基于时域可区分特征的双飞秒激光多目标绝对距离测量

伴随当前航空、航天、大型科学仪器智能制造场景下多环节、多过程、多装备制造工艺与制造信息不断融合优化,正推动长度测量需求从传统局部、单参数、离线、分时测量快速转变为全局、多目标的在线、实时、同步测量,现有激光测距方法受到原理限制,在精度、实时性与并行能力等方面面临瓶颈。本文提出了一种基于飞行时间法的双飞秒激光多目标绝对距离测量系统,设计特定的光纤分束方案,使飞秒激光光源同时到达多个目标,并构造时域可区分特征匹配多组脉冲,携带距离信息的脉冲经强度互相关模块后进入FPGA数据处理单元,实现多路绝对距离的实时解算,并完成系统的集成化设计。实验表明系统在2 kHz的更新速度下阿伦偏差评定的测量精度优于10^(-5)m,与干涉仪对比的测距偏差小于4μm,在此基础上,搭建平行光路结构实现多自由度的同时测量,测量偏差优于5″。

多层微纳薄膜的高精度检测技术进展

在半导体、机械加工等行业中广泛应用的多层微纳薄膜通常是由数个纳米厚度的单层膜叠加形成的,在其制造过程中,由于工艺条件所限,薄膜厚度的均匀性会出现误差,进而影响其性能。因此薄膜厚度的准确测量至关重要,亟需一种无损、高精度、快速的检测技术对薄膜的厚度及其均匀性进行测量、检测。回顾近年来多层膜在不同领域的应用现状,分析了目前应用于多层膜厚度测量的技术(如X射线衍射等)及其不足,以及椭圆偏振法技术的研究进展,最后介绍了机器学习在厚度测量中的应用,并对未来机器学习与测量结合的前景进行了展望。

“激光原理”课程的思政案例教学探索

针对新时代全面推进高校课程思政建设,发挥好每门课程的育人作用,提高高校人才培养质量的要求,天津大学“激光原理”课程组开展了思政教育融入专业课程的实践探索。课程组根据学科特色深入挖掘激光专业课程的思政元素、天津大学激光专业发展中的思政资源,重点关注激光在大科学装置中的应用、我国在激光领域的原创性突破、著名科学家的突出贡献等,设计了多个思政教学案例,有机融合至课堂知识传授中,提升学生的使命担当意识,培养家国情怀,形成协同育人的良好效果。

卫星编队飞行的飞秒激光绝对距离测量与高精度控制技术

该报告的内容按编队卫星飞行的星间绝对距离测量与时间统一、编队构型的精确控制两部分独立展开。编队测量方面:完成了星间相对导航、精确定位的方案设计,主要是基于飞秒激光飞行时间的绝对距离测量方法与基于压电偏摆镜的锁相环路实现的。利用由主星发射的三路独立的飞秒激光绝对距离测量获得子星靶标的3个微米精度的绝对信息,其中微米精度是由飞秒激光的高时间分辨本领决定的;利用压电偏摆镜的锁相环路建立了星间自由光通信链路,使得测距激光脉冲能够实时跟踪自由漂浮的子卫星角锥棱镜。给出了基于飞秒激光的相对导航以及基于压电偏摆镜的跟瞄系统锁相环路的设计方案并基于已有条件测试了压电偏摆装置的稳定性,设计了跟瞄与测距系统集成方案,为三路测距与跟瞄、并实现精确定位的实验演示验证打下了基础。实验上,针对小卫星搭载的需求,建立了一台高稳定性、高集成度、全保偏结构的掺铒光纤飞秒激光源,测距、跟瞄与星间时钟统一的工作将主要依赖该飞秒激光源展开。编队控制方面:分析了编队卫星的动力学机理。以近距离航天器相对运动方程为基础,分析了编队飞行的基本特性,分析了不同动力学模型的特点,确立了不同应用场合下动力学模型的选取准则。然后,考虑到微小卫星质量与载荷限制导致携带燃料有限,而编队初始化是个能耗较大的变轨过程,基于Gauss伪谱法为编队初始化过程设计了最优轨迹。最后,研究了卫星编队构型保持控制问题。首先确定了主从式的卫星编队协同控制结构。在该控制结构下,基于非线性相对轨道模型,分别采用传统滑模控制方法、自适应滑模控制方法设计了构型保持控制器,并对所设计的控制算法进行了仿真验证,验证了所设计控制算法的鲁棒性。

脉冲激光加工高分子材料

本文综述了脉冲激光辐照形成折射率改变、激光烧蚀产生表面周期结构和表面多孔结构以及激光块体材料微加工等几个方面的研究进展,总结了高分子材料的激光改性和烧蚀机制以及激光脉冲宽度和波长的影响,而激光作用机理还没有一个完善的表述.通常,对于不同的高分子材料,一般表现为光热和光化学特性共存的混合机制,并且与材料的结构和特性紧密相关.通过分析脉冲激光高分子材料微加工的特性,展望了脉冲激光在高分子材料微加工领域的应用前景.

基于阿秒抖动光纤锁模激光器的时钟同步

光纤锁模激光器结构简单,运转稳定,且输出的超短脉冲序列具有极高的时钟稳定性,在抽运探测、脉冲相干合成等要求高精度时钟同步的前沿领域有着广阔的应用前景.本文通过激光器腔内的电光调制器进行反馈控制,实现了两台光纤锁模激光器之间的紧密时钟信号同步;并且通过平衡光学互相关方法,对残余的时钟误差信号进行了测量,分辨率达到了13 as.通过优化激光器的腔内动力学过程及反馈环路的参数,在[1 Hz,10 MHz]的积分区间内得到了109 as的残余时钟误差,对应单台激光器的平均时间抖动为77 as.

基于光学-微波同步的低噪声微波产生方法

低噪声微波在冷原子光钟、光子雷达、大科学装置远程同步等领域具有重要的应用价值.本文介绍了一种基于光学-微波相位探测技术的低噪声微波产生方案,利用光纤环路光学-微波鉴相器,将超稳激光的频率稳定度相干传递至介质振荡器.实验采用梳齿相位参考至超稳激光的窄线宽掺铒光纤飞秒光学频率梳,结合光纤环路光学-微波鉴相器和精密锁相装置,将7 GHz介质振荡器同步至光频梳重复频率的高次谐波,同步后的光脉冲序列与微波信号的剩余相位噪声为–100 dBc/Hz@1 Hz,定时抖动为8.6 fs[1 Hz—1.5 MHz];通过搭建两套低噪声微波产生系统,测得7 GHz微波的剩余相位噪声为–90 dBc/Hz@1 Hz,对应的频率稳定度为4.8×10^(–15)@1 s.该研究结果对基于光学相干分频的低噪声微波产生提供了一种新思路.

奇异谱分析用于提升双光梳激光测距精度

从含噪数据中提取信号从而提升数据采集系统精度是极为重要的问题.奇异谱分析(singular spectrum analysis,SSA)作为一种无参数频谱估计技术,广泛用于区分系统模型未知情况下的动态系统信号的复杂成分.本文应用SSA方法提取双光梳飞秒激光测距系统中的含噪时间序列的距离信息,数值仿真显示SSA方法可以从含有有色噪声的信号中提取距离信号.实验中,SSA方法成功地从含有量子噪声的测距信号中提取出激光与目标之间的距离信息,提取后的信号有13倍的精度提升.这种方法同样适用于高维信号,如基于飞秒激光测距的高精度、高速率表面形貌测量的图像提取.

相位锁定至超窄线宽激光的高相干性双光梳研究

研究并实现了一种相位锁定至超窄线宽激光的双光梳系统。实验通过将两台重复频率约为200MHz、重复频率差约为17 kHz的掺铒锁模激光器的对应梳齿,同时分别锁定到两台不同波长(1542 nm和1560 nm)的窄线宽连续激光器上,实现了相位相干且稳定度高的双光梳。锁定后单台光梳的梳齿线宽均低于5Hz(受限测试条件),两台光梳的相对线宽小于0.35Hz。该双光梳系统对于高精度光谱分析、时频传递,尤其是绝对距离测量等领域具有重要的应用价值。

面向XFEL的km级光纤链路的fs精度时钟分布

报道了一种基于光纤链路的飞秒精度的时钟分布方案。一台被动锁模的光纤飞秒激光器输出的超短脉冲序列作为主时序,通过2km的普通单模光纤链路分发,利用平衡光学互相关技术探测传输中积累的时钟延迟误差,由光纤拉伸器和步进电机相结合在本地主动补偿,在2h内的时钟分布稳定度优于10-18,时钟延迟标准差为1.1fs。

适用于高精度激光测距的光学系统设计

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。

极低时间抖动的飞秒激光技术(特邀)

飞秒激光器的时间抖动(或定时抖动)是指其输出脉冲的时域位置相对于理想周期信号的短期随机偏差。在毫秒量级的时间尺度上,飞秒激光器的脉冲序列具有严格的一致性,其定时抖动甚至低至阿秒量级。飞秒激光器的这种独特性质及其支持的前沿应用构成了"阿秒时间精度的超快光子学"这一全新的超快研究分支。文中回顾了近年来飞秒激光器定时抖动研究进展、高时间分辨率的定时抖动测量技术、以及不同类型的飞秒激光源能够达到的最低抖动水平。最后介绍了低抖动飞秒激光器在大科学装置同步、高速模数转换、绝对测距、相干脉冲合成等领域的应用。

基于光纤延迟线的时间抖动测量系统

对飞秒激光器时间抖动的准确测量是推动其高精度应用的重要前提。为实现时间抖动的高精度、无参考测量,设计并搭建了一套基于光纤延迟线的测量系统。基于非对称迈克尔逊干涉仪的结构,在其中一臂引入一段长光纤延迟线鉴别时间误差,提高时间抖动测量精度。测量了一台实验室自制的重复频率为82 MHz的锁模光纤激光器的时间抖动功率谱,其在100 Hz~10 kHz的积分范围内RMS时间抖动为10.1 fs。

两种国产新型掺Yb氟化物激光晶体的光谱特性研究

掺Yb氟化物激光材料是继掺Yb氧化物激光材料之后的另一类重要的掺Yb激光材料,已经成为可调谐激光和超快激光领域中研究的热点之一。针对两种国产新型掺Yb的氟化物激光材料:混晶材料Yb∶CaF2-SrF2和共掺离子型的单晶材料Yb,Y∶CaF2,进行了详细的光谱特性比对实验研究。通过荧光比对实验,发现这两类激光材料的荧光光谱完全不同,并分析了不同荧光产生的物理机制。通过吸收率比对实验,讨论了两类材料中的激活离子Yb或共掺离子Y的掺杂浓度对晶体吸收特性的影响,得到了最佳掺Yb离子或共掺Y离子的浓度。利用激光二极管作为泵浦源,实现了这两类新型材料在折叠腔型下的连续激光输出运转,其中对于共掺离子型Yb,Y∶CaF2晶体是首次实现连续激光运转。通过激光对比实验,获得了两类激光材料(四种样品)的激光输入—输出关系曲线,测量了各自的斜效率和激光光谱特征。通过系统地比较两类激光晶体的吸收率、荧光光谱特性、激光光谱特性以及连续激光运转的阈值功率和斜效率等参数得出以下结论:在四种实验样品中,共掺离子型单晶材料中的3at%Yb,6at%Y∶CaF2晶体具有最好的光谱和激光特性,具有良好的应用前景。这些实验结果为进一步提升此类激光材料的性能提供了有益的参考。

利用飞秒激光双光子聚合法制作相位光栅

使用中心波长为800nm,脉冲重复频率约为83MHz,脉冲宽度为40fs的飞秒激光振荡器,研究了飞秒激光双光子聚合工艺,并制作了一个光栅常数12μm的位相光栅。

色散管理光纤锁模激光器在近零色散域的非线性优化

目前,飞秒激光脉冲因脉冲宽度窄和峰值功率高的特点被广泛运用在多种领域中。其中,色散管理光纤锁模激光器因其特有的腔内呼吸机制使输出的激光脉冲能量更高,光谱更宽、脉宽更窄。使用啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的光纤锁模激光器能够实现真正的全光纤结构,提升激光器的紧凑性和稳定性,因此基于啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的光纤锁模激光器具有更加实际的应用意义。采用数值模拟的方法,研究了基于啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的掺镱光纤锁模激光器中单模光纤在腔内的不同分布对脉冲动力学过程和输出脉冲参数的影响。系统分析了谐振腔内净色散值不同时,腔内单模光纤的分布对脉冲在腔内的动力学过程的影响。模拟结果表明,在腔内净色散值为负时,啁啾布拉格光纤光栅与增益光纤间的单模光纤越短,光纤激光器维持稳定单脉冲运行的最大泵浦强度更高且输出光谱更宽,从而能够获得脉宽更窄的去啁啾脉冲;腔内净色散值越接近零时,啁啾布拉格光纤光栅与增益光纤间的单模光纤长度对输出脉冲参数作用的影响越显著;腔内净色散值为正时,单模光纤在腔内的分布对输出脉冲影响逐渐减弱,优化单模光纤分布提升锁模激光器性能并不明显。最后,提出了一种通过改变单模光纤在腔内的分布来提高激光器输出性能的优化方法。

基于LabVIEW的飞秒激光测距光源稳定性评价

为了评价飞秒激光测距光源的稳定性,采用高速频率计对飞秒激光测距系统激光源的重复频率进行数据采集,通过LabVIEW编程计算艾伦方差,分析得出相位噪声与随机游走噪声对激光器重复频率稳定性的影响最为明显.

基于硬件卡尔曼滤波的飞秒激光实时绝对测距精度优化方法

飞秒激光飞行时间测距是一种新型的绝对测距手段,具有精度高、量程大、可以同时测量多个目标等优点。其测量误差主要来源于飞秒激光源的量子噪声,为了保证高测量精度,可以采用多次测量取平均,然而这会使测量更新速率受限。文中采用FPGA作为距离解算的高速信号处理单元,利用Verilog语言设计了卡尔曼滤波硬件算法,对1.5 m处的合作靶标开展了测距实验,在1.5 kHz的更新速率下,测距标准偏差达到1.47μm,目标以20μm为步长运动时,测距仪能够准确更新目标位置。卡尔曼滤波硬件算法的引入不仅实现了高精度、高更新速率的绝对测距,并有效地提升了飞秒激光绝对测距装置的便携性。

6MHz重频调谐范围的稳定锁模掺镱光纤激光器

针对精密测量的实际应用需求,开发了具有6 MHz重复频率调谐范围的掺镱锁模光纤激光器。该光纤激光器利用啁啾光纤光栅实现色散补偿,可以实现不同色散域的锁模。实验中,系统研究了不同腔内净色散对锁模激光器输出特性和稳定性的影响,发现当具有一定负腔内净色散时,在不同的重复频率下都可以输出相同的光谱,同时输出光谱具有较好的高斯型。根据以上研究,特殊设计了稳定的简化腔结构和空间延迟线,同时优化了腔参数,保证了大范围的重复频率调谐和稳定的锁模运转。当中心重复频率为26 MHz时,调谐比率达到23%。激光器稳定输出平均功率为3.23 mW的飞秒激光脉冲,去啁啾后脉冲宽度为347 fs。基于此,将光纤锁模激光器重复频率锁定于铷原子钟,在1 s的平均时间内获得了2×10-10的艾伦方差。

Operation of Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser in the non-soliton regime

A Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser operating in a non-soliton regime is demonstrated. Dispersive wave generation is observed as a result of third order dispersion in the vicinity of zero dispersion. The characteristics of the Ti:sapphire laser operating in a positive dispersion regime are presented, where the oscillator directly generates pulses with duration continuously tunable from 0.37 ps to 2.11 ps, and 36 fs pulses are achieved after extracavity compression. The oscillation is numerically simulated with an extended nonlinear Schrdinger equation, and the simulation results are in good agreement with the experimental results.