1.55μm全光纤声光移频器衍射效率及激光外差的实验研究

论文摘要

相干激光测风雷达以其近量子噪声极限的探测灵敏度,高精度的晴空探测能力,高信噪比和接收带宽窄等优点,目前已经成为大气风场测量的重要工具之一。对于数值天气预报,天气动力学研究,航空安全预警,国防等诸多方面都有重要的意义。但对于相干激光测风雷达,由于外差探测对光学对准的严格要求,如何改善系统外差效率,进一步提高信噪比依然是目前面临的主要问题。本文根据相干激光测风雷达系统中微弱信号检测的需要,针对相干激光测风雷达系统中1.55μm声光移频器的声光特性和相干探测中的影响外差效率的因素进行了研究,主要内容如下:(1)从声波和光波在介质中的耦合波方程出发,利用动量匹配和动量失配分析了介质中的声光互作用规律,得出了声光移频器在正常布拉格衍射条件下的声光偏转特性和声光调制特性。(2)对声光移频器的特性进行了仿真,并且得到了仿真的结果,为实验研究提供了理论依据。(3)对声光移频器的声光特性进行了实验研究,得出了其声光偏转和声光调制特性曲线,同时测量了声光移频器的中心频率为100.8MHz、布拉格带宽为5.21MHz,得到了声光移频器的最大衍射效率为10.38%。实验所得结果与理论基本吻合。(4)从激光外差探测的工作原理和外差效率出发,分析了影响外差探测效率的主要因素。提出了信号光和本振光在探测器上的光场分布的理论模型,然后以它们为基础,分析了本振光和信号光最佳匹配时的外差效率,并分析了存在空间准直失配、波面失配以及偏振失配时对外差效率的影响。(5)对激光外差进行了实验研究,完成了1.55μm全光纤激光外差接收实验系统设计,采用了保偏光纤和光纤无源器件,目的是最大程度上使光纤中传输的是线偏振光,同时提高了实验系统的稳定性。实验中观测到了稳定的100MHz外差中频信号,并验证了偏振失配因子对外差效率的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 激光测风雷达的发展状况
• 1.3 国内外声光器件的发展现状及趋势
• 1.3.1 国外声光器件的研究进展状况
• 1.3.2 国内声光器件的研究进展状况
• 1.4 论文研究的内容及意义
• 第2章 声光移频器及激光外差的理论基础
• 2.1 声光移频器的理论基础
• 2.1.1 布拉格衍射的理论分析
• 2.1.2 耦合波方程解的讨论
• 2.1.3 声光偏转和声光调制
• 2.1.4 声光移频
• 2.2 激光外差探测的理论基础
• 2.2.1 激光外差探测的基本原理
• 2.2.2 激光外差探测的外差效率
• 2.3 本章小结
• 第3章 1.55μm声光移频特性仿真分析和实验研究
• 3.1 1.55μm 声光移频特性的仿真分析
• 3.1.1 衍射光强与射频功率的仿真
• 3.1.2 声光调制特性的仿真
• 3.1.3 声光偏转特性的仿真
• 3.2 1.55μm 声光移频特性的实验研究
• 3.2.1 激光外差实验系统
• 3.2.2 实验仪器和实验装置
• 3.2.3 声光移频器声光特性的测量及分析
• 3.2.4 误差分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 1.55μm外差探测效率分析与偏振匹配实验
• 4.1 外差效率的分析
• 4.1.1 最佳匹配下的外差效率
• 4.1.2 空间准直失配对外差效率的影响
• 4.1.3 波面失配对外差效率的影响
• 4.1.4 偏振失配对外差效率的影响
• 4.2 偏振匹配的激光外差实验
• 4.2.1 实验系统
• 4.2.2 光纤无源器件的应用
• 4.2.3 实验结果及分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢