半导体激光器自混合干涉理论分析及实验研究

利用Lang—Kobayashi速率方程,分析研究了半导体激光器在外腔弱光反馈条件下的自混合干涉。理论分析和实验研究表明,自混合干涉具有双光束干涉相同的条纹分辨率,外腔长度和反馈强度的变化调制了LD的输出特征。     

LD泵浦单模绿光激光器自混合干涉效应的研究

从自混合干涉效应的等效F-P腔模型出发，研究了LD泵浦的单模绿光激光器的自混合干涉效应，建立了一般模型。该模型适用于强反馈以及多重光反馈下的自混合干涉效应和弱光反馈水平的情况，也可以转化到其它文献所报道的模型。实验结果表明，该绿光激光器的位移测量精度比半导体激光器的测量精度提高了100nm以上。     

非准直外腔He-Ne激光自混合干涉

从三镜法布里-珀罗(F-P)腔出发,建立了非准直外腔三重回馈白混合干涉的理论模型,并进行了数值模拟和实验验证.分析了3种情况下影响自混合干涉光强调谐特性的因素:1)准直外腔二,三重回馈;2)非准直外腔二,三重回馈;3)外腔加入λ/4波片时的回馈.实验结果与理论分析相吻合.研究表明,该自混合干涉系统的分辨率达到λ/6;自混合干涉输出信号与腔反射镜的反射率、外腔的准直性以及腔内置入镜片有关;外腔中加入λ/4波片时的自混合干涉信号与非准直外腔自混合干涉信号类似;二,三重回馈自混合干涉信号携带了反射体位移方向信息,因而更易实现位移方向判断.     

利用LD自混合干涉的光纤Fabry-Perot传感器

提出了基于半导体激光器(LD)自混合干涉原理的光纤Fabry-Perot(F-P)传感器。采用F-P腔模型推导出了LD输出功率、频率与外部光纤F-P腔长变化的理论关系式,分析讨论了这种传感器的分辨率、测量范围、线性度、灵敏度等特性。实验结果与理论分析基本吻合。与现有的外腔式F-P干涉光纤传感器相比,LD自混合干涉光纤F-P传感器具有结构简单、紧凑、易准直等优点。     

适度反馈机制下非准直外腔二重反馈自混合干涉

为了研究多重反馈对半导体激光器自混合信号的影响,运用三腔镜模型分析了多重反馈和非准直倍频现象,并进行了仿真分析和实验验证。通过仿真发现,第2重反馈相对于第1重反馈的相对强度η较大时能明显分辨出二重反馈,利用信号微分能区分出二重反馈信号,实现系统分辨率达到λ/4,二重反馈之间非准直相位差会影响干涉信号波形。实验验证了外腔反射镜非准直抑制第1重反馈利用二重反馈实现非准直干涉条纹倍频现象,实验结果与仿真分析相符。该结论将有利于提高系统分辨率和判断外腔是否准直。     

光纤光栅外腔反馈的高功率半导体激光器光谱特性的研究

对光纤光栅外腔反馈的高功率半导体激光器的光谱线宽特性进行了理论与实验研究。理论分析表明，根据不同的外腔参数，激光器的线宽能被压缩或展宽。外腔反射率对光谱线宽的影响要比外腔腔长灵敏得多。实验实现了激光器的线宽由６ｎｍ到０．８ｎｍ的压缩。光纤光栅外腔反馈不仅能改善高功率半导体激光器的光谱特性，而且可提高激光器主模对次模的抑制比。     

含补偿腔的自混合干涉效应研究

为了增加自混合干涉测量的测量距离、改善干涉信号质量,采用在传统的自混合结构的基础上,在外腔中加入补偿镜的方法,在实验和理论上进行了观察和分析。由实验可知,有补偿腔后,测量距离从原来3镜腔的20cm增加到60cm;含有补偿腔结构的干涉信号强而稳定,明显好于3镜腔结构,而且干涉信号随补偿镜位置和反射率的不同,效果不同。根据腔镜结构,从波的传播理论出发,给出含补偿腔的理论模型,用MATLAB编程对模型进行的数值模拟结果与实验结果吻合得很好。结果表明,通过在自混合干涉系统中加入补偿镜,克服了原来自混合干涉系统的诸多缺点,为自混合干涉测量的实用化提供了有益的参考。     

激光自混合干涉式位移测量数值模拟及实验研究

对激光自混合干涉式位移测量原理进行了数值模拟和实验研究。首先，从三镜法布里珀罗腔理论出发，得到了基于半导体激光自混合干涉原理的位移测量模型，在此基础上对多种波形调制外反射体位移情况下激光自混合干涉信号进行了理论分析，证实信号倾斜方向发生反转的间隔条纹数目对应反射体位移的幅值范围；反射体有半个波长的位移，信号即输出一个完整的条纹；反馈强度的增加将增大输出条纹的倾斜。对信号倾斜现象进一步分析发现，当反射体位移减小时，信号向左倾斜，反之向右。造成信号倾斜的原因是由于高反馈强度下引起的非线性相位调制了输出信号强度。这些结论同样适用于任意波形调制的反射体位移。实验测试结果同理论分析吻合较好。     

基于环形光纤激光器的光反馈效应

对环形腔光纤激光器的光反馈效应进行了理论分析和实验观测,根据掺铒光纤的速率方程推导得出激光器腔内光反馈系统的输出变化,在数值模拟中建立模型进行了分析.实验观测结果显示环形腔光纤激光器光反馈系统的输出与传统的激光自混合干涉有着相同的相位灵敏度.由于该系统的光反馈是在激光腔内获得,激光器本身不仅作为了传感的光源,同时也成为...     

外部光反馈作用下垂直腔面发射激光器的电光特性

研究了外部光反馈对垂直腔面发射激光器（VCSELs）电光特性的影响。通过计算光反馈参数对比了VCSELs与边发射激光器（EELs）的光反馈灵敏性。基于复合腔理论计算了存在外部光反馈时垂直腔面发射激光器的阈值电流及斜率效率等电光特性参数。实验结果表明,分布布拉格反射镜（DBR）反射率不同的VCSEL,在反馈率为10%的外部光反馈作用下,其阈值电流及斜率效率发生了不同程度的变化。实验结果有效验证了理论计算的结论。     

Self-mixing interference inside a single-mode diode laser foroptical sensing applications

This paper presents a theoretical analysis and a comparison with experimental results on self-mixing interference inside a single-longitudinal-mode diode laser. A theoretical model, based on the steady-state equations of the lasing condition in a Fabry-Perot type laser cavity, is described, and through it a satisfactory analysis of self-mixing interference for optical sensing applications is given. In this work, the self-mixing interference produced by an external optical feedback is found to be due to the variations in the threshold gain and in the spectral distribution of the laser output. The gain variation results in an optical intensity modulation, and the spectral variation determines both the modulation waveform and the coherence properties of the interference. The theoretical analysis of the self-mixing interference is seen to yield a simulation of the laser power modulation which is in good agreement with the experiment results reported     

External optical feedback effects on semiconductor injection laser properties

Influences on the semiconductor laser properties of external optical feedback, i.e., return of a portion of the laser output from a reflector external to the laser cavity, have been examined. Experimental observations with a single mode laser is presented with analysis based on a compound cavity laser model, which has been found to explain essential features of the experimental results. In particular, it has been demonstrated that a laser with external feedback can be multistable and show hysteresis phenomena, analogous to those of non-linear Fabry-Perot resonator. It has also been shown that the dynamic properties of injection lasers are significantly affected by external feedback, depending on interference conditions between returned light and the field inside the laser diode.     

用于干涉测量的光栅外腔半导体激光器

研制了用于光干涉测量的单稳频、窄线宽光栅外腔半导体激光器(LD)。它由出光面镀有增透膜的单管半导体激光器、光束校正准直系统、闪耀光栅、注入电流驱动系统及温度控制系统组成。闪耀光栅作为外腔光反馈元件对单管半导体激光器输出的纵模进行选择，使之工作在单纵模状态。外腔的引入还使输出光的谱线宽度得以大大压窄。注入电流驱动系统为半导体激光器提供工作电流。温度控制系统由双层温控组成。第一层用于控制单管半导体激光器管芯温度；另一层用于及时带走第一层温控产生的热量，并消除环境温度影响，使外腔温度稳定。该温控系统可使所构成激光器的温度稳定在1‰℃量级。对研制的外腔半导体激光器的特性进行测试，其输出功率恒定、模式单一稳定、谱线宽度优于1．4MHz。     

半导体激光自混合干涉理论研究

信号的不对称性是激光自混合干涉效应的重要特性之一，它提供了对物体运动方向的直接判别依据。利用双镜等效模型，对自混合干涉效应进行了理论分析，推导出干涉信号理论模型的数学表达式，阐述了信号不对称性形成的机理；仿真结果与已有的实验结论是一致的     

Study on spectral characteristics and operating parameters ofoptically pumped NH3 FIR cavity laser

By solving the density matrix equations of a quantum system and taking into account the multibeam interference characteristics of a Fabry-Perot cavity, the output power density of an optically pumped NH ₃ far-infrared (FIR) cavity laser was calculated by means of the iteration method. Based on the calculations, the spectral characteristics and operating parameters of the laser were studied. Experimentally, by using inductive metallic meshes as reflectors and couplers, a series of FIR cavity lasers with a sample tube of 10, 20, and 100 cm in length were designed and constructed, and the emissions of the NH₃ cavity lasers pumped by a TEA-CO₂ laser with a 10R(8) or 9R(16) line were measured. The experimental results were in good agreement with theoretical calculations     

外腔反馈半导体激光器的损耗和阈值特性研究

通过对半导体激光器(LD)的损耗和阈值电流特性的分析，引入等效反射系数的概念，根据多光束干涉的原理，导出了在外腔反馈作用下LD的阈值电流公式。从等效反射系数的推导可以看出，外腔的反馈相当于增大了LD一个端面的反射率，减小了损耗，从而使LD激光振荡的阈值降低。该公式在外腔长度和激光波长可以比拟的情况下能够准确地分析反馈注入对阈值电流的影响，但是在外腔长度远大于激光波长情况下不再适用。针对实验中外腔长度较大的情况，使用光功率的分析简化了理论模型，得出了与实验结果相吻合的结论，即外腔反馈注入使LD出光阈值电流明显降低。     

激光角度欺骗干扰效果评估实验研究

为实现对激光角度欺骗干扰效果的有效评估,构建了激光角度欺骗干扰效果评估系统,详细介绍了目标运动模拟分系统、激光制导导弹模拟分系统和干扰效果评估分系统的结构组成和功能,并结合干扰效果评估方法,设计了相关实验,通过对实验测试数据的详细分析,对干扰效果进行了评估。实验中,当激光脉冲周期为50 000 s时,设置干扰激光超前制导激光2、3、4、-3 s,解算出落点偏差分别为154.14、167.03、174.93、0.52 m;当激光脉冲周期为51 200 s时,设置干扰激光超前制导激光2、-2、3 s,解算出落点偏差分别为396.86、0.53、396.86 m。结果表明:当干扰脉冲超前制导脉冲进入导引头波门模拟器时,可成功实现对导引头模拟器的干扰,受干扰后的导引头模拟器只跟踪干扰激光光斑,而不是干扰激光和指示激光的能量中心。以落点偏差为评估指标,对干扰效果进行了评估分析,研究结果可为激光制导对抗评估提供技术支持。     

集束实验针孔成像与仿真分析北大核心CSCD

在激光装置实验中,通过小孔成像原理可获取黑腔靶中发射的X光图像的时间积分。提出一种3倍放大的新型成像设备用于集束实验,通过在与靶轴线夹角30°方向安装带多层镜选能的成像设备从而获取低能和高能段的X光时间积分图像,观察腔壁的再辐射现象。开展了用于集束实验针孔相机的研制工作,包括光路设计与结构设计,通过离线进行测试,在线实验进行打靶考核。进行成像光路仿真,模拟计算了两种镜子的选能效果,并通过光路仿真得到了多层镜、滤片和谱分布对成像结果的影响。采用FLASH对实验辐射场分布进行仿真,作为成像仿真的输入。最后,将此设备获取的成像结果与仿真计算得到的结果进行比较,实验结果与仿真结果基本一致,得到了X光信号强度的分布情况,获取了理想的实验数据,加深了对内部物理现象的理解。由此,建立了针孔成像的仿真能力,能够对成像结果进行预判,指导针孔相机的设计。     

激光脉宽对光学薄膜元件热损伤的影响

纳秒量级及以下脉宽激光致光学薄膜元件的损伤研究持续了几十年,但纳秒量级以上脉宽却很少提及。因此,针对10 ns~1 ms量级区间不同脉宽激光辐照光学薄膜元件产生的热损伤进行了研究,计算了高反膜、增透膜和干涉滤光片三种典型光学薄膜元件的温度场分布,并分析了其激光热损伤特性。结果表明,对于长脉宽激光,热扩散深度大,薄膜损伤的电场效应被削弱,热传导效应在损伤中占据主导地位,损伤可至基底;短脉宽激光损伤对薄膜内部的电场分布更为敏感,损伤发生在温度最高值附近的膜层区域。进而开展了10 ns与1 ms脉宽激光致光学薄膜元件的损伤实验,损伤阈值及形貌特征与温度场计算结果显示的热损伤特性相符。