基于光外差技术的超宽带频率响应测量系统

介绍了一种利用光外差技术测量光电探测器超宽带频率响应的测试方法。将一个可调谐外腔激光器和一个固定波长的分布反馈激光器（DFB-LD’s）产生的激光输入到光电探测器进行混频。通过对可调激光器腔长的控制,可以在光电探测器产生从DC到上百GHz的拍频信号,在无需额外校准光源的情况下就可以进行光电探测器超宽带频率响应特性的测试,这是该方法最突出的优点。实验证明该方法比较准确、简便、易于操作。在实验中,对两个不同的InGaAs p-i—n探测器进行测量,得到器件的3dB带宽分别为14．4GHz和40GHz。该测量方法对同类实验的研究和应用都具有实用意义。     

基于回音壁模式微球腔的PDH稳频技术

光学微球腔因其回音壁模式可获得极高的品质因数而受到广泛关注.本文分析了Fabry-Perot腔和微球腔的基本原理,通过CO2激光熔融光纤实验制得了直径为1.2 mm的微球腔,并测试了微球腔和锥形光纤耦合结构的耦合特性.采用典型的PDH稳频系统设计了基于微球腔的稳频系统,分析了用于鉴频的误差曲线的吸收特性和色散特性,对比了不同调制频率、微球腔直径、耦合损耗、传输损耗下与误差曲线斜率的关系.结果表明:耦合状态下最大Q值可达到1.1×108,调节微球腔内横磁模和横电模的转换可优化耦合效率,匹配微球腔和锥形光纤的尺寸得到了径向二阶模式的透射谱,误差曲线效率达到15.4A mW/MHz.球腔在提高PDH稳频技术灵敏度上具有巨大潜力.     

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析, 针对布里渊散射光信号的特点, 应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号. 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光, 和布里渊散射光进行相干检测, 根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号, 从而得到分布式传感信号. 分别实现了25 km光纤的分布式温度和应变传感, 达到3℃的温度分辨率、100 με的应变分辨率和10 m的空间分辨率.     

激光调频光纤位移传感器多路复用技术的研究

叙述了运用半导体激光器连续波调频外差干涉和频域多路复用原理，研究了光纤位移传感器多路复用技术。已研制成的分频与分幅相结合四路复用光纤位移传感器，可同时进行对多点、多维位移和多种物理量的测量，各路位移测量范围大于１ｍｍ，测量精度优于０．１μｍ及位移分辨率为０．０１μｍ。     

基于双声光移频器的外差式激光多普勒测振计

分析了单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计中声光移频器驱动信号的频率稳定性和信号功率对待测振动信号的影响.为了降低声光移频器驱动信号频率漂移的影响,提出双声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计,并基于直接数字频率合成技术,以相位噪音低、初始相位可控的芯片AD9912为核心器件,完成了声光移频器驱动信号生成及处理模块的设计.开展了双声光移频器组成的外差式激光多普勒测振计的振动测量实验,结果表明,驱动信号生成装置可以驱动声光移频器正常工作,且测振计的本底噪音在0～10kHz频带范围内呈现平坦分布,0～1kHz频段内噪音得到明显抑制,较单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计有显著改善.     

基于双声光移频器的外差式激光多普勒测振计

分析了单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计中声光移频器驱动信号的频率稳定性和信号功率对待测振动信号的影响.为了降低声光移频器驱动信号频率漂移的影响,提出双声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计,并基于直接数字频率合成技术,以相位噪音低、初始相位可控的芯片AD9912为核心器件,完成了声光移频器驱动信号生成及处理模块的设计.开展了双声光移频器组成的外差式激光多普勒测振计的振动测量实验,结果表明,驱动信号生成装置可以驱动声光移频器正常工作,且测振计的本底噪音在0~10kHz频带范围内呈现平坦分布,0~1kHz频段内噪音得到明显抑制,较单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计有显著改善.     

基于OPO脉冲激光激发光声光谱的真假血液分类鉴别

为了实现快速准确并可回收再利用地鉴别真血和假血,采用光声光谱技术构建了一套血液光声检测系统并获取血样的光声信号.选取三种动物真血(马血、牛血和兔血)和两种假血(道具假血和红墨汁)共125组血样作为实验样本.获取了700～1064 nm波段内所有样本的光声信号和光声峰峰值谱.实验表明,真血和假血的光声信号幅度、轮廓、峰值...     

稳频半导体激光器的温度控制技术

设计了一种用于半导体激光器稳频的恒温控制器,在室温下2h的测试时间中,测试恒温稳定度为5mK,配合稳定度为±2μA的恒流源,半导体激光器自由运行时激光频率波动稳定在100MHz范围内。     

Influence of Phase Drift on Optical Coherence Tomography Using a CCD Camera-Based Heterodyne Detection Technique

The performance of a two-dimensional heterodyne detection technique in optical coherence tomography (OCT) was studied. This technique, which is based on the frequency synchronous detection method, enables the use of an imager such as a charge coupled device (CCD) camera as a heterodyne sensor array, so that horizontal cross-sectional image can be acquired in real time without lateral scanning. OCT measurements of scattering media including a biological object were demonstrated. To evaluate the influence of phase fluctuations on the present technique, we measured and analyzed the statistical relative-standard-deviation of heterodyne signal intensity as a function of the random phase shifts between two consecutive CCD frames. Practical limitations in the signal stability and possible solutions are discussed.     

基于OPO脉冲激发的血糖光声检测影响因素研究

构建了一套基于侧向模式的光学参数振荡(optical parameter oscillator,OPO)脉冲激光激发-超声传感的血糖光声检测系统,并且将激发波长、激光能量、探测频率和温度等对血糖光声检测的影响,在系统结构上进行了有效融合。然后,以不同浓度的葡萄糖溶液作为测试样品,实验研究了几个因素(激发波长、激光能量、探测频率和温度等)对葡萄糖光声检测和浓度预测的影响。实验得到了不同浓度葡萄糖溶液在不同影响因素条件下的葡萄糖实时光声信号和光声峰峰值,同时,为了得到不同因素对葡萄糖光声值和浓度预测的影响规律,通过线性回归算法建立了葡萄糖光声峰峰值与各因素变化,以及不同因素下光声峰峰值与浓度梯度的映射关系模型。实验和模型预测结果表明：相比1 200和1 300 nm波长而言,1 064 nm波长下的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度模型预测效果最好,模型相关系数达到0.986;葡萄糖光声峰峰值随着脉冲激光输出能量的增大呈线性增大趋势,且葡萄糖浓度预测准确度随着激光输出能量增大有所提高;根据不同探测频率的超声探测器捕获的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度建模效果来看,响应频率为1 MHz的超声探测器相比2.5和10 MHz的超声探测器,在葡萄糖光声信号探测上具有更好的探测效果;最后,实验发现,葡萄糖光声峰峰值随着温度和浓度的增大均呈线性增大趋势,且浓度预测误差随着温度的升高逐渐增大。     

Optical Heterodyne Impulse-Response Measurement of Lithium Tantalate Phase Modulator Driven by Wideband Frequency Signal

In this paper, we describe a novel optical heterodyne interferometer for characterizing phase modulation systems including a lithium tantalate phase modulator. A wideband random signal is imposed on the modulator so that the resultant beat photocurrent is modulated in phase at random. The cross-power spectrum of the fluctuating phase with the wideband random signal driving the modulator is computed to give the transfer function and the impulse response of the phase modulation system. The frequency and time response of the phase modulation are measured up to 15 MHz in a practical experiment.     

High-Sensitivity Heterodyne Detection Based on Optical Orbital Angular Momentum and Algorithm Restoration

Journal of Russian Laser Research - Heterodyne detection of weak signals is an important detection method for radar velocity measurement at long distances. However, its measurement precision of...     

光学移频超分辨成像技术进展

光学显微镜具有无损、样品友好、速度快等优点,一直是人类探索微观世界的主要手段.但是,由于受到衍射极限限制,长期以来,光学成像系统的分辨率最高仅能达到可见光半波长量级,逐渐成为科学技术发展的桎梏.对于荧光标记样品,可以利用荧光超分辨光学显微成像技术打破光学衍射极限,填补电子显微镜(约为1 nm)和普通可见光学显微镜(20...     

Frequency Stabilization of Waveguide CO2 Laser by a Digital Technique

In this work we present a simple technique for laser frequency stabilization, based on Digital signal processing. The technique is used to stabilize a waveguide CO₂ laser of wide tunability by using three kinds of reference signals: the CO₂ laser ouptut power, an infrared absorption optoacoustic signal and the output power of a Far-Infrared optically pumped molecular laser.     

温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响,分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系,建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型,通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。结果表明,良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响,干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移,同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响,使光谱谱线发生变形。针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件,应依据基频、结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

锶原子光钟中repumping光频率锁定系统的研制

锶原子光钟里两束repumping光的频率对应锶原子三重态系跃迁(5s5p)3P0-(5s6s)3S1和(5s5p)3P2-(5s6s)3S1,由于其跃迁基态处于亚稳态,所以较难利用原子的跃迁线作为参考对这两台激光器进行锁频.本文介绍一种基于腔传递的数字伺服系统实现这两台半导体激光器任意频率的同时锁定.通过一台F-P腔将He-Ne激光器的频率高稳定性同时传递到两台受控激光器上.LabVIEW程序自动搜索激光透射峰信号从而得到误差信号,由比例积分算法得出控制电压,并反馈回激光器.可视化界面易于操作和观察,可直接完成对激光器的锁定,并自动记录实验结果.该方法使用方便,锁定后激光器频率波动为±4 MHz左右.该系统易扩展,可实现多台激光器的同时锁定.将锁定后的repumping光加入蓝MOT后,磁光阱内俘获的原子荧光强度增大了12倍,寿命提高了13倍,对于锶原子光钟一级冷却的研制有重要的应用价值.     

空间激光通信移动平台的自抗扰视轴稳定控制

分析空间激光通信移动平台角运动和框架偏转之间的速度耦合关系,给出克服移动平台角运动的视轴稳定方法,针对视轴稳定系统中存在的非线性、多干扰问题,应用自抗扰控制法对三轴视轴稳定系统进行分散独立控制,采用模糊理论对自抗扰控制器的相关参量进行自整定.仿真和模拟实验表明:在1Hz条件下,相对于参量辨识控制法,模糊自抗扰控制法的抗扰动隔离度提高了7.4dB;在模拟扫频实验条件下,将1~2Hz与2~4Hz的扰动实验区间进行比较,模糊自抗扰控制法的抗扰动隔离度下降仅2.2dB.模糊自抗扰控制具有较好的快速响应性、较小的超调和频率适应性,能够满足系统稳态准确度的要求,并能克服平台角运动耦合、不确定性扰动问题.     

光外差干涉全光纤表面粗糙度传感器的研究

本文介绍了基于半导体激光器线性调频干涉技术的全光纤表面粗糙度传感器的研究，该传感器的灵敏度为０．００５μｍ，量程为４ｍｍ，属微型化传感器，辅之以机械传动机构可完成对复杂曲面表面，沟槽表面及３ｍｍ以上内孔表面的表面粗糙度测量，且结构简单易于实用化。     

基于特征匹配的电子稳像优化技术

针对特征匹配的电子稳像算法存在特征点提取耗时多、准确度不高以及特征点误匹配等问题,从特征点提取及特征点匹配两个方面采取了优化措施,采用基于快速分割特征点提取算法更快地提取特征点,并把特征点定位准确度提高到亚像素级;引入随机采样一致性算法消除误匹配的特征点对,减少场景中局部运动的影响,提高了全局运动参量的估计准确性.实验结果表明,经优化技术处理后,视频稳像准确度高、速度快,能够在存在平移、缩放、旋转及局部有相对运动等情况时保持良好的视频稳像效果.