發(fā)布時間：2017-03-21 06:05

  本文關(guān)鍵詞：基于自外差激光線寬測量方法改進的理論與實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：激光線寬或相干長度是光頻傳遞,光纖傳感,精密光譜測量,激光雷達、測距以及遙感等研究領(lǐng)域的一項重要指標,對這些系統(tǒng)的噪聲性能、測量距離、精度和靈敏度等起著決定性作用。因此,對超窄激光線寬進行高精度的測量成為激光器研究領(lǐng)域的一個熱點。目前,可采用的光譜線寬及激光頻率噪聲特性的測量手段中,自外差探測是一類比較理想的測量方案。自外差探測不需要另一臺超窄且更加穩(wěn)定的光源用作參考,且激光的光譜線型可以直接觀測到,無需復雜的頻率轉(zhuǎn)換技巧,測量結(jié)果直接來源于其拍頻譜。然而,現(xiàn)有的自外差測量技術(shù)方案中,延遲自外差法(DSHI)測量分辨率極為有限,僅適合線寬不低于1kHz的激光線寬測量;盡管循環(huán)損耗補償延遲自外差法(LC-RDSHI)解決了DSHI測量分辨率較低的不足,但其測量精度較為有限,且系統(tǒng)調(diào)試比較繁雜,不利于實際應(yīng)用。本文從自外差線寬測量的基本原理出發(fā),分析了傳統(tǒng)LC-RDSHI線寬測量精度有限的根本原因。進而提出了參數(shù)不敏感型LC-RDSHI以及Michelson型LC-RDSHI。相較于傳統(tǒng)LC-RDSHI,本文提出的兩種新方案具有更高的線寬測量精度,且系統(tǒng)調(diào)試過程更為簡易。根據(jù)LC-RDSHI的數(shù)學模型,理論推導了兩種新方法的輸出拍頻功率譜,并結(jié)合軟件仿真,分析了系統(tǒng)參數(shù)變化以及延遲時間對拍頻信號功率譜的影響。同時,討論了LC-RDSHI系統(tǒng)的多次循環(huán)干涉效應(yīng)、相對強度噪聲、光纖雙折射效應(yīng)以及頻率振動等對激光線寬測量精度的影響。在理論分析基礎(chǔ)之上,我們搭建了相應(yīng)的實驗裝置,測量了三種方法的系統(tǒng)輸出功率譜,基于測量的功率譜比較了三種線寬測量方法的測量精度,實驗結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)LC-RDSHI,參數(shù)不敏感型LC-RDSHI以及Michelson型LC-RDSHI系統(tǒng)調(diào)試更為簡易,同時系統(tǒng)輸出頻譜將多次循環(huán)干涉效應(yīng)引起的干擾信號頻譜從待測信號頻譜中分離出去,消除了環(huán)路有效增益、耦合器耦合效率等系統(tǒng)參數(shù)變化對輸出功率譜線型的影響,從而具有更高的線寬測量精度。此外,由于光纖存在雙折射效應(yīng),傳統(tǒng)LC-RDSHI與參數(shù)不敏感型LC-RDSHI系統(tǒng)偏振態(tài)極不穩(wěn)定,高階拍頻信號頻譜的信噪比較低。而Michelson型LC-RDSHI系統(tǒng)基于Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)并采用法拉第鏡以及雙向摻鉺光纖放大器(Bi-EDFA),消除了光纖雙折射效應(yīng)的影響,系統(tǒng)偏振態(tài)具有高穩(wěn)定性,在測試條件允許的情況下,是最為理想的循環(huán)自外差超窄激光線寬測量方案。
【關(guān)鍵詞】：激光線寬測量 自外差法 拍頻功率譜 參數(shù)不敏感 系統(tǒng)偏振態(tài)
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(國家授時中心)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN24
【目錄】：

• 致謝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 研究現(xiàn)狀12-13
• 1.3 論文主要工作及結(jié)構(gòu)13-15
• 第二章 激光線寬理論15-22
• 2.1 肖洛—湯斯線寬15-18
• 2.1.1 矢量理論16-17
• 2.1.2 RLC振蕩電路模型17-18
• 2.2 超過肖洛湯斯線寬18-22
• 2.2.1 K因子展寬18-19
• 2.2.2 K'因子展寬19
• 2.2.3 a因子展寬19-20
• 2.2.4 K'因子展寬20
• 2.2.5 弛豫振蕩20
• 2.2.6 非均勻展寬20-22
• 第三章 線寬測量技術(shù)22-45
• 3.1 外差探測22-24
• 3.2 光頻鑒別器24-26
• 3.3 自外差探測26-45
• 3.3.1 延遲自外差法26-32
• 3.3.1.1 M-Z型DSHI28-29
• 3.3.1.2 Michelson型DSHI29-31
• 3.3.1.3 光纖延時線對DSHI的影響31-32
• 3.3.2 循環(huán)損耗補償延遲自外差法32-45
• 3.3.2.1 相對強度噪聲35-36
• 3.3.2.2 光纖雙折射效應(yīng)36-40
• 3.3.2.3 頻率穩(wěn)定性的影響40-42
• 3.3.2.41/f噪聲的影響42-45
• 第四章 兩種改進循環(huán)自外差法的理論分析45-55
• 4.1 系統(tǒng)參數(shù)不敏感型循環(huán)延遲自外差法系統(tǒng)輸出功率譜45-49
• 4.1.1 系統(tǒng)參數(shù)不敏感型循環(huán)延遲自外差法拍頻信號功率譜仿真48-49
• 4.2 Michelson型干涉儀結(jié)構(gòu)的循環(huán)自外差法系統(tǒng)輸出功率譜49-55
• 4.2.1 Michelson型循環(huán)自外差法拍頻信號功率譜仿真及分析52-55
• 第五章 循環(huán)損耗補償延遲自外差法實驗55-74
• 5.1 實驗系統(tǒng)55-60
• 待測激光器56
• 頻移器56-57
• 光纖放大器（EDFA）57-58
• 光電探測器58-60
• 5.2 系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化60-62
• 5.2.1 光功率控制60
• 5.2.2 非線性效應(yīng)60-61
• 5.2.3 EDFA的附加白噪聲61-62
• 5.2.4 偏振控制62
• 5.2.5 環(huán)境干擾控制62
• 5.3 信號處理及結(jié)果分析62-74
• 5.3.1 功率譜測量63-67
• 5.3.2 NKT激光器線寬測量67-74
• 5.3.2.1 10dB直接測量67-70
• 5.3.2.2 Voigt擬合70-74
• 第六章 結(jié)論及下步工作74-76
• 6.1 結(jié)論74
• 6.2 下步工作74-76
• 參考文獻76-80
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果80

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