基于内调制DFB激光器的高空间分辨率TGD-OFDR

提出了一种利用内调制频率调谐实现高空间分辨率的时间门控数字光频域反射仪（TGD-OFDR）方案,采用电流调谐的分布式反馈（DFB）二极管激光器作为探测光源提供较大的激光频率调谐范围的信号,利用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）分析该DFB激光器的电流-频率响应特性后,由任意波形发生器产生的带有预失真的锯齿波信号驱动该DFB激光器,进而补偿激光器扫频时的非线性,同时采用一台波长可调节的稳频激光器的出射光充当本地稳频参考光。实验测试在74 km的光纤链路上实现了10 cm的空间分辨率,动态范围为23.3 dB。     

增益开关半导体激光器在外光注入下脉冲抖动的实验研究

采用增益开关半导体激光器作为注入种子光源来降低另一个增益开关DFB或Fabry-Perot（FP ）半导体激光器的脉冲抖动.相位噪声测量技术表明：增益开关FP激光器在外部脉冲光注入 下，激光脉冲抖动（均方值）由1.2ps降低至830fs；增益开关DFB半导体激光器在外脉冲注 入下，脉冲抖动由12ps降低至1.8ps. 关键词： 半导体激光器 光脉冲产生 时间抖动 光子注入     

强度型激光光纤传感系统的神经网络补偿方法

提出一种考虑激光光纤传感系统中的激光器输出功率波动的神经网络跟踪补偿方法。在这种方法中，神经网络不仅用于削弱激光器输出功率波动对测量系统的影响，而且还同时用于传感非线性校正。提高了光强调制型光纤传感器的长期工作稳定性及测量精度，并有利于扩大激光光纤测量系统的测量范围。以光纤位移传感器为例，说明了该方法的有效性。     

激光自外差相干测量中分布反馈半导体激光器电流调谐非线性的补偿方法

半导体激光器的电流调谐非线性对自外差相干测量的精度影响很大.研究了分布反馈半导体(DFB) 激光器的电流调谐特性,据此提出一种数学模型补偿方法.利用已知光程差下的差拍频率,建立了动态调频 系数的数学模型.以此模型对DFB激光器的电流调谐非线性进行补偿,可以将差拍信号频率预测值的相对误差 减小约3%,提高了系统的测量精度.数学模型补偿方法简化了测量系统的结构,适用于高精度的电流调谐 激光在线测量系统.     

用于调频连续波激光雷达的高重频调制DFB激光器的非线性频率校正技术

为获得调谐速率高至100 kHz、调制带宽5G以上、频率线性度较好的光源，从可调谐分布式反馈激光器的调谐原理出发，建立了以温度为主导的调谐模型，在该模型基础上采用基于拍频一致化的迭代仿真算法，显著降低了光源的非线性度。最后搭建了实验平台，采用该算法进行了两次迭代运算。实验结果显示，相比于未校正的波形，经过两次迭代后，下扫频与上扫频的非线性度分别从0.050 0、0.020 0降低到了0.004 2与0.002 6，分辨率改善明显。仿真与实验结果证明该方法能有效校正高频调制时DFB激光器调频连续波输出的频率非线性。     

分布式反馈激光器模拟控温检测系统研制

温度对分布式反馈(DFB)激光器的性能指标和工作寿命有着重要影响。针对宽温度范围下的激光器应用,分析了激光器温控系统的研究现状及趋势,给出了温控系统的设计原理,采用线性驱动与PID闭环控制方法,应用模拟器件,研制了一种DFB激光器的模拟控温检测系统,并利用该系统对1550 nm的DFB激光器进行了试验验证。结果表明,系统在?55 ℃～70 ℃的全温度范围下,保持长时间工作（≥2 h）,激光器的工作状态稳定,中心波长未出现漂移。系统的温度控制精度随着工作环境温度的范围不同而有所差异,在室温环境下可达到±0.02 ℃,在全温范围内控制精度在±0.8 ℃以内,跟踪误差小于±0.5 dB。与传统的激光器温控系统相比,本系统工作温度范围宽、控制精度高,且体积小、成本低、简单可靠,对于温度环境要求较为严苛的DFB激光器应用场景,具有重要的工程实践意义。     

面向片上传感量子级联激光器的研究进展（特邀）

作为一种新型半导体激光器,量子级联激光器因其独特的子带间跃迁机制,具有高速响应、高非线性、输出波长大范围可调等特点。近年来随着输出光功率和电光转化效率等性能指标的快速提升,量子级联激光器已成为中红外至太赫兹波段（波长约为3～300μm）的主流激光光源,在大气污染监控、气体检测、太赫兹成像、生物医疗以及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。本文阐释了量子级联激光器的发展历程以及工作原理;分别重点讨论了中红外量子级联激光器在高效率、大功率、波长可调谐以及片上传感的应用等方面的研究进展,并对基于中红外量子级联激光器差频太赫兹光源和光频梳的发展进行叙述,最后进行了简要总结与展望。     

基于光IQ调制的OFDR系统定位研究

针对传统内调制光频域反射(OFDR)分布式传感系统中扫频激光存在的频率变化非线性问题及其造成的信噪比降低问题,提出了基于光IQ调制的光频域反射系统,分析了光IQ调制扫频基本原理和光频域反射传感系统基本原理,搭建了基于光IQ调制器的扫频激光生成系统和OFDR温度变化定位实验系统,通过光IQ调制器对稳频激光进行调制以生成线性扫频激光,并将线性扫频激光导入OFDR系统实现对待测光纤上温度变化的定位检测。实验结果证明,基于光IQ调制器的OFDR系统可以准确定位待测光纤上的温度变化位置,在1000m光纤上定位误差为0.0606m。研究表明,基于光IQ调制的光频域反射系统可以实现中长距离的高精度温度变化定位传感。     

基于DFB激光器的光纤光栅温度检测

波长解调技术是光纤光栅传感技术的关键,提出了一种建立在波长可调谐DFB激光器技术上的波长解调方法,通过线性控制DFB激光器管芯温度达到调谐DFB激光器输出波长。通过实验和分析,得出了激光器调谐波长与管芯温度的对应关系,在此基础上,建立了光纤光栅温度检测系统,系统温度检测误差在1℃范围内,实验结果表明,采用波长调谐进行光纤光栅温度检测的方法,在一定的温度检测范围内具有良好的应用效果。     

开环单向光混沌系统中广义与完全同步转换

在由一个外腔分布反馈(DFB)半导体激光器和一个独立的DFB半导体激光器构成的开环单向耦合混沌同步系统中,通过微调发射激光器的偏置电流可以精确控制两个激光器之间的频率失谐,从而可对不同频率失谐下的系统混沌同步状态进行研究.实验研究结果表明,在较小的频率失谐范围(-0.19~0.95 GHz)之内,混沌时间序列在传输延迟...     

增益非线性对超短腔激光器速率方程的影响

用量子阱激光器增益与载流子浓度的对数关系（增益饱和效应）取代了体材料的线性关系，得到了适用于量子阱结构的速率方程。详细分析和计算了这一修正的影响。计算表明，对长腔（低损耗）器件线性关系是较好的近似；对短腔（高损耗）、线性关系则有较大的误差，必须考虑增益饱和的影响，否则将过高估算自发辐射因子的测量值，过高估计弛豫振荡频率和最大调制频率。这一结果对微腔激光器的研究具有重要的意义。     

可调谐垂直腔面发射激光器支撑结构优化设计

基于微机电系统（MEMS）的850 nm可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL），设计了一种双曲线梁结构，以提升器件机械和调谐特性。通过分析传统等截面梁结构的受力情况，提出了双曲线结构优化设计，将梁结构端面的面积增大从而降低最大应力。理论仿真结果表明：优化后器件上反射镜的最大偏移量基本保持不变，支撑梁上下表面的最大应力分别降低了23.4%和17.0%，谐振频率增大了7.9%；当MEMS-VCSEL分别为半导体腔主导（SCD）结构和空气腔主导（ACD）结构时，波长调谐范围分别为16.6 nm和42 nm。该优化方式的优势在于不需要改变激光器的结构，同时可与其他优化方式兼容，具有一定的应用前景。     

基于Lomb-Scargle算法的激光扫频干涉非线性校正方法

激光扫频干涉测量技术因其精度高、抗干扰能力强等优势成为研究热点.而激光器调频的非线性问题一直是影响测量精度的关键因素,非线性带来的直观结果就是拍信号的频谱严重展宽,造成测距精度下降.为解决该问题,本文提出了一种基于Lomb-Scargle算法的非线性校正方法,搭建了具有辅助干涉仪的激光扫频干涉测量系统,通过对辅助路拍信号进行希尔伯特变换提取相位,再基于提取到的相位信息生成一个新的时间序列,结合Lomb-Scargle算法,将非线性校正与拍信号频率计算同时进行.作为验证,对于0.5—1.3 m范围内的目标进行了测量,最大误差为14μm.区别于传统频率采样法校正原理,本文提出的校正方法并不是以辅助路的拍信号对测量路进行重采样,所以无需满足辅助干涉仪光程差大于测量路光程差两倍的条件,因而可为增大测距量程提供一种思路.     

双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术

双频激光干涉仪功能强大，50年来保持良好的发展势头，应用面（特别是在先进制造业）越来越宽广。本文以解决关键技术为线，概述笔者及合作者经40年坚韧研究完成的“可伐-玻璃组装式单频He-Ne激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪”的全链条技术。技术亮点有：开国内可伐-玻璃组装式He-Ne激光器之先，吹制工艺或成历史；开国内外内雕应力双频激光器之先，解大频差和高功率不可得兼之难，保持1 mW功率运转而频差可以在1～40 MHZ范围选择，还在源头上消除了干涉仪一直存在的测量非线性误差。目前，双折射双频激光器和干涉仪已在北京镭测科技有限公司批量生产。中国计量科学院测试结果表明，此双频激光干涉仪非线性误差小于1 nm，测量70 m长度时误差小于5μm。     

色散补偿及高阶孤子压缩啁啾光脉冲的理论与实验研究

利用半导体激光器的单模速率方程及超短光脉冲在光纤中传输的非线性薛定谔(NLS)方程，从理论及实验上研究了增益开关DFB半导体激光器出射的啁啾光脉冲在色散补偿光纤(DCF)及色散位移光纤(DSF)中的压缩过程与规律.实验上，从1.55μm增益开关DFB半导体激光器出射的重复频率为2.5GHz、脉冲宽度为53.8ps的光脉冲经色散补偿光纤压缩至12ps,而后利用色散位移光纤中的高阶孤子压缩效应将脉冲压缩至2.5ps.改变色散位移光纤参数及入射光功率后获得最窄光脉冲宽度为2.1ps.理论与实验结果符合. 关键词：     

基于准分子激光器火焰中OH自由基测量技术研究

介绍了利用XeCl准分子激光器作为光源,测量酒精喷灯火焰中OH自由基浓度的实验方法与结果分析。以XeCl准分子激光器作为光源,采用Herriott结构多次反射池扩展光程至2 560 m,利用酒精喷灯作为OH自由基发生器,使用光谱分辨率为3.3 pm的高分辨中阶梯光栅光谱仪作为光谱采集系统。详细描述了应用不包含etaloning结构的XeCl准分子激光器作为光源的原因,如何去除XeCl准分子激光器反应腔腔体中的水汽干扰等。选取308.145～308.175 nm波段范围对OH自由基浓度进行了反演,并与利用氙灯作为光源测量酒精喷灯中OH自由基浓度的结果进行了对比。     

可调波长半导体激光法布里-珀罗干涉仪

为了对激光十涉仪、高精度位移传感器等测量系统进行纳米级精度的非线性误差校准,需进一步提高中国计量科学研究院与清华大学合作研制的差拍F-P 干涉仪的线性度、稳定性及测量范围.在合理分析空气折射率变化及He-Ne激光器纵模调谐范围等因素对测量的影响基础上,设计并制作了密封干涉光路的真宅系统,并用调谐范围较大的半导体激光器作为工作激光器.实验结果表明,系统在大于1/4波长的行程范围内的线性度有明显的提高,最大非线性误差由8.93 nm减小至1.19 nm.     

基于QCL-TDLAS的NH3浓度测量仿真研究

可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）作为一种新型气体浓度测量技术被广泛应用于NH₃浓度测量领域。利用Matlab可视化建模仿真软件Simulink分别实现了以中远红外量子级联激光器（quantum cascade laser,QCL）和近红外分布反馈式激光器（distributed feedback laser,DFB）做为光源的NH₃浓度TDLAS直接吸收测量仿真,并且分别在常温常压和烟气脱硝出口环境参数下理论分析了NH₃浓度测量灵敏度、检测限和分辨率。仿真结果表明:与传统近红外DFB光源相比,QCL-TDLAS系统理论灵敏度高约50倍,检测限与分辨率可达ppb量级,痕量NH₃浓度测量能力得到大幅度提升。仿真过程和结果为QCL-TDLAS技术在NH₃浓度测量方面的研究提供了理论依据。     

6590cm-1附近N2O分子的连续波腔衰荡光谱测量

以超低膨胀系数微品玻璃为腔体,以分布反馈(DFB)激光器为光源,建立了一套高灵敏度连续波腔衰荡光谱测量系统.该系统通过扫描腔长来实现入射激光与衰荡腔的频率匹配,通过DFB激光器的电流调制实现入射光的快速关断.通过DFB激光器的温度、电流调谐实现系统的光谱扫描,7.6×10-9cm.的测量灵敏度.结合超高真空系统,对N2O在6586.5～6596.5cm-1的19条N2O吸收谱线的吸收强度及多普勒展宽系数进行了测量,并就测量结果与HITRAN2004数据库进行了比较和讨论.     

白光显微干涉测量曲面样品形貌误差的校正方法

白光显微干涉术在平面阶跃型结构的形貌测量中具有显著优势。但在测量斜率变化的曲面样品时,由于物镜数值孔径的限制,样品表面反射光随着斜率的增大而减弱,干涉信号对比度降低,导致形貌测量结果的误差增大。基于表面传递函数（surface transfer function, STF）计算得到的逆滤波器可用于校正曲面样品的形貌测量误差,但现有方法的逆滤波器增益受限,无法有效提升频谱中的高频信号,对最大可测量斜率的提升有限。针对该问题,提取由白光干涉仪特性参数计算获得的虚拟STF的模作为振幅增益函数,由干涉图傅里叶变换得到的实测STF的相位作为相位补偿函数,形成虚实融合型逆滤波器,据此实现白光干涉仪曲面形貌测量误差的校正。应用该方法校正微球的形貌测量结果,校正后最大可测量斜率从8.09°提升到21.20°,均方根误差从0.545 5μm降低至0.175 9μm,实现了提升曲面样品的最大可测量斜率和减小测量误差的目的,有效提升了仪器针对曲面样品的测量范围。