激光外差实验研究

利用激光外差探测原理实现综合孔径激光雷达探测越来越受到关注。通过二极管泵浦固体激光外差探测实验,实现了实验平台上接受目标反射微弱回波信号的外差探测,得到了信号光功率与本振光功率之间数量级差别的阈值范围,总结了实现激光外差探测应用于综合孔径激光雷达领域的条件。     

基于FPGA数字相位调制光外差激光稳频系统设计

为了实现中心波长为1064nm的单频光纤激光器的稳频,采用相位调制光外差（PDH）激光稳频技术,搭建稳频系统光路。分析了相位调制光外差稳频信号以及误差信号特征;设计基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字式解调和反馈控制电路,在FPGA中实现对相位调制光外差稳频信号的数字解调,再经数模转换器输出获得误差信号。结果表明,在FPGA中能成功实现对相位调制光外差信号的解调,经Allan方差计算,频率漂移的方差值可达10-11,即所设计的数字系统实现了较高的稳频精度。     

红外激光光声光谱气体传感谐振腔分析

设计制作了适合中红外激光光声光谱气体检测用的圆柱形光声腔,采用有限元法对其声信号的传输和探测进行了模拟分析并与实际测量结果进行了系统的比较.结果表明此光声腔中的二阶纵模在4.2KHz附近具有最大的共振幅度和适中的Q值,十分适合中红外光声光谱气体传感应用.     

基于边缘探测技术的激光单稳频指标分析

基于边缘探测技术的激光雷达实际应用中,激光器在工作中发射光信号的中心频率会发生漂移,激光频率的漂移过大,会直接影响边缘探测系统的测量精度。采用仿真计算的方法得到碘分子吸收滤波器在470nm~550nm范围内的吸收光谱谱线,以基于边缘探测技术的激光雷达监测大气信道和海洋水下信道环境参数为例,得到适合大气和海洋探测吸收谱线并确定发射激光信号的中心频率。通过理论分析,给出了满足探测要求的激光发射信号单稳频指标,为实际探测系统的设计奠定基础。     

大气污染物SO2的光声探测

以波长为266nm的激光为激发光源,采用脉冲光声光谱技术,用自制的光声探测装置对SO2分子的光声吸收特性进行了实验研究,获得了室温、665Pa气压的实验条件下声音在SO2气体中的传播速度.通过测量光声信号随实验条件的变化发现,光声信号强度随激光能量的增加而增大,随缓冲气体压强升高而增大,缓冲气压增加到约2.66×104Pa时出现饱和现象.在标准大气压情况下,测量了痕量SO2气体的浓度,采用这套光声探测装置,SO2气体探测灵敏度可以达到9.1×10-6.     

480nm激光器的双光子DAVLL谱稳频

480nm激光的稳频对于实现铷原子从基态双光子相干激发到里德堡态必不可少。本工作基于梯形构型下的电磁诱导透明现象,一种新的480nm激光器稳频技术采用偏振谱稳频的780nm激光作为探测光而480nm激光则作为耦合光,在外加偏置磁场作用下产生的双光子双色原子气体激光锁频（DAVLL）谱方法,将该谱信号通过比例-积分-微分电路后反馈回480nm激光器即可实现稳频。在频率锁定后,480nm激光器和780nm激光器长时间稳频的总线宽为1MHz左右。     

采用温控和碘吸收池技术的发射激光稳频技术

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。     

基于铷原子调制转移光谱技术的1560nm光纤激光器频率锁定研究

1560 nm窄线宽激光器作为光学C波段的重要波长成分,在光纤传感和激光雷达等领域有着广泛的应用,实现该波段的激光稳频对光谱学和精密测量具有重要意义。本文采用1560 nm窄线宽光纤激光器作为种子光源,倍频至780 nm波段后,利用调制转移光谱（MTS）将倍频光锁定在铷原子(⁸⁵Rb)D2线的3-4交叉峰上;并研究探测光和泵浦光功率比、调制解调信号的频率和幅值来优化MTS信号,最终同时实现1560 nm光纤激光器的频率锁定及780 nm的稳频输出。激光器稳频后与低噪声精密锁定的光学频率梳进行拍频,通过频率计测量拍频信号并进行Allan方差分析,积分时间为10 s时,相对频率稳定度为1.4×10^-11。     

相位调制光外差稳频信号检测技术

在高功率条件下,由于受到多种因素的影响,单频光纤激光器输出激光的谱线宽度大幅展宽,输出激光的稳定性也不高。相位调制光外差稳频（PDH）技术在高功率条件下可以实现高频率稳定性。为实现对中心波长为1 064 nm的单频光纤激光器的稳频,理论分析了PDH稳频系统的原理并搭建PDH稳频系统。实验发现100 MHz相位调制光外差信号的检测是稳频系统的关键。实验中首先利用自行设计的探测器前置放大电路,基于Si探测器,实现了信号的探测和放大;其次,设计解调电路,通过将光电转换后的信号与参考信号进行混频实现解调,得到鉴频曲线,实现对光外差信号的检测。     

基于皮秒光参量技术对1064nm超微弱光信号的灵敏探测

正光参量放大技术(OPA)是利用非线性晶体作为参考耦合元件,通过将一束强的高频激光和一束弱的低频激光同时注入到晶体中,实现将弱信号放大,同时产生另一束低频激光的过程,其具有高增益、宽波长调谐等特性、在灵敏探测方面,光参量放大技术对相干或非相干的微弱光信号不仅可以提供高增益的放大,提高灵敏度,还可以通过参量频率上转换的方式,将近红外一中红外的光信号转换为可见光等波段,不仅探测起来更加容易,还可以大大减小红外探测时不可避免的噪声干扰,有效提高了探测信噪比。使用重复频率为1 kHz、脉宽21 ps的355 nm激光作为泵浦光,在BBO晶体中实现I类相位匹配,对超微弱的1064 nm相干光进行探测、采用光参量放大技术,通过参量频率上转换,可以在532 nm处探测到经过上转换的1064 nm种子光,并实现对单光子每脉冲的灵敏探测、该OPA系统对微弱光信号的增益达到了5.75×10~7。通过长距离传输放大信号,有效减小了噪声水平,也同样提高了探测信噪比。     

原子干涉仪中拉曼激光的相位-频率双调制稳频

为降低拉曼激光的频率噪声,提出了一种相位-频率双调制稳频技术。用光纤电光相位调制器对激光进行调制并产生大失谐边带;用射频信号对光纤相位调制器的微波驱动信号进行频率调制,通过锁相放大法将一个大失谐边带锁到铷原子的饱和吸收谱线上。利用该技术实现了拉曼种子激光的稳频和2 GHz的移频,拉曼激光的线宽大幅压窄到56 kHz,预期拉曼激光频率噪声引起的原子干涉重力仪的单次测量噪声可降低到7×10-9/s2。     

双频激光相干探测差频信号影响因素分析

为实现高速运动目标的低多普勒探测,提出了双频相干激光的差频光探测方法。对双频激光相干产生的差频信号光学影响因素进行了分析。首先,根据干涉理论得到差频光,结合维纳-辛钦定理推导得到了差频光的功率谱函数。然后,利用频域积分法得到差频光信噪比,并对差频光的条纹对比度进行了分析,最后进行了双频激光相干产生差频信号的实验研究。理论分析和实验表明,激光线宽的增大导致差频光信噪比和条纹对比度的下降,光程差越小条纹对比度越好,移频器的频率扰动导致差频光中心频率的波动。     

激光检测乙烯浓度的光声光谱效应研究

为了解决生物医疗、石油化工行业微量乙烯浓度难以检测的问题,采用CO2激光击穿装有乙烯气体的光声池产生光声光谱效应,进行了微量乙烯浓度的检测,设计并优化了光声池尺寸,研究了激光谱线10P(16)和10P(18)与乙烯吸收系数、乙烯气体浓度与光声信号之间的关系。结果表明,光声光谱气体检测系统的共振中心频率为833Hz,品质因数为20.8,光声池常数为2323Pacm/W;当激光功率为3.6W时,在两种激光谱线的照射下,光声信号与乙烯气体体积分数之间均成良好的线性关系,其线性拟合优度分别为0.99744和0.99802,系统的最低检测浓度可达0.9nmol/L。实验结果与理论分析相吻合,验证了光声光谱效应对微量乙烯浓度的检测具有良好的应用价值。     

半导体激光器稳频技术研究

具有窄线宽和较高频率稳定性的半导体激光器,在高分辨率激光光谱、原子频率标准、大气和环境监测、光通信等众多领域中具有极其重要的应用。因此半导体激光器的稳频研究具有十分重要的意义和应用价值。较为全面的总结了目前国内外广泛应用的各种半导体激光器稳频技术,简要介绍了各稳频技术的实验方案及基本原理;对各方案的特点、能够达到的频率稳定水平、优缺点等进行了全面的分析。对半导体激光器稳频发展趋势做了预测。     

缓冲气体对光声光谱法气体检测的影响

为了研究气压及缓冲气体种类对光声信号及共振频率的影响，采用光声光谱技术，设计了一套基于光声光谱技术原理的痕量气体检测系统。实验中以NH₃标准气作为待测气体，采用向光声池内充入缓冲气体的方法来改变光声池内气压，在气压作为单一变量的条件下得出0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化；采用分别向光声池内充入不同种类缓冲气体的方法，得出不同缓冲气体条件下0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化。结果表明，随着气压的升高，光声信号幅值增大，并且越重的缓冲气体使光声信号增幅越大；气压的升高使得共振频率偏移，共振频率的偏移量与光声池内混合气体分子的摩尔质量成反比。该研究为解决在现场进行气体检测时，气压及背景气体变化的复杂环境对检测结果的影响提供了参考。     

基于共焦法布里-珀罗腔的无调制激光频率锁定

将激光器锁定到合适的参考频率上,可以有效改善激光器的频率稳定性。对于共焦法布里-珀罗(CFP)腔,沿腔轴的光路与同腔轴有一小夹角的光路对应的光程不同,因此二者对应的腔共振透射峰的频率之间会发生相对频移。这一特性可用来产生以共焦法布里-珀罗腔作为频率标准稳定激光频率的类色散型鉴频曲线,而不需要对激光频率或者共焦法布里-珀罗腔长进行调制扰动,也无需采用相敏探测。实验中实现了自制的852 nm光栅反馈半导体激光器相对于共焦法布里-珀罗腔的无调制频率锁定,由闭环锁定后的误差信号分析,30 s内典型的频率起伏小于340 kHz,较相同时间段内激光器自由运转时的频率起伏(约10 MHz)有了显著的改善。还通过调节入射到共焦法布里-珀罗腔两光束之间的夹角来改变频移量,对不同频率间隔下的类色散型鉴频曲线的斜率以及对激光器锁频后的频率稳定性作了比较。     

基于调节转移技术稳定激光二极管的频率

阐述了利用调节及转换技术稳定激光二极管发射器的频率 ,这种发射器可以发射纳米波长的激光。通过分析两个相互独立的激光器系统中存在的振动信号 ,知道该振动信号已揭示了在 0 .0 9秒的时间内有 10 - 1 1 秒的时间频率是相对稳定的 ,并且在 1秒的时间内似乎可以得到 10 - 1 2 的最低干扰频率。为避免产生共振 ,充分吸收铯元素的D2 线作为频率参考及非线性光谱研究     

二种单频外腔式He-Ne激光器的自稳频原理再分析

作者用高气压加纵向非均匀磁场获得了二种单频、自稳频高输出功率的外腔式He-Ne激光器,1m激光器的频率非稳定度为6.175×10-9(τ≤10s)和3.38×10-9(τ≤1s);1.8m激光器的频率非稳定度为1.1×10-8(τ≤1s)和2×10-8(τ≤10s),所有数据由中国计量科学院测定。本文是继文献[1],[8],[9]和[10]发表后,对这两种激光器的自稳频原理的再分析。     

采用射频频率调制光谱实现半导体激光器稳频

利用半导体激光器可直接对注入电流进行高速调制的特点，将20MHz射频(RF)信号直接加在半导体激光器的高频调制端口，射频信号的一部分经过相移器后，与雪崩光电探测器(APD)所探测的饱和吸收光谱信号进行混频，经低通滤波器后产生了类色散曲线；将半导体激光器的输出频率稳定在铯原子D2线的^6S1/2(F=4)→^6P2/2(F'=5)的超精细跃迁线上，实验所测的10s内典型的频率起伏小于1MHz；这种稳频技术不需锁相放大器，具有可避免低频段较高的强度噪声和较大的频率捕获范围的优点。