望远镜光程稳定性测量方案设计与分析

空间激光干涉测距系统对望远镜的光程稳定性提出了皮米级的要求。为了测量望远镜光程稳定性,基于法布里-珀罗(F-P)干涉仪设计了望远镜光程稳定性测量方案。介绍了基于PDH(Pound-Drever-Hall)锁频技术将望远镜腔内的光程长度变化转为激光频率变化的测量原理。根据已有的实验数据分析了在光程稳定性测量公式中对稳定性测量结果有影响的物理量,并对测量方案中各部件引入的外部噪声进行测量和分析。实验结果表明：光程稳定性测量公式中绝对激光频率测量误差和望远镜腔自由光谱范围测量误差对望远镜皮米级光程稳定性测量的影响非常小,影响量分别为7.1×10^-9 pm/Hz^1/2和5.0×10^-3 pm/Hz^1/2。在1～100 mHz频段内,与测量方案中电子噪声、拍频测量噪声和剩余幅度调制噪声等效的光程噪声分别为0.14、0.01、3.57 pm/Hz^1/2。为实现望远镜的皮米级光程稳定性测量,需要进一步开展抑制剩余幅度调制噪声方面的研究工作。     

632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用

在高海况及复杂环境下,面向无人机和无人艇协同精准降落的需求,在水汽环境中同时精确测量彼此的距离和速度对于无人机的安全着艇很有必要。针对这一需求,提出了一种基于可见光波长、调频连续波(FMCW)原理的同时测速和测距的激光雷达系统并开展了实验验证。该系统采用了三角波电流调制信号直接注入调制激光器,利用激光入射到被测目标物上产生的散射信号光与本振光发生干涉产生拍频信号,解调出被测目标物的速度和距离信息。实验结果显示,该技术可以实现距离测量范围10～130 cm,分辨率1.5 cm,最大相对标准偏差1.5%;速度测量范围10～125 cm/s,速度分辨率0.5 cm/s,最大相对标准偏差0.6%。     

高精度双干涉光路调频连续波激光绝对测距系统

调频连续波激光测距具有无盲区、非接触测量和绝对测距等优点,但是由于可调谐激光器光频率调制非线性对其测量精度的影响,限制了调频连续波激光测距在精密测量领域中的应用。针对调频连续波激光测距中测距精度受到激光器光频率调制非线性的影响,提出了双干涉光路调频连续波激光测距方法,利用两个干涉系统得到的干涉条纹数量的比值计算得到被测目标的距离,消除了激光器光频率调制非线性对测距精度的影响,实现了65 m的测量分辨率和15 m的重复测量精度。该方法无需对激光的波长进行测量,也无需对激光器进行锁频,系统组成简单,在工业大尺寸测量、空间技术、测绘等领域有着广阔的应用前景。     

两种不同类型独立激光器的拍频实验

利用一个中心波长范围1052.82～1053.12 nm的可调谐半导体激光器和一个波长范围为1053.10～1053.20 nm的窄线宽光纤激光器进行拍频实验.介绍了拍频信号探测的基本原理,设计了实验光路,经过宽频放大器进行信号放大后,采用高频示波器观察到周期10 ns,信号振幅4 mV左右的稳定拍频信号,实现了两种不同类型独立激光器输出光束的拍频测量.利用分光棱镜和F-P腔扫描干涉仪设计了一个两激光光束频率实时对准装置,可以在拍频测量的同时进行激光频率相对漂移的监控,解决了快速频率对准问题.并针对激光器自身频率稳定性较低的情况,提出了采用计算机自动控制实现自动频率对准与频率跟踪的方案.     

激光多普勒效应的实验验证

为了研究激光多普勒效应,建立了一个简单的利用激光外差干涉技术测量多普勒效应的实验验证系统。由实验可知,对于0.2mm/s的均匀速度,理论上的拍频值为316.0556Hz,实验测量值为312.0434Hz;对于0.1mm/s的均匀速度,理论上拍频值为158.0278Hz,实验测量值为151.6055Hz。结果表明,该验证系统的有效性,可为光学实验教学中实现激光多普勒效应提供有益的帮助。     

调频连续波光纤位移传感器快速信号处理方法

针对传统鉴相算法对拍频信号处理速度较慢的问题,提出一种基于数字信号处理(DSP)技术的调频连续波光纤位移传感器快速信号处理方法.以DSP技术为核心,通过直接内存访问(DMA)实现数据的快速传输,利用多固定点峰值预测鉴相算法对拍频信号进行快速解算并进行方向优化.实验结果表明:在600 mm的动态测量范围内,位移测量的标准差小于5 nm,线性拟合系数在0.99997以上,对被测目标的适应速度达到15 mm/s,该方法能够实现较高的测量精度和更快的动态测量速度.     

散斑噪声对相干激光雷达系统性能的影响

散斑噪声会影响调频连续波(FMCW)相干激光雷达的拍频信号质量,进而影响雷达的探测性能。为衡量该影响并优化系统设计,采用几何光学近似的方法对散射场进行了简化处理。通过蒙特卡罗模拟仿真建立了散斑噪声对系统拍频信号强度的影响模型,并优化了系统光学天线孔径的设计。系统测试实验结果表明,拍频信号的强度与粗糙面高度和波长的比值成负指数关系,且弱散射表面的信号强度衰减更快。实验结果与理论和仿真分析相吻合,优化设计后的系统可对存在散斑噪声的拍频信号进行有效探测,且其测距和测速误差分别小于1 cm和0.05 cm/s。     

CO2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量,提出了一种CO2激光刻写长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）与光纤马赫-增德尔（MZ）干涉型结构的光纤传感器,利用CO2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构,将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化,研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明:该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感;在温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃;当应变范围0~450 时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/,卸载灵敏度为4.24 pm/。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。     

光刻用准分子激光器中心波长在线测量研究

实现了一种准分子激光光刻光源中心波长的实时测 量方法。基于法布里珀罗(F-P)标准具与中阶梯光栅的相关测量 装置,通过对 F-P标准具的干涉条纹和光栅衍射条纹的分析,实现了对光刻光源输出激光中心波长的在 线有效测量。整 个测量装置体积小、成本低,在500～3000Hz 高重频条件下,实现了亚pm量级的测量精度,标准差低于0.1pm,取 得了较好的实验结果。     

MG-Y激光器波长温度特性研究

为了探究调制光栅Y分支(MG-Y)激光器在光纤传感应用中的温度适应性,设计并搭建了波长稳定性为0.6 pm的测试系统,分别对MG-Y激光器内外不同温度下的波长特性进行分析,采用25℃温度下20 pm间隔的查找表进行实验.结果表明当内部温度为25 ℃、外界温度在—20～50℃范围内以10℃步进时,92.30％的波长漂移量在±7 pm内,内外温差±5℃范围内波长最大漂移量为3pm;当外界温度为25℃、内部温度在25～30℃范围内以1℃步进时,波长调谐段切换处会出现跳模现象,调谐段内近似线性调谐,调谐系数区间为85～115 pm/℃,证明MG-Y激光器的最佳温度应控制在内外温差±5℃范围内,为解决温度变化造成的波长漂移问题提供了参考.     

基于长周期光栅滤波的光栅解调系统

基于长周期光栅的边缘滤波特性,设计了一种光纤布拉格光栅的传感解调系统,适用于布拉格光栅的静态和动态解调。系统实现了3.5 nm范围内的线性解调,波长灵敏度为0.092 nm-1,波长分辨率可以达到0.01 nm。振动测量中检测信号稳定,测量频率误差在1%以内。针对长周期光栅对温度和弯曲敏感的问题,采用了适当的温度补偿和封装技术,使长周期光栅的温度漂移系数从112 pm/℃下降到45 pm/℃,显著提高了系统的稳定性。     

集成检波模块的高精度激光波长稳定系统

基于半导体激光器(LD)波长和温度之间的变化原理,对LD输出波长的稳定性进行了实验研究。采用集成有检波器件的LD组件,设计了高精度的激光波长稳定系统。该系统不需要添加任何附加装置,利用温度对波长漂移进行补偿控制,实现了波长的实时锁定。通过增加注入电流、改变设定温度的方法对系统进行验证。实验表明,该系统的波长控制精度≤士2pm;在整个激光器的寿命周期内,系统的波长稳定度≤2pm。     

两台同类型号独立激光器频率稳定度的测量

采用拍频法对两台同类型号独立激光器的稳定度进行了测量。从拍频理论出发,得到了拍频信号稳定度与待测激光器和参考激光器稳定度三者所满足的平方和关系,对于稳定度一致的两台同类型号激光器,由拍频信号稳定度可以得到待测激光器的稳定度。实验中将New Focus公司生产的两台同类型号激光器(TLB-6017)进行拍频,根据拍频信号稳定度测得激光器稳定度为1.36×10-8,频率漂移量为5.1MHz(1s积分时间)。实验结果与激光器出厂指标[稳定度1×10-8、频率漂移量5MHz(1s积分时间)]相比,稳定度在同一量级,频率漂移量的相对误差为2%。此方法避免了通常测量激光器稳定度时所需的高稳定度参考光源的限制,为激光器稳定度的测量提供了一定的参考。     

基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法

为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据, 并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。     

基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究

提出了一种基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变 双参数同时测量的光纤传感器,其结构是在单模光纤(SMF)上分别熔接两 个球形结构并在SMF光纤中间熔接一段细芯光纤(TCSMF)。利用光纤的纤芯 模、包层模对温度、应变的灵 敏度差异,通过检测不同级次的干涉谷的特征波长位移变化,结合敏感矩阵实现了对温度、 应变双参数的 同时测量。实验选取位于波长1545.1nm554.8nm处的干涉谷进行温度和应变的同时测量,测 得两个波谷 的温度灵敏度分别为53.86 pm/℃和47.51pm/ ℃,两个波谷的应变灵敏度分 别为0.75 pm/με和1.39pm/με,并且不 同级次干涉波谷的波长位移量与外界温度和应变具有良好的线性度。     

基于旋转折变型长周期光纤光栅对的高分辨率扭曲传感器

报道了一种基于光纤环形激光器和旋转折变型长周期光纤光栅(R-LPFG)对的高分辨率扭曲传感器。激光器的环形腔中包含由一对相同R-LPFG)形成的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。R-LPFG是利用CO2激光器在扭曲单模光纤(SMF)上写入的,通过激光器输出波长的漂移量及漂移方向可以实现对施加在MZI上的扭曲量和扭曲方向的同时测量。由于激光器的输出具有线宽窄和对比度高的优点,因此本文的扭曲传感器比普通的无源扭曲传感器测量更加精确。该扭曲传感器在±100rad/m范围内的灵敏度为0.084nm/(rad/m);当光谱仪(OSA)的分辨率为10pm时,传感器的扭曲分辨率可达0.12rad/m。     

飞秒写光纤光栅激光器有源高温传感技术

针对光纤光栅型光纤激光器有源温度传感技术只能进行较低温度以及较小范围温度测量的问题,提出一种飞秒写光纤光栅型光纤激光器高温传感测量系统.将飞秒写光纤光栅嵌入到光纤环形腔结构中,同时作为温度敏感元件和激光波长反馈器件,设计搭建了飞秒写光纤光栅型激光器光路.此光路系统输出光信号带宽为3.45 GHz峰值强度为31.94 dBm,2h内连续光谱检测最大波长漂移为3.25 pm,可视为无跳模现象,实现了高达60 dB的高信噪比、窄线宽、高功率信号输出,同时输出光信号可线性表征光纤光栅温度感应.实验结果表明此传感系统实现了50℃到1000℃大范围温度的线性传感检测,线性度可达0.9975,波长·温度灵敏度为13.8 pm/℃.     

基于相位调制器的宽带窄线宽的线性调频激光源的产生

提出了一种基于相位调制器(PM)和可调谐光滤波器产生线性调频激光信号的方法。该方法利用带有基频的微波线性调频信号作为相位调制器的驱动信号,窄线宽的激光种子源经相位调制器调制后产生一系列的宽带线性调频激光信号。通过可调谐光滤波器抑制其他边带保留所需阶次的线性调频激光信号。实验结果表明:当光滤波器保留正二阶调频激光信号时,获得了调频带宽为2 GHz、调频速率为6 THz/s的线性调频激光信号。在观测时间为1 ms时,测得的线性调频激光信号的瞬时线宽为3.2 kHz。该方法结构简单,易于实现,并且对调频连续波激光雷达、相干光谱分析等测量应用有重要意义。     

微片激光器阈值附近的输出光谱特性研究

为了确定激光晶体在不同温度下的自发辐射光谱 (荧光谱),实验研究了阈值附近微片激光器的输出 光谱特性。当抽运功率略小于阈值时,微片激光器输出经干涉的自发辐射光;当抽运功率大 于阈值时,微 片激光器输出激光。测量了激光阈值与晶体温控的关系,结果表明激光阈值随晶体温度的升 高而增加,其 变化率为0.017W/℃。在不同温控条件下,对阈值以下的自发辐射光 谱包络进行了拟合测量,结果表明随 着晶体温度的升高自发辐射光谱包络峰值降低,下降率为0.681%/℃ ;光谱包络中心波长发生红移,漂移率为3.1pm/℃。     

基于复合双环腔及饱和吸收体的单纵模窄线宽掺铥光纤激光器

提出并实现了一种工作在2050 nm波段的单纵模窄线宽掺铥光纤激光器。使用3个耦合器组成的新型复合双环腔抑制密集的多纵模,结合未泵浦的掺铥光纤（作为饱和吸收体）,实现了激光的单纵模激射和窄线宽输出。实验结果表明：室温下,激光器的中心波长为2048.76 nm,光信噪比为68 dB。通过60 min的连续测量,得到激光的输出功率波动不大于0.15 dB,中心波长漂移不大于0.02 nm,证明了所设计的激光器具有良好的波长稳定性和功率稳定性。使用基于3×3光纤耦合器的相位解调系统对激光器的频率噪声特性进行测量,并进一步结合β分割线法测量线宽。当测量时间为0.001 s时,激光器的线宽为9.17 kHz。当频率高于1 MHz时,相对强度噪声低于-125.69 dB/Hz。该激光器在激光雷达和空间光通信系统中具有广阔的应用前景。