2kHz毫焦耳级532nm激光雷达紧凑型激光光源的研制

绿光激光雷达是探测大气气溶胶的有效工具。作为光源的激光器对激光雷达有决定性的影响,激光器性能的改善将显著提高激光雷达的探测能力。依据微脉冲激光雷达光源的要求,研制了一台高光束质量、高重复频率、高脉冲能量的紧凑型激光二极管(LD)端面抽运声光调Q毫焦耳级532nm绿光激光器。在2kHz的重复频率下,获得了脉冲能量为0.9mJ、脉宽为22ns的绿光输出,光束M2因子小于1.76、能量不稳定度为±2%。该激光器有助于提高微脉冲激光雷达的探测距离、探测速度和探测精度。     

小型化碘稳频532nm固体激光器

传统532nm波长碘稳频固体激光频标装置虽然能达到很高的频率稳定度和不确定度,但装置比较庞大,不便搬运。而对于一些对激光频率稳定度要求不高的实际应用,如绝对重力仪等,缩小装置的体积以易于搬运,成为更为关注的因素。建立一套小型化532nm固体激光器,该系统体积小巧,易于搬运。通过与原有碘稳频532nm固体激光标准装置的进行拍频测量实验,得到1s的阿伦偏差为2.4×10-12,并计算得到该激光器的频率绝对值为563260223436kHz,对应的频率不确定度为52kHz(包含因子k=2)。该系统已被用于中国计量科学研究院的绝对重力仪中。     

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。     

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。     

双波长双视场米散射激光雷达

介绍了一台双波长双视场米散射激光雷达,采用双接收通道分别用于高低层532nm及1064nm的同时探测,每个通道有各自独立的视场,可以兼顾低层大视场角低探测盲区和高层小视场角高探测高度的要求.该雷达系统能够自动连续探测532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线和连续分布,并通过分析能够获得大气气溶胶的各种光学参数.对比验证实验表明,双波长双视场米散射激光雷达数据可靠,性能稳定.     

电光可调谐1064nm单频Nd:YAG激光器设计与实验研究

为了产生1064nm单频可调谐Nd:YAG激光输出,设计了一种二极管抽运电光可调谐单频Nd:YAG激光器,采用偏振分光棱镜(PBS)和铌酸锂(LN)晶体组成电光双折射滤光片,作为激光单纵模选择元件和频率调谐元件。理论分析了其选模原理及调频原理,实验研究了1064nm Nd:YAG激光单纵模振荡特性和调频特性。实验结果表明:这种Nd:YAG激光器能以线偏振单纵模稳定振荡,当改变加在LN晶体上的横向电压时,1064nm单纵模激光振荡波长调谐量为0.474nm,相应的频率调谐量为142.2GHz。这种电光可调谐1064nm单频Nd:YAG激光器可广泛应用于激光干涉测量、激光雷达探测和激光光谱学等领域。     

激光雷达用紫外—可见多波长同时输出的激光系统

报导了同时探测多种大气成分的空间垂直分布的激光雷达用多波长激光光源系统.该系统通过Nd∶YAG激光器选模输出的1064 nm激光经一级放大后,分成两束,其中一束光再通过放大,经过二倍频器及三倍频器后输出532 nm和355 nm激光束,532 nm波长的激光用于探测大气中气溶胶和温度的空间垂直分布;355 nm波长的激光用于探测平流层臭氧的参考光,同时也是使用Raman方法探测水汽混合比分布的激光光源.另一束1064 nm的激光通过放大后,经过二倍频器及四倍频器输出266 nm激光,其用作泵浦高压氘气拉曼(Raman)频移器而输出289 nm波长激光(1阶Stokes),用作探测对流层臭氧的吸收波长.通过同时使用XeCl准分子激光器输出308 nm波长的激光,采用差分吸收方法探测大气臭氧的垂直分布.最后给出了合肥地区一些典型的探测结果,如大气臭氧、气溶胶、水汽及温度等的分布及其特点.(OB19)     

高稳定度窄线宽激光器的研究

介绍了3种不同类型的高稳定度窄线宽激光器的研究进展.基于Littman结构和饱和吸收光谱稳频技术,研制了稳频外腔半导体激光器系统,输出波长为780.2 nm,频率稳定度1 MHz,不失锁时间大于12 h.利用边带稳频技术将分布反馈(DFB)激光器的输出波长稳定在Cs原子的吸收谱线的边带处,引入数字信号处理器(DSP)全数字稳频控制技术,实现了自动找频和稳频,获得波长为852.3 nm的稳频激光输出,24 h内频率漂移为±2 MHz.利用国产磷酸盐玻璃光纤作为增益介质,实现了一台高功率单纵模光纤激光器,制作的厘米级激光器实现了最大输出功率100 mW,利用外部光反馈实现单偏振运转,测得输出线宽为2 kHz,偏振消光比优于35 dB.     

半导体激光器稳频技术

窄线宽稳频激光器在精密干涉测量、光学频率标准、激光通信、激光陀螺、激光雷达、基本物理常数测量和冷原子系统等研究领域有着广泛的应用。自由运转的半导体激光器每天的频率漂移量可以达到GHz,因此研究半导体激光器的稳频具有十分重要的意义。以780 nm的半导体激光器稳频为例,介绍了目前广泛使用的各种半导体激光稳频技术的基本原理及试验方案,如消多普勒饱和吸收光谱稳频技术、消多普勒双色谱稳频技术、调制转移谱稳频技术、调频光谱稳频技术和频率-电压转换稳频技术,并对各种稳频方法的性能和特点进行了分析。     

1.5 μm DFB半导体激光器HCN吸收稳频技术

在远距离相干测量系统中,分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）以其直接高速调制特性、低成本、可批量生产等优势成为精密遥测系统的核心光源,因此对DFB-LD的窄线宽和短时频率稳定性提出了更高的要求。为了实现DFB-LD的频率稳定,通过边频锁定与光电反馈回路的方法将激光频率锁定在H13C14N气体吸收谱线1548.956 nm的一侧。将光电探测模块、后续误差信号生成与处理模块和激光器驱动模块集成在一块模拟电路板上,从而有效地降低了系统的噪声;使用除法器代替减法器来产生鉴频信号,大大提高了系统灵敏度和稳频精度;通过这两项技术的改进,将DFB-LD的秒级频率稳定度提高了两个数量级,从稳频前的秒级频率稳定度3.67 × 10?8提高到稳频后的秒级频率稳定度2.34×10?10。实验结果表明,该DFB-LD稳频方案具有高的稳频精度,且系统结构简单、体积小、可批量生产,适合于无人机机载应用场景,是远距离相干测量系统的理想光源。     

1030nm单光子探测激光雷达技术

1μm波段单光子探测激光雷达因大气透过率高、背景噪声低、红外隐蔽性好、激光脉冲能量高,在远距离激光测距和成像方向极具发展前景。然而,传统的1064nm激光器缺少对应的高性能的单光子探测器,成为1μm波段单光子探测激光雷达的发展瓶颈。盖革Si APD单光子探测器(Si SPAD)具有优异的探测性能,但是其在1064nm波长的探测效率极低。针对这个激光器与探测器的矛盾,本文研究1030nm波长单光子探测激光雷达技术,Si SPAD在1030nm的探测效率是1064nm的29倍,相同条件的单光子探测激光雷达探测距离提升678。另外,本文搭建双棱镜光束扫描装置,演示了1030nm波长的单光子三维成像。     

利用锁相飞秒激光对碘分子R(59)8-4超精细跃迁的绝对频率测量

介绍了633 nm半导体激光频标系统,高重复频率锁相飞秒激光器系统和绝对频率测量系统的建立以及测量碘分子超精细跃迁绝对频率的系统方案.633 nm半导体激光频标采用三次微分稳频方法,将激光频率锁定在碘分子谱线上,获得0.5 mW的稳频激光输出.飞秒激光稳频系统通过锁相电路将飞秒激光的高重复频率(760 MHz)和初始频率稳定在微波频率标准上,从而得到稳定的飞秒光梳,其稳定度优于6.44×10-13.在此基础上建立了绝对频率的直接测量系统,即利用波长计直接测量光梳的齿数n,并通过拍频法,测出633 nm半导体激光频标与飞秒光梳的差频,从而计算出相应谱线的绝对频率.这样,通过锁相飞秒激光器,建立了微波频率标准到光学频率标准的传递,为进一步的基础研究工作奠定了基础.     

大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。     

基于高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类方法研究

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素,对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器,可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离,从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下,独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术,开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果,给出基于气溶胶光学参数的分类方法,并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比,参照建立的气溶胶分类查找表,实现了对气溶胶的分类识别,并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。     

1.5微米大气探测激光雷达研究进展（特邀）

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点,是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达,1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势,包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年,世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生,实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后,1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分,1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱）,并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。     

低功耗、小型化稳频激光系统的设计与实现

设计并实现了一种低功耗、小型化、可长期稳定运行的自动稳频激光系统。通过设计并实现高效率、低纹波的电压源,较大幅度地降低了整个系统的功耗和体积;通过设计并实现高性能温度控制电路、电流控制电路和稳频电路,得到了线宽较窄、频率稳定度较高的输出激光。该系统能够自动长期稳频,输出激光线宽约为1 MHz,稳定度指标为秒稳定度1.43×10~(-10),十秒稳定度3.90×10~(-11),百秒稳定度1.28×10~(-11),千秒稳定度2.25×10~(-11)。在稳定度略优于商用外腔半导体激光器的前提下,该激光系统电源体积缩小了约85%,整机功耗降低了约90%,为实现半导体稳频激光系统的低功耗和小型化提供了一种新的方案。     

自动稳频半导体激光器研究

实现了一种新的稳频方案。通过对饱和吸收信号进行检测,得到半导体激光器频率的变化量,利用温度粗调、电流细调的方法对半导体激光器进行稳频,根据此思路设计了基于单片机控制的稳频系统的硬件电路及软件辅助锁频程序。经实验验证,该系统实现了开机自动稳频,已经连续稳定工作超过180天,得到秒级稳定度4.57×10-11,千秒级稳定度3×10-12,近万秒级稳定度2.78×10-12的稳定度指标。为实现稳频半导体激光器的小型化和模块化提供了一种途径。     

环形激光器频率稳定度的高精度测量

以633 nm碘吸收稳定激光器作为标准,通过将待测的环形激光器与之进行拍频,建立了一套检测灵敏度很高的高精度激光频率稳定度检测系统.该系统采用宽带雪崩光电二极管接收拍频信号中的差频信号,经过信号处理后利用高精度频率计实现拍频频率的测量,试验结果表明:该系统的检测频宽可达到800 MHz,频率稳定度的测量精度达到10-11量级,最小可检测激光功率为0.1μW量级,为进行环形激光器高精度稳频回路的研究提供了重要的检测手段.     

基于数字反馈控制的Nd:YAG激光器频率稳定技术

频率稳定的激光器在精密计量、高分辨率光谱等许多领域具有重要的应用。使用KTP晶体将Nd:YAG激光器输出的激光(1064nm)倍频到532nm,采用波长调制吸收光谱技术获得吸收峰的一次谐波信号作为鉴频信号,并基于数字比例-积分-微分(PID)反馈控制技术,把倍频后的频率稳定在碘分子B-X态(32-0)带的R(56)吸收峰上,在1h的连续测量时间内,频率漂移幅度小于2MHz,远小于多普勒受限的光谱线宽,频率稳定度达到了10-9量级,整套系统可以实现长时间连续工作。使用的数字PID稳频方案,可以有效抑制激光的长期频率漂移,具有方案简单、易于实现的优点,同时显著降低了较大幅度随机噪声对系统稳定性的影响。     

一种基于控制点偏移修正的纵向塞曼稳频方法与系统

针对目前普遍采用的功率平衡法实现热稳频的纵向塞曼激光器存在的稳频控制点偏移问题,建立了左右旋圆偏振光光功率差调谐曲线零点与稳频控制点之间频率偏移量的数学模型,提出了稳频控制点偏移的修正方法。该方法通过对左右旋圆偏振光的精确偏振分光和对称功率检测来抑制稳频控制点偏移的随机扰动分量,同时补偿其相对稳定偏置分量,可有效降低稳频控制点偏移引起的激光频率漂移。实验表明,基于稳频点偏移修正方法构建的纵向塞曼热稳频系统,在2h40min内输出光频率相对变化小于4×10-9,阿伦方差频率稳定度为1.9×10-10(采样时间1000s),在24h的重复实验中系统输出光中心频率漂移小于1.3×10-9。故该方法可有效抑制激光器稳频控制点漂移,提高激光频率稳定度。