红外与激光工程
2023, 52(10): 20230025
中国航天科技集团有限公司第五研究院西安分院空间通信与导航技术研究所，陕西 西安 710100
基于双星编队的激光干涉测距载荷能够在轨验证基于三星编队的空间引力波探测任务的多项关键技术。在空间引力波探测任务中，为实现皮米级的星间位移测量精度，要求在mHz频段实现优于10-6 cycle/Hz1/2的光载波相位测量精度。限制测相精度的瓶颈因素在于相位计中模数转换器的采样抖动。利用导频和时钟边带调制技术可在数据后处理中抑制采样抖动噪声。将面向三星编队时间延迟干涉组合的时钟边带调制技术推广到更普遍的基于双星编队的双向光载波相位测量系统中，并考虑到星间多普勒频移，给出了抑制光载波相位测量过程中采样抖动噪声的系统性方案。该方案能够应用在下一代地球重力场探测任务中，以在轨验证面向空间引力波探测的相位计技术，同时有望应用于高精度星间激光时频传递项目，支撑未来全球卫星导航系统。
测量 相位测量 干涉度量法 光载波 拍频 边带调制 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0712006
上海兰宝传感科技股份有限公司, 上海 201499
激光多普勒测速技术具有非接触、无磨损、精度高等优点, 被广泛应用于工业、航海、航天等领域的高精度速度、加速度、长度测量。双光束激光多普勒测速技术作为其中的一个分支, 具有结构简单、抗干扰强的特点。为提升双光束激光多普勒测速技术的测量精度, 搭建一种测量圆周转动线速度的轴对称型双光束激光多普勒系统, 采用高速响应的探测器观测差频信号。当目标的线速度为1 596.6 mm/s时, 激光多普勒差频信号理论值是0.975 MHz, 测量角度为0°, 实验观测到的差频信号是1.013 MHz, 与理论值相比误差约为3.8%; 进而变换观测器的不同角度位置, 测量得到的多普勒频移和0°的频移误差在0.8%以内。结果表明, 该测量系统能够测量到运动物体的多普勒频移信号, 同时更改双光束激光多普勒测速的观测器角度, 不影响测量结果。该实验系统为后续进一步进行激光多普勒测速技术的研发打下了良好的基础。
激光多普勒技术 速度测量 外差探测 拍频 laser Doppler technology velocity measurement heterodyne detection beat frequency
河南师范大学 电子与电气工程学院, 河南 新乡 453000
针对采用传统自组光纤激光器的光纤传感系统存在成本较高和结构复杂等问题, 提出了一种基于商用激光器强反馈的光纤迈克尔逊干涉仪(FMI)传感解调系统。该系统采用商用法布里－珀罗腔型半导体激光器(FP-LD)为光源, 由直流电源直接驱动, 经FMI的反射、干涉后对其形成强反馈; 利用多纵模激光拍频解调技术实现对FMI的传感解调, 将FMI光域干涉光强的变化直接转化为电域拍频包络的变化。研究了不同FMI臂长差时拍频信号随温度的变化过程及传感系统灵敏度。实验结果表明: 当臂长差分别为0.45、0.40 m时, 灵敏度分别为325、358.33 kHz/℃。
半导体激光器 光纤迈克尔逊干涉仪 多纵模激光拍频解调技术 温度传感 semiconductor laser optical fiber Michelson interferometer multi-longitudinal mode laser beat frequency demod temperature sensing
为了提高光纤激光器的温度灵敏度和数据完整性，提出了一种基于拍频解调的光纤激光温度传感系统。利用光纤激光谐振腔中的光纤布拉格光栅（FBG）进行温度传感，将FBG的波长变化依次转变为谐振腔内的波长变化和光纤激光器拍频信号的频移变化，大幅提高了系统的灵敏度。通过Python程序实现秒级数据自动采集及保存，提高了工作效率。用矩形框中心点位置法代替直接寻峰值法对温度信号进行解调，可避免频率抖动较大引起的误差。相比光学解调技术，该系统利用成熟的电学解调技术解调，无需昂贵的波长解调仪，降低了解调成本。实验结果表明，该系统具有较高的灵敏度和测量精度，平均灵敏度为74.087 kHz/℃，测量精度为0.47×10-3 ℃。
光纤光学 温度传感器 光纤布拉格光栅 拍频解调 中心点位置 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0106004
Author Affiliations
Abstract
Department of Electronic Engineering, School of Electronic Science and Engineering (National Model Microelectronics College), Xiamen University, Xiamen 361005, China
In this paper, we propose a temperature-sensing scheme utilizing a passively mode-locked fiber laser combined with the beat frequency demodulation system. The erbium-doped fiber is used in the laser ring cavity to provide the gain and different lengths of single-mode fibers inserted into the fiber ring cavity operate as the sensing element. Different temperature sensitivities have been acquired in the experiment by monitoring the beat frequency signals at different frequencies. The experimental results indicate that the beat frequency shift has a good linear response to the temperature change. The sensitivity of the proposed sensor is about -44 kHz/°C when the monitored beat frequency signal is about 10 GHz and the ratio of the sensing fiber to the overall length of the laser cavity is 10 m/17.5 m, while the signal-to-noise ratio (SNR) of the monitored signal is approximately 30 dB. The proposed temperature-sensing scheme enjoys attractive features such as tailorable high sensitivity, good reliability, high SNR, and low cost, and is considered to have great potential in practical sensing applications.
temperature sensing mode-locking fiber laser beat frequency Chinese Optics Letters
2023, 21(2): 020603
1 中国计量大学 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
2 中国计量科学研究院, 北京 100013
利用光学拍频法可实现稳频He-Ne激光波长稳定度的测量以及波长不确定度的评定。报道了一种可应用于测量现场的便携式633nm激光波长评价系统, 介绍了拍频测量技术原理、激光波长评价系统的基本构成以及与非便携式的传统拍频系统测量激光波长的比对结果。波长评价系统对传统光学拍频光路部分进行了改进并集成为一个便携测量系统, 系统采用了全新设计的集成式光学拍频模块、小型化高精度频率计以及频谱监测仪器实现了高信噪比拍频信号的产生、计数与监测, 并自主开发了拍频测量数据采集、处理与分析软件。实验结果表明该系统能够在测量现场实现激光波长的稳定度以及不确定度评价, 提升了现场测量的便捷性以及测量效率。
计量学 激光波长测量 光学拍频 阿伦方差 metrology laser wavelength measurement optical beat frequency method Allen variance
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
3 长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆制备技术国家重点实验室，湖北 武汉 430073
4 大族激光科技产业集团股份有限公司，广东 深圳 518000
为了探究激光器线宽的综合特性，对波长可调谐窄线宽激光器的线宽进行了理论分析。搭建了基于非平衡马赫-曾德尔干涉结构的延时自外差测量系统，以研究波长可调谐窄线宽激光器的稳态及动态线宽特性。为了平衡线宽测量的速度和精度，完成了不同接收机带宽下的线宽测试。针对激光器波长连续调谐时产生的线宽展宽问题，通过控制激光器波长调谐时的步进量保持输出功率的稳定性，补偿了线宽的测量误差。该研究不仅能完善激光器线宽特性的研究，对光频域反射技术的研究也具有重要意义。
激光器 窄线宽激光器 线宽测量 延时自外差法 拍频法 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2114003
1 广东工业大学 信息工程学院 广东省信息光子技术重点实验室，广东 广州 510006
2 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
受电子器件工作频率及功率的限制，传统电子学方法产生的噪声源的超噪比通常小于20 dB，针对这一问题，本文提出了一种基于非相干光拍频产生高超噪比宽带毫米波噪声技术。首先，用两个光滤波器对宽带放大自发辐射光源进行滤波整形。将获得的两束频率不同的放大自发辐射光耦合进入光电探测器进行拍频，从而产生电噪声信号。理论分析发现，通过调节拍频光的光谱线型、线宽与功率，在当前的高速光电探测器响应水平下，可获得超过50 dB的高超噪比毫米波噪声源。在利用数值方法分析影响噪声源超噪比主要因素的基础上，通过实验方法产生了超噪比大于50 dB的毫米波噪声信号。如果采用更高速的光电探测器，这一技术可在毫米波乃至太赫兹波段构建大超噪比的噪声源。
毫米波 噪声源 超噪比 微波光子学 拍频 millimeter-wave noise source excess noise ratio microwave photonics beat frequency
Author Affiliations
Abstract
College of Electronic and Electrical Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China
A Michelson interferometer (MI) composite cavity fiber laser sensing system based on radio frequency (RF) interrogation is proposed and experimentally demonstrated. The system down-converts the traditional MI light frequency detection to RF detection, which improves the stability of the system. The optic fiber MI is placed in the laser resonator to form a composite cavity structure, which greatly improves the sensitivity of beat frequency signal demodulation.
Michelson interferometer compound cavity multi-longitudinal mode beat frequency radio-frequency detection Chinese Optics Letters
2022, 20(4): 040603
