半导体激光器电流调制实现短相干光源

半导体激光器电流调制实现短相干光源 Short coherent light source based on current modulation in semiconductor lasers 1 2 first-author 冯　勇（1996-），男，山西太原人，硕士研究生，2018年于哈尔滨工程大学获得学士学位，主要从事精密光学检测方面的研究。E-mail：fengyong18@mails.ucas.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425338&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425344&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425341&type= 22.01333427 32.00399780 冯　勇 （1996-），男，山西太原人，硕士研究生，2018年于哈尔滨工程大学获得学士学位，主要从事精密光学检测方面的研究。E-mail： fengyong18@mails.ucas.edu.cn fengyong18@mails.ucas.edu.cn 1 2 corresp E-mail： zhangwenxi@aoe.ac.cn E-mail： zhangwenxi@aoe.ac.cn zhangwenxi@aoe.ac.cn 1 1 2 1 中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094 中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094 Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China 中国科学院大学 光电学院，北京 100049 中国科学院大学 光电学院，北京 100049 School of Optoelectronics， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China School of Optoelectronics， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China 传统的干涉仪采用激光光源，由于激光的高相干性，在平行平板、棱镜等特殊光学元件测量时存在严重的串扰；LED、钨灯等光源因准直性较差、光强稳定性差和相干长度较短等特征，同样不适合作为特殊光学元件检测干涉仪的光源。短相干激光光源具有方向性好、亮度高和相干长度适中等优点，是特殊元件检测干涉仪的理想光源。针对短相干干涉仪对光源的需求，对通过电流调制半导体激光器光源的相干性进行了理论研究。研究结果表明，调制频率越高、调制强度越大，光源的相干长度越短；偏置电流越大，输出功率越高，相干性也会变好，不利于产生短相干光源。在此基础上，搭建并研制了一款短相干激光光源，该光源相干长度为80 μm，光源的旁瓣抑制比下降为0.31，输出光功率可达30 mW，能够满足短相干测量对光源的要求。 Traditional interferometers use laser light source， because of the high coherence of laser， there are serious crosstalk in the measurement of parallel plate， prism and other special optical elements.Due to the characteristics of poor collimation， poor stability of light intensity and short coherence length， LED and tungsten lamps are also not suitable for the detection of interferometers with special optical elements. Short-coherent laser source has the advantages of good directivity， high brightness and moderate coherence length， and is an ideal source for detecting interferometers with special components.In order to meet the demand of short coherence interferometer， the coherence of current modulated semiconductor laser source is studied theoretically，the results show that the higher the modulation frequency and the greater the modulation intensity， the shorter the coherence length of the light source.The larger the bias current is， the higher the output power is， but the coherence will also be better， which is not conducive to the generation of short coherent light source. On this basis， a short coherent light source verification system is built to verify the correctness of the relevant theories.A short coherent laser source has been developed，the coherence length of the light source is 80 μm， the sidelobe rejection ratio of the light source decreased to 0.31， the output power of the light source can reach 30 mW， which can meet the requirements of short coherent measurement. 半导体激光器 短相干光源 相干函数 电流调制 semiconductor laser short coherent light source coherent function current modulation 1 引　言 1 传统的干涉仪采用激光光源，由于激光的相干性较高，在平行平板、棱镜等特殊光学元件测量时串扰严重，无法直接进行测量 ［ 1 1 ］ 。而LED、钨灯等光源由于准直性较差、光强稳定性和相干长度较短等特点，同样不适合作为特殊光学元件检测干涉仪的光源。短相干激光光源具有方向性好、亮度高和相干长度适中等优点，是特殊元件检测干涉仪的理想光源 ［ 2 2 ］ 。 短相干光源的实现以及优化主要是从半导体激光器自身结构、驱动电路和辐射光路3个方面展开 ［ 3 3 ］ 。在半导体激光器自身结构上，把纳米材料掺到增益介质之中，虽然可以把半导体激光器的相干长度降低到LED数量级，但这种方法的电光转换效率极低，离实际应用还有一定的距离；改变激光器的腔体结构，确实从根源上降低了相干长度，但腔体的设计还需要综合考虑工艺、成本等因素 ［ 4 4 ］ 。通过调节光路改变半导体激光器的相干性，把散射器件插到光路之中，虽然可以显著降低相干性，但光束质量会下降，使得光束聚焦困难；用光学反馈法进行相干裁剪，对于相干长度的降低效果十分显著，但激光器的寿命会受到影响，该技术需要进一步完善才能应用于工业界 ［ 5 5 ］ 。通过电路对半导体激光器的相干性进行调节，加入射频调制之后，系统整体结构稳定，操作简单，便于调节，并且电流调制有利于实现设备的微型化、集成化，满足业界对于短相干光源的需求，也是未来一段时间短相干光源的主要发展方向 ［ 6 6 ］ 。 现有的电流调制短相干光源采用小信号调制，输出光功率可达15 mW。本文采用大信号电流调制半导体激光器来产生短相干光源。该光源采用中心波长为637 nm的半导体激光器，在偏置电流供电的同时，叠加电流调制信号，最终达到降低其输出光相干性的目的。相较于现有的短相干光源，功率提升可以达到100%，为短相干光源应用于大口径干涉测量提供了可能。 2 理论模型 1 2.1　半导体激光器的相干函数 2 短相干光源相干长度的表达式为： <math display="block" id="M1"><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>λ</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425350&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425347&type= 12.61533356 7.78933382 ， 其中： <math id="M2"><mi>λ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425356&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425353&type= 1.77800000 2.79399991 为中心波长， <math id="M3"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>λ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425362&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425359&type= 4.23333359 2.79399991 为谱线宽度。降低相干长度的首要任务是对光源的频谱进行展宽 ［ 7 7 ］ 。其次，在干涉测量领域，得到的干涉信号如果不能对除主峰以外的旁瓣进行抑制，采样精度会大大降低，直接影响到测量的准确性 ［ 8 8 ］ 。在平行平板的测量中，当平板厚度与两个相干峰间隔有倍数关系的时候，平行平板的前后表面同时干涉，强烈的串扰会大幅度降低测量精度。因此，旁瓣的抑制直接关系到短相干光源在斐索干涉仪中的应用效果 ［ 9 9 ］ 。 图1 图1 所示为本文使用的半导体激光器的增益曲线。增益曲线的线型为高斯线型，实际测得的半高宽约为1.25 nm，用 <math id="M4"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425367&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425364&type= 5.41866684 3.72533321 表示；每个模式为洛伦兹线型，半高宽约为0.01 nm，用 <math id="M5"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi>s</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425374&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425370&type= 6.60400009 3.72533321 表示；每个模式之间的距离用 <math id="M6"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425379&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425377&type= 6.77333355 3.72533321 表示，模式间距是一个与激光二极管腔长有关的函数，即： <math display="block" id="M7"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>n</mi><mi>L</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425385&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425382&type= 18.88066673 7.53533268 ， 其中： c 为光速， <math id="M8"><mi>L</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425391&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425388&type= 2.45533323 2.79399991 为激光二极管的腔长， n 为二极管的折射率 ［ 10 10 ］ 。 光源的相干函数由功率谱密度的傅里叶变换给出 ［ 11 11 ］ ，即： <math display="block" id="M9"><mi>m</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>O</mi><mi>P</mi><mi>D</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">ℑ</mi><msub><mrow><mfenced open="{" close="}" separators="|"><mrow><mi>S</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced></mrow><mrow><mfrac><mrow><mi>O</mi><mi>P</mi><mi>D</mi></mrow><mrow><mi>c</mi></mrow></mfrac></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425407&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425404&type= 37.42266846 6.51933336 ， 其中： <math id="M10"><mi>m</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>O</mi><mi>P</mi><mi>D</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425413&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425410&type= 14.30866718 3.97933316 表示时间相干函数， <math id="M11"><mi>O</mi><mi>P</mi><mi>D</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425418&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425416&type= 8.12800026 2.87866688 为干涉测量两臂的光程差， <math id="M12"><mi>S</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425423&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425420&type= 6.85799980 3.97933316 是光源的功率谱密度。假设所有模式都是有源的，光源光谱可以表示为： ［ 12 12 ］ <math display="block" id="M13"><mi>S</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mi>G</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>⊗</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425429&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425428&type= 68.74933624 9.48266602 ， 其中： <math id="M14"><mi>ν</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425434&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425432&type= 1.43933344 2.79399991 表示相对中心频率的偏移量， <math id="M15"><mi>G</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425439&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425436&type= 14.47799969 4.82600021 代表半高宽为 <math id="M16"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425443&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425440&type= 5.07999992 3.72533321 的高斯增益曲线，其表达式为： <math display="block" id="M17"><mi>G</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>=</mo><msup><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow><mrow><mo>-</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><msup><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msup><mrow><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425446&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425444&type= 31.41133499 8.21266651 ， <math id="M18"><mi>L</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425451&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425448&type= 14.47799969 4.82600021 代表半高宽为 <math id="M19"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425455&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425453&type= 5.67266655 3.72533321 的洛伦兹线型，其表达式为： <math display="block" id="M20"><mi>L</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425459&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425457&type= 39.45466614 20.23533440 ， <math id="M21"><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425463&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425461&type= 19.38866615 9.48266602 是一个采样函数，其表达式为： <math display="block" id="M22"><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mi mathvariant="normal">∞</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">∞</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mo>∂</mo><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi><mo>-</mo><mi>n</mi><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425467&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425465&type= 52.49333191 9.48266602 ， 其中 <math id="M23"><mo>∂</mo><mfenced separators="|"><mrow><mi>ν</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425470&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425469&type= 6.34999990 3.97933316 是一个狄拉克函数。所以，光源的相干函数为 ［ 13 13 ］ ： <math display="block" id="M24"><mtable><mtr><mtd><mi>m</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>O</mi><mi>P</mi><mi>D</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mo>-</mo><mi mathvariant="normal">π</mi><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mfenced open="|" close="|" separators="|"><mrow><mi>n</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced><mo>·</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mi mathvariant="normal">∞</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">∞</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mo>-</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mi>O</mi><mi>P</mi><mi>D</mi><mo>-</mo><mi>n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">π</mi></mrow></mfrac><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425475&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425473&type= 60.19800186 35.22133255 . 式（8） 式（8） 中，相干函数是由高度指数衰减的等间距高斯曲线和组成的。 <math id="M25"><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">π</mi></mrow></mfrac><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425478&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425477&type= 17.52599907 9.48266602 指的是高斯线型的半高宽，每一个高斯线型与零光程差的距离为 <math id="M26"><mi>n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425482&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425481&type= 12.61533356 9.48266602 ，同时有一个权重因子 <math id="M27"><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mo>-</mo><mi mathvariant="normal">π</mi><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mfenced open="|" close="|" separators="|"><mrow><mi>n</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425487&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425485&type= 27.26266861 9.48266602 ， n 代表从中心向两边数的旁瓣编号， <math id="M28"><mi>n</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>,</mo><mo>±</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>,</mo><mo>±</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mo>,</mo><mo>±</mo><mn mathvariant="normal">3</mn><mo>,</mo><mo>⋯</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425491&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425489&type= 36.83000183 3.30200005 。 旁瓣强度的表达式为： <math display="block" id="M29"><mi>m</mi><msub><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mi>n</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mo>-</mo><mi mathvariant="normal">π</mi><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mfenced open="|" close="|" separators="|"><mrow><mi>n</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425495&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425493&type= 42.16400146 9.48266602 . 为了减少除中心瓣之外其他旁瓣的强度，必须增加单个纵模宽度与模式间距的比值 <math id="M30"><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425499&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425497&type= 7.45066643 8.46666718 。在半导体激光器中，模式间距由激光器的腔长决定，模式宽度由辐射展宽决定。所以，频谱展宽可以同时实现相干度的降低与旁瓣抑制。 2.2　输出光的谱线展宽 2 半导体激光器的 P-I 特性曲线如 图2 图2 所示。对激光二极管的驱动电流进行调制，注入电流由一个直流分量 <math id="M31"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425503&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425502&type= 2.37066650 3.72533321 和一个震荡频率为 <math id="M32"><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425540&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425537&type= 4.23333359 3.72533321 、幅度大小为 <math id="M33"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425513&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425511&type= 2.96333337 3.72533321 的交流分量共同组成，注入电流可以表示为 ［ 14 14 ］ ： <math display="block" id="M34"><mi>I</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mi>t</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425517&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425515&type= 30.56466866 4.82600021 . 激光二极管的输出功率与注入电流直接相关，所以对激光二极管电流的调制最终会转换为对激光二极管输出功率的调制。因为激光二极管的增益介质折射率和腔长随着激光二极管电流的变化而变化，所以激光辐射光谱的频率和振幅调制同时发生。在激光二极管的电流调制中，将 <math id="M35"><mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>P</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>I</mi></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425529&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425527&type= 10.66800022 3.30200005 称为斜率效能，选用斜率效能更高的激光二极管，有助于实现更好的调制效果。 对激光二极管进行小信号频率调制，此时输出的调频光波的电场可以表示为： <math display="block" id="M36"><mi>E</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>t</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>β</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mi>t</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425535&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425532&type= 50.88466644 5.58799982 ， 其中： <math id="M37"><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425540&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425537&type= 4.23333359 3.72533321 表示调制频率， <math id="M38"><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425547&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425544&type= 3.64066648 3.72533321 表示光频， <math id="M39"><mi>β</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425582&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425579&type= 1.94733346 3.80999994 表示调制指数，其表达式为： <math display="block" id="M40"><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>ω</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425558&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425555&type= 13.12333298 8.46666718 ， 式中 <math id="M41"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>ω</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425564&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425561&type= 4.99533367 2.79399991 代表最大频率偏移。经过频率调制后，在基模 <math id="M42"><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425571&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425567&type= 3.64066648 3.72533321 两侧产生了无穷多个边模，每一个边模的间距均为 <math id="M43"><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425576&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425573&type= 4.23333359 3.72533321 。在这众多边模中，只有一阶、二阶边模较为明显，其大小与 <math id="M44"><mi>β</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425582&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425579&type= 1.94733346 3.80999994 有直接关系，也正是这些新产生的边模使得谱线展宽 ［ 15 15 ］ 。 对调频光波的电场进行傅里叶变换，便可以得到调频光波的光谱。其光谱可以用一阶贝塞尔函数 <math id="M45"><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425589&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425585&type= 7.95866632 5.16466665 表示： <math display="block" id="M46"><mtable><mtr><mtd><mi>E</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi>t</mi></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi></mrow></mfenced><mo>-</mo><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi></mrow></mfenced><mo>+</mo><mo>⋯</mo><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>n</mi><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi></mrow></mfenced><mo>+</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msup><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>-</mo><mi>n</mi><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi></mrow></mfenced><mtext> </mtext><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425595&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425592&type= 132.67266846 13.03866673 式中，正弦函数系数的平方表示该频率分量所对应的强度， <math id="M47"><mi>n</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425600&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425598&type= 1.86266661 2.79399991 代表频率分量的阶数。 图3 图3 （a）为原始输出光频率分布， 图3 图3 （b）为调频输出光频率分布，光谱宽度在频域内得到延展，在时域上的相干长度相应地被压缩 ［ 16 16 ］ 。 1,2; 在小信号调频的基础上加入振幅调制，此时输出光波的电场可以表示为： <math display="block" id="M48"><mtable><mtr><mtd><mi>E</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>t</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mi>M</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mi>t</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced><mo>×</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>β</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mi>t</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced><mtext> </mtext><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425628&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425626&type= 48.09066391 13.03866673 式中： M 表示调制深度， M 值越大，振幅调制强度越大，即调制所采用的射频强度越大。对调制后的输出光进行傅里叶变换，可以得到输出光的光谱，该光谱用一阶贝塞尔函数表示为： <math display="block" id="M49"><mtable><mtr><mtd><mi>S</mi><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>n</mi><msub><mrow><mi>ω</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></mfrac><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mrow><mi mathvariant="normal">J</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><mi>β</mi></mrow></mfenced></mrow></mfenced></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425633&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17425631&type= 53.17066193 16.25600052 . 当调制深度 M 足够大，即射频强度较大时，输出光的频谱充分展宽，其旁瓣与相干长度均大幅度降低，可以实现短相干光输出。 3 实验装置 1 短相干光源实验装置如 图4 图4 所示。半导体激光器安装在LDM9LP激光二极管驱动器上，该驱动器的最大驱动电流为1 A，最大射频输入功率为500 mW，调制频率为200 kHz~1 GHz，最大温度控制电流为4.5 A，最大温度控制电压为3 V，加热/冷却能力可达7 W。驱动控制装置与TED200C温度控制器、LDC202C恒流源以及N5181A射频源相连接。TED200C温度控制器的最大输出电流可达±2 A，最高输出功率为12 W，温度分辨率为0.01 ℃，温度波动≤0.002 ℃，通过调整控制回路的 P ， I 和 D 值，可以精确控制激光二极管的温度。LDC202C恒流源有着可靠的激光二极管保护功能，其电流波动低至0.2 μA，电流为0~200 mA。N5181A射频源的输出频率为100 kHz~6 GHz，幅度为 - 120~30 dBm，1 GHz偏置时相位噪声≤ - 121 dBc/Hz@20 kHz。同时，使用横河AQ6370D光谱仪对不同调制参数下的谱线宽度进行测量，在600~1 700 nm波段，其先进的单色镜结构可以分离相近的频谱信号并进行精确测量，测量精度为±10 pm，波长分辨率最高可达20 pm。 由半导体激光器输出的光束通过光纤传播，经过光束准直镜后射向50∶50非偏振分光棱镜，由分光棱镜分为两束，分别射向互相垂直的两个角锥。其中一个角锥固定，另一个角锥搭载在PI公司的N-565位移台上，当角锥位于中心位置时，两角锥与分光棱镜的距离相等。N-565位移台由E-861控制器控制，通过PID调控，控制精度可达1 nm。经过两个角锥反射后，干涉光束被DET10A2光电探测器采集，DET10A2光电探测器的最快上升时间为1 ns，有着极高的响应速度。实验开始后，位移台由 - 6.5 mm位置向6.5 mm位置移动。在光程差 - 13~+13 mm内，每隔10 nm采集一次干涉信号，光电探测器将所采集到的干涉信号转化为对应的模拟电压信号，该信号由高速采集卡采集存储，经软件处理后输出调制信号图像。 4 测量实验与结果 1 图5 图5 为半导体光纤激光器调制前后的对比图像。在 O 点处，两束光的光程差为零时，输出光的相干性最好。由 图5 图5 可知，调制后光源旁瓣抑制比由0.7降低至0.31，次极大峰值的降低减少了主峰信号提取时的干扰，大大提高了干涉测量中主峰信号的提取精度。图中主峰的半高宽 L 即为此时激光器的相干性，由于探测器暗电流噪声、杂散光等的影响，相干长度的测量存在着较大误差。因此，在实验中采用由光谱仪测得的谱线宽度描述半导体激光器的相干性。 4.1　调制频率对光源相干性的影响 2 在实验中，选用固定的偏置电流和调制强度，测量调制频率变化对于半导体激光器光源相干性的影响，结果如 图6 图6 所示。 由实验结果可知，随着调制频率的增加，3种实验条件下光源的谱线宽度均实现展宽，光源相干性大幅度降低。当调制频率为850 MHz时，相干长度最低可降低至65 μm。从调制频率选定的角度为斐索光源实现短相干提供了依据，通过提高调制频率，光源的短相干特性得到了大幅提升。 4.2　调制强度对光源相干性的影响 2 在实验中，选用固定的偏置电流和调制频率，测量调制强度的变化对于半导体激光器光源相干性的影响，结果如 图7 图7 所示。 由实验结果可知，随着射频强度的增加，3种实验条件下谱线宽度均实现大幅度展宽，半导体激光器相干性大大降低。当射频强度为25 dBm时，相干长度最低可降低至65 μm。从调制强度选定的角度为斐索光源实现短相干提供了依据，随着调制强度的增加，光源相干性大幅度降低。 4.3　偏置电流对光源相干性的影响 2 在实验中，选用固定的调制强度和调制频率，测量偏置电流的变化对于半导体激光器光源相干性的影响，结果如 图8 图8 所示。 由实验结果可知，随着偏置电流的增加，3种实验条件下光源的谱线宽度均变窄，光源相干性增强。在偏置电流为140 mA时，输出功率可达40 mW，但此时光源相干性较高。半导体激光器的相干性与偏置电流呈负相关。从偏置电流选定的角度为斐索光源实现短相干提供了依据，选用比半导体激光器阈值略大的电流有利于短相干特性的实现。 综上所述，当调制频率为700 MHz、射频强度为27 dBm、偏置电流为130 mA时，光源的相干长度为80 μm，输出光功率可达30 mW，光源旁瓣抑制比下降至0.31。 5 结　论 1 本文根据现代工业测量非接触、高精度、抗串扰的要求，提出了一种基于半导体激光器电流调制实现的短相干光源，并给出了短相干光源实现的理论模型。基于理论分析搭建了短相干光源测试系统，并通过该系统验证了调制频率、调制强度和偏置电流对于光源相干性的影响。实验结果表明：随着调制频率和调制强度的增加，偏置电流的降低，半导体激光器的相干性下降。在一定的调制参数下，光源的相干长度为80 μm，输出光功率可达30 mW，光源旁瓣抑制比下降至0.31，基本满足工业场合对于短相干光源的要求。在保证输出光强度的前提下，随着相干长度的减小，斐索干涉仪系统的串扰得到极大的抑制。 参考文献 TRENTBRADLEY K . Path Matched Vibration Insensitive Fizeau Interferometer ［D］. Arizona ： University of Arizona ， 2006 . Path Matched Vibration Insensitive Fizeau Interferometer 王军 ， 陈磊 . 用短相干光源测量平行平板玻璃的光学均匀性 ［J］. 光子学报 ， 2008 ， 37 （ 12 ）： 2515 - 2519 . 用短相干光源测量平行平板玻璃的光学均匀性 WANG J ， CHEN L . Measurement of homogeneity of optical glass with parallel surfaces using low coherence light sources ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2008 ， 37 （ 12 ）： 2515 - 2519 . （in Chinese） Measurement of homogeneity of optical glass with parallel surfaces using low coherence light sources 孙沁园 ， 陈磊 ， 郑东晖 ， 等 . 采用短相干光源的动态斐索干涉仪 ［J］. 红外与激光工程 ， 2018 ， 47 （ 2 ）： 0220001 . 采用短相干光源的动态斐索干涉仪 SUN Q Y ， CHEN L ， ZHENG D H ， et al . Dynamic FiZeau interferometer using low-coherence light source ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2018 ， 47 （ 2 ）： 0220001 . （in Chinese） Dynamic FiZeau interferometer using low-coherence light source 樊孝贺 . 短相干菲索型动态干涉仪的关键技术研究 ［D］. 长春 ： 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ， 2019 . 短相干菲索型动态干涉仪的关键技术研究 FAN X H . Research on the Key Technologies of Low-coherence FiZeau Dynamic Interferometer ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics ， Fine Mechanics and Physics ， Chinese Academy of Sciences， 2019 . （in Chinese） Research on the Key Technologies of Low-coherence FiZeau Dynamic Interferometer 孔令琴 ， 樊林林 ， 王安帮 ， 等 . 相干长度可连续调谐的半导体激光器 ［J］. 物理学报 ， 2009 ， 58 （ 11 ）： 7680 - 7685 . 相干长度可连续调谐的半导体激光器 KONG L Q ， FAN L L ， WANG A B ， et al . Coherence length tunable semiconductor laser ［J］. Acta Physica Sinica ， 2009 ， 58 （ 11 ）： 7680 - 7685 . （in Chinese） Coherence length tunable semiconductor laser 薛志伟 . 大功率半导体激光器高频调制特性的研究 ［D］. 长春 ： 长春理工大学 ， 2013 . 大功率半导体激光器高频调制特性的研究 XUE ZH W . Research on High-frequency Modulation Characteristics of High Power Semiconductor Laser ［D］. Changchun ： Changchun University of Science and Technology ， 2013 . （in Chinese） Research on High-frequency Modulation Characteristics of High Power Semiconductor Laser 吴朔 ， 沙定国 ， 周桃庚 ， 等 . 用于干涉测量的短相干固体激光器光谱纵模特性 ［J］. 光学技术 ， 2009 ， 35 （ 6 ）： 840 - 842 . 用于干涉测量的短相干固体激光器光谱纵模特性 WU SH ， SHA D G ， ZHOU T G ， et al . Spectral longitudinal mode character of short coherence solid laser for interferometry ［J］. Optical Technique ， 2009 ， 35 （ 6 ）： 840 - 842 . （in Chinese） Spectral longitudinal mode character of short coherence solid laser for interferometry 靳皓 ， 钟宏杰 . 光纤低相干干涉测量法的光谱域处理技术 ［J］. 光机电信息 ， 2005 ， 22 （ 5 ）： 20 - 22 . 光纤低相干干涉测量法的光谱域处理技术 JIN H ， ZHONG H J . Spectral domain processing of optical fiber low coherence interferometry ［J］. Optics Mechanics & Electronics Information ， 2005 ， 22 （ 5 ）： 20 - 22 . （in Chinese） Spectral domain processing of optical fiber low coherence interferometry 武旭华 ， 陈磊 ， 王磊 . φ 300 mm干涉仪参考镜的设计及测试 ［J］. 光学 精密工程 ， 2007 ， 15 （ 8 ）： 1235 - 1240 . φ300 mm干涉仪参考镜的设计及测试 WU X H ， CHEN L ， WANG L . Design and test of reference mirror in φ 300 mm interferometer ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2007 ， 15 （ 8 ）： 1235 - 1240 . （in Chinese） Design and test of reference mirror in φ300 mm interferometer 贾方秀 ， 丁振良 ， 袁峰 . 半导体激光器高频调制技术 ［J］. 激光与红外 ， 2007 ， 37 （ 11 ）： 1174 - 1177 . 半导体激光器高频调制技术 JIA F X ， DING ZH L ， YUAN F . Design on high frequency amplitude modulation of laser diode ［J］. Laser & Infrared ， 2007 ， 37 （ 11 ）： 1174 - 1177 . （in Chinese） Design on high frequency amplitude modulation of laser diode LEE H J ， JOO K N . Coherence function control of a multi-mode laser diode by the frequency modulation and its low coherence interferometric application ［J］. Precision Engineering ， 2014 ， 38 （ 4 ）： 964 - 968 . Coherence function control of a multi-mode laser diode by the frequency modulation and its low coherence interferometric application 陈瑜 ， 潘永强 ， 刘丙才 ， 等 . 基于窗口傅里叶变换的线性相位误差抑制 ［J］. 光学 精密工程 ， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1314 - 1322 . 基于窗口傅里叶变换的线性相位误差抑制 CHEN Y ， PAN Y Q ， LIU B C ， et al . Linear phase error suppression technique based on window Fourier transform ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1314 - 1322 . （in Chinese） Linear phase error suppression technique based on window Fourier transform 陈青山 . 光纤低相干干涉测量技术及其应用研究 ［D］. 北京 ： 北京邮电大学 ， 2009 . 光纤低相干干涉测量技术及其应用研究 CHEN Q SH . Research on Fiber Low-coherence Interferometry and its Application ［D］. Beijing ： Beijing University of Posts and Telecommunications ， 2009 . （in Chinese） Research on Fiber Low-coherence Interferometry and its Application 于莎莎 ， 吴国瑞 . 半导体激光二极管的电流调制与驱动 ［J］. 电测与仪表 ， 2015 ， 52 （ 22 ）： 124 - 128 . 半导体激光二极管的电流调制与驱动 YU SH SH ， WU G R . Current modulation and driven for laser diode ［J］. Electrical Measurement & Instrumentation ， 2015 ， 52 （ 22 ）： 124 - 128 . （in Chinese） Current modulation and driven for laser diode 李泾渭 ， 辛青 ， 侯昌伦 . 通过傅里叶变换测量多表面面形 ［J］. 光学 精密工程 ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1277 - 1285 . 通过傅里叶变换测量多表面面形 LI J W ， XIN Q ， HOU CH L . Multiple surface shapes are measured by Fourier transforms ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1277 - 1285 . （in Chinese） Multiple surface shapes are measured by Fourier transforms YU S S ， WU G R . Current modulation and drive of semiconductor laser diode ［J］. Electrical Measurement and Instrumentation ， 2015 ， 52 （ 22 ）： 124 - 128 . （in Chinese） Current modulation and drive of semiconductor laser diode 10.37188/OPE.20212906.1321 TN248 TH744.3 A 1004-924X（2021）06-1321-08 冯勇,张文喜,伍洲等.半导体激光器电流调制实现短相干光源[J].光学精密工程,2021,29(06):1321-1328. 冯勇,张文喜,伍洲等.半导体激光器电流调制实现短相干光源[J].光学精密工程,2021,29(06):1321-1328. FENG Yong,ZHANG Wen-xi,WU Zhou,et al.Short coherent light source based on current modulation in semiconductor lasers[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(06):1321-1328. FENG Yong,ZHANG Wen-xi,WU Zhou,et al.Short coherent light source based on current modulation in semiconductor lasers[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(06):1321-1328. 国家自然科学基金青年基金资助项目（No.61605217） 2020-10-19 2020-12-15 2021-06-15 2021-07-12 光学精密工程 6 29