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1、工 学 硕 士 学 位 论 文1.55m 全光纤声光移频器衍射效率及激光外差的实验研究EXPERIMENTAL RESEARCH ON 1.55mALL-FIBER ACOUSTO-OPTIC SHIFTERDIFFRACTION EFFICIENCY AND LASERHETERODYNE于维娟哈尔滨工业大学2008 年 12 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN65国 际 图 书 分 类 号 ： 38工 学 硕 士 学 位 论 文1.55m 全光纤声光移频器衍射效率及激光外差的实验研究硕 士 研 究 生 ： 于 维 娟导 师 姚 勇 教授副 导 师 ： 王 春 晖 教授申 请 学 位 ：
2、 工 学 硕 士学 科 ： 物 理 电 子 学所 在 单 位 ： 深 圳 研 究 生 院答 辩 日 期 ： 2008 年 12 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN65U.D.C: 38Dissertation for the Master Degree in EngineeringEXPERIMENTAL RESEARCH ON 1.55mALL-FIBER ACOUSTO-OPTIC SHIFTERDIFFRACTION EFFICIENCY AND LASERHETERODYNECandidate:Supervisor:Asso
3、ciate Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:Affiliation:Date of Defence:Degree-Conferring-Institution:Yu WeijuanProf. Yao YongProf. Wang ChunhuiMaster of EngineeringPhysical-ElectronicsShenzhen Graduate SchoolDecember, 2008Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士论文摘 要相 干 激 光 测 风 雷 达 以 其
4、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
5、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 1.55m 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
6、 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
7、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 1.5
8、5m 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 。关 键 词 声 光 移 频 ； 衍 射 效 率 ； 激 光 外 差 ； 外 差 效 率 ； 偏 振 匹 配-I-哈尔滨工业大学工学硕士论文AbstractCoherent dopp
9、ler wind lidar is currently one of the major means for theatmospheric wind field measurement, with an advantage of high signal-to-noiseratio and short bandwidth. It is capable of obtaining a sensitivity close to quantumlimit and a high precision of clear sky detection ability. Lidar has an important
10、significance in many fields, such as numerical weather prediction, atmosphericdynamics, aviation safety warning and defense applications. High resolution opticcollimation is requested for the coherent doppler wind lidar, especially for shortwave coherent doppler wind lidar. So the method to improve
11、heterodyne efficiencyand signal-noise ratio is still requested. Meanwhile, based on the need of weaksignal detection, acousto-opitc frequency shifter technical problems of coherentdoppler wind lidar systems were studied, including:(1)From the coupling equation of light waves and sound waves in theme
12、dium, we analyze the law of acousto-optic interaction using momentummatching and momentum mismatching, and come to acousto-optic deflectioncharacteristics and acousto-optic modulation characteristics of the acousto-opticfrequency shifter in normal Bragg diffraction conditions.(2)From acousto-optic f
13、requency shifter characteristics of the simulation, wecan provide a theoretical basis for experimental study.(3)According to some experiment about acousto-optic frequency shifter, weacquire characteristic curves about acousto-optic deflection and acousto-opticmodulation. Meanwhile we know the mean f
14、requency of acousto-optic frequencyshifter to be 100.8MHz, Bragg BW to be 5.21MHz, we calculate the maximumdiffraction efficiency of the acousto-optic frequency shifter to be 10.38%. Theresult from experiment is almost consistent with theory.(4) From the principle and heterodyne efficiency of laser
15、heterodynedetection, we analyze the main factors affecting heterodyne efficiency, puttingforward light field distribution theoretical model of the signal beam and localoscillate beam on the surface of detector. Then, based on these, we analyze theheterodyne efficiency at optimum. Mathematical model
16、has been given for eachfactor, and the calculations of heterodyne efficiency show the results with the-II-哈尔滨工业大学工学硕士论文factor of wave vector angle mismatching, bended wavefront and polarizationmismatching.(5)We research on laser heterodyne detection, 1.55m all-fiber laserheterodyne received experimental system has been designed, the system whichincludes many optical fiber passive devices and makes full use of optical fiber isintended to
