近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

IN腔内 Cd Te电光调 Q CO_2 脉冲激光外差信号研究(英文)

本文较详细地实验研究了腔内 Cd Te电光调 Q CO2 脉冲激光及其外差信号的时域频域特性 ,其激光脉冲时域波形长的拖尾被发现 .如果脉冲很弱 ,无法直接探测信号 .而在这种条件下用外差检测方法 ,就可以探测到较强的脉冲拖尾外差中频信号 ,且拖尾持续时间很长 .同时 ,讨论了在激光外差探测中本振和主振激光间偏频控制的可能性 .     

IN腔内CdTe电光调QCO2脉冲激光外差信号研究

本文较详细地实验研究了腔内CdTe电光调QCO₂脉冲激光及其外差信号的时域频域特性,其激光脉冲时域波形长的拖尾被发现.如果脉冲很弱,无法直接探测信号.而在这种条件下用外差检测方法,就可以探测到较强的脉冲拖尾外差中频信号,且拖尾持续时间很长.同时,讨论了在激光外差探测中本振和主振激光间偏频控制的可能性.     

4.4 μm中红外激光外差光谱探测技术研究

在国内首次报道以窄线宽的4.4 μm外腔量子级联激光(QCL)作为本地振荡光源,黑体作为辐射光源的激光外差光谱实验装置的建立和测量工作。激光外差光谱是一种高灵敏度的光谱探测技术,并可以用于发展一种小型的光谱探测系统,进行地基或星载的地球大气或天文观测。介绍了激光外差的基本理论、装置的建立和实验测量工作。此激光外差光谱实验装置采用4.4 μm外腔量子级联激光,出光功率高达180 mW,在4.38～4.52 μm间连续可调,具有很宽的光谱调谐范围,能实现CO₂,CO和N₂O等大气重要分子的同时测量。通过开展不同压力下CO₂气体的激光外差光谱测量,对激光外差光谱实验装置的性能进行了评估。目前该激光外差系统的信噪比达到86,低于散粒噪声极限条件的理论计算值287,系统的光谱分辨率约为0.007 8 cm-1,能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。分析结果表明,中红外激光外差光谱系统具有很高的瞬态信噪比及光谱分辨率,在高精度测量大气温室气体的柱浓度和温室气体垂直廓线分布方面具有广阔的应用前景。     

目标粗糙对合成孔径激光雷达回波的退相干效应

本文研究了目标表面粗糙对回波信号探测的影响,通过蒙特卡罗方法建立一维和二维目标高斯随机粗糙面模型,并对目标回波信号的探测过程进行仿真,研究目标表面粗糙对中频信号的影响.还进行了粗糙面和光滑面两组光外差探测实验,验证目标粗糙对合成孔径激光雷达回波信号严重的“退相干”效应.同时,采用数字波前分析仪对探测器处本振光和信号光波前分别进行检测,检测结果与仿真一致,证明粗糙面回波相位畸变严重.文中研究结果对设计光源参数、接收系统参数以及评估系统作用距离奠定基础,为合成孔径激光雷达系统设计提供定量参考.     

基于延时自外差法的窄线宽激光谱宽测量

详细介绍了延时自外差法测激光线宽的理论模型与测量原理,得到了光电流的功率谱密度函数,并进行了软件仿真,分析并讨论了延时光纤长短对测量结果的影响,提出了在延时光纤长度不足条件下求解超窄激光线宽数值解的新方法,并在特定条件下给出了解析解,实验结果证明了算法的正确性。给出了在光纤长度300m时,对10kHz以下以及10kHz以上激光谱宽的不同求解方法并通过实验进行了验证。     

影响扫频激光光源瞬时线宽因素的研究

在搭建的窄瞬时线宽的扫频激光光源的基础上,通过实验和数值模型对影响激光瞬时线宽的主要因素进行了研究。研究结果发现,扫频激光的瞬时线宽会随着色散的增加而变宽,滤波器的带宽和加载给滤波器的信号都会影响瞬时线宽,同时腔内的模式竞争能够保证更窄的激光瞬时线宽。     

时间延迟激光感生双光栅的理论及实验研究

从理论上分析了激光相位及振幅的随机涨落对由热效应引起的时间延迟激光感生双光栅(TDLIDG)的影响.结果表明,四波混频信号调制的振幅随两束泵光相对延迟的增加而衰变.实验结果与理论预测基本一致.我们还证实用TDLIDG测量两束光的波长差可以达到与激光线宽同一量级的精度.     

全光纤双通道大气温室气体激光外差光谱探测技术研究

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术,其装置具有体积小、光谱分辨率高等特点,适用于大气温室气体浓度的探测。各种观测实验已证明其是一种切实、有效的探测手段,在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。在现有激光外差光谱仪器的基础之上,提出了一种新型的仪器结构。采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束,实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。从激光外差探测的原理出发,分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数,并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪,搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数,着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能,详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。在此基础上,讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法,并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.004 4 cm-1)。利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N, 117.166°E)进行了实际的大气探测,同时在波段(6 056.2~6 058.1 cm-1)和(6 035.6~6 036.5 cm-1)分别获取了CH₄和CO₂分子的激光外差吸收信号,并对吸收信号进行了波长标定和归一化,得到了CH₄分子和CO₂分子的整层大气透过率谱,测量光谱信号的信噪比分别为197和209,同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化,实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量,拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。     

直接探测激光测风雷达发射激光线宽对探测的影响

 论述了Rayleigh散射双边缘直接探测激光测风雷达发射激光线宽对探测灵敏度和误差的影响。使用Monte-Carlo方法模拟了大气后向散射回波半高宽(FWHM)和发射激光线宽的定量数值关系。把这个关系拟合为一个二次多项式,计算了由发射线宽引起的测量灵敏度和误差。对于探测波长是355 nm的情况,当发射线宽从单频增加到2 GHz时,后向散射回波线宽从3.853 GHz非线性地增加到5.371 GHz。发射激光线宽的加宽对探测影响很大,当发射线宽从单频增加到2 GHz时,测量灵敏度从0.003 1降低到0.001 9,测量误差从0.323 m/s增大到0.518 m/s,计算中假定探测信噪比和累计激光脉冲数都是1 000。     

Linewidth measurement of Littrow structure semiconductor laser with improved methods

In this Letter, the frequency noise spectrum is analyzed in the experiment of the laser linewidth measurement. The power spectrum of three most widely used laser linewidth measurement methods, i.e., the heterodyne measurement, the self-homodyne measurement and the self-heterodyne measurement, are restudied both theoretically and experimentally. A scheme adopting an avalanche photodetector (APD) in the delayed self-heterodyne (DSHT) method is proposed, and an indirect determined result is given.     

超短时延测量DFB激光器的动态线宽

激光器调谐过程中的动态线宽是非常重要的参数, 然而, 当前各种测量方法得到的都是激光器稳定状态下的静态线宽. 本文提出一种对干涉拍信号进行基于局部均值分解的时频分析进而获取激光动态线宽的方法, 通过仿真信号验证了这种时频分析方法提取瞬时相位噪声的有效性; 构建实验系统, 利用10cm路径差产生约0.5ns的超短时延, 提取相位噪声的时频分布, 首次得到了分布反馈半导体激光器在脉冲工作模式下的动态线宽. 关键词： 超短时延 动态线宽 局部均值分解 时频分布     

极化检测型铷原子磁力仪的研究

针对交变弱磁场的检测,研制了一种基于极化-检测双光束结构的激光抽运铷原子磁力仪.为了获得该磁力仪对磁场的响应特性,通过数值仿真分析了信号幅度随极化磁场强度、弛豫时间的变化关系,并进行了实验验证.最后通过选择合适的极化磁场使磁力仪对待测磁场的灵敏度最大.实验结果表明,优化后磁力仪灵敏度为0.2pT/(Hz)~(1/2),响应带宽3.5kHz,可用于弱磁场磁共振、高频异常物理现象等信号的检测.     

基于时变功率谱的激光器调谐瞬时线宽测量方法研究

半导体激光器的线宽通常采用激光外差测量技术,通过差拍信号的功率谱密度函数来确定,受傅里叶变换方法的限制,得到的均是在一定时间段内的静态平均线宽。为了获得半导体激光器在电流调谐过程中的瞬时线宽特性,提出了利用时变功率谱获知调谐瞬时线宽的相干和非相干测量方法,并分别进行了理论分析和实验验证。首先对半导体激光器输出光信号及差拍信号进行了时间-频率域下的数学描述,确定了时变功率谱与调谐瞬时线宽的关系;其次,针对差拍信号的趋向性特征,提出了趋势局部均值分解方法,并研究了利用分解出的乘积函数建立差拍信号及激光器输出光信号的时变功率谱的方法;最后利用非相干和相干测量法分别获得了分布反馈式半导体激光器在50~51及50~100 mA锯齿波电流调谐过程中的瞬时线宽。     

Analysis of a loss-compensated recirculating delayed self-heterodyne interferometer for laser linewidth measurement

A loss-compensated recirculating delayed self-heterodyne interferometer (LC-RDSHI) for laser linewidth measurement is theoretically analyzed. An analytical result for the output spectrum of the LC-RDSHI is obtained. It is found that the spectrum from a LC-RDSHI is equivalent to a spectrum from a conventional delayed self-heterodyne interferometer with equivalent time delay and frequency shift, but modified by a periodical function, which could significantly influence the laser linewidth measurement. The parameters of a LC-RDSHI must be optimized to permit an accurate and direct measurement of laser linewidth from the output spectrum.     

Longitudinal coherence measurements of a transient collisional x-ray laser

We present what is to our knowledge the first longitudinal coherence measurement of a transient inversion collisional x-ray laser. We investigated the picosecond output of a Ni-like Pd x-ray laser at 14.68 nm generated by the COMET laser facility at the Lawrence Livermore National Laboratory. Interference fringes were generated with a Michelson interferometer setup in which a thin multilayer membrane was used as a beam splitter. We determined the longitudinal coherence for the 4d1S0 --> 4p1P1 lasing transition to be approximately 400 microm (1/e half-width) by changing the length of one interferometer arm and measuring the resultant variation in fringe visibility. The inferred gain-narrowed linewidth of approximately 0.29 pm is a factor of 4 less than previously measured in quasi-steady-state x-ray laser schemes.     

On the coherence measurement of a narrow bandwidth dye laser

In this paper, we report a new technique for spatial and temporal coherence measurement of narrow bandwidth sources. In particular, coherence measurement of a narrow bandwidth dye laser using Young’s double slit method and the Fabry–Perot interferometer has been carried out. In the spatial coherence measurement, a central fringe visibility of 0.85 was observed, and from this measurement, the dye gain medium source size was estimated. The variation in the visibility with slit separation (0.1–3.0 mm) for different source sizes (0.1–0.2 mm) was also analyzed. The temporal coherence length of the tunable dye laser was measured to be 10 and 60 cm for multimode and single-mode operations, respectively. The technique, in general, can also be used for spatial and temporal measurement of broadband spectrum source.     

Narrow-linewidth chirped frequency comb from a frequency-shifted feedback Ti:sapphire laser seeded by a phase-modulated single-frequency fiber laser

Frequency-shifted feedback (FSF) lasers have emerged as powerful tools for precision distance metrology. At the output of a Michelson interferometer, the detected rf spectra of the FSF laser light contain a length-dependent heterodyne beat signal whose linewidth ultimately limits the achievable accuracy of length measurements. Here, we demonstrate a narrow-linewidth chirped frequency comb from an FSF Ti:sapphire ring laser seeded by a phase-modulated, ultra-low-phase-noise, single-frequency fiber laser. We experimentally investigate the influence of the seed laser linewidth on the resulting width and shape of the length-dependent rf beat signal. An ultranarrow heterodyne beat linewidth of <20 Hz is observed.     

相干瑞利散射海水水下温度测量技术的理论研究

海水水下温度的快速大范围测量是海洋监测的重要内容,在民用和军事领域都有着至关重要的意义,本文提出了采用相干瑞利散射方法测量海水水下温度的新方法:用宽带高速光电探测器接收本振激光和海水后向瑞利散射光相干产生的差频信号,进行傅里叶变换分析获取海水瑞利散射展宽谱,从而反演海水温度,首先从海水的热力学特性出发,对利用瑞利散射谱测量海水水下温度的基本原理进行了理论研究和软件模拟;然后对采用相干探测测量海水瑞利散射谱的测量方法进行了理论分析和软件模拟;在此基础上对瑞利散射海水水下温度测量精度进行了分析,得出当水体瑞利散射频谱半宽度测量精度为1 MHz时,测温精度约为0.35 K。