1 中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛 266555
2 西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071
3 山东大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266237
4 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
具有宽调谐范围、无跳模以及高光谱纯净度的半导体激光器在超精细光谱、相干检测和光纤智能感知等领域有着重要的应用。但是受到半导体激光器固有运转特性的制约，通过传统的单片集成式半导体激光器难以获得高光谱纯净度的宽范围可调谐激光输出。因此文中采用闪耀光栅作为外腔反馈元件，单角面度半导体增益芯片作为增益介质，通过Littman-Metcalf外腔振荡结构实现了1480~1580 nm的宽调谐范围、无模式跳变的线宽小于98.27 kHz的激光输出，在注入电流为410 mA的条件下获得了16.95 dBm的峰值功率、全范围功率优于14.96 dBm和边模抑制比优于65.54 dB的输出。相应的实验结果表明：采用机械刻划闪耀光栅的Littman-Metcalf结构用于半导体激光器，可很大程度的改善半导体激光器的综合性能。该研究有利于推动其在提升光频域反射仪测量精度方向的应用。
无跳模 外腔 可调谐 半导体激光光源 窄线宽 mode-hopping free external-cavity tunable semiconductor laser source narrow linewidth 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230374
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024
2 广东工业大学 信息工程学院，广州 510006
3 广东省光子学信息技术重点实验室，广州 510006
4 保密通信重点实验室，成都 610041
近年来，在物理随机数生成速率的提高方面取得了很大的研究进展，但仍存在产生过程复杂和体积庞大等缺陷。针对该问题，文章从理论上提出了利用光反馈下垂直腔面发射激光器（VCSEL）模式跳变产生随机数的方案。通过光反馈扰动使VCSEL产生模式跳变，再由方波信号对注入电流进行调制，周期性重启VCSEL使其由非激射状态切换到模式跳变状态，最终输出随机脉冲序列实现随机数的产生。研究结果表明，具有通过随机性验证的无偏随机数能够以Gbit/s量级的速率连续产生。文章所提方案消除了对光/电转换和后处理操作的需求，简化了当前随机数的产生结构，且具有实现低成本光子集成随机数发生器的潜力。
垂直腔面发射激光器 模式跳变 光反馈 随机数 VCSEL mode hopping optical feedback random number
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
在离轴泵浦激光器中,离轴热透镜效应会引起激光器出现厄米-高斯(HG)模式的跳模现象,即随着泵浦功率升高,激光器先由单一的HG模式转变为混合模式,进而跳模到相邻的低阶HG模式。这是由离轴泵浦时离轴的热透镜使谐振腔光轴发生偏移,从而使有效的离轴量减小引起的。激光器所处的模式阶数越高,发生跳模对应的泵浦功率越低。实际中可以通过对离轴量增加一个修正量,使激光器重新恢复到跳模前的模式,泵浦功率越高,需要的修正量越大。实验产生了HG1,0~HG16,0 16个模式的高峰值功率脉冲光束,在10 kHz重复频率下,HG1,0光束的脉冲宽度为32 ns,峰值功率为4.1 kW;HG16,0光束的脉冲宽度为79 ns,峰值功率为0.7 kW。
激光器 固体激光器 厄米-高斯光束 离轴泵浦 跳模 热效应
1 中电科思仪科技股份有限公司, 青岛
2 电子测试技术重点实验室, 青岛
3 西安电子科技大学, 西安
外腔可调谐半导体激光器在光纤传感、冷原子物理和激光雷达等领域有着广泛的应用前景。为了得到大的无跳模调谐范围, 需要对激光器的腔长、光栅参数、各个元件的几何位置以及转动点的位置进行严格的设计。通过构建 Littman型可调谐激光源无跳模纵向允许误差范围的数学模型, 深入分析了转轴点到压电陶瓷电机运动轴线的距离、转轴点到闪耀光栅衍射点的距离、光栅安装角度和光栅刻线密度对无跳模纵向允许误差范围的影响。分析结果表明, 合理选择各个参数可有效避免激光输出光束的跳模。
可调谐半导体激光器 无跳模 误差分析 转轴点 tunable semiconductor laser Littman Littman mode-hopping free error analysis pivot point
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024
2 上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
3 保密通信重点实验室，成都 610041
4 广东工业大学 信息工程学院，广州 510006
5 广东省光子学信息技术重点实验室，广州 510006
针对当前大多数随机数产生方案结构复杂和体积庞大的问题，文章从理论上提出并仿真论证了一种基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变直接产生全光物理随机数的技术方案。通过方波调制信号周期性重启工作在双稳区域的VCSEL，并利用自发辐射噪声平衡两个偏振模式出射的不对称，可以直接实现随机数的产生。仿真结果表明，该方法可以直接产生速率为2.5 Gbit/s且随机性得到验证的物理随机数。该方案主要包含一个VCSEL，结构简单，为随机数发生器的光子集成问题提供了新的解决方案。
光通信 全光物理随机数 模式跳变 垂直腔面发射激光器 optical communications all-optical physical random number mode hopping VCSEL
1 中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室, 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 中国民用航空飞行学院, 四川 德阳 618300
为了消除激光跳模对调频连续波激光测距的影响, 提出了一种基于重采样信号相位拼接的跳模影响消除方法。该方法利用重采样信号相位展开求导的结果来定位激光跳模发生的时间, 并对重采样信号跳模处两端的峰值进行相位拼接来去除跳模段的重采样信号。通过对相位拼接后的重采样信号进行Chirp-Z变换可以得到不受激光跳模影响的目标距离谱。系统对光程约为21.16m的延时光纤进行多次测量, 实验效果证明此方法可以消除调频激光跳模对距离测量的影响, 并实现了12μm的测距标准差。
调频连续波激光雷达 激光跳模 相位拼接 测距 FMCW lidar laser mode hopping phase splicing ranging
1 国防科技创新研究院, 北京 100071
2 国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
跳模会导致单波长光纤环形激光器相干性有不同程度的退化,严重影响光学系统的性能。设计一种基于匹配干涉仪的相干坍塌抑制方案,分析抑制机理。并分别搭建臂差可调的空间光匹配干涉仪(SLMI)和全光纤结构匹配干涉仪(AFMI),通过实验对抑制效果进行方案验证。结果表明:当SLMI的等效臂差不断逼近理论值时,可监测到多模匹配干涉现象,该现象等效于单纵模激光干涉,从而实现相干坍塌抑制;AFMI结构紧凑,便于嵌入光纤相干探测系统中,能有效抑制随机跳模引入的相干坍塌和相位噪声谱级的大幅上升,降低系统虚警概率。作为一种被动手段,匹配干涉仪对抑制或规避模式失稳引起的相干坍塌具有指导意义。
激光技术 光纤环形激光器 跳模 相干坍塌 匹配干涉
1 国防科技大学海洋科学与工程研究院,湖南 长沙 410073
2 国防科技大学光电科学与工程学院,湖南 长沙 410073
检测光纤环形激光器输出模式的动态特性是实验与工程应用的难题之一。在不同抽运强度以及长时间运转条件下,激光器会输出复杂的模式动态现象。受限于实验手段，目前的实时测量系统局限于仅获取激光器的输出强度信息而无法准确获取更多的模式动态特性。基于这一点，报道了采用光学外差的测量方法，搭建相应的实验装置测得待测光纤环形激光器与参考光源的拍频信号。实验中可实时获取包括跳模以及频率漂移在内的模式动态时频瀑布图，并提取各模式强度的时间序列，进而能够检测光纤环形激光器输出模式动态特性以及分析模式光强，为控制光纤环形激光器输出以及探究其内在频率动力学特性提供重要的测量手段。
激光器 光学外差 光纤环形激光器 跳模检测 频率动态 中国激光
2015, 42(s1): s102003
1 中北大学信息与通信工程学院, 山西 太原 030051
2 中北大学计算机与控制工程学院, 山西 太原 030051
3 中北大学机械与动力工程学院, 山西 太原 030051
为了在矿井中实现快速、 便携式的甲烷浓度检测, 同时系统还具备高灵敏度及长的工作周期, 设计了基于半导体激光器模式跳变的差分光学光谱吸收法, 建立了井下甲烷浓度无线检测系统。 系统利用调制电流使半导体激光器的输出波长发生模式跳变, 从而获得了两个相近波长的激光, 其中一个在甲烷的特征吸收峰上, 而另一个基本不被吸收。 实验中将两束光分别照射被测气室时, 两束光的光强之差代入比尔朗伯定律即可求解气室内的甲烷浓度。 实验结果显示, 调制电流从20.0 mA增大到60.0 mA过程中, 输出波长在电流达到48.3 mA时发生跳变, 由1 650.888 nm改变为1 651.020 nm。 通过HITRAN光谱数据库可知, 波长1 650.888 nm位置可作特征吸收峰, 而波长1 651.020 nm适合作参考波长。 在此基础上, 对密闭容器内标准浓度的甲烷气体进行测试, 采用H-BD5GD410-HC型便携式甲烷检测仪的测试数据作对比。 两种检测结果相近, 但随着浓度不断地增高, 该系统的检测误差相对平稳, 略优于甲烷检测仪。 系统的检测误差均低于0.050%, 在不采用昂贵的锁相器、 检相电路的条件下, 实现了精度优于0.10%的井下甲烷浓度检测。
差分光谱吸收技术 矿井 模式跳变 甲烷浓度 Differential spectrum absorption technology Mine Mode hopping Methane concentration
北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心, 光电测试技术北京市重点实验室, 北京 100192
为给密集波分复用(DWDM)光纤通信及光纤传感系统提供理想光源, 设计了一种双波长环形腔掺铒光纤激光器。该激光器采用单支光纤光栅(FBG)和2个3dB耦合器构成可调谐光滤波器, 结合多模光纤的偏振烧孔效应, 通过改变系统的偏振态来获得波长可调谐的双波长激光输出。实验结果表明: 改变系统的偏振态时, 可分别获得单波长和双波长激光输出, 双波长光纤激光器的最大波长差为4.692nm。引入多模光纤后, 激光跳模现象得到明显抑制。
双波长 偏振烧孔 多模光纤 光纤光栅 跳模 dual-wavelength polarization hole burning multi-mode fiber fiber Bragg grating mode hopping
