基于二次偏振调制的变频测距方法与系统实现

由于鉴相精度限制、电路等引入的附加相移干扰等因素,传统相位测距技术精度的提高受到了限制.采用二次偏振调制技术对相位测距技术进行了改进.利用二次偏振调制方法能够直接在相位调制器上对两次调制信号的相位差进行解调,大幅度简化了系统的复杂程度.采用变频方法替代传统的鉴相方法,从而系统的测量精度不再受鉴相问题的困扰.从理论上得到系统输出光强与调制频率成正余弦关系,并进行了实验验证.基于变频测距的实验中,系统频率的稳定度优于10-6,测量精度可以达到±10.6μm(被测距离为4.5 m).并对一段长200 m的光纤进行了实际测量,得到了清晰的调制频率与系统输出光强的曲线.     

基于二次强度调制的激光测距系统

本文提出的二次强度调制测距系统可以实现绝对距离的测量,其利用马赫曾德尔强度调制器代替二次偏振调制测距中的电光相位调制器,通过对信号的光强进行二次调制来进行测距.相比于二次偏振调制测距,二次强度调制测距无需考虑测距系统中的偏振态问题,简化了系统结构,提高了系统的稳定性.经过相关理论推导以及实验验证:二次强度调制测距系统的输出光强与调制频率成余弦关系,并且可以直接测量调制器到目标物体之间的绝对距离,系统的频率稳定度、相对测距精度皆达到10^–7量级.本文提出的测距系统量程达到100 m,相对测距精度稳定在10^–7量级.采用摇摆法快速测距,避免了直接扫频寻找光强极小值点对应的频率,数据刷新率达到2 kHz.二次强度调制测距系统测距速度快,同时兼顾了较大的量程与较好的测距精度,系统结构简单,易于搭建,具有广阔的应用前景.     

通道调制型偏振成像系统的波段宽度限制判据

通道调制型偏振成像技术是一种体积紧凑、空间分辨率高且能够实时获取全偏振信息的新型偏振成像探测技术. 但该技术目前只能实现准单色光的全偏振探测, 严重制约了其实用化. 本文首先对宽带光通道调制型偏振成像出现混叠现象的原因进行了分析, 得出载波频率是限制波段宽度的主要因素. 据此在空间频谱域上分析并推导了通道调制型偏振成像系统的光谱宽度限制判据公式, 同时通过模型仿真得到了系统的极限有效光谱范围, 与理论推导公式结果进行了对比分析, 验证了判据的准确性. 基于该判据可预测给定通道调制型偏振成像系统的有效工作波段, 同时还可为扩展系统波段宽度提供理论支撑.     

静态调制的光谱偏振成像系统

针对传统光谱偏振成像系统普遍存在的系统结构复杂、需要动态调制、光通量低等问题,提出一种基于静态调制的光谱偏振成像系统,将静态调制偏振探测方法与Savart偏光镜干涉成像原理相结合,可在成像过程中实时获取目标的光谱信息和全部四个Stokes偏振信息。与传统系统相比较,该系统具有无运动部件、无需动态电控调制、没狭缝限制、光通量大等优点。介绍了系统组成和基本原理,搭建了实验装置,实验装置包括二次成像光学系统、偏振调制模块、干涉成像模块、CCD图像采集及数据处理模块等,成像谱段范围为可见光近红外(480~950 nm)。利用实验装置对白板、飞机玩具模型进行了成像实验,验证了该系统的光谱偏振成像数据获取能力。对静态调制的偏振测量精度进行了验证,偏振测量统计误差小于5%。实验结果验证了系统原理的正确性和可行性,获取的光谱偏振成像数据在目标识别、目标分类、遥感探测等方面具有较高的应用价值。     

空间振幅调制光谱偏振测量技术研究

空间振幅调制光谱偏振测量技术通过由光楔、偏振片组成的调制模块,将目标的偏振信息调制到与光谱维垂直的空间维,单次测量即可同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先阐述空间振幅调制光谱偏振测量技术的基本原理,然后利用空间调制光谱偏振仿真软件进行理论仿真,并且给出了具体的实验研究方案,通过对比理论模拟图像和实验图像,验证实验的可靠性。以Q=0,U=1,V=0和Q=1,U=0,V=0作为入射偏振光进行实验,在波长范围500～600 nm采样10组数据,利用最小二乘法对实验输出的偏振光进行偏振解调。结果表明：解调后入射光的线偏振度与参考入射光的误差值分别小于2.5%和4%,偏振角误差值小于1.8%和2%,验证了实验和算法的可行性,并对两组复合光楔中心误差对偏振测量的影响作了简要分析,结果表明中心误差对偏振分量Q和V的测量影响较大。     

不同调制方式下偏振度与偏振模色散的关系

给出了偏振度与偏振模色散关系的理论模型,分析了非归零和归零两种调制方式下的偏振度与偏振模色散关系特性,结果表明偏振度町以作为实时检测偏振模色散的信号;且偏振度对偏振模色散的有效检测范围不大于调制光信号的占空比α,同时检测灵敏度与有效检测范围成反比;在非归零调制时偏振度对偏振模色散的有效检测范围最宽,为调制光信号的一个调制周期,是常规归零调制(占空比为0．5)时的2倍,但灵敏度只有常规归零调制时的一半。进一步探讨了在实际应用中改善偏振度对偏振模色散的有效检测范围和灵敏度的方法。实验验证了非归零调制时偏振度与偏振模色散关系特性。     

一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法

提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法.理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理,并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素.在实验中,使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带,并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展,得到重复频率为10 GHz,光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源,可以实现无"死区"的绝对距离测量.另外,使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理,可以修正系统误差,提升测距精度.实验结果表明,在1 m的测量范围内,使用该装置可以在任意位置达到±15μm以内的绝对测距精度.     

频率调制强吸收光谱中残余幅度调制的理论分析

由电光调制器(EOM)中双折射效应及线偏光不完全沿EOM调制方向诱发的残余幅度调制(RAM)使频率调制(FM)光谱技术在微量气体检测中的应用受到极大的限制。基于光场与晶体相互作用及光学干涉原理推导出存在RAM时FM光谱的线型表达式,确定出输入线偏光角度、EOM中双折射效应、FM系数等是影响线型的主要因素,且当入射EOM光的偏振角度偏离调制方向越大,双折射效应引起的特征偏振方向相位差越大,线型扭曲越严重;同时在FM色散光谱中存在一个受两者影响的直流偏置;最后给出通过伺服控制这两过程可以达到抑制RAM的目的。这些现象及线型的分析将为基于光纤器件的FM光谱提供必要的理论支持。     

光纤频率调制光谱技术中残余幅度调制特性的研究

频率调制光谱(FMS)技术不仅可以用来同时测量原子和分子的吸收和色散,还是噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)的关键技术,由于光纤器件的引入或光源输出光的偏振态不稳定等因素会诱发残余幅度调制(RAM),RAM的产生使得FMS技术在痕量气体检测中的应用受到极大的限制,因此研究光纤FMS中RAM的特性具有非常重要的意义。研究首先通过理论分析了无吸收时的FMS信号的线型及RAM的影响因素,实验测量无吸收时输入偏振方向和输出偏振方向及电光调制器(EOM)温度对光纤FMS中RAM的影响,均与RAM存在线型关系,验证了理论分析结果,并为RAM的抑制工作以及基于RAM的其他应用提供了依据。     

应用频率调制激光制备二离子暗EPR态

提出了制备势阱中的两离子EPR态的一种方法. 这种方法是基于频率调制的行波光场与囚禁离子的相互作用.这种方法的一个突出优点是所制备的量子态为“暗态”,即自发辐射相消的量子态。另外,讨论了二模压缩运动态（两离子质心模式和呼吸模式）的制备.     

基于双折射双频激光器中的调频回馈位移测量研究

提出了一种基于双折射双频激光器中的调频回馈效应的位移测量系统，并在实验和理论两方面进行了研究.实验中保持回馈外腔长度不变，将一四分之一波片置于激光器内腔中，调制内腔长度，激光器的中心频率发生改变，激光器输出强度将发生周期性的变化.研究发现激光强度曲线的波动频率正比于回馈外腔长度与内腔长度之比.当该位移测量系统的外腔长度是内腔长度的6倍时，被测物体每移动半个光波长，激光强度波动12次，系统分辨率可以达到二十四分之一光波长.理论分析与实验结果相符合.研究表明该位移测量系统具有高分辨率、大测量范围、可工作于任意回馈水平等特点. 关键词： 调频回馈 位移测量 双折射双频激光器 强度波动频率     

双色激光偏振演示实验

利用红色和绿色激光束产生2束偏振方向分别平行及垂直于入射面的偏振光,再混合为1束光.通过缓慢改变光束的偏振结构及其与入射透明介质的夹角,使反射与透射光斑颜色及明暗发生变化,演示了马吕斯定律、菲涅耳关系和布儒斯特定律等光的偏振性质.     

铷原子饱和吸收光谱与偏振光谱对780nm半导体激光器稳频的比较

将激光频率锁定于合适的参考频率,可以有效地抑制激光器的频率起伏。本文采用铷原子D2线超精细跃迁线的饱和吸收光谱和偏振光谱分别获得鉴频曲线,通过电子伺服系统将频率校正信号负反馈到780 nm光栅外腔反馈半导体激光器外腔的压电陶瓷上的方法对激光器进行稳频。介绍了两种方法的基本原理和实验方案。与激光器自由运转300s时激光器典型的频率起伏约6.6 MHz相比,采用饱和吸收光谱和偏振光谱进行稳频,运转300 s时激光器典型的残余频率起伏分别约为1.5 MHz和0.6 MHz。分析表明,饱和吸收光谱稳频采用了相敏检波技术,需要对激光器进行频率调制,带来了额外的频率噪声,而偏振光谱稳频则是一种完全无频率调制的稳频方案。     

铷原子饱和吸收光谱与偏振光谱对780nm半导体激光器稳频的比较

将激光频率锁定于合适的参考频率,可以有效地抑制激光器的频率起伏。本文采用铷原子D2线超精细跃迁线的饱和吸收光谱和偏振光谱分别获得鉴频曲线,通过电子伺服系统将频率校正信号负反馈到780 nm光栅外腔反馈半导体激光器外腔的压电陶瓷上的方法对激光器进行稳频。介绍了两种方法的基本原理和实验方案。与激光器自由运转300s时激光器典型的频率起伏约6.6 MHz相比,采用饱和吸收光谱和偏振光谱进行稳频,运转300 s时激光器典型的残余频率起伏分别约为1.5 MHz和0.6 MHz。分析表明,饱和吸收光谱稳频采用了相敏检波技术,需要对激光器进行频率调制,带来了额外的频率噪声,而偏振光谱稳频则是一种完全无频率调制的稳频方案。     

线性调频外差法测量液体折射率

介绍了利用半导体激光器的电流调制特性，采用线性调频外差法测量液体折射率的原理和方法。同其他方法相比，该方法测量精度高且更易控制。     

A 532 nm molecular iodine optical frequency standard based on modulation transfer spectroscopy

We report construction of an iodine-stabilized laser frequency standard at 532 nm based on modulation transfer spectroscopy(MTS) technology with good reproducibility. A frequency stability of 2.5 × 10~(-14) at 1 s averaging time is achieved,and the frequency reproducibility has a relative uncertainty of 3.5×10~(-13), demonstrating the great stability of our setup.The systematic uncertainty of the iodine-stabilized laser frequency standard is evaluated, especially the contribution of the residual amplitude modulation(RAM). The contribution of the RAM in MTS cannot be evaluated directly. To solve this problem, we theoretically deduce the MTS signal with RAM under large modulation depth, and prove that the nonsymmetric shape of the MTS signal is directly related to the MTS effect. The non-symmetric shape factor r can be calibrated with a frequency comb, and in real experiments, this r value can be obtained by least-squares fitting of the MTS signal,from which we can infer the RAMinduced frequency shift. The full frequency uncertainty is evaluated to be 5.3 k Hz(corresponding to a relative frequency uncertainty of 9.4×10~(-12)). The corrected transition frequency has a difference from the BIPM-recommended value of 2 k Hz, which is within 1σ uncertainty, proving the validity of our evaluation.     

Uniphase1007型He—Ne激光管的纵向塞曼稳频研究

本文介绍采用拍频曲线晶振基准法首次在Uniphase 1007型长寿命商品He-Ne激光管上实现了无压电陶瓷调谐元件的塞曼双频稳频,采用可调永磁供磁,达到光频长期漂移5×10~(-9);双频双线偏振分离度1/60;双线偏振正交度89.5°;入锁及锁定情况良好.给出了塞曼双频激光器的调试技术.描述了输出光束偏振状态和纵模数关系的一个物理现象.     

基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距及其非模糊度量程分析

飞秒光梳被广泛用于时间频率技术和精密光谱测量,由其时频特性所衍生的绝对测距技术以可溯源、大尺寸、高精度等优点有望成为未来长度计量的最重要手段.本文提出了一种基于飞秒光梳多路同步锁相的多波长干涉实时绝对测距方法,使多个连续波激光器通过光学锁相环技术同步锁定到飞秒光梳梳模上,通过多路同步相位测量和小数重合算法最终实现绝对距离测量.所提测量方法不仅能保留传统激光干涉测距的高分辨力和精度,而且可溯源至时间频率基准,对高精度长度测量、尤其是对物理复现“米”的定义具有重要计量意义.测距实验证明,四波长干涉测距的非模糊度量程达到44.6 mm,折射率波动导致非模糊度量程变化为纳米量级;多波长干涉测距的非模糊度量程也受制于空气折射率的测量误差,多波长干涉绝对测距的非模糊度量程在实验室环境下可达数米、甚至几十米,并通过2米线性位移实验证明了多波长绝对测距的大量程和线性测量性能.     

Effects of polarization mode dispersion on cross-phase modulation in a WDM optical transmission system

The cross-phase modulation (XPM) changes the state-of-polarization (SOP) of various channels and leads to amplitude modulation of the propagating waves in a WDM system. Due to the presence of polarization mode dispersion (PMD), the angles between the SOP of the channels change randomly and cause the modulation amplitude fluctuation random in the perturbed channel. We analytically derive the dynamic equation of the perturbed channel, determine the combined probability density function of the random angle between the SOP of pumps and probe channel and evaluate the effects of PMD on XPM for a 4-channel IM-DD WDM system in terms of BER at bit rate of 10 Gb/s per channel. We also simulate the impact PMD on XPM for a 4-channel WDM system in terms of eye diagram and found that eye opening penalty is 1.85 dB higher when the fiber PMD coefficient increases from 0.5 to 1.5 ps/√km.