Physics of Power Semiconductor Streamer Laser

It is considered the mechanism of streamer discharge in the wide-gap semiconductors as a highly effective method of the laser excitation on the basis of representation about the phenomenon of light self-trapping of the discharge, providing their high propagation velocity down to v- 5 ×10^9 sm/s, the crystallographic orientation, filamentary character at thickness of the channel about 1 μm and absence of destructions of a crystal.

混沌微腔激光器的研究进展(特邀)

半导体混沌激光器已被应用在随机数生成、安全通信、混沌探测等领域。实现混沌激光器最常用方法是光反馈,但采用离散器件搭建的混沌激光器系统结构复杂、稳定性差。基于光反馈原理的光子集成混沌激光器、体积小,但工艺复杂,且无法避免光反馈引入的弱周期性。基于微腔内模式相互作用产生的自发混沌半导体微腔激光器,无需外部扰动,具有体积小、工艺简单、混沌带宽大、混沌态工作条件宽和无反馈弱周期性等优点,有望在具体应用中进一步发挥作用。针对近年来基于微腔的混沌激光器研究情况,本文进行了分类介绍,包括自发混沌微腔激光器、光反馈混沌微腔激光器和集成互注入激光器,总结了自发混沌微腔激光器的当前应用,对自发混沌微腔激光器的未来发展做了展望。

面向激光测振应用的改进相位生成载波解调算法

为了解决相位生成载波解调方案应用于激光测振技术时,系统中存在的非线性失真问题,提出一种改进相位生成载波解调算法。该算法采用低频、大幅值的相位调制和迭代重加权椭圆特殊拟合对两路含有非线性误差的正交信号进行校正以抑制非线性失真。其中,低频相位调制由三角波信号驱动压电换能器生成,确保小信号情况下椭圆拟合结果的准确性。迭代重加权椭圆特殊拟合可以减小离群数据的影响并避免拟合结果退化为双曲线,具有精度高、鲁棒性好和计算效率高的优点。实验结果表明改进相位生成载波解调算法可以有效抑制激光测振实验系统的非线性失真,在不同相位调制深度(0.8~3.4 rad)下解调信号的信纳比和总谐波失真稳定,对应的标准差分别为0.55 dB和0.03%。系统的响应线性度优于99.99%,动态范围可达103.9 dB@500 Hz,总谐波失真为1%且工作频宽为20~8000 Hz。与传统相位生成载波解调方案相比,该算法不仅显著抑制了非线性失真,还克服了椭圆拟合算法在小信号下无法工作的缺点。

基于半导体光放大器的明暗激光脉冲研究

为了解决激光明脉冲在光通信和光纤传感等领域的应用瓶颈,设计了一种基于半导体光放大器(SOA)的锁模光纤环形激光器,该激光器由SOA、偏振控制器、滤波器和起偏器等构成。分析了横电/横磁(TE/TM)模式光场经历SOA时的增益比值和相位差的变化机理,研究了环腔内总色散管理与SOA动态增益的关系,获得了稳定输出的明脉冲和暗脉冲,以及2种类型脉冲的动态演变过程。实验结果表明:当SOA的工作电流为242 mA时,成功获得脉冲重复频率均为14.83 MHz、脉宽为1.1ns的明脉冲和脉宽为0.95ns的暗脉冲,并验证了在相同工作电流时,暗脉冲的强度显著大于明脉冲的强度。

基于光电锁相环的高线性FMCW激光雷达频率调谐技术

搭建了可调谐半导体激光器扫频非线性校正系统,研究了锯齿波调制下半导体激光器的扫频非线性特性,将光电锁相环技术引入调频连续波光源系统中,提出在预失真校正电流基础上采用光电锁相环的方法来克服扫频非线性,以防止大范围扫频非线性频差导致的失锁现象。基于调频连续波激光测距实验,验证光频线性化的效果,并分析了扫频非线性对精确距离测量的影响。实验结果表明,经过非线性校正后,激光器输出光频与理想线性光频差的均方根误差缩小到23.7 MHz(减小为校正前的1/219),残余非线性仅余0.0339%,1-r2的数量级达到10-7,测距实验中得到的目标厚度误差在不同测量距离下在0.05 mm~0.15 mm之间变化,表明非线性校正取得了良好的效果。

基于大功率激光二极管的光导开关导通特性

研究了应用于介质壁加速器的小间隙光导开关在大功率激光二极管驱动下的导通特性.激光二极管产生的激光脉冲中心波长为905 nm,脉冲宽度（FWHM）约20 ns,前沿约3.1 ns,抖动小于200 ps,峰值功率约90 W.所用光导开关为异面电极结构的砷化镓（GaAs）光导开关,电极间隙5 mm,偏置电压为15～22kV脉冲高压,工作在非线性（高增益）模式.测得光导开关最小导通电阻4.1Ω,抖动小于1 ns,偏置电压在18kV时平均使用寿命约200次.

激光二极管触发光导开关实验研究

介绍了利用大功率半导体激光二极管触发3mm间隙GaAs光导开关、产生非线性电脉冲输出的实验,激光二极管输出功率为70W,上升前沿约20ns,脉冲半高宽(FWHM)约40ns。随着开关两端偏置场强增加,输出电压也线性增加,当偏置场强超过一定阈值,增至约2.53kV/mm时,经过一个较小的电压峰值和时间延迟后,输出电压急剧增加,产生雪崩现象。实验结果表明:GaAs开关非线性输出的产生与载流子聚集和碰撞电离有关,偏置电场的提高增加了开关芯片中载流子聚集数量,加剧了碰撞离化程度,从而使开关从线性模式进入雪崩模式。

线宽增强因子对外光注入半导体激光器非线性单周期振荡特性的影响

线宽增强因子是影响半导体激光器输出特性的一个重要参量,不同材料不同结构类型的半导体激光器的线宽增强因子有较大的差异.利用光注入半导体激光器的单模速率方程模型,数值研究了线宽增强因子对外光注入半导体激光器的非线性单周期振荡特性的影响.结果表明:外光注入半导体激光器的动态特性对线宽增强因子的变化极为敏感,随着线宽增强因子的增加,在负失谐注入范围内单周期振荡区域显著增大,同时注入锁定的稳态输出被大大抑制.分析了线宽增强因子对非线性单周期振荡光谱特性和振荡频率的影响,结果表明:随着半导体激光器线宽增强因子的增大,单周期振荡的频率越大;当线宽增强因子不变时,单周期振荡的频率随注入光强度和频率失谐的增加而增加.

光学条纹相机时间扫描性能应用

对相机全屏扫速性能进行了系统分析,发现基于相机整体的平均扫速及扫速非线性处理扫描时间的传统方法不能反映相机空间畸变现象,并且扫速非线性放大了数据处理不确定度,从而降低了相机应用价值。建立了一套基于全屏扫速及扫速不确定度的扫描时间精细处理方法,它自洽消除了相机的空间畸变和扫速非线性的系统性影响。开展了理论分析和验证实验,结果表明:精细处理方法很容易使扫描时间数据处理相对不确定度降低到1%以内,显著提高了条纹相机时间扫描精度和应用可靠性。

一种半导体激光自混合效应模型参数的测量方法

从半导体激光自混合干涉系统的一般模型公式出发,建立了一个非线性函数模型,利用非线性最小二乘法的曲线拟合,来估计半导体激光自混合效应的模型参数———线宽展宽因数和光反馈因数。经计算仿真分析表明,该算法有较好的收敛性,迭代次数少且参数估计精度高,是半导体激光自混合效应参数测量的一种有效方法。

用双滤波反馈半导体激光器产生低延时特征的混沌信号

将两个法布里-珀罗干涉仪作为双外腔构成双滤波反馈半导体激光器,获取低延时特征混沌信号,理论研究了反馈时间、反馈强度、滤波器带宽以及滤波器中心频率与激光器中心频率之间的频率失谐对双滤波反馈半导体激光器混沌输出延时特征的影响.研究结果表明:当两个腔的反馈延迟时间之差约等于激光器弛豫振荡周期的一半时,输出混沌信号的延时特征抑制效果相对较好.在此基础上,通过合理选择反馈强度、滤波器带宽、滤波器中心频率与激光器中心频率之间的频率失谐,双滤波反馈半导体激光器输出混沌信号的延时特征被进一步抑制.最后,绘制混沌延时特征在滤波器带宽和频率失谐构成的参量空间的分布图,确定获取低延时特征的混沌信号所需的反馈参量范围.

三维激光扫描系统的固有误差校正算法

分析了三维激光扫描系统固有误差的来源,结合数学模型及实验数据,提出了相应的校正算法,并在实验中得到验证。从概率统计学角度分析激光测距仪固有误差的统计特性,增大平均次数的同时,减小测距仪测距误差;使用最小二乘法从实验数据中获取电机的动态角度误差,对理论角度进行校正后,得到电机实际转动角度;针对双振镜系统的非线性扫描失真,动态改变扫描范围,减小枕形误差。使用Matlab分析误差校正算法,并搭建实验平台测试上述算法,实验结果表明,对系统的测距误差、角度误差、枕形误差校正后,三维激光扫描系统的精度有较大的提高。

光导开关非线性导通时的载流子累加效应

利用半导体激光器作为触发源,对砷化镓光导开关进行了实验研究,重点研究了载流子累加效应对开关输出特性的影响。实验结果表明,光导开关的导通机制与内部载流子数的多少直接相关,当开关中的载流子数积累到雪崩碰撞电离条件,开关就会发生非线性导通。采用低能量光脉冲序列触发光导开关,获得了高功率输出,降低了开关非线性导通时的触发光能和偏置电压,对于光导开关的应用具有重要意义。

半导体激光器的非线性失真特性及预失真补偿研究

在大气激光通信中,半导体激光器是最为常见的光源器件,它的特性指标对整个系统的性能影响较大。首先对激光器的非线性进行建模,然后详细讨论了半导体激光器的线性化方法和映射函数的建立过程,最后根据激光器的现有工作状态进行实际测量,得到实际的激光器的I-V特性曲线。基于Volterra级数理论建立半导体激光器的非线性模型并进行曲线拟合得到三次多项式系数,设计预失真补偿法方法对激光器的非线性效应进行校正,并通过实验验证了该方法的有效性。

基于Volterra级数分析的半导体激光器非线性模型

根据非线性系统Volterra级数分析理论建立了半导体激光器的非线性模型.半导体激光器由本征激光器与寄生网络级联而成.本征激光器的非线性传递函数利用谐波输入法从速率方程得到,而寄生网络的非线性传递函数由影响其非线性的主要因素决定.在此基础上利用非线性系统的级联关系得到半导体激光器的非线性传递函数,并利用模型计算了半导体激光器的二次谐波、三次谐波和三阶交调失真.计算结果显示,在宽频范围内模型计算结果与仿真结果接近,且寄生网络对于激光器非线性的影响随频率升高而逐渐加大.通过比较Volterra模型与直接仿真之间的误差随输入信号功率的变化趋势可看出Volterra模型更加适用于分析弱非线性系统.所建立的模型有助于半导体激光器的器件表征与射频光传输系统的设计.

量子级联激光器非线性动态特性研究进展

量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是依赖电子在量子阱子带间跃迁辐射出光子而发生激射的单极型半导体激光器。大量的理论与实验研究已经证明轻微的外部扰动(如光反馈、光注入)或内部足够强的非线性模式耦合能够引起半导体激光器的非线性输出。QCL作为新型半导体器件,具有腔内强度高、子带间光学非线性强以及电子弛豫时间快等特点,激发了学者研究其非线性动力学的兴趣。本文详细综述了QCL的非线性动态特性研究进展情况,探究了QCL非线性动力学性质的产生机理,总结了QCL非线性特性的应用场景。

强激光大气传输非线性热畸变效应的解析分析

高功率激光在大气中传输时产生的非线性热畸变效应对激光的传输形成严重的限制 ,使光束质量严重下降 ,到达靶面的光强远低于初始光强。文中分析了非线性热畸变形成的物理机制 ,从光波在大气中传输的标量波动方程以及流体动力学方程组出发 ,对稳态和瞬态的各种非线性热畸变现象进行了分析 ,给出了非线性热畸变效应与激光参数的相关性 ,获得了较为满意的结果。

基于互耦合环形激光器获取高质量混沌信号

为了满足混沌保密通信的需求,提出了一种基于两个半导体环形激光器互耦合产生高质量混沌光信号的方案,采用数值仿真的方法进行了理论分析,得到了各种参量情况下的时间序列、功率谱及自相关系数分布图。结果表明,在一定的参量条件下,激光器能展现出单周期、多周期及混沌等动力态;在较大的频率失谐下,混沌信号的时延特征能够被较好地抑制;通过大范围扫描注入参量,可得到带宽最大为14.0GHz并且具有较低的时延特征的混沌信号,能显著提高混沌保密通信的传输速率及安全性。此研究结果可为环形激光器在混沌保密通信中的应用提供一定的理论参考。

基于半导体环形激光器的光反馈动力学研究

为了研究半导体环形激光器在外部交叉光反馈情况下的非线性动力学特性,基于环形激光器的速率方程,采用数值仿真的方法,得到了各种反馈参量下的时间序列及功率谱,并研究了反馈系数对混沌带宽及时间延迟特性的影响.结果表明,在各种不同外部反馈参量的情况下,环形激光器展现了单周期、多周期、低频反相波动以及混沌态等丰富的动力学态;在对称光反馈时,可得到最大为3.7GHz的混沌带宽;在时间不对称光反馈时,产生的混沌信号的时延特征被很好地抑制.该研究结果可为环形激光器的实际应用提供一定的理论参考.

基于半导体环形激光器的宽带宽混沌信号的获取

提出一种基于两个半导体环形激光器交叉耦合产生带宽增强的混沌光信号的方案,采用数值仿真的方法,得到几种特定参数下的时间序列及功率谱,并研究注入系数对混沌带宽及时间延迟特性的影响.结果表明:在正负频率失谐的情况下,混沌带宽都得到加强,并且有效的抑制混沌信号的时延特征.通过大范围扫描注入参数,可得到带宽最大为16GHz的混沌信号,能显著提高混沌保密通信的传输速率,研究结果可为环形激光器在混沌保密通信中的应用提供一定的理论参考.