2 μm固体激光器的注入锁定

为了获得满足2 μm相干多普勒激光雷达使用的激光光源,进行了注入锁定固体激光器的实验研究。种子激光器采用双端镀腔膜的Tm,Ho:YLF微片晶体,在低温液氮环境下,获得单纵模稳频激光输出。从激光器采用有利于单纵模运转的环形腔结构,并利用熔融石英声光调Q获得脉冲输出。通过注入锁定,实验获得激光输出波长为2.067 μm,在重复频率大于20 Hz时,激光器的最终单脉冲输出能量2 mJ,脉冲宽度为146 ns。实验论证了注入锁定系统激光器作为雷达光源的可行性,并理论分析了种子注入时环形腔内的初始光场分布。     

种子注入光学参量振荡器的纵模特性研究

主要对种子注入单纵模光学参量振荡器的纵模特性进行了理论和实验研究。利用数值模拟方法,对光参量振荡器中的场强方程进行了求解,得出在种子注入情况下,单纵模脉冲光参量振荡器的输出光频率主要由谐振腔纵模频率决定,而注入光频率与腔纵模频率的偏差应小于腔纵模间隔。并利用多纵模的Ｈｅ－Ｎｅ激光器作为种子光,成功地获得了单纵模参量光输出     

人眼安全波段全固态单频激光器研究进展

人眼安全波段单频激光可作为相干多普勒测风、相干成像及大气中甲烷、二氧化碳等气体浓度差分探测激光雷达的光源。针对激光雷达对单频激光器的应用需求,本文综述了1.6μm波段、2μm波段连续及脉冲全固态单频激光器的研究进展;对单频激光的不同纵模选择方法、不同注入锁定控制方法、种子注入锁定及主振荡功率放大技术的特点进行了对比分析;对人眼安全波段全固态单频激光器的未来发展前景进行了展望。     

单频脉冲激光器的分子吸收光谱频率稳定技术研究

单频脉冲激光器的频率稳定性显著地影响直接探测多普勒激光雷达的风速测量准确性,工作在半导体抽运Nd…YAG激光器倍频532nm的种子注入脉冲激光器的典型自由频率漂移可达15MHz/min,相当于4m/s风速误差。基于碘分子吸收光谱稳频原理,采用Labview虚拟仪器控制技术,对种子注入脉冲放大式的半导体抽运Nd…YAG激光器进行稳频,实现了脉冲激光器的频率扫描、碘分子1109光谱吸收线的自动匹配和频率锁定。长时间(大于2h)频率漂移标准偏差为0.8MHz,等效风速误差为0.2m/s,达到直接探测多普勒测风激光雷达长时间测量对脉冲激光器的频率稳定要求。     

实现2 μm固体激光器的注入锁定

2μm固体激光器具有处于人眼安全波段和较低的大气消光比等优点,已成为固体激光雷达的首选光源.将输出单纵模、窄线宽、频率稳定的种子激光注入到环形腔中进行放大,可以获得满足激光雷达使用的激光光源.我们使用双端镀膜的Tm,Ho∶YLF微片作为种子激光器,在低温条件下,获得15 mW     

人眼安全相干多普勒测风激光雷达全光纤单频激光器

为了满足近距离相干测风激光雷达对激光发射源的需求,采用种子源振荡-放大(MOPA)的工作方式,对小型化、全光纤、高重复频率、窄线宽并处于人眼安全工作波段的激光雷达用单频脉冲激光器进行了研究.实现激光输出波长1542.4 nm,重复频率10 kHz,脉冲宽度500 ns,线宽1 MHz,平均输出功率50 mW,峰值功率10 W,单脉冲能量5μJ.该激光器可作为近距离相干激光雷达发射源.     

脉冲激光器种子注入状态检测装置与实验研究

为了解决非注入状态激光脉冲对非相干多普勒激光雷达测风结果可靠性的影响,利用注入与非注入状态激光脉冲建立时间不同的原理,设计和实现了一种脉冲激光种子注入状态检测器,其时间测量精度为45ps,测量时间范围为3.5ns~2500ns,最高脉冲重复频率为1kHz。利用该检测器对某型号Nd:YAG脉冲激光器进行了种子注入状态检测实验,结果显示注入(非注入)状态脉冲建立平均时间为123.27ns(134.44ns),1.35h内非注入状态激光脉冲占总激光脉冲比例为8.54%。结果表明,该脉冲激光种子注入状态检测器能够有效地检测出非注入状态的激光脉冲,对于提高激光雷达测风可靠性具有潜在的价值。     

基于多普勒测风激光雷达的锁频系统与激光测速系统的设计与实现

在非相干多普勒测风激光雷达系统中,激光的线宽与频率的稳定性是影响测量结果准确性的两个重要因素。研制的激光雷达系统采用种子注入方法产生窄线宽脉冲激光,采用碘分子饱和吸收稳频的方法,利用VB语言基于PID算法编写仪器控制程序,将种子激光器的频率锁定在碘分子吸收线1 109线的高波数边缘上,长时间(4 h)锁频的精度0.5 MHz,频率的长期稳定度为3.5510-9。设计了连续光测速系统,得出多普勒频移测得的实验值与实际斩波盘的速度值曲线,速度误差小于0.4 m/s。由此也说明,所设计的连续光测速系统可以对整个锁频系统进行校准。该实验也为测风激光雷达的建设提供指导意义。     

注入种子CuBr激光器中的光谱控制

报道了采用注入种子方法．对ＣｕＢｒ激光器进行激光模式控制的实验结果。实现了单纵模ＣｕＢｒ激光脉冲的注入放大，获得了功率为１００ｍＷ水平的窄线宽铜激光辐射．在理论上分析了短脉冲高增益激光器中注入种子过程，讨论了在注入种子ＣｕＢｒ激光器中进行光谱控制的实验结果．     

基于法布里-珀罗干涉仪的脉冲激光谱型测量

脉冲激光谱型是大气风温探测激光雷达的重要参数之一,它的精确测量能够为激光雷达风温反演提供科学有效的数据。由于激光的重复频率通常为几十赫兹(重复周期为几十毫秒),而脉冲激光宽度仅为几纳秒,因此脉冲激光的线宽测量比连续激光困难得多。构造了一套基于法布里-珀罗干涉仪、窄脉冲信号门积分平均器、模数采样器等的脉冲激光谱型测量系统,并利用该系统完成了钠层风温激光雷达脉冲激光线宽的测量。利用该系统测量出该脉冲激光器的输出线宽约为123 MHz,与国外的测量结果120 MHz基本一致。该系统可搭载于激光雷达上用于实时监测激光谱型,能为确保测风激光雷达的精度和稳定性提供技术支撑。     

多普勒激光雷达风场反演研究进展

多普勒激光雷达因高精度测量、高空分辨率等特点对晴空天气的风场探测具有重要应用价值,但多普勒激光雷达只能获取径向风速,必需进行风场反演。介绍了单部和多部多普勒激光雷达的风场反演技术的国内外进展及优缺点,其风场反演算法主要在微波雷达的基础上进行优化和创新。结果表明,单部多普勒激光雷达中变分方法是最有前途的方法;早期多部雷达普遍存在同一性的问题,对多部多普勒激光雷达也没有提出更有效的方法,变分方法的提出使得单部雷达和多部雷达不再有根本的区别,同化方法成为今后的研究重点(典型方法是变分同化)。     

三通道瑞利散射测风激光雷达风速反演算法

为了获得更为准确的大气风速廓线,使用国内首台基于三通道Fabry-Perot标准具的瑞利散射测风激光雷达进行风场测量,提出了根据实测数据及时调整标准具位置的激光频率反演方法。此方法有效减小了激光频率漂移和抖动造成的反演误差,同时对传统风速算法进行了改进。利用非线性迭代算法处理数据,通过对两种算法处理结果的比较,发现迭代算法具有更高的反演精度。使用非线性迭代算法对三通道瑞利散射多普勒测风激光雷达风场测量数据进行处理,得到了10km～40km的大气风速廓线。结果表明,此种风速反演算法切实可行,并提高了反演精度。     

光源线宽和脉宽对激光测风雷达测量精度的影响

激光线宽和脉冲宽度是激光测风雷达测量精度重要的影响因素。本文分析了风速测量精度的影响因素,理论推导了激光线宽与信噪比关系,以及脉宽引起的功率谱展宽。数值分析表明,线宽增加引起的信噪比下降和脉冲宽度引起的谱线展宽都会导致风速测量精度下降。脉冲累计发数在10000的条件下,相干测风激光雷达系统脉冲宽度和信噪比分别为100 ns、-35 dB或激光线宽小于45 kHz,时,风速测量精度优于0.5 m/s。减小线宽和增加脉冲宽度,可以增加风速测量精度。在相同信噪比条件下,较宽的脉冲宽度的风速测量精度更高。     

基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法,可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均,将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性,根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程,引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值,以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明,在有明显湍流条件的风场环境中,脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差,显示出较好的风速修正效果,提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。     

基于四波混频效应的1.5 μm多波长单频光纤激光器（特邀）

利用笔者自主搭建的双波长单频光纤激光器作为种子,通过声光调制器以及多级光纤放大后,将激光注入至100 m长的高非线性光纤中,该光纤的零色散点在1 550 nm处。借助高非线性光纤的四波混频效应,最终在峰值功率13 W的泵浦下获得了一系列新的光谱成分,20 dB范围内共产生了46条新光谱。这些光谱跨越了1.337 THz,并且每条光谱中只包含一个纵模。由于新光谱基于四波混频效应产生,不同光谱之间不存在增益竞争等问题,因此,该激光器的多波长单频可以稳定存在,并且光谱强度接近。该多波长单频光纤激光器不仅具有线宽窄、相干性高、噪声低等优势,由于其还可以在全光纤结构下同时输出多个波长的单频激光,这使得其在波分复用光通信、光频率转换、激光雷达、微波光子学等领域具有十分重要的应用。     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。     

Littrow型光栅外腔半导体激光器的输出特性分析

在讨论光栅外腔半导体激光器理论的基础上.对影响Littrow型光栅外腔半导体激光器输出功率和线宽压窄的各种因素进行了数值模拟分析.研制了单纵模高质量激光输出的Littrow型光栅外腔半导体激光器,在工作电流为400 mA时,连续输出功率达到180 mW,线宽优于1 MHz.