用于可移动量子重力仪的光纤拉曼激光源研究

基于两个窄线宽光纤激光器和自制的锁相控制系统,研制了一个低相位噪声窄线宽拉曼光纤激光源,建立了拉曼光纤激光系统的相位噪声模型,研究了拍频光功率、不同频率参考源对拉曼激光相位噪声的影响。实验结果表明,该拉曼光纤激光源在10 Hz~1 MHz范围内相位噪声功率谱密度可达到^(-11)8 dBc/√Hz,相应的相位噪声为22.7 mrad,将其应用到重力仪中获得的重力测量灵敏度为10.93μGal/√Hz。对拉曼激光源进行连续3 h的相位噪声稳定性测试和连续25 min的频率稳定性测试,得到的相位噪声标准差为0.734 mrad,相应的重力灵敏度标准差仅为0.349μGal/√Hz。当积分时间为1 s时,相位锁定时频率稳定度为2.675×10^(-11),验证了该激光源具有低相位噪声和高稳定性。利用相位噪声模型得到的理论结果与实验结果一致,证实了理论模型的正确性。

纳秒可见光全固态拉曼激光器的研究进展

纳秒脉冲可见波段激光在遥感、相干雷达系统、精密加工、激光清洗、液态染料激光器泵浦等领域广泛应用,全固态激光器以其结构紧凑、占用空间小、成本低、寿命长等特点备受青睐。近年来,纳秒可见光全固态激光器发展迅速,本文简述了传统激光二极管泵浦掺Nd ^(3+)、Yb ^(3+)等稀土离子晶体输出近红外光的二阶非线性频率变换产生纳秒脉冲可见光固体激光器的技术水平。从非线性频率变换角度介绍了几种出光波段丰富的纳秒脉冲可见光全固态拉曼激光器的技术特点,重点介绍了拉曼频移、拉曼混频和金刚石拉曼,对其性能特点和技术瓶颈进行了综述,并在最后做了总结和展望。

同位素原子饱和吸收谱稳频的拉曼激光方案

提出一种基于同位素原子饱和吸收谱稳频的拉曼激光方案,并应用于原子干涉仪激光系统的小型化。该方案使用同位素原子吸收泡代替现有拉曼光方案中的移频或调制光学器件,以实现拉曼激光的稳频和失谐,使光路和电路同时简化。针对^(85)Rb原子干涉仪,^(87)Rb原子D2线的饱和吸收谱被用于对拉曼激光进行稳频,稳频后的拉曼激光红失谐在GHz量级,线宽约为80 kHz。将该拉曼激光用于原子干涉仪获得了对比度为20%的干涉条纹,重力测量的灵敏度为345μGal/Hz1/2。连续24 h重力测量数据的阿伦方差显示原子干涉仪的分辨率约为2×10^(−8)g@7500 s。该拉曼激光的频率噪声引起的单次重力测量噪声优于1μGal,完全可以满足μGal量级的重力测量需求。该拉曼激光方案有助于推动原子干涉仪激光系统的小型化、轻量化和实用化。

全固态连续拉曼激光器谐振腔结构的设计分析

谐振腔结构参数的选择对激光器性能提升尤为重要。采用ABCD传输矩阵法对连续波全固态拉曼激光器谐振腔的结构设计进行理论分析,详细研究了直线腔和折叠腔两种腔结构中晶体热透镜效应以及腔镜曲率半径、腔长等参数对腔内振荡激光腔模参数的影响。在研究实现振荡基频激光与抽运光斑良好模式匹配的同时,减小拉曼介质中基频激光光斑尺寸,以获得高效率的拉曼转换,提高拉曼激光的输出功率和光束质量。所得研究结果将为优化设计拉曼激光器谐振腔的结构提供参考。

KTP倍频Nd:YVO4/GdVO4级联拉曼激光器研究

以c切Nd:YVO4为自拉曼晶体,c切Nd:GdVO4作为拉曼晶体,KTP腔内倍频,采用声光调Q,实现基于两种拉曼晶体共有的259 cm−1次级频移的脉冲二阶斯托克斯光1129 nm激光的有效振荡和腔内倍频,首次获得有效564 nm黄绿脉冲激光输出。在5.83 W的入射泵浦功率下,脉冲重复率为10 kHz时,564 nm激光最高平均输出功率226 mW,脉冲宽度为5.7 ns。

二极管泵浦Cr4+:YAG调Q腔内C切Nd:GdVO4/KTP拉曼激光器

研究了二极管泵浦Cr4+:YAG调Q腔内c切Nd:GdVO4/KTP拉曼激光器。以c切Nd:GdVO4作为激光增益介质,以KTP作为拉曼晶体,以T0为80%与89%的两块Cr4+:YAG分别作为可饱和吸收体,获得了高效的1097 nm拉曼激光输出。当使用T0为89%的Cr4+:YAG且泵浦功率为6.42 W时,在1097 nm处获得481 mW的最大平均输出功率。

主动调Q Nd:YVO4/KTP双波长同步脉冲拉曼激光器

实现了以a切Nd:YVO4晶体为自拉曼介质,以KTP晶体为另一种拉曼介质的二极管泵浦声光调Q双波长同步振荡拉曼激光器的高效运转,获得了1096 nm和1176 nm激光的同步脉冲输出,分别对应KTP晶体的267 cm−1频移和YVO4晶体的890 cm−1位移的一阶斯托克斯光,脉冲重复频率为10、20和30 kHz。当入射泵浦功率为9.16 W,PRF为30 kHz时,由1096和1176 nm光源组成的拉曼激光平均输出最高为1.26 W,其中含1096 nm激光1.05 W,1176 nm激光0.21 W。

连续腔内倍频拉曼激光器的归一化理论解析

腔内倍频拉曼激光器是获得黄光激光光源的重要途径,目前尚未有直接的表达式描述连续腔内倍频激光器的功率输出对抽运和激光器参数的依赖关系。以速率方程为基础,对腔内倍频连续拉曼激光器的理论模型进行归一化处理,得到平面波近似下连续腔内倍频拉曼激光器的归一化速率方程组。对此方程组进行求解,得到描述激光器输出的表达式各变量以及参量与输出变量之间的归一化表达式,根据表达式获得了描述激光器运行的理论曲线。

经纬公司:拉曼激光技术应用开启录井新模式

近日,由中国石化经纬公司西南测控公司与经纬公司地质测控技术研究院联合开发的基于拉曼气体分析技术的井工厂录井仪,顺利完成金石103平台3HF井、4HF井、8HF井和9HF井等4口井的录井施工任务,共计钻厚9344米,发现油气层76层,以光谱成像快速、简便,检测速度快、分辨率高、自动化程度高等优点,大幅提升了油气层发现率和有毒有害气体检测能力。这是经纬公司首次采用拉曼激光气体分析技术前置于井口的井工厂录井新模式,也是中国石化油气勘探开发板块的首次应用。

探测低空大气温度分布的转动拉曼激光雷达

提出了一种新的探测对流层低层大气温度的转动拉曼激光雷达方法,通过测量N2和O2的后向散射的纯转动拉曼谱的强度,计算它们的比值来确定大气温度的垂直分布,并对其性能进行了数值模拟。转动拉曼激光雷达的光源是一个调Q的Nd:YAG激光器,经扩束器后输出能量200mJ;采用双光栅单色仪提取所需要的氮气和氧气的转动拉曼谱;接收机采用光电倍增管和双通道光子计数器,量子效率是10%(48000个脉冲累加)。夜晚它对近地面10.2km高度内的探测信噪比在10:1以上,白天它对近地面3.6km高度内的探测信噪比在10:1以上,计算的温度与模拟用的温度真值阔线相差约0.3K。

拉曼激光边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响

电光调制技术是产生拉曼光的几种方法之一,其优点是系统简单、易搭建且环境适应性强.然而,这种调制技术会产生额外的边带光,并影响冷原子干涉绝对重力仪的测量精度.本文利用自行研制的可移动冷原子重力仪,研究了边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响.详细分析了拉曼反射镜的位置、拉曼脉冲的作用时刻及其间隔、拉曼光的失谐等一系列参数与边带效应之间的关系,实验发现这些参数对冷原子重力仪的精度评估有比较大的影响;此外,我们还发现在有边带效应的情况下,原本不影响重力测量精度的实验参数也会影响最终的重力测量结果.最后,通过研究拉曼边带效应与拉曼光失谐之间的关系,本文提出一种评估拉曼边带效应影响重力仪精度的方法.本文结果为减小拉曼边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响提供了依据.

用于测量对流层水汽的拉曼激光雷达

水汽在大气中含量很少,但变化很大,变化范围在0.1%~4%之间,水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展,大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著,其中水汽是主要影响因子之一,也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段,但是水汽分子浓度较大,对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示：该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对,取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。

用于大气温度廓线测量的瑞利-拉曼激光雷达

大气温度廓线及其时间演变特征资料在地球科学领域具有重要的应用,为获取高时空分辨的大气温度的垂直分布,建立了瑞利-拉曼温度测量激光雷达。介绍了瑞利-拉曼激光雷达进行温度测量的主要原理和研制的瑞利-拉曼激光雷达的主要参数;数据处理方面,通过背景噪声剔除和小波算法降噪提高系统的信噪比;使用研制的激光雷达对大气温度廓线进行观测,将观测结果与大气模式数据和卫星观测结果进行对比,均显示较好的一致性,证明了激光雷达温度测量结果的准确性,其温度测量数据可以用于气象学研究。

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.

基于光纤F-P滤波器全光纤水汽拉曼激光雷达系统的设计与分析

提出并设计了一套基于光纤F-P滤波器的可见波长域全光纤水汽拉曼激光雷达系统,实现对大气水汽和气溶胶的精细探测。讨论了光纤F-P腔内损耗和腔镜反射率对F-P透射谱的细度、峰值透过率以及带宽的影响,得到腔内损耗在小于3%的情况下,光纤F-P滤波器具有较高的峰值透过率(大于0.5)和较窄的谱线带宽(小于0.9 nm)。通过结合光纤带通滤波器和二级级联光纤F-P滤波器的参数设计,在三个独立的光通道中分别实现水汽拉曼信号(660 nm)、氮气拉曼信号(606 nm)和米瑞利信号(532 nm)的窄带宽、高透过率严格滤波,并获得对杂散光的高抑制率。通过系统仿真,对各散射信号强度分布、水汽廓线和探测信噪比进行了数值仿真计算,验证了系统方案的可行性。

880nm同带泵浦的高效率Nd:YVO_4自拉曼激光器（英文）

利用880 nm半导体激光器同带泵浦声光调Q Nd:YVO4自拉曼激光器,以减轻热效应对泵浦功率的限制和对拉曼增益的影响,获得高效的1 176 nm一阶斯托克斯光输出。使用两块长度10 mm的Nd:YVO4晶体作为增益介质,脉冲重复频率190 k Hz时,在26.8 W入射泵浦功率下获得6.11 W的平均输出功率,光光转换效率22.8%。实验研究了拉曼增益介质长度对输出功率和转换效率的影响,并对自拉曼激光器输出功率曲线中出现凹陷的原因进行分析,认为凹陷并非源自谐振腔稳定性,而是由于增益较弱的斯托克斯光对于谐振腔失调的敏感性所致。对照试验结果显示,与808 nm传统泵浦方式相比,880 nm同带泵浦下自拉曼激光器的输出功率和转换效率得到明显提高。

基于回音壁微腔拉曼激光的纳米粒子探测

回音壁模式光学微腔由于其品质因子高、模式体积小等优点,近年来在非标记性的纳米粒子探测方面得到了广泛的重视,开展了大量的研究,取得了重要的进展.利用回音壁微腔的拉曼激光,通过测量纳米粒子造成的模式劈裂的拍频,可以实现不同环境下纳米粒子的实时探测.与传统的稀土离子掺杂法不同,这种方法采用腔的内禀增益,不仅提高了应用回音壁模式微腔进行纳米粒子探测的极限,而且避免了传统方法中稀土离子能级对泵浦光的限制,拓展了应用范围.这种方法还可以应用于其他材料的回音壁微腔,如硅基微环腔等,以及光子晶体结构、超材料等受损耗限制的系统中.本文简单介绍了回音壁模式光学微腔进行纳米粒子探测的基本原理以及最新研究进展.

用于冷原子干涉仪的拉曼激光的注入锁定

原子干涉仪通常采取拉曼脉冲序列对原子波包进行相干操作,高功率的拉曼光可让更多的原子参与速度敏感型受激拉曼跃迁,有利于实现信噪比高的原子干涉仪条纹。研制高功率的拉曼激光器对冷原子干涉仪的实验研究具有重要意义,报道了基于注入锁定技术实现的高功率拉曼激光器的实验结果。主激光器经过1.5GHz声光调制器产生±1级衍射光作为拉曼光的种子光,注入到两个从激光器后锁定,并实现功率放大。两个拉曼光的频率相差3.0 GHz,频率调谐范围为200 MHz。

硅拉曼激光器的设计与典型应用

针对用光腔衰荡法测量气体浓度时存在严重非线性光学损耗,输出功率密度偏低,光源输出不平坦等问题,利用受激拉曼散射(SRS)非线性频移机制,设计了以Si元素作为拉曼主要增益介质的拉曼激光器。在硅波导结构中设置了p-i-n反向偏置电压,通过控制调节该电压值来降低由双光子吸收(TPA)引起的自由载流子吸收(FCA)以及由FCA引起的非线性光学损耗,从而提高拉曼激光器的输出功率。在实验分析处理过程中,将反向电压分别设置为开路、短路、5V以及25V4种状态,分析比较了不同电压值下激光器输出功率的变化规律。实验结果显示:粒子自由迁移时间从16ns降低到1ns,表明输出功率在同等标准下得以显著提高,进而改善了气体浓度测量的稳定性。

全光纤转动拉曼激光雷达的光纤光栅分光技术研究

设计了一款由可见光波段的光纤布喇格光栅和光纤耦合器构建的全光纤转动拉曼激光雷达分光系统。利用相位掩模板侧向成功刻写530 nm波段光纤布喇格光栅,并初步测试其透射谱和反射谱性能。为提高光纤光栅中心波长与大气氮气分子转动拉曼谱线的匹配特性,利用悬臂梁设计高调谐灵敏度的调谐系统。实验结果表明,成功研制的可见光波段光纤布喇格光栅反射率约为95%,带宽约为0.3 nm,应力调谐系统可实现±0.6 nm范围18 pm/r的波长调谐。