采用温控和碘吸收池技术的发射激光稳频技术

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。     

铁共振荧光多普勒激光雷达光源的频率稳定性研究EI北大核心CSCD

种子注入的372 nm稳频Nd:YAG激光器作为铁共振荧光多普勒激光雷达的激光光源,其性能将直接影响大气温度和径向风速的测量精度,属于研制难度较大但极其重要的关键技术。文中对激光光源的频率稳定性进行了仿真分析和实验研究。利用蒙特卡洛方法,仿真了振荡级输出1116 nm脉冲光的频率稳定性(均方根)应小于1 MHz;对改进型Ramp-Fire种子注入技术进行了详细介绍,并在振荡级光路中采用了该技术;通过激光拍频实验,测量得出1116 nm脉冲光在10 min内的频率稳定性的均方根为543.24 kHz,其结果满足指标要求,可将频率抖动和频率漂移引起的系统误差减少至0.51 K和0.61 m/s。文中所做工作为铁共振荧光多普勒激光雷达实现大气温度和径向风速的高精度测量提供了必要保障。     

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。     

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。     

碘分子吸收稳定中红外差频激光频率

差频光源用于大气分子稳定同位素丰度研究需要频率稳定的连续输出的空闲光。基于连续可调谐钛宝石激光器和单频连续Nd:YAG激光器建立差频系统,为了稳定差频系统产生的红外光源的波长,利用MgO:PPLN作为倍频晶体,采用有多普勒展宽的碘分子吸收稳频方法,结合数字比例-积分-微分(PID)反馈控制技术,将Nd:YAG激光器的频率漂移量稳定在1.2MHz/h内,稳定度为4.26×10-9。实验结果表明:增加对压电陶瓷(PZT)的调制电压时,Nd:YAG激光在1h内的频率漂移量迅速减小,超过1V后漂移量趋于稳定;改变对PZT调制频率没有获得较高的稳定度。将频率稳定后的Nd:YAG激光用于产生3.42μm附近的差频光源,通过对低压下CH4气体分子吸收谱线的测量,去卷积运算得到差频系统的线宽约为6.9MHz。实验结果既为该方法用于稳定激光频率提供了重要的参考,又为痕量气体探测提供了频率稳定的差频光源。     

小型化碘稳频1064 nm半导体激光器研究

传统的1064 nm稳频激光器虽然能达到很高的频率稳定度和不确定度,但其体积比较庞大,系统设计比较复杂。而对于一些激光频率稳定度要求不高的实际应用,如高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达,系统简单与缩小体积应该是更受关注的因素。利用碘分子吸收谱线并结合频率调制光谱技术建立了一套小型化的1064 nm稳频激光器,该系统结构紧凑。通过高稳定的波长计进行监测,测量频率稳定后的激光器在10000 s时的阿伦偏差精度小于0.1 MHz。该稳频的1064 nm激光器系统已被用作高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达单频脉冲光源的种子激光器。     

127I2频率调制光谱在微型Nd:YVO4激光稳频中的应用

采用480 MHz频率调制和光外差光谱检测技术,将半导体激光抽运Nd:YVO4微型激光器的频率锁定在碘分子532 nm波段多普勒加宽的吸收谱线上.分析伺服误差信号表明,采用该技术锁定微型Nd:YVO4激光频率,其稳定度可达到10-10(1 s积分时间).     

127I2频率调制光谱在微型Nd∶YVO4激光稳频中的应用

采用 48 0MHz频率调制和光外差光谱检测技术 ,将半导体激光抽运Nd∶YVO4微型激光器的频率锁定在碘分子 5 32nm波段多普勒加宽的吸收谱线上。分析伺服误差信号表明 ,采用该技术锁定微型Nd∶YVO4激光频率 ,其稳定度可达到 10 - 1 0 (1s积分时间 )。     

Tm,Ho:YAP种子注入激光多普勒测速实验

报道了一台二极管泵浦种子注入Tm,Ho:YAP激光器。在重复频率100 Hz时,获得了单脉冲能量2.8 mJ、脉冲宽度289 ns的2.13 m单频脉冲激光输出。利用该种子注入Tm,Ho:YAP激光器作为发射光源,以一个最大标称线速度20.4 m/s、直径10 cm的风扇作为模拟探测目标,通过外差式相干探测的方法进行了激光多普勒测速实验。利用本振光与信号光的激光拍频信号,得到包含模拟探测目标速度信息的多普勒频移,通过数据处理计算出了风扇不同转速条件下模拟探测目标的速度,并与模拟目标的实际速度进行了比对,测量速度误差小于1 m/s。     

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。     

百纳秒脉宽单频大能量1064 nm激光器

报道了基于光纤-固体混合放大的百纳秒脉冲宽度单频大能量1064 nm激光光源的研究工作。采用1064 nm分布反馈(DFB)半导体激光器作为单频连续种子光光源,采用声光调制器将种子光整形为脉冲宽度约为149.0 ns的洛伦兹波形脉冲光,重复频率为60 Hz,经过级联的全保偏光纤放大器放大后,获得单脉冲能量约为2.1μJ、脉冲宽度约为216.7 ns的脉冲光输出。固体放大部分采用激光二极管(LD)端面抽运的Nd∶YVO₄晶体作为高增益的前放大器进行双程放大,采用LD单侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为预放大器进行双程放大,采用两级LD双侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为功率放大器,最终获得了单脉冲能量为151.4 mJ、脉冲宽度约为267.8 ns的激光输出。采用光学外差法对输出脉冲激光的线宽进行了测试,线宽约为14.2 MHz。研究结果为星载相干测风激光雷达采用1.06μm的激光光源提供了新的技术路线。     

基于法布里-珀罗干涉仪多普勒测风激光雷达径向风速漂移研究

基于法布里-珀罗干涉仪的多普勒测风激光雷达可以实现从对流层到中层大气的高时空分辨率风场探测。然而,实际风场观测时,反演出的径向风速总会存在一个偏差,需要外部的参考风场来消除。从理论出发,分析了出现偏差的原因,得出主要影响因素是法布里-珀罗干涉仪和种子激光器的环境温度。随后对该温度的影响进行了实验研究。通过分别对种子激光器和法布里-珀罗干涉仪环境温度的精确控制,测量激光通过已标定的法布里-珀罗干涉仪的透过率来监测相对频率的漂移与温度之间的关系。实验结果表明,环境温度会影响频率漂移,理论上,对于355 nm测风激光雷达系统,控制1 m/s的径向风速漂移,种子激光器环境温度引起的频率漂移系数为1650 MHz/K,温度控制的精度须小于0.004 K;法布里-珀罗干涉仪环境的温度引起的频率漂移系数为799 MHz/K,温度控制的精度须小于0.007 K。     

直接测风激光雷达外场实验稳频方法

基于Fabry-Perot标准具的直接探测测风激光雷达是中高层大气风场探测的有效手段之一,系统保持长期稳定地运行是监测风场变化的基本需求;通过对DWL给出的无效探测数据进行的深入剖析,得出是激光发射频率发生了相对漂移所致;然后,搭建实验验证内在机理,得出,Nd:YAG激光器中种子激光器工作环境温度每变化1℃将导致激光发射频率产生1.536 GHz漂移,可致使透过率变化最大达46.1%,标准具工作环境温度每变化1℃相当于激光频率产生的相对漂移量737.7 MHz;当满足小于1 m/s的系统误差时,需要建立三级温控机制,将系统整体处于调控精度为1℃的恒温环境中工作,另外将种子激光器、标准具分别置于调控精度为0.001℃的恒温箱内工作,能够满足风场探测的要求。     

固体相干激光雷达多普勒测速实验

采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd:YAG激光器为发射源,同时运用温度反馈控制,使种子光源和从动激光器自由振荡频率相匹配,实现稳定的单频输出.采用外差式相干探测的方法,测量运动目标的多普勒频移,从而达到测量运动物体速度信息的目的.根据实验现象,分析失谐频率△ω对外差探测的影响,提出了改进措施并应用于实验.比较已观测到的实验数据与理论计算值分析误差来源.     

主动调Q内腔式Nd:YAG/GdVO4拉曼激光器

研究了激光二极管(LD)端面抽运的主动调Q内腔式Nd∶YAG/GdVO4拉曼激光器的激光特性,测量了不同抽运功率和脉冲重复频率条件下的平均输出功率和脉冲宽度.当注入的抽运功率为[7.44 W,脉冲重复频率为20 kHz时获得的1174.5 nm拉曼光的最大平均输出功率为1.3 W,对应的光-光转换效率为17.4%;当注入抽运功率为6.8 W,脉冲重复频率为[15 kHz时获得的1174.5 nm拉曼光的最大单脉冲能量为74.4 μJ.与Nd∶GdVO4自拉曼激光器进行实验比较和分析,实验结果表明主动调Q内腔式Nd∶YAG/GdVO4拉曼激光器可以获得比Nd∶GdVO4自拉曼激光器更高的平均输出功率和转换效率.     

7.3 W单频2.09 μm一体化非平面环形谐振腔Ho:YAG激光器

相对于应用广泛的掺钕(Nd)或掺镱(Yb)的lμm激光器而言,掺钬(Ho)的钇铝石榴石(YAG)激光器发射的2.09μm波长对人眼更安全,而且位于大气透射窗口区域.单纵模Ho激光器可应用到相干探测激光雷达领域以测量机场上空的风场,以及遥感人气中的化合物等.高功率的单频连续波(cw)Ho激光器不但可直接测量近场风速,还可抽运光参量振荡器(OPO)或差频产生器(DFG),产生深中红外5-15μm分子指纹区域的单频CW激光.     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

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。     

多普勒激光雷达中种子激光注入的一种鉴别方法

多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息的能力,吸引了多国学者的关注,并投入了大量的人力、物力进行研究。所研究的多普勒测风激光雷达采用种子注入的方式获得单纵模、窄线宽、高功率的激光输出。激光器中心频率的缓慢漂移、环境噪音、激光棒温度变化或者振动干扰都有可能导致激光器种子光的注入不成功,出射激光光谱由注入成功时的单纵模输出变为多纵模输出。激光单纵模输出时线宽约为200 MHz,而多纵模时激光线宽很宽。而种子注入不成功时所出射的多纵模激光脉冲将导致瑞利后向散射谱变宽,会增加风速测量误差。该脉冲筛选电路在数据采集环节实现对多纵模激光脉冲的筛选,有效降低了风速测量误差,提高测风准确度。     

水汽差分吸收激光雷达发射机935 nm高功率光参量振荡器

水汽分子的3强振动吸收带位于935 nm附近,差分吸收激光雷达在这个波段具有高探测灵敏度。不幸这一波段位于Ti:Sapphire激光器增益带宽的边缘和Cr:Alexandrite激光器增益带宽之外,染料激光器有较高的自发荧光成分而使其光谱纯度不高,光参量频率转换器可以用作该波段水汽差分吸收激光雷达的发射机。动态稳定的环形谐振腔中有一对走离补偿的、70.7切角的KTP非线性晶体。它由种子注入单纵模Nd:YAG激光器的二倍频532 nm光脉冲泵浦,脉冲重复频率10 Hz。通过935 nm分布反馈半导体激光器种子注入和ramp-hold-fire方法,主动锁定光参量振荡器谐振腔的腔长。发射机平均输出功率达到4.5 W,脉冲长度6 ns,光（532 nm）-光（935 nm）转换效率大于17%,光频的短程和长程频率稳定性30 MHz（RMS）。光束质量M2大约7.8,光谱纯度可以达到99.9%。它将是空间探测大气水汽廓线遥感器的候选光源之一。