调频连续波激光调制方法研究

调频连续波(FMCW)激光调制电路是FMCW激光探测系统的重要组成部分。对FMCW激光调制方法进行研究,设计并实现由线性调频信号产生电路和半导体激光器驱动电路组成的激光调制电路,并给出相应的实验结果。其中线性调频信号产生电路采用基于直接数字频率合成技术的集成芯片AD9958进行设计,产生10~110 MHz的锯齿波线性调频信号;半导体激光器驱动电路采用直接电流调制方式,利用线性调频信号对激光载波的强度进行调制,激励激光器出光。测试结果表明:调频连续波激光调制电路能够满足调制频偏100 MHz、调频周期100 s的设计要求。     

调制型半导体激光器恒流驱动电路设计

半导体激光器驱动电流的微小变化将直接导致其输出光强的波动。为实现半导体激光器的稳定功率输出,基于电压负反馈原理设计了包含软启动和限流保护电路的恒流驱动电路;同时针对为消除背景光的影响而对光源进行调制的需要,设计了包括晶体振荡电路和分频电路的集成激光器调制电路。制作具体电路并完成了相关实验。实验结果表明该电路能够提供高稳定度的驱动电流,电流稳定度达0.05%;软启动和限流保护电路可保护半导体激光器并提高其抗冲击能力。调制电路产生半导体激光器调制所需的载波信号并直接完成输出光调制,通过开关可方便地实现从256 Hz～512 kHz范围内12种常用调制频率的选择。     

采用射频频率调制光谱实现半导体激光器稳频

利用半导体激光器可直接对注入电流进行高速调制的特点，将20MHz射频(RF)信号直接加在半导体激光器的高频调制端口，射频信号的一部分经过相移器后，与雪崩光电探测器(APD)所探测的饱和吸收光谱信号进行混频，经低通滤波器后产生了类色散曲线；将半导体激光器的输出频率稳定在铯原子D2线的^6S1/2(F=4)→^6P2/2(F'=5)的超精细跃迁线上，实验所测的10s内典型的频率起伏小于1MHz；这种稳频技术不需锁相放大器，具有可避免低频段较高的强度噪声和较大的频率捕获范围的优点。     

密集波分复用激光光源的声光偏频无调制频率锁定

利用声光调制器(AOM)的偏频特性,以CH4分子吸收线R9支一条强吸收线(λ=1.6378μm)作为参考频率,实现了对外腔式半导体激光器的无调制频率锁定。实验中在100 s内典型的频率起伏小于5.6 MHz,较激光器自由运转时的频率起伏34 MHz有了显著的改善,而误差信号的阿仑(Allan)方差平方根(即稳定度)在平均积分时间为16 s时达到最小值5.75×10-10。该方法实现了基于气体分子吸收线的半导体激光器无调制锁频,并且CH4分子在1.6~1.7μm处有丰富的振转光谱,满足光纤通信中对激光器输出波长的要求,可应用于光纤通信中激光光源的频率锁定。     

基于调制转移的大功率半导体激光器频率稳定控制

为了提高大功率半导体激光器输出频率稳定控制的效果,提出基于调制转移的大功率半导体激光器频率稳定控制方法。首先分析大功率半导体激光器工作原理,利用光电调制器对激光器泵浦光相位进行调制,获取大功率半导体激光器光波附加相位和泵浦光电场矢量;然后以附加相位和泵浦光电场矢量为基础,使用调制转移技术建立调制转移光谱锁频环路模型,计算大功率半导体激光器探测光和边带拍频信号;最后建立调制转移光谱锁频环路模型表达式,通过求解该表达式,得到大功率半导体激光器的锁频数值,实现激光器输出频率的有效控制。实验表明,文中方法计算大功率半导体激光器拍频信号较为准确,降低其输出拍频信号区间,响应时间最大为0.07 s,响应较为迅速,控制精度较高,具备较好的频率稳定控制能力,控制效果好。     

光纤声光调制器的高频驱动器

光纤声光调制器驱动器作为光纤激光器的重要组成部分,其性能参数对激光品质具有重要影响。该文设计了高频、高功率驱动器方案。该方案通过20²00kHz脉冲信号控制模拟开关实现脉冲信号和150 MHz载波信号的二进制幅度键控(2ASK)调制,调制信号经功率放大器放大,进行阻抗匹配后输出到声光调制器,驱动声光调制器工作。驱动信号的频率为20200kHz脉冲信号控制模拟开关实现脉冲信号和150 MHz载波信号的二进制幅度键控(2ASK)调制,调制信号经功率放大器放大,进行阻抗匹配后输出到声光调制器,驱动声光调制器工作。驱动信号的频率为20²00kHz,功率为3 W。     

半非平面单块激光器快速频率调谐的实验研究

在半导体激光器抽运的Nd∶YAG晶体半非平面单块固体环形激光器上 ,采用粘贴压电陶瓷 (PZT)的方法实现了快速激光频率调谐。对尺寸为 13mm× 14mm× 3mm的单块激光器粘贴了厚度为 0 5mm压电陶瓷 ,并观测两台单块激光器之间的拍频信号。当调制频率小于 10 0kHz时 ,对压电陶瓷施加峰值为 5V的正弦调制信号 ,可观测到大于 10MHz的马鞍形展宽拍频信号 ,对应的PZT调谐系数大于 1MHz/V。当调制信号频率过高时 ,例如频率大于 10 0kHz,拍频信号变得非常不稳定 ,说明激光频率产生了明显的漂移 ,且拍频信号展宽的形状也发生了变化 ,拍频信号的中心部分由凹陷变为凸起。实验观测到的调制响应带宽约为 10 0kHz。     

基于量子级联激光器的自由空间通信

本文展示了基于中红外量子级联激光器的自由空间通信。该系统的基本单元由一个室温下连续工作的分布反馈量子级联激光器和一个中红外探测器组成,通过该系统成功地进行了40MHz正弦波信号和载波为30MHz的调幅视频信号的传输。本研究提供了量子级联激光器用于自由空间光通信的概念性的验证。系统的最高通信频率受限于调制电路带宽,通过使用改进后的调制电路可以大大提升该通信系统的性能。     

短相干半导体激光器的射频调制特性及应用

短相干激光光源在进行高精度的干涉测量时,可以消除被测光学元件前后表面反射形成的杂散光,是低相干干涉仪的理想光源。针对低相干干涉应用对光源的需求,依据速率方程和激光调制特性对射频调制下的短相干半导体激光器光谱特性进行了理论研究。搭建了短相干光源系统,研究了半导体激光器斜率效率η、偏置电流I_b、射频信号频率f_m和幅度A_m对其相干长度的影响。实验结果表明,斜率效率大的半导体激光器更有助于短相干特性的实现,随着调制信号频率和幅值增加,工作在阈值附近的激光器相干长度随之降低,该系统在I_b=1.3Ith、f_m=950 MHz、 A_m=19 dBm的条件下获得了相干长度为90μm的短相干光源。并成功应用于斐索干涉仪上,获得了对比度K=0.931 8的清晰干涉图像,与现有短相干光源相比,对比度提高了约51.1%,实现了对平行平板玻璃面形的测量。     

半导体激光器驱动电路设计及环路噪声抑制分析

为了防止驱动电流的波动会影响半导体激光器激射波长及发光功率,设计了一款具有较强抗干扰能力的半导体激光器驱动电路。该驱动电路以深度负反馈架构为核心,通过STM32控制器调节输出电流直流信号的大小以及调制波信号的频率与幅值。对整个环路进行一阶人工分析,并且结合Tina-TI仿真引入参数可调的噪声抑制网络,保证目标设置频率下环路响应能力的同时具有较强的抗干扰能力。实验表明,该激光器电流驱动电路对目标频率10 倍频程以上环路噪声的抑制可达到20 dB以上,并且对目标频率的调制波响应良好,频率的输出值与设定值最大偏差为0.001 Hz,控制线性度为0.999 9,直流偏置下驱动电流2 h短期稳定度优于0.005 6%,63 h长期稳定度优于0.011%,激光器功率控制线性度为0.999 4,标准误差为0.092 87。     

简易的超宽带亚周期微波脉冲产生方法

提出了一种简易的超宽带亚周期微波脉冲电路设计方案,该方案利用阶跃恢复二极管的阶跃特性和肖特基二极管正向压降小且恢复时间短的特性,产生单极性、亚周期的微波脉冲,其电路结构简单、体积小巧、设计制造成本低廉、调试方便。实验结果表明,采用该方案设计的微波脉冲发生器可以产生半高宽为150 ps 的超宽带亚周期微波脉冲,且脉冲拖尾现象很小。在脉冲的重复率为85 MHz 时,产生的脉冲幅值最大,约为3.7 V,且波形拖尾现象最小。提出的设计适用于各类超宽带系统中的窄脉冲发生电路。     

可调谐半导体激光波长调制光谱信号分析

波长调制光谱是一种高灵敏光谱检测技术,针对典型应用条件的精确信号分析模型可以为光谱检测系统的设计和优化提供依据.在Fourier分析的基础上给出了可调谐半导体激光波长调制光谱技术的理论描述.分析了可调谐半导体激光正弦频率调制情况下WMS各次谐波信号特征,研究了激光幅度调制对谐波信号的影响,以及由系统光学表面标准具效应引入的背景噪声与量化描述.分析方法不受调制幅度的限制,适合于不同条件下波长调制光谱分析和背景信号的定量分析.     

Optical injection locking of impatt oscillators

A method for locking impatt oscillators by illuminating the impatt diode with a low-power laser beam, amplitude modulated at microwave frequency, is described. A large-signal theory of impatt operation, including the effects of finite reverse saturation currents and their modulation by the laser beam, is presented and predicts locking ranges of several tens of MHz with laser powers of a few mW     

1.06μm注入锁定增益开关半导体激光器特性分析与功率放大研究

报道了1.06 m增益开关半导体激光器的详细特性分析和功率放大研究。用高频正弦信号调制中心波长1.06 m的F-P腔半导体激光器得到脉宽约为100 ps、平均功率约为20 mW,重频从500 MHz到2 GHz连续可调的稳定短脉冲激光输出。采用注入锁定改善增益开关半导体激光器的输出特性。研究和分析了调制信号的频率、功率和偏置电流的大小以及注入锁定的功率、温度对激光器输出特性的影响。将该激光器作为种子,用108 W的抽运光进行两级全光纤功率放大得到了82 W的高功率输出,光光转换效率达到76%。     

A proposal for internal electrooptic intensity and frequency modulation of diode lasers

Modulation of a GaAs diode laser by a GaP electro-optic diode modulator internal to the laser cavity is proposed. Application of a reverse voltage to the modulator diode changes the state of polarization of the oscillating mode. One polarization component of the mode is efficiently coupled out of the cavity by reflection off a Brewster angle laser diode face. Solutions of the threshold equations for the mode frequencies, threshold gain, and the amplitude ratio and the relative phase of the polarization components of the oscillating mode exhibit novel behavior. This allows the laser-modulator combination to be used as either an intensity or a frequency modulated source. This frequency modulation regime in a coupling modulation configuration is an unexpected result and can be applied to other types of lasers. Calculations of the modulation characteristics based on measured properties of the GaP modulator diodes are presented. Operated as a Gürs-Müller coupling modulator (intensity modulation) the device could produce a depth of intensity modulation over 50 percent with a bandwidth of 1 to 3.5 GHz while dissipating only 0.1 watt in the modulator. Operated as a pure frequency modulator the device could have a 2.5 GHz bandwidth, again with 0.1 watt modulator dissipation. The modulator diode can also be used to produce pulse-code modulation. Up to one gigabit per second could be produced with the same modulator dissipation.     

Reduction of laser modulation bandwidth requirement in FSK systems using duobinary coding and differential detection

The duobinary signalling concept is applied to direct frequency modulation of a semiconductor laser. The main goal is the achievement of a low-cost high bit-rate transmission with reduced modulation bandwidth requirement of the laser diode. The simulation and experimental work demonstrate a laser modulation bandwidth reduction of about 50%. The system exhibits a high tolerance against fibre nonlinear effects, up to 20 dBm, and phase noise, up to 170 MHz of linewidth at 10 Gbit/s.     

一种用于光学条纹相机的种子源设计

介绍了一种基于锁相环及频率合成方法产生高重复频率正弦同步扫描种子源产生技术。利用锁相环实现了正弦信号与触发光脉冲的同步跟踪, 并通过频率合成实现对正弦小信号的频率、相位、幅度的调制。调制相位可实现扫描时间的延迟, 调节振幅可实现不同扫描速度。电路系统进行了实验测试, 获得频率可达250 MHz、时间抖动小于10 ps的稳定正弦同步扫描种子源, 证明设计达到了预期目标, 满足光学条纹相机对种子源频率、幅度、抖动的高精度需求。     

正交混频相位式激光测距方法与系统实现

针对传统的二次混频式激光测距仪鉴相精度不高,难于消除系统误差等问题,提出了正交混频相位激光测距法,利用成熟的正交调制技术进行激光光强的幅度调制,提高了基于二次混频原理的激光测距仪的鉴相精度,并且通过改变低频信号相位来获得两个相对很小的频差,易于消除系统附加相移,大大简化了二次混频式激光测距仪的硬件设计。详细阐述了基于正交混频相位测距方法的激光测距原型机设计要点。系统原型机设计方案采用了集成度很高的正交调制芯片完成,结构紧凑没有冗余元件。原型机实验精度达到±1.52mm,在62.5MHz频点下测相精度达到0.042°,并且可以很方便地通过加入多频调制的方法大大提高测量距离,是采用二次混频法进行相位激光测距的优秀解决方案。