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。     

正交解调Pound-Drever-Hall激光稳频系统设计

分析了传统Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频方法的工作原理,设计了一种基于正交解调原理的PDH激光稳频方案。该方案采用直接数字频率合成器同时产生两路频率均为10 MHz的正弦和余弦信号,其中正弦信号分为两路:一路用于驱动电光相位调制器以产生相位边带,另一路与余弦信号一起作为相位解调的参考信号。经相位调制后的激光束耦合进入F-P参考腔,所产生的光外差干涉信号由光电探测器进行探测,其输出信号分别与两路正交参考信号进行混频,经低通滤波后得到误差信号的两个正交分量,二者经A/D转换后进入微处理器进行正交相敏检波运算,即可得到PDH稳频系统的误差信号。建立了正交解调PDH激光鉴频实验系统,对F-P参考腔的腔长进行线性扫描,观察到了鉴频曲线,其鉴频灵敏度为1.82 V/MHz,最大频率变化量为5.48 MHz。实验结果表明,所设计的正交解调PDH稳频方案可行。     

单频单偏振窄线宽光纤激光器及其放大研究

为了获得高功率单频单偏振窄线宽激光,对一个带单级放大结构的环形腔结构掺铒光纤激光器系统进行了研究。采用作为可饱和吸收体的未抽运掺铒光纤结合作为波长选择器的高反射率光纤布喇格光栅形成超窄带滤波器,在环形腔内加入光纤偏振控制器和具有高消光比的保偏环行器获得单偏振光。环形腔输出后进行单级光放大以提高输出激光光功率。获得了206mW激光输出,输出功率长时间稳定度达到1.4%。通过光纤延迟自外差线宽测试系统得到输出激光线宽小于500Hz,光纤激光器输出光偏振度长时间稳定在99.7%。结果表明,非保偏可饱和吸收体加光纤布喇格光栅结合部分保偏结构可产生单频单偏振窄线宽激光,激光放大对线宽有明显的展宽效果。     

180 W单频全光纤激光器

高功率单频光纤激器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景。分析了高功率单频光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,研究了放大级特性对受激布里渊散射效应的影响。采用线宽为70 kHz的单频光纤激光器作为种子源,经两级光纤放大,实现了中心波长1 064.1 nm、线宽70 kHz、最高功率为180 W的单频全光纤激光输出,光-光转换效率71.1%,光束质量Mx2=1.2,My2=1.21。分析了改变放大级特性前后输出功率提升的原因,认为改变放大级的温度分布减小了受激布里渊散射效应的增益系数,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使改变放大级温度分布后的输出功率大幅提高。该激光器的输出功率仅受限于泵浦功率,进一步提高泵浦功率,有望实现更高功率的单频光纤激光输出。     

1550 nm全光纤单频脉冲光纤激光器

设计并实现了一种基于人眼安全波段的1550 nm全光纤化结构单频脉冲光纤激光器。激光器采用外腔稳频技术的单频半导体激光器作为种子源,其线宽1.8 kHz,功率20 mW。通过预放大器和声光调制器获得单频脉冲激光,并运用两级光纤放大器实现了线宽1.9 kHz、平均功率521 mW、脉冲宽度200 ns、重复频率10 kHz的单频脉冲光纤激光输出。输出脉冲峰值功率达260 W。输出端采用了双包层单模光纤,保证了输出激光的光束质量。整个激光器通过对种子光级联放大,结合放大器的增益控制,成功抑制了受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)效应,消除了放大过程中噪声对线宽的影响,获得了线宽稳定的单频脉冲激光。     

窄线宽激光器稳频控制技术的研究

频率稳定度是表征频率稳定程度的一个极其重要的指标参数。为了满足激光雷达系统的应用需求,本课题研制了一套基于PDH技术的激光稳频系统。直接数字频率合成器产生激光器高频相位调制信号,模拟混频器解调激光器的频率漂移信息,作为稳频控制系统的核心控制部分的高集成度数字信号处理器,负责整个系统的信号处理及比例积分微分(PID)伺服等。     

信号光谱宽特性对单频光纤放大器SBS阈值的影响

受激布里渊散射(SBS)效应是影响单频窄线宽光纤激光放大器功率提高的重要因素。以白噪声作为射频信号源,采用相位调制技术,设计并搭建了一套三级主振荡功率放大全光纤激光系统。分析和研究了信号光频谱宽度与光纤放大器系统SBS阈值之间的关系,通过改变白噪声信号的幅值,实现精确控制信号光谱宽,获得了中心波长为1030.93nm、线宽为0.9GHz、平均功率为90W的窄线宽准连续激光输出,相应的X方向与Y方向的光束质量因子分别为1.28和1.27。该研究为实现高功率单频窄线宽光纤激光器的产业化提供了可靠的理论和实验基础。     

高功率光纤激光器中自相位调制的实验研究

利用主振荡功率放大(MOPA)结构高功率皮秒脉冲全光纤激光器,对高功率皮秒脉冲放大器中自相位调制(SPM)效应进行了实验研究。激光器种子源是自行搭建的半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模光纤激光器。为了抑制非线性效应,使用一个自制重频倍增器把种子脉冲的重频增加到328 MHz 后再放大。放大器部分采用三级放大结构,最终获得了中心波长为1 066.5 nm,3 dB 光谱线宽约为2.5 nm,平均功率为91W 的稳定皮秒脉冲激光输出。实验对光脉冲在放大的过程中自相位调制引起的光谱变化进行了研究。对激光器输出光谱的分析表明,随着功率的增大,高功率光纤激光器中自相位调制效应受到入射脉冲的初始啁啾和脉冲形状的影响程度也随着变大,与此同时还受到自陡峭效应的影响。     

混合放大100MHz高重复频率窄脉宽单频激光器

利用高速光强度调制器对线宽为70kHz的单频连续(CW)光纤激光器发出的激光进行调制,获得了100MHz高重频、1ns窄脉宽激光输出,调制后脉冲激光的线宽小于0.8GHz。利用光纤激光放大器和Nd…YVO4固体激光放大器的混合放大装置进行放大,在一级固体激光放大后输出平均功率为13 W,在二级固体激光放大后获得了32.9W的脉冲激光输出。实验中对调制后单频窄脉宽的小信号激光采用光纤激光放大器进行预放大,预放大输出激光功率达到2W后采用固体激光放大器放大,从而避免了单频窄脉宽激光在光纤放大器中极易产生的受激散射和放大自发辐射(ASE)所导致的放大器损坏。放大后的激光仍保持了0.8GHz线宽和1ns脉宽、100MHz重频。这样的输出激光在一些特殊要求中可以获得应用。     

基于相敏检波和位置探测器的位移检测系统

为了实现对微小位移的测量,研制了一套基于单模光纤输出半导体激光器和2维位置敏感探测器的位移检测系统,可以有效地抑制环境光噪声。对半导体激光器的注入电流进行1kHz的调制,实现输出光功率的调制。在信号处理电路中,采用相敏检波技术,解调探测器的输出交流信号,得出光斑能量中心位置,消除外界干扰。结果表明,测量精度优于1μm。这一结果对于多自由度误差检测是有帮助的。     

基于高频微波技术的分布式光纤传感器布里渊散射信号检测

分析了布里渊分布式光纤传感技术原理,采用自行研制的光纤单纵模分布反馈(DFB)激光器结合电光调制技术,利用相干检测技术,对布里渊微弱后向散射信号进行检测。通过改进滤波放大技术,对微弱后向散射光信号进行有效放大,再用扰偏技术及信号采样平均处理,实现对光纤传感器后向布里渊散射信号在11 GHz高频段直接采集显示。结果表明,探测所得布里渊散射信号峰值功率可达50 mV,能有效降低解调系统信号检测难度,改善了系统信噪比(SNR)。初步实验结果证明了该方案的可行性。     

复合滤波结构的窄线宽高频微波信号产生装置

为了在较低泵浦功率下实现单纵模双波长激光信号的输出,进而获得窄线宽的高频微波信号,设计并实验了一种基于复合滤波结构的窄线宽高频微波信号产生装置。通过8字腔结构布里渊增益腔和反射式光纤光栅构成的波长选择滤波器实现了4倍布里渊频移间隔的双波长斯托克斯光信号输出,采用200 m长单模光纤作为增益介质,同时与50 m长单模光纤构成级联光纤环结构,采用三端口耦合器与2 m长未泵浦的保偏掺铒光纤构成萨格纳克环结构,利用级联光纤环结构和萨格纳克环结构的复合滤波作用实现了斯托克斯光信号模式的选择,使输出的斯托克斯光信号由多纵模运行状态变为单纵模运行状态。实验证明:通过对输出的单纵模双波长斯托克斯光信号进行拍频检测可得42.85 GHz的高频微波信号产生,线宽为38 kHz;通过改变可调谐泵浦激光器的输出波长,可实现42.25~43.51 GHz范围内的频率调谐;通过稳定性测试,产生的42.85 GHz高频微波信号的频率变化在0.83 MHz内,峰值功率变化在±0.8 dB内,稳定性良好,满足实际应用需求。     

Effect of laser-diode power change on optical heterodyneinterferometry

A dynamic interferometer with a frequency-ramped laser diode (LD) has been constructed that is based on an optical heterodyne technique. Effect of LD power change on the optical heterodyne interferometry has been investigated theoretically and experimentally. A general formulation of the interferometry has been presented in which the demodulation scheme is analyzed in the frequency domain by Fourier-transforming a beat signal. Phase errors caused by the LD-power variation alter sinusoidally with the same period as the interference beat signal. The error can be eliminated by using an amplitude-stabilized, frequency-modulated laser diode source in the interferometer. The stabilization of the LD amplitude can be achieved by a feedback system with a superluminescent diode as an external light-power controller     

光纤传感器用半导体激光器光频调制驱动电源

为了实现基于光频调制相位生成载波解调的干涉型光纤传感系统,需要对激光光源的频率进行调制.首先,文章根据直接电流调制原理设计井开发了一种半导体激光器光频调制驱动电源,主要由精密蕈准电压源、内部信号发生器,加法器、恒流源(电压电流转换、电流放大和电压负反馈)、慢启动电路、纹波抑制电路和过流保护电路等基本单元组成.接着,建立...     

微米光栅加速度计闭环检测技术优化与设计

提出一种基于Pound-Drever-Hall (PDH)调制技术的新型闭环控制方法,优化了微米光栅加速度计的信噪比和静态检测精度。采用电磁驱动实现自校准和反馈控制,相对于静电驱动降低了功耗提升了反馈效率,解决了开环检测方式下测量范围和灵敏度不可兼得的难题。对系统光学输出的干扰源进行本质分析,通过将闭环误差信号调制到高频,以消除光源自身的波动和杂散光干扰。经过相敏检测器(PSD)和解调滤波器后,得到了高信噪比的闭环误差信号。实验结果表明,微米光栅加速度计闭环检测输出的信噪比相对于开环检测提升了21 dB,0.5 g加速度输入下的偏置稳定性达到0.28 mg。     

Full-duplex optical transmission using self-heterodyne lasertransceivers

The use of semiconductor diode lasers simultaneously as heterodyne receivers and lightwave transmitters in a full-duplex single optical fiber transmission system is reported. A transmission distance of 16 km, limited by Rayleigh backscattering, is obtained at a bit rate of 40 Mb/s for this simple system, which requires no optical couplers or photodiodes. The proposed operation is analogous to that of the so-called autodyne radio receiver in which the local oscillator circuit also performs the heterodyne mixing. The optical counterpart is called a self-heterodyne mixer and offers the same frequency selectivity and tunability as a conventional heterodyne detector but with reduced receiver complexity. In the self-heterodyne receiver, an optical signal to be detected is introduced directly into the lasing cavity by coupling the signal into the laser through an uncoated cleaved end facet. Changes in the optical cavity field, which result from interference between the lasing mode and the injected signal, modulate the rate of stimulated carrier recombination and thus produce a change in the injection current. This alternating current component is detected and amplified in the laser active region bias     

相位敏感光时域反射系统低频响应性能优化

相位敏感光时域反射系统以其分布式光纤传感技术的优势在分布式水听、压裂微地震检测、自然灾害预警等低频监测领域具有极高的应用前景。文中对系统中脉冲斩波信号与频率调制信号时钟不同源的问题予以验证,并对其产生的影响进行理论分析;设计双路同步时钟源驱动产生脉冲斩波信号和频率调制信号,降低每个脉冲重复周期中频率调制信号的随机低频相位噪声,提高探测脉冲光的相位稳定性;采用时钟同源和时钟非同源两种方式对典型的基于外差相干检测的相位敏感光时域反射系统的声光调制器进行驱动,由信号发生器驱动缠有光纤的压电陶瓷,产生不同频段的扰动信号。实验结果表明:在同一测试条件下,前者在低频段的信噪比、相位解调质量、频率响应方面均优于后者,最小响应频率为0.1 Hz,相对提高两个数量级,降低了系统中低频噪声干扰。该方法易于实现,可与现有的低频性能优化方法或结构兼容,进一步提高系统低频响应性能。     

锯齿波FMCW光纤声传感器信号解调技术

讨论了锯齿波光源频率调制干涉型光纤声传感器的基本原理及数字化信号解调方案.对传感器信号及其频谱做了理论分析,给出了数字化信号解调流程.并通过实验分析了干涉信号的频谱特征,并在10 kHz锯齿波光源频率调制下,对10 m和20 m臂差的干涉仪并联进行信号解调.实验结果表明,该探测方案无需移频器件即可实现外差检测,改变干涉仪臂差即可实现频分复用,适用于远程,全光,复杂环境下的微弱声振动检测.     

基于光学频率乘法器的THz通信载波研究

为解决THz波无线通信系统载波存在的频率稳定性及精度问题,提出基于光学频率乘法器的THz载波产生方法.该乘法器由光梳信号生成器、光学可调滤波器和UTC-PD光学混频器组成.光梳信号和可调光纤进行光学频率相乘产生双模相干光信号,通过UTC-PD进行光外差混频产生高频率和高饱和输出功率的THz载波,并对载波的线宽、单边带相...