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调频连续波激光雷达中可调谐半导体激光器的研究

张立宏  
【摘要】:调频连续波(FMCW)激光雷达是一种大尺寸绝对距离测量技术,具有测量范围大、测距精度高、距离分辨率大等优点,在航空航天、船舶工业、重型机械等领域有广泛应用。线性调频激光器直接关系到激光雷达系统的整体性能,本文对此展开研究。分别提出Littman外腔半导体激光器和三节段DBR半导体激光器两种方案,并进行理论仿真研究,为下一步开发提供理论基础。 首先完成了Littman外腔半导体激光器的结构设计,理论上其能够调谐于任意波长处。研究分析了激光器调谐过程中的波长非线性,在1550nm波长附近,激光器连续调谐57.64nm所带来的非线性波长误差不到0.09nm。利用等效腔原理将三腔镜模型简化为二腔镜模型,由此分析了激光器的增益阈值和相位条件。在二极管激光器靠近外腔的端面反射率低于10-4时,内腔模式对外腔模式阈值和相位的影响都不大。分析了由温度变化引起的波长变化,表明激光器波长的稳定性主要由增益芯片、激光器底板、光栅的温度稳定性决定。数值计算显示外腔激光器的准直要求在0.01°以下。最后完成了激光器整体设计。 对设计完成的外腔半导体激光器的性能进行了仿真模拟。分析了轴点的位置误差对激光器连续调谐性能的影响,结果显示轴点位置只允许在一个狭窄的区域内存在误差。考虑二极管激光器的洛伦兹增益谱线以及端面增透膜的有限线宽,对激光器的调谐范围进行了模拟。增透膜反射系数越小,带宽越大,激光器的调谐范围越大。利用外腔激光器的速率方程,对激光器的功率特性进行了模拟。当波长恒定时,激光器的功率与电流呈线性变化。激光器在调谐的过程中,功率呈现起伏变化。对外腔激光器的线宽计算表明外腔激光器能够达到1KHz的线宽。 对三节DBR半导体激光器的调谐规律展开研究。引入传输矩阵原理,对一些基本光学结构的传输矩阵形式进行了理论推导。采用传输矩阵方法对F-P标准具、布拉格光栅和取样光栅的反射谱进行了模拟。分析了DBR激光器的调谐原理,并利用传输矩阵对DBR激光器相位节、布拉格光栅节的电流调谐进行了模拟,并进一步对两个节段同时调谐进行了模拟。


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