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棱镜式激光陀螺光强调谐曲线线形调控技术研究

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棱镜式激光陀螺光强调谐曲线线形调控技术研究

作者：刘玉洁西安理工大学

学位级别：硕士

偏频技术是激光陀螺的关键技术之一。目前,已经实用化的各种偏频技术引入了活动部件、非互易光学器件、谐振腔额外损耗等,这些因素影响着激光陀螺的测量精度和稳定性。棱镜式激光陀螺的环形光路由全反射棱镜构成,其避免了反射镜的后向... 详细信息

偏频技术是激光陀螺的关键技术之一。目前,已经实用化的各种偏频技术引入了活动部件、非互易光学器件、谐振腔额外损耗等,这些因素影响着激光陀螺的测量精度和稳定性。棱镜式激光陀螺的环形光路由全反射棱镜构成,其避免了反射镜的后向散射对陀螺闭锁效应的影响,使其闭锁阈值变小。此外,研究发现当激光陀螺工作在特殊的双纵模非对称频率状态下,两纵模的振荡强度比满足确定的关系时,陀螺呈现自偏频状态,即:陀螺可以无偏频的检测出地球自转角速度的天向分量,陀螺闭锁消失,将该状态命名为双纵模自偏频状态。本文针对棱镜式激光陀螺双纵模自偏频现象的稳态化需求,研究对棱镜式激光陀螺光强调谐曲线的调控技术。利用半经典Lamb理论建立环形激光陀螺光强调谐曲线物理模型;根据等离子体色散函数,分析环形腔自洽模型中的Lamb系数,进而获得光强调谐曲线随频率参量、多普勒展宽等因素的变化关系。进一步,分析增益介质采取Ne双同位素、同位素配比、充气压力等因素对增益线形的调控作用。设计了以倏逝波为理论基础的光阑、合光棱镜,实现了腔损耗的精确控制。最终,从增益和损耗两方面实现对环形激光器光强调谐曲线线形的准确控制。实验搭建了激光陀螺光强调谐曲线实验平台,通过对激光陀螺腔内模态的扫描,检测环形激光器的光强调谐曲线,验证了理论分析的正确性,该研究为激光陀螺在双纵模频率非对称位置处实现稳频奠定了基础。本论文主要的研究内容包括:1.通过半经典理论研究自洽场下的激光陀螺的光强调谐曲线的特点,该曲线是激光陀螺稳频的基准,调节光强调节曲线的斜率会直接影响稳频的精度。2.采用等离子体色散函数和Lamb系数,在谐振腔内不同配比Ne同位素的情况下,对光强调谐曲线的轮廓进行调控,通过增益和损耗两部分讨论研究光强调谐曲线,并设计了合理的光阑系统。3.从激光陀螺的闭锁效应入手,探究几种解决闭锁效应方式的主要原理,解决激光陀光强调谐曲线下的稳频工作状态。分析激光陀螺在双纵模自偏频状态下的特性,建立自偏频状态下的双纵模物理模型,通过小抖动稳频原理设计激光陀螺稳频实验平台。4.实验搭建双纵模自偏频光强调谐曲线实验平台,实验包含模态实时控制单元和模态实时检测单元,通过电子伺服系统控制谐振腔的腔长,对光强调谐曲线的外轮廓进行反馈调控,设计了验证性实验。

关键词：激光陀螺双纵模光强调谐曲线自偏频闭锁阈值

基于非平衡功率锁定的宽温域激光稳频技术研究

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基于非平衡功率锁定的宽温域激光稳频技术研究

作者：王彦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

激光干涉位移测量技术具有非接触、高测量精度、高动态测量范围、高信噪比以及可溯源的特点,在超精密装备制造加工、超精密计量测试等领域得到了广泛应用。随着我国科学技术的快速发展,以激光干涉位移测量技术为核心的绝对重力测量已成... 详细信息

激光干涉位移测量技术具有非接触、高测量精度、高动态测量范围、高信噪比以及可溯源的特点,在超精密装备制造加工、超精密计量测试等领域得到了广泛应用。随着我国科学技术的快速发展,以激光干涉位移测量技术为核心的绝对重力测量已成为进行资源勘探、导弹弹道计算等野外环境应用的研究热点,但这些野外环境本身具有极端的温度环境或者存在较大的昼夜温差。而作为激光干涉测量长度基准的激光器大多应用于实验环境和工业现场,无法在极端温度环境下正常工作,这严重制约了激光干涉仪应用范围。因此研究在宽温域条件(-20～40℃)下的高频率准确度稳频技术以及仪器对于激光干涉仪的发展应用来说至关重要。本文以633 nm双纵模热稳频He-Ne激光器为研究对象,深入分析宽温域工作环境对稳频激光器频率准确度的影响,并针对宽温域温度环境导致激光器频率准确度下降甚至无法稳频的问题,提出了基于非平衡功率稳频的宽温域激光稳频技术。主要研究工作如下:针对宽温域对稳频光路中光电元器件的影响,基于光学元器件琼斯矩阵建立稳频光路光学元件的温漂特性模型,分析温度导致光束混叠对稳频精度的影响机理,指导光学元件的选型,为宽温域下的高精度激光稳频结构设计提供理论基础。在对双纵模功率平衡稳频原理及方案分析的基础上,深入分析宽温域工作环境中温度、外界气压等因素对平衡功率稳频方法下的双纵模激光器频率准确度的影响,建立温度与激光器频率漂移模型,为宽温域下的高精度激光稳频提供理论基础。针对宽温域下稳频激光器激光频率准确度下降的问题,提出基于非平衡功率稳频的宽温域激光稳频方法,该方法首先以环境温度作为反馈,建立环境自适应预热温度设定方案,并基于纵模级数反馈值精准确定稳频温度点,实现宽温域范围内稳频;其次根据所建立的激光频率与输出光功率的模型、激光输出频率与环境温度值的模型,调节激光器的非平衡功率稳频点,使激光器输出同一频率,实现宽温域范围内的激光频率高准确度稳频。在上述研究的基础上,设计和研制了基于非平衡功率稳频的宽温域激光器,并对所提出的稳频方法和研制的稳频装置进行实验验证,实验结果与分析表明,本文设计的宽温域非平衡功率热稳频He-Ne激光器在-20～40℃的温度范围内激光器频率准确度达到1.0×10。

关键词：宽温域双纵模热稳频 He-Ne激光器非平衡功率频率准确度

基于一体化水冷降噪的双频分离型稳频激光器研究

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基于一体化水冷降噪的双频分离型稳频激光器研究

作者：殷子淇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超精密加工装备业的迅猛发展对激光干涉测量技术空间测量轴数和测量精度等提出了更高的指标要求。作为激光外差干涉测量的核心问题,稳频激光光源干涉光的频率准确度、偏振消光比和光功率大小决定了干涉测量系统所能达到的极限相对测量... 详细信息

超精密加工装备业的迅猛发展对激光干涉测量技术空间测量轴数和测量精度等提出了更高的指标要求。作为激光外差干涉测量的核心问题,稳频激光光源干涉光的频率准确度、偏振消光比和光功率大小决定了干涉测量系统所能达到的极限相对测量精度和极限测量轴数,然而目前现有的He-Ne稳频激光器,无法同时满足大功率、高消光比的空间分离型双频激光输出与高频率稳定性需求,已成为限制激光干涉测量技术测量性能进一步提高的主要问题之一。为了满足下一代干涉仪高精度高稳定性的测量需求,本课题以非功率平衡型稳频方法为基础,分析影响干涉光频率稳定性和功率大小的影响因素,从稳频激光器散热方法,高稳定性空间分离型干涉测量光路结构等方面研究提高稳频激光器输出干涉光的频率稳定度与输出功率,本课题的主要工作内容如下:(1)针对功率平衡型双纵模稳频激光器输出光功率小的问题,提出基于双纵摸非平衡功率稳频方法。该方法的稳频参考点在双纵模的不等功率处,偏移越大所得到的输出干涉光的功率越大。此外对该方法存在的模式竞争,稳频精度低等问题进行分析,指出影响频率稳定性的因素,为非平衡功率型高频率稳定度激光器的设计奠定理论基础。(2)针对自然散热型激光器存在抗环境温度变化能力差、强耦合水冷散热型激光器散热不均匀和过度散热等问题,提出一种多层弱耦合的水冷散热结构模型。通过现有激光器的散热模型热力学分析,发现激光器抗温度变化特性与热传导系数之间的相关规律,建立弱耦合与强耦合相结合的一体化水冷散热结构,为激光管提供一个温度相对稳定的稳频环境,减小外界环境干扰提高稳频激光器的抗干扰能力,同时弱耦合的方式抑制了水温波动对激光管频率稳定性的影响,达到抑制环境温度及水温应激变化的双重目的。(3)针对双频空间分离型光路易受温度、振动等环境影响发生漂移的问题,首先,提出一种高稳定性空间分离光束指向调整方法与机构,在分析传统与新型空间分离结构优缺点的基础上,设计复式空间分离型光路结构满足小体积、高稳定性的设计原则,并采用高稳定性结构设计抑制光路漂移现象。其次,通过仿真分析优化激光器的整体稳定性,满足光学元器件长期工作稳定性。(4)通过散热结构分析、光路调整结构分析,本课题设计集成了高功率、高频率稳定度的水冷稳频激光器。该激光器具有体积小、功率大的特点,满足多轴高精度测量的需求。对该激光器的性能进行测试。实验结果表明:多层弱耦合水冷散热结构激光器的相对频率稳定度达到91 10/1h-?,1.68 109/24h-?;基于非平衡功率稳频法,激光器最多可获得总功率67%的光功率,比传统双纵模法提高34%的输出光功率。

关键词：散热双纵模空间分离大功率

双频双模He-Ne激光器稳频稳幅的扫描干涉仪法

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量子电子学报 1991年第1期 154-155页

作者：印建平朱士群苏州大学 215006 苏州大学

本文根据激光纵模频率漂移导致双纵模相对强度变化这一规律,导出了双模强度差△I的时谱公式(或调谐公式)

关键词：激光器扫描干涉仪光激射器电子器件稳频 He-Ne 双纵模稳幅双模双频

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单频光纤拉曼放大器研究

单频光纤拉曼放大器研究

作者：许将明国防科学技术大学

学位级别：硕士

光纤拉曼放大器(FRA)具有增益谱宽、增益波长灵活、放大的自发辐射噪声低等优点,在光通信、超连续谱产生及获取特殊波段光源等领域有重要应用。一些特殊领域,如相干合成、谱合成及非线性频率转换等,对光源线宽有较高要求,需进行单频放... 详细信息

光纤拉曼放大器(FRA)具有增益谱宽、增益波长灵活、放大的自发辐射噪声低等优点,在光通信、超连续谱产生及获取特殊波段光源等领域有重要应用。一些特殊领域,如相干合成、谱合成及非线性频率转换等,对光源线宽有较高要求,需进行单频放大。单频光纤拉曼放大器(SF-FRA)可应用于激光导星和大气遥感领域,还可用于获取医学和激光显示用高功率密度可见光源。实际应用中,SF-FRA输出特性受种子光功率、线宽、增益光纤长度、抽运方式等因素的影响。此外,受激布里渊散射(SBS)效应是SF-FRA输出功率提升的限制性因素。论文对SF-FRA的输出特性及其中的SBS效应开展了系统的数值模拟与实验研究工作,主要包括以下内容: 一、定量分析了影响SF-FRA输出特性的因素。利用考虑SBS因素的强度耦合方程组,系统分析了种子光功率、线宽、增益光纤长度、抽运方式等因素对放大器输出特性的影响。数值模拟结果表明:注入较高功率的种子光可获得较高的效率,但放大器抽运功率阈值较低。种子光线宽大于1MHz时,SF-FRA抽运功率阈值及最大输出功率明显提高。增益光纤长度越长,放大器效率越高,但最大输出功率较低。前向抽运SF-FRA的效率较高,但抽运功率阈值较低,且前向抽运SF-FRA在增益光纤较短时最大输出功率较高,后向抽运SF-FRA在增益光纤较长时最大输出功率较高。数值模拟结果为高功率SF-FRA系统的优化设计提供了可靠的理论依据。二、详细讨论应力场参数对SF-FRA中SBS效应的影响,并提出应力场抑制SBS的优化施加方案。数值模拟结果表明:增益光纤中不同位置处的信号光及抽运光功率分布不同,对SBS光的布里渊增益及拉曼增益效果不同,因此应力场施加位置、份数、各段光纤上应力大小、非均匀施加应力等参数可以影响SF-FRA中的SBS效应。当所施加的应力场将SBS光功率平均分配到各频率上时,抑制效果最佳。采取优化的应力施加方案,可将SF-FRA最大输出功率提高近一倍。数值模拟结果为提高单路SF-FRA最大输出功率指出了一条可操作性强的技术路径。三、搭建1080nm单频光纤振荡器作为种子源、1031nm主振荡功率放大(MOPA)结构的光纤激光器作为抽运源,构建SF-FRA系统,实验研究SF-FRA的光谱与频谱特性、功率特性、光光转换效率、输出光相干性。首先搭建环形腔结构1080nm单频光纤振荡器,通过采用长度优化的饱和吸收体及调节偏振控制器获得单频种子激光输出,并通过对相同结构1083nm单频振荡器进行百瓦级高功率放大验证了种子源的稳定性。然后分别搭建1031nm MOPA激光器及不同抽运方式、不同增益光纤长度的SF-FRA系统,实现1031nm抽运光对1080nm单频信号光的拉曼放大,并获得了最大功率791mW的拉曼放大光输出。测量了输出光的光谱及频谱特性,结果表明输出功率最大时未出现SBS效应,放大光线宽有较小展宽。详细地实验研究了种子光功率、增益光纤长度、抽运方式等因素对放大器输出功率、效率的影响,实验结果与数值模拟结论吻合。最后测量了拉曼放大光的相干性,验证了通过多路SF-FRA相干合束获得更高功率拉曼放大光输出的可行性。四、实验上实现双纵模SF-FRA。双纵模SF-FRA在激光导星等领域具有重要应用价值,目前未见相关实验报道。通过调节自行搭建的单频光纤振荡器,获得稳定的双纵模单频种子激光,两纵模频率间隔1.4GHz、功率比约1:3,各纵模线宽约10MHz。利用前向抽运SF-FRA实现了1.07W双纵模单频拉曼放大光输出,输出光的光谱及频谱特性测量结果表明拉曼放大过程中两纵模的频率间隔、功率比例均能得到较好的保持,各纵模线宽有较小展宽。初步探索了SF-FRA的双纵模放大特性。

关键词：光纤拉曼放大器单频受激拉曼散射受激布里渊散射输出特性双纵模

633nm内腔式He-Ne激光器热-频率特性研究

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中国激光 2022年第6期49卷 8-15页

作者：席路殷聪王建波石春英蔡山刘若男李孟瑶张超超中国计量科学研究院几何量计量科学研究所北京100029 中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 北京理工大学光电学院北京100081

研究了在-20~40℃环境温度下633nm内腔式He-Ne激光管的自由运转特性,设计了激光器系统的预热和稳频控制方案,实现了633nm内腔式He-Ne激光器的频率稳定。当室温约为24℃时,锁定后的热稳频激光器与高精度碘稳定激光器的拍频结果显示,3h内... 详细信息

研究了在-20~40℃环境温度下633nm内腔式He-Ne激光管的自由运转特性,设计了激光器系统的预热和稳频控制方案,实现了633nm内腔式He-Ne激光器的频率稳定。当室温约为24℃时,锁定后的热稳频激光器与高精度碘稳定激光器的拍频结果显示,3h内频率的相对标准不确定度为u=6.4×10^(-9),阿伦方差为7.0×10^(-9)(采样时间τ=1s),3个月内的频率复现性优于4.6×10^(-11)。研究了在-20~40℃范围内不同环境温度下锁定后输出激光的频率漂移规律,实验结果显示,稳频后激光输出频率随环境温度的漂移量约为293kHz/℃,与采用压力估算模型计算得到的漂移值268kHz/℃相一致。因此,当激光器工作在一个较大的温度范围内时,可以通过插值校准来获得更准确的参考输出频率。

关键词：激光器内腔式HeNe激光器双纵模功率平衡高低温试验频率漂移

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两种新型予激光Q开关技术

光电子·激光 1984年第3期 29-33页

作者：张立敏中国科技大学物理系

本文介绍了两种新的予激光Q开关技术。讨论了这两种装置的差别和实用性。

关键词：激光棒热效应腔长双纵模反馈回路热力学性质单纵模纵模选择开关技术

基于He-Ne双频激光干涉的大尺寸精密检测技术

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工具技术 2009年第6期43卷 119-121页

作者：喻洪平吴斌莫莉成都大学

介绍一种以双纵模热稳频He-Ne激光为光源进行大尺寸精密测量的新技术。该技术在双频激光干涉技术的基础上,解决了一般测长技术在测量大尺寸零件时,必须要有一个与被测尺寸相当的长导轨,从而无法进行现场测量的难题。利用该技术所研制的... 详细信息

介绍一种以双纵模热稳频He-Ne激光为光源进行大尺寸精密测量的新技术。该技术在双频激光干涉技术的基础上,解决了一般测长技术在测量大尺寸零件时,必须要有一个与被测尺寸相当的长导轨,从而无法进行现场测量的难题。利用该技术所研制的装置,可对大尺寸零件进行无导轨现场精密测量,同时还保留了一般双频激光干涉仪的所有功能。

关键词：双纵模 He—Ne激光大尺寸取样混频拍波波长

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全内腔Nd:YAG微片激光器的双频控制及稳定

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全内腔Nd:YAG微片激光器的双频控制及稳定