基于自外差激光线宽测量方法改进的理论与实验研究

发布时间：2017-03-21 06:05

  本文关键词：基于自外差激光线宽测量方法改进的理论与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：激光线宽或相干长度是光频传递,光纤传感,精密光谱测量,激光雷达、测距以及遥感等研究领域的一项重要指标,对这些系统的噪声性能、测量距离、精度和灵敏度等起着决定性作用。因此,对超窄激光线宽进行高精度的测量成为激光器研究领域的一个热点。目前,可采用的光谱线宽及激光频率噪声特性的测量手段中,自外差探测是一类比较理想的测量方案。自外差探测不需要另一台超窄且更加稳定的光源用作参考,且激光的光谱线型可以直接观测到,无需复杂的频率转换技巧,测量结果直接来源于其拍频谱。然而,现有的自外差测量技术方案中,延迟自外差法(DSHI)测量分辨率极为有限,仅适合线宽不低于1kHz的激光线宽测量;尽管循环损耗补偿延迟自外差法(LC-RDSHI)解决了DSHI测量分辨率较低的不足,但其测量精度较为有限,且系统调试比较繁杂,不利于实际应用。本文从自外差线宽测量的基本原理出发,分析了传统LC-RDSHI线宽测量精度有限的根本原因。进而提出了参数不敏感型LC-RDSHI以及Michelson型LC-RDSHI。相较于传统LC-RDSHI,本文提出的两种新方案具有更高的线宽测量精度,且系统调试过程更为简易。根据LC-RDSHI的数学模型,理论推导了两种新方法的输出拍频功率谱,并结合软件仿真,分析了系统参数变化以及延迟时间对拍频信号功率谱的影响。同时,讨论了LC-RDSHI系统的多次循环干涉效应、相对强度噪声、光纤双折射效应以及频率振动等对激光线宽测量精度的影响。在理论分析基础之上,我们搭建了相应的实验装置,测量了三种方法的系统输出功率谱,基于测量的功率谱比较了三种线宽测量方法的测量精度,实验结果表明,相较于传统LC-RDSHI,参数不敏感型LC-RDSHI以及Michelson型LC-RDSHI系统调试更为简易,同时系统输出频谱将多次循环干涉效应引起的干扰信号频谱从待测信号频谱中分离出去,消除了环路有效增益、耦合器耦合效率等系统参数变化对输出功率谱线型的影响,从而具有更高的线宽测量精度。此外,由于光纤存在双折射效应,传统LC-RDSHI与参数不敏感型LC-RDSHI系统偏振态极不稳定,高阶拍频信号频谱的信噪比较低。而Michelson型LC-RDSHI系统基于Michelson干涉仪结构并采用法拉第镜以及双向掺铒光纤放大器(Bi-EDFA),消除了光纤双折射效应的影响,系统偏振态具有高稳定性,在测试条件允许的情况下,是最为理想的循环自外差超窄激光线宽测量方案。
【关键词】：激光线宽测量 自外差法 拍频功率谱 参数不敏感 系统偏振态
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(国家授时中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 前言11-15
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究现状12-13
• 1.3 论文主要工作及结构13-15
• 第二章 激光线宽理论15-22
• 2.1 肖洛—汤斯线宽15-18
• 2.1.1 矢量理论16-17
• 2.1.2 RLC振荡电路模型17-18
• 2.2 超过肖洛汤斯线宽18-22
• 2.2.1 K因子展宽18-19
• 2.2.2 K'因子展宽19
• 2.2.3 a因子展宽19-20
• 2.2.4 K'因子展宽20
• 2.2.5 弛豫振荡20
• 2.2.6 非均匀展宽20-22
• 第三章 线宽测量技术22-45
• 3.1 外差探测22-24
• 3.2 光频鉴别器24-26
• 3.3 自外差探测26-45
• 3.3.1 延迟自外差法26-32
• 3.3.1.1 M-Z型DSHI28-29
• 3.3.1.2 Michelson型DSHI29-31
• 3.3.1.3 光纤延时线对DSHI的影响31-32
• 3.3.2 循环损耗补偿延迟自外差法32-45
• 3.3.2.1 相对强度噪声35-36
• 3.3.2.2 光纤双折射效应36-40
• 3.3.2.3 频率稳定性的影响40-42
• 3.3.2.41/f噪声的影响42-45
• 第四章 两种改进循环自外差法的理论分析45-55
• 4.1 系统参数不敏感型循环延迟自外差法系统输出功率谱45-49
• 4.1.1 系统参数不敏感型循环延迟自外差法拍频信号功率谱仿真48-49
• 4.2 Michelson型干涉仪结构的循环自外差法系统输出功率谱49-55
• 4.2.1 Michelson型循环自外差法拍频信号功率谱仿真及分析52-55
• 第五章 循环损耗补偿延迟自外差法实验55-74
• 5.1 实验系统55-60
• 待测激光器56
• 频移器56-57
• 光纤放大器（EDFA）57-58
• 光电探测器58-60
• 5.2 系统设计及优化60-62
• 5.2.1 光功率控制60
• 5.2.2 非线性效应60-61
• 5.2.3 EDFA的附加白噪声61-62
• 5.2.4 偏振控制62
• 5.2.5 环境干扰控制62
• 5.3 信号处理及结果分析62-74
• 5.3.1 功率谱测量63-67
• 5.3.2 NKT激光器线宽测量67-74
• 5.3.2.1 10dB直接测量67-70
• 5.3.2.2 Voigt拟合70-74
• 第六章 结论及下步工作74-76
• 6.1 结论74
• 6.2 下步工作74-76
• 参考文献76-80
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果80

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