激光器波长稳定性的理论探讨

本文分析了在ω＝1的谐振动调制外场条件下，激光器输出波长的稳定性条件．

高平均波长稳定性超荧光光纤光源

光纤陀螺要求其光源具有高功率、宽谱输出，同时在大温度范围内仍具有好的平均波长稳定性。为了满足-45℃～70℃大温度范围的应用需求，采用双程后向抽运、法拉第旋转反射、带通滤波等技术手段，对光纤材料和器件进行大温区全局优化，以改善超荧光光纤光源的平均波长稳定性。理论分析了不同中心波长和带宽的带通滤波器以及光纤长度等参量对平均波长稳定性的改善效果，以及和光谱带宽的关系。按照设计结果选择滤波、光纤长度等参量，通过对-45℃～70℃全温区范围进行系统全局优化设计，得到输出功率为32mW，功率稳定性为0．65％，光谱带宽为12．5nm，光源平均波长变化量为23．5x10^-6。结果表明，平均波长稳定性在0．5×10^-6／℃以下的高稳定性超荧光光纤光源中，32mW输出功率非常高；所得的0．2×10^-6／℃是115℃大温差范围、30mW以上超荧光光纤光源中非常优异的平均波长稳定性指标，满足光纤陀螺对光纤光源的要求。

量子保密通信中光纤光栅的波长稳定性研究

为了改善量子保密通信设备中所用光纤布拉格光栅的长期波长稳定性,从工艺角度提出了采用特殊光纤涂覆层材料对常规的光纤光栅加以改进,并制作了基于新工艺的双金属温度补偿光纤光栅样品。理论研究了温度和应力等因素对光纤光栅中心波长的影响,分析了光纤光栅温度补偿的原理和方法。通过高温加速老化的方法,监测了所制作的新工艺光纤光栅样品在等效3年时间内中心波长变化情况,同时对比测试了原有工艺的部分样品。分析了所制作的光纤光栅在特定传输距离时应用于量子保密通信中的滤波特性。结果表明,新工艺的光纤光栅在3年等效老化时间内,中心波长漂移量均在产品允许的最大漂移范围内,较常规的光纤光栅工艺有较大改善,满足设备长期运行时对波长漂移精度的使用要求。

GaN基蓝光发光二极管的波长稳定性研究

尽管GaN基蓝绿光发光二极管 (LED)已进入大规模商品化阶段 ,但其发光波长随注入电流的变化仍是一个尚未解决的关键技术难题 .同时 ,蓝绿光LED电注入发光光谱的半高全宽多为 2 5nm以上 .通过优化LED器件材料的生长条件和总应变量 ,获得了高质量的InGaN GaN多量子阱LED外延片 .由此制作的LED器件在 0— 1 2 0mA的注入电流下 ,发光波长变化小于 1nm .在 2 0mA的正向电流下 ,其光谱半高全宽只有 1 8nm 。

超辐射掺铒光纤光源平均波长稳定性分析

为了解决高精度光纤陀螺要求长时间的标度因数稳定性到10-5以下,必须确保高精度光纤陀螺所采用的掺铒超辐射光纤光源具有非常稳定的平均波长。从超辐射掺铒光纤光源的结构出发,推导出其平均波长主要受到温度、抽运功率、抽运波长、抽运光偏振态以及光纤陀螺返回光功率的影响。详细分析了以上因素对于超辐射掺铒光纤光源平均波长稳定性的影响,并介绍了消除或者减小这些影响因素的措施。同时还总结了提高超辐射光纤光源的平均波长稳定性的相关技术,采用这些技术可以获得平均波长随温度变化系数±0.05×10-6/℃的高稳定性掺铒超辐射光纤光源。对于掺铒超辐射光纤光源在高精度光纤陀螺中的实际应用具有指导意义。

一种调频连续波干涉仪激光波长稳定性测量方法

针对调频连续波干涉测量系统中半导体激光光源存在波长漂移的问题,提出了一种基于干涉腔的调频连续波激光波长稳定性测量方法。首先推导了波长漂移量的测量理论,确定了位移-波长漂移量的变化系数,然后设计了拍频信号波长漂移量的解调算法,最后搭建了调频连续波干涉腔测量系统并进行了实验验证。结果表明,波长漂移量的测量分辨率为0.016 pm,波长漂移解算速度达50/s(测量时间为0.02 s),相比光学拍频法和干涉比较法,测量速度有较大的提高。激光器持续工作1 h,测量标准差为0.049 pm,平均中心波长稳定性在0.19×10^(-6)内。该方法在光纤传感和精密干涉测量领域有较好的应用价值。

双程前向结构掺铒光纤光源稳定性的实验研究

为了获得高稳定的光纤陀螺掺铒光纤光源,理论分析了平均波长受温度变化的影响因素,实验研究了双程前向(DPF)结构掺铒光纤光源平均波长温度稳定性。主要通过优化铒纤长度来减小铒纤的本征温度系数对光源稳定性的影响,优化泵浦功率使其引起平均波长的变化达到最小。最终获得了掺铒光纤光源在双程前向结构下的优化铒纤长度12.2m和优化泵浦功率150mW,对比分析了包括优化铒纤长度在内的三个长度下,不同泵浦功率对光源的平均波长、输出功率和谱宽的影响;测量了不同长度铒纤的本征温度系数,获得了平均波长稳定性为-0.452ppm/°C的双程前向光纤光源。

叠层成像波长不稳定性校正方法研究

在叠层成像中若已知波长与实际波长不符或在工作时波长发生偏移,则会使重建图像变模糊并降低图像的分辨率.针对该问题,本文提出了一种分段校正波长不稳定性的方法.该方法将基于Tamura系数的自聚焦方法与叠层成像方法结合,并在不同阶段通过调整轴向距离来校正波长不稳定性.基于菲涅耳衍射理论建立了波长不稳定性对重建结果的影响模型,并指出可通过调整轴向距离来实现对波长不稳定性的校正,并将新的轴向距离代入下一个阶段的迭代计算,直至相邻两次计算的轴向距离之差满足终止条件时,保持最后一轮的轴向距离继续代入到迭代计算,即可校正波长不稳定性,且校正精度在纳米级.仿真以及实验均证明了分段校正波长不稳定性方法的可行性.

吸收式1310nm～1550nm半导体激光器波长稳定的实验研究

文中对半导体激光器光电吸收稳频方法进行了基础研究和原理性实验 ,设计并制作以氪气 (Kr)作吸收介质的光电吸收池 ,实现了波长为 1310nmInGaAsPDFB激光器工作波长的基本稳定。测试结果表明 ,激光器输出中心波长和峰值波长锁定在 130 8.2 79nm ,且 2 0dB谱宽由稳频前的 0 .30nm变为 0 .12nm左右。

高功率碘稳频He-Ne激光波长参考源

为满足精密测量对高稳定激光单色光源功率的要求,研制了全封闭、一体化结构的高功率碘稳频He-Ne激光系统。对该系统所采用的饱和光谱探测原理、吸收峰识别与锁定方法以及激光波长的稳频效果进行了研究。首先,介绍了三次谐波方法探测饱和吸收光谱的基本原理,分析了其消除功率背景的方法。接着,分析了碘稳频激光中一体化谐振腔的稳定性,详细讨论了谐振腔轴向膨胀和横向非对称形变对输出功率的影响。然后,分析了激光输出功率与碘分子饱和吸收峰之间的对应关系,介绍了利用二次谐波信号实现吸收峰识别的可行性,并展示了高稳定谐振腔的长时间锁定能力。最后,分析了高功率碘稳频He-Ne激光波长的稳定度与复现性。实验结果表明:高功率碘稳频He-Ne激光波长抖动标准差为33 kHz,1 000 s稳定度达到4.1×10^(-13);三个月内激光波长的复现性达到3.3 kHz (7.0×10^(-12)),与国际计量委员会推荐的频率差为3.0 kHz。

平均波长和输出功率稳定性高的掺铒光子晶体光纤超荧光光源的实验研究

采用掺铒光子晶体光纤代替传统掺铒光纤来提高超荧光光纤光源输出的功率稳定性和平均波长稳定性。在-45℃--70℃的全温区范围内,对超荧光光纤光源的光纤长度和半导体激光器（LD）抽运功率进行优化,并提出了用插值法进行LD抽运功率的优化方法,在光纤长度优化的基础上,高效、精确地优化了抽运功率,改善了光源的平均波长稳定性。经过优化的光源,在-45℃~70℃的全温区范围内平均波长变化量为0.67×10-6/℃,输出功率稳定性为0.37%。

功率反馈式高稳定光源电路设计

随着导航精度要求的提高,人们对高精度光纤陀螺如何实现一直进行着深入的探索。从设计光纤陀螺光源的角度出发,通过合理设计高精度TEC温度控制电路和恒流LD驱动控制电路,实现了基于反馈控制的高功率稳定性的掺铒光纤光源。测试结果表明,该硬件系统取得了理想的测试效果。该光源硬件电路设计可以作为实现满足高精度光纤陀螺要求的光源设计的一种参考。

400 mW 980 nm泵浦激光器设计

由于当前国内980 nm半导体泵浦激光器设计经验及生产工艺的缺乏,高功率980 nm半导体泵浦激光器核心技术一直无法突破,文章采用国产化解决方案,包括芯片、光栅和耦合光纤等设计与实现,通过应用楔形光纤直接耦合的全金属化封装,选择双光栅结构进行波长锁定,实现了-50~75℃工作温度范围内,输出光功率达400 mW的980 nm半导体泵浦激光器的研制,其波长稳定性可达0.01 nm/℃。并且通过了5000 h以上、工作电流800 mA和环境温度75℃的带电老炼测试,为满足高可靠性的国产化泵浦激光器奠定了基础。

铒离子浓度对掺铒光纤光源性能影响研究

研究了铒离子掺杂浓度对掺铒光纤光源的泵浦效率和波长稳定性的影响。在设计好的单程后向光源中采用5种不同类型的光纤分别进行了实验,通过比较采用不同光纤时掺铒光纤光源的输出特性发现掺铒光纤光源的泵浦效率随铒离子浓度增大而先增大;铒离子浓度过高时存在群聚效应,光源泵浦效率反而下降,群聚效应使泵浦效率下降了20%。泵浦阈值则随着铒离子浓度的增加从18.3mW增加到了32.4mW。通过试验发现光纤优化长度依比例决定于掺铒光纤中的铒离子浓度,而泵浦波长与光源波长的关系却不受铒离子浓度影响。比较采用不同铒离子浓度光纤的光源的小范围温度特性,较低浓度的光纤温度稳定性好于高浓度的温度稳定性将近100ppm。通过实验确定掺铒光纤中最适宜的铒离子浓度在110mol左右。

光纤陀螺掺铒光纤光源消偏技术

针对泵浦偏振态对高精度光纤陀螺掺铒光纤光源平均波长稳定性产生影响的问题,设计了掺铒光纤光源泵浦消偏的结构,该结构采用Lyot光纤消偏器来对泵浦光进行消偏,理论分析了该结构中Lyot消偏器结构参数的选取。实验验证了掺铒光纤光源的波分复用器具有偏振特性,会影响掺铒光纤光源平均波长稳定性,采用设计的泵浦消偏结构可有效消除波分复用器具有的偏振特性。在光源结构已被优化,只考虑泵浦偏振态对光源平均波长稳定性影响的情况下,对温箱中的光源进行对比实验,结果表明,对偏振态未加任何控制的掺铒光纤光源平均波长稳定性为77ppm,采用泵浦消偏结构的光源平均波长稳定性为4ppm,即本文设计的泵浦完全消偏结构使得掺铒光纤光源平均波长稳定性得到了显著提高。

双程后向结构掺铒光纤光源的实验研究

为了获得高稳定光纤陀螺掺铒光纤光源,分析了光源平均波长受温度变化的主要影响因素,实验研究了双程后向结构光源平均波长温度稳定性。主要通过优化铒纤长度和泵浦功率来减小铒纤本征温度系数及泵浦功率对光源平均波长温度稳定性的影响。同时分析了铒纤长度和泵浦功率对光源的平均波长、输出功率和谱宽的影响,最终选取掺铒光纤光源在双程后向结构下的铒纤优化长度10.1 m和泵浦优化功率160 mW。测量了10.1 m铒纤的本征温度系数为0.434×10-6/C。研制了掺铒光纤光源整机,对其进行温度稳定性测试,获得了平均波长稳定性1.18×10-6/C高稳定双程后向掺铒光纤光源。

消偏型光纤陀螺的原理及应用分析

干涉型光纤陀螺是通过光纤环的Sagnac效应来敏感外部的旋转角速度,在实际的光纤陀螺系统中,Sagnac效应十分微弱,光波偏振态的随机变化引起陀螺的输出漂移和标度因数的不稳定性,从而影响陀螺的性能,采用光学消偏方法可以减小偏振态对光纤陀螺性能的影响.运用琼斯矩阵分析Lyot光纤消偏器的原理及输入输出端口的互易性,探讨Lyot消偏器的结构参数,结合系统中光信号的特点分析了消偏器对光纤陀螺的影响,并探讨了消偏型光纤陀螺的最优结构.消偏光纤陀螺的测试采样输出数据维持在36.5～37.9,整体来看输出平稳,噪声得到了明显的抑制,从而验证了消偏光纤陀螺的原理及其结构设计的可行性.

双程前向近高斯型掺铒超荧光光纤光源的实验研究

研究了输出谱型为近高斯型的掺铒超荧光光纤光源,分析了高斯型光谱的自相干函数和影响平均波长稳定性的因素.采用双程前向光源结构,通过选择铒纤长度获得高斯型光谱输出,同时调节泵浦功率来优化铒纤的本征温度系数对光源的影响,得到铒纤长度10.05 m,泵浦功率为172 mW时,整体光路（除半导体泵浦激光器及其驱动电源）在全温-40℃~60℃测试条件下平均波长稳定性为66.651 ppm的近高斯型掺铒光纤光源.

一种高性能抗辐照掺铒光子晶体光纤光源

为满足空间环境应用高精度光纤陀螺的需求,基于掺铒光子晶体光纤设计了一种抗辐照掺铒光纤光源。首先设计了一种高浓度掺铒光子晶体光纤,通过优化Er^3+/Al^3+的掺杂浓度,改善了掺铒光纤的荧光特性。然后通过调节光纤长度优化光源输出光谱接近掺铒光纤本征荧光谱,降低了辐照条件下掺铒光纤光源的光谱损耗;结合“平坦谱光谱滤波”和“泵浦光功率闭环反馈控制”技术设计出适合空间辐照环境应用的掺铒光子晶体光纤光源。辐照试验结果表明,光源在200 krad辐照剂量下输出光谱宽度大于40 nm,平均波长稳定性2.6×10^-6/krad,功率损耗小于0.2 dB,表现出较好的抗辐照效果。

大功率分布反馈半导体激光器研究进展

介绍了分布反馈半导体激光器（DFB-LD）的工作原理，分析了不同的光栅阶数及耦合机制对DFB-LD激光输出特性的影响。重点评述了大功率DFB-LD研究发展状况，从结构特性及技术手段等方面详细分析了不同技术方案的优势与不足：大功率二次外延DFB-LD对光栅和有效光场耦合较好，但二次外延对技术控制精度要求极高且会引入缺陷；表面金属光栅边发射DFl3-LD避免了二次外延，但制作金属光栅时会出现欧姆接触电阻大和阈值特性劣化等问题；大功率表面光栅面发射DFB-LD虽然在获得高功率高质量光束方面有很大优势，且避免了二次外延，但存在光栅的表面耦合系数较低等技术难题。最后总结分析大功率DFB-LD技术发展趋势，对其广阔的应用前景进行展望。