频率达到8 kHz,振幅测量灵敏度为325 mV/mm,频率和幅值响应误差小于1%.     

一种新的线成像激光干涉测速系统

 设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列＋光电倍增管＋数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86 μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。     

光纤生物传感器在HER3抗体药物定量检测中的应用

为了实现对生物分子间相互作用过程的实时、灵敏、快速监测,获得生物分子的有无、浓度与相互作用的动力学参数信息,本文设计了基于光纤生物传感器的生物亲和性检测方法。首先,针对光干涉生物亲和性传感检测系统的光学传输系统"Y"型分叉光纤与光纤探针之间的耦合问题,提出了自聚焦透镜与石英光纤耦合结构,该耦合结构偏心公差能够达到0.02 mm,倾斜公差能够达到0.1°;针对干涉光谱信号的高频噪声问题,采用一种改进的经验模态分解干涉光谱信号处理方法,有效避免了干涉光谱曲线滤波处理后极值点位置的偏移;同时采用局部拟合极值点计算生物分子膜层厚度的方法,将生物分子膜层厚度的分辨率提高到50 pm。利用所搭建的光干涉生物亲和性检测系统,建立了HER3-IgG1抗体药物利用金纳米粒子进行信号放大,实现对其浓度进行定量检测的新方法,检测过程中无需清洗,不产生交叉污染。实验结果表明：系统检测限能达到0.082 6 μg/mL,该系统具有检测时间短,测量准确、精度高、成本低廉等特点,能够应用于药代动力学研究中。     

Self-mixing interference in distributed feedback laser diode with multiple external cavities

The self-mixing interference in distributed feedback laser diode (DFB-LD) with multiple external cavities is analyzed. Each external cavity is considered to be an optical thin film, and the equivalent reflectivity can be got from the theory of the thin film optics, the general expressions of gain and frequency in compound laser cavity are theoretically deduced. This principle is helpful to build the fiber-coupled self-mixing interference system. Considering that different parameters have influence on self-mixing interference, we make some simulation analysis at different conditions. The output of self-mixing interference is analyzed in numerical analysis, and the amplitude variations of the output gain is discussed along with different parameters, e.g., the coupling coefficient, the linewidth enhancement factor, and the reflection coefficient of external reflector.     

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。     

激光自混合显微系统的设计及实验研究

论述了自混合干涉技术的发展历程,并引入了自混合干涉显微技术的实验原理和研究近展;建立了He—Ne激光自混合干涉实验装置系统,获得了稳定的激光功率输出。然后,对基于激光自混合干涉技术的显微镜进行了研究,并详细给出了该系统的设计原理、装调方法和实验结果,得到了玻璃小球的三维形体信息图像。系统达到的横向分辨力1μm,纵向分辨力为15nm。上述实验结果证明自混合显微镜在微小物体的高精度形貌成像方面有着很大的潜力。     

基于DSP的激光自混合干涉测振仪信号采集与处理系统

结合三角波电流调制型激光自混合干涉技术,设计了基于DSP的数据采集与处理系统,完成了对来自光电探测器的干涉信号的采集与处理。该系统接口电路简单灵活,具有采样频率可由程序设置、采集速度和精度较高,并且可以实现6通道同步采样转换的特点。实验结果表明,该数据采集与处理系统完全能够满足高速交变激光自混合干涉信号的采集与处理在实时性和高精度方面的要求。     

Numerical simulation of phase modulation method used as high sensitive self-mixing vibrometry in vertical-cavity surface-emitting laser

The self-mixing interference technique is a compact sensing technique that has widely used for measuring vibrations. For purpose of increasing the accuracy of the vibration measurement system, a new phase modulation technique based on the self-mixing interferometer is presented. The phase modulation is obtained by varying the length of external cavity periodically. The vibration information of the external target is determined by the Fourier analysis method. Theoretical analysis and numerical simulations of phase modulation method used as high sensitive self-mixing vibrometry based on vertical-cavity surface-emitting laser are given in this paper.     

Measurement of the velocity inside an all-fiber DBR laser by self-mixing technique

The self-mixing interference for optical velocity sensing is experimentally investigated in an all-fiber configuration distributed Bragg reflector laser. Simultaneously, theory model of self-mixing interference laser Doppler velocimeter based on quasi-analytical method. The experimental results show Doppler shift frequency is linearly proportional to the value of the velocity which agrees well with theory analysis. The results preserve an enough signal-to-noise ratio around 40 dB in the range from 39.3–317.0 mm/s (measurement range depending on bandwidth of circuit) for velocity measurement. Additionally, the cutoff circuit is used in our system to get a stable Doppler signal and reduces the error rate to 0.136 % in practical measurement.     

The simulation of self-mixing interference effects in three-section DBR lasers

The self-mixing interference in three-section distributed Bragg reflector (DBR) lasers is analyzed based on the model of F-P cavity and coupling wave equation. The oscillating frequency and threshold variation are deduced. The influence of internal and external parameters on the output intensity and the inclination degree of waveform are discussed in simulation.     

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。     

Measurement of the feedback coefficient by monitoring the power difference at power jump point in self-mixing vibration signal

This paper proposed a new method for measuring the feedback coefficient in the self-mixing interference. In experiment, the value of feedback coefficient is obtained by measuring the power difference at power jump point that based on the self-mixing vibration sensing system. It realized the measurement of feedback coefficient in range of 1–7.8 and shows a good agreement with the theoretical derivation and the corresponding simulation. Meanwhile, there is a good fitting result with the determination coefficient of 0.98 and line-width broadening factor of 3.245 respectively, which also realized measurement of feedback coefficient and line-width broadening factor at the same time.