閆景濤，繆立軍*，毛建峰，石 錦，黃騰超，車雙良，舒曉武

1.浙江大學光電科學與工程學院現代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027 2.江西省交通高級技工學校，江西 南昌 330105

引 言

激光器具有高亮度、高相干性和高方向性等特點，在工業(yè)制造、航空航天、生物醫(yī)療等領域應用廣泛。近年來隨著在材料與工藝等方面突破性進步，以半導體為工作物質的半導體激光器取得了一系列顯著發(fā)展，憑借其體積小、效率高、壽命長、結構簡單、成本可控、中心波長穩(wěn)定等優(yōu)點，被廣泛應用于光通信及傳感等眾多領域[1-2]。光譜是描述激光特性的重要手段，譜寬是其中一項重要的參數，它能夠全面地表征出激光在不同波長的功率分布情況。目前常用的半導體激光器線寬一般為幾十MHz到幾kHz不等，最窄可以達到百Hz以內，具有良好的單色性。然而，并非所有的應用場景都需要窄線寬激光器，例如在干涉式光纖陀螺中，為了抑制背向散射和偏振耦合等引起的噪聲和漂移，需要光源線寬為GHz甚至THz量級[3-4]，研究人員通常采用超輻射發(fā)光二極管或摻鉺超熒光光纖光源等寬帶光源而不是具備更優(yōu)波長穩(wěn)定性的激光器。此外，對于窄線寬光纖激光而言，為抑制受激布里淵散射非線性效應以進一步提升其輸出功率，需要展寬種子激光線寬降低布里淵散射增益峰[5-6]。因此，如何有效展寬激光光譜從而滿足特定場景下的需求成為近年來的研究熱點。由于直接調制激光會因頻率與輸出功率的耦合導致頻率產生波動并劣化波長穩(wěn)定性，而外部相位調制可以做到不影響輸出激光的光束質量，是目前主要采用的一種方案。它通過將射頻電壓信號加載到電光相位調制器上改變信號光的相位特性，從而達到光譜展寬的目的。國內外先后報道了通過正弦信號、偽隨機編碼信號以及高斯白噪聲信號驅動鈮酸鋰電光相位調制器的方案[7-9]，并在各自相應的研究領域中取得了良好的效果，證明該項技術具有廣闊的應用前景?，F有研究表明，正弦信號和偽隨機編碼信號展寬效率低，并且調制光譜中會產生一系列的邊帶或次峰，尤其不利于在傳感領域的應用；而利用高斯白噪聲信號時展寬分量可達數倍于其自身帶寬，且光譜中只包含單個載波，調制效果也不依賴于激光本征線寬[10]。然而，國內外針對這一方法的理論研究十分匱乏，實驗研究也并不完善。

這與五建多年來一直十分重視科技成果轉化，有效提升科技自主創(chuàng)新能力用于指導實踐密不可分。特別是“十二五”以來，五建制定發(fā)布了關于科技創(chuàng)新項目申報、科技經費使用、科技獎勵和科技成果轉化推廣激勵等一系列制度；建立了環(huán)保節(jié)能中心、安全技術研發(fā)中心，SEG土壤治理中心、廣東省土壤治理工程中心、清華大學潘際鑾院士專家工作站也先后掛牌成立，并和清華大學、華南理工、華東理工共建人才培養(yǎng)基地，為創(chuàng)新技術和培養(yǎng)人才提供了良好的平臺。

甜高粱(sweet sorghum)是世界五大作物之一，起源于非洲，在非洲有500多年的栽培歷史[1-2]。由于其生長速度快，光合效率作用高，易栽培，適應性強，抗旱[3]，生物產量和經濟產量大特性[4]，甜高粱作為最具優(yōu)勢的可再生生物能源作物之一，已受到有關專家和政府的重視，并被國家發(fā)展和改革委員會列入《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》[5]。甜高粱與甘蔗，玉米相比，能夠更有效地利用CO2，對肥料和水的需求更少[6-7]。作為飼料作物，制作青貯是目前甜高粱主要的應用形式[8]。

提出了一種基于相位調制技術的激光光譜展寬方法，由電光相位調制器將高功率的寬帶高斯白噪聲電信號引入到光場的相位中破壞激光的單色性，實現光譜展寬。通過理論推導計算出相位噪聲和激光光譜的關系，結合OptiSystem軟件和數值仿真研究光譜在不同調制下的演變過程，得到了展寬線寬與載波抑制的表達式，最后搭建出實驗系統獲得了展寬后的激光光譜，并且驗證了調制前后的波長穩(wěn)定性保持不變。實驗結果與理論分析和仿真一致。

仙草中含有豐富的營養(yǎng)物質及具有清暑解渴、抗氧化、抗損傷、抗缺氧、降血壓、降血糖、降血脂、抗菌、消炎、保肝、護肝等多種保健功能。因此，可以利用仙草加工制成仙草凍、仙草降脂茶、仙草涼茶、仙草奶茶、仙草沖劑、新型仙草凝凍劑等多種功能性保健食品。

西北油田采油一廠廠長梅春明說：“西達里亞油田呈現良好的‘逆生長’狀態(tài)，有油價回升的因素，但更主要的是我們在老油田開發(fā)規(guī)律研究、技術創(chuàng)新、管理轉型等方面不斷探索，基本形成應對高折耗率、減緩老油田衰老的綜合方略。”

1 理論分析

1.1 激光光譜與相位噪聲特性

實際的電子器件無法產生完美的白噪聲信號，并且放大電路往往處于一定程度的飽和狀態(tài)，信號的時域統計不會嚴格服從高斯分布；而鈮酸鋰電光相位調制器的半波電壓在不同工作頻率下也存在著線性變化，因此計算和仿真時僅考慮理想情況。假設高斯白噪聲最高截止頻率為fc，功率譜密度為SV(V2·Hz-1)，此時通過調制器將電學的擾動轉換為對激光光場的相位擾動，其功率譜密度SE(rad2·Hz-1)為

E(t)=[E0+a(t)]exp[i(2πν0t+φ(t))]

(1)

式(1)中，E0表示光場的恒定振幅，a(t)和φ(t)分別表示光場振幅和相位的隨機浮動，ν0為中心頻率，t為時間。因為通常情況下振幅浮動對光譜的影響可以忽略不計，此處僅考慮φ(t)。根據維納—辛欽定理，激光的光譜SE(f)可對光場的自相關函數作傅里葉變換得到，即

半個上午過去，恐懼感慢慢消逝，我甚至感到很刺激，很好玩。中間幾乎沒有休息，小解時，他們背對著巷子里的行人，朝著新樓 尿。我是學生，講文明，不好意思站在腳手架上撒野，我撤下來。巷子里有人來往，我抹不開這個臉，向我們的住所飛奔。腳手架上傳來唏噓聲，他們一定在說我“懶驢上磨屎尿多”。我把他們的聲音扔在身后。

在正式建設的過程中，必須制定管理責任制，統一權利和責任。這將使問責制能夠移交給各部門的人員，以提高管理人員在實際管理過程中的積極性，并進一步提高管理效率。此外，管理進程要求個別執(zhí)行管理項目。不能統一的，不得指派專人或者部門負責。這些措施需要重新分配和有效執(zhí)行。

(2)

式(2)中，τ為相位的隨機起伏時間間隔，RE(τ)為光場的自相關函數，其表達式為

RE(τ)=〈E(t)E*(t-τ)〉=

(3)

式(3)中，〈〉表示整體均值，Δφ(t,τ)為τ時刻間隔下的隨機相位改變，由于在計算中可將其視為均值為0的平穩(wěn)高斯隨機漲落過程，因此

(4)

(5)

因此

(6)

基于OptiSystem的仿真分析初步表明，信號的帶寬直接決定了展寬分量的大??；而與β分割線理論相近，當噪聲強度低時，展寬只涉及光譜低功率的邊翼部分，只有隨著強度的提升才能在抑制光載波的同時，得到真正意義上具有更大半高全寬的高斯型光譜。

(7)

將式(7)代入式(2)可知，此時光譜不再表現出單色性，并且其線寬由SF(f)決定。故通過加入相位噪聲可以達到光譜展寬的目的。

此外，由于外部相位調制過程發(fā)生在激光產生之后，因此不會對激光的中心頻率產生擾動。在激光通過一個無損的相位調制器后，光場為[9]

E(t)=E0exp[i(2πν0t+φ(t)+φpm(t))]

(8)

式(8)中，φpm(t)濰所施加的相位調制。此時光譜S(ν)可表示為本征激光光譜與調制所引起的光場漲落功率譜之間的卷積

S(ν)=SE(ν)*Spm(ν)

(9)

exp[-SEfc(1-sinc(2fcτ))]

2.1 喘息兒童RSV陽性率比較 157例研究對象中，感染RSV（RSV+）86例，總陽性率為54.8%，RSV感染與喘息兒童性別及年齡不相關，差異無統計學意義（P＞0.05）；按照哮喘預測指數（API）評判標準，API陽性（API+）89例，API陰性（API-）68例，API+兒童RSV感染率高于API-兒童，差異有統計學意義（P＜0.05），見表1。

1.2 高斯白噪聲相位調制理論

不同功率譜的相頻噪聲對激光光譜會產生不一樣的影響。研究表明，當其單點功率相比于所在頻率較小時會因調制速度過快而只能影響到光譜的低功率邊翼部分。Domenico等報道了一種計算激光線寬的β分割線理論[12-13]，主要通過將激光的頻率噪聲全部近似為白噪聲后，求出截止頻率趨于0和無窮大時相應的激光線型，聯立得到能夠影響光譜半高全寬部分的噪聲功率邊界條件，最后對該有效噪聲面積進行積分即可求出線寬。作為一種針對窄線寬激光本征光譜的擬合計算方法，β算法不可避免的存在誤差，并且很難適用于屬于高斯白噪聲的相位噪聲。但是由β分割線的原理可知，只有提高噪聲信號的功率和帶寬才能夠得到好的光譜展寬效果，因此實驗采用寬帶噪聲的同時，還需要一階甚至多階放大器對信號功率進行放大。

根據激光的半經典理論，激光器的單模輸出光場被定義為一個隨強度和相位波動而不再具有嚴格單色性的光場

By Eq.(9),the mean and standard deviation of wide-lane ambiguity are,respectively,

(10)

由式(11)可知，調制后的光譜中心頻率為ν0，展寬效果取決于fc與SE的值。

由式(9)可知，調制不僅能使光譜展寬，還能夠保持激光出色的頻率穩(wěn)定性。

(11)

式(10)中，Vπ為調制器的半波電壓。將式(10)代入式(7)中得

2 實驗部分

2.1 OptiSystem仿真

經計算可得，光譜的展寬分量線寬Δνb和殘余載波Δpc分別為

圖1 激光光譜展寬系統的OptiSystem仿真模型Fig.1 OptiSystem simulation model of laser spectrum broadening system

圖2 連續(xù)波激光器輸出的激光原始光譜Fig.2 The original spectrum of CW Laser beam

仿真過程中逐步提高系統的調制深度，與此同時觀察調制光譜相應的改變，變化趨勢如圖3所示。當系統處于低調制深度時，光譜整體呈“寶塔型”，僅在低功率部分展寬明顯，最小展寬分量對應2倍的噪聲信號帶寬，且仍然存在有較大的光載波；隨著調制深度的增加，光譜逐漸平滑，展寬和載波抑制效果得以提升，并在最終載波完全消失，獲得了理想的高斯型光譜。

圖3 光譜隨調制深度增加的演變過程Fig.3 The spectrum evolution of laser signal with modulation depth increasing

故在給定的SF(f)下，RE(τ)可以表示為[11]

2.2 數值仿真

聯立式(2)與式(11)可以得到高斯白噪聲相位調制下的激光光譜形貌。由于譜型主要由信號帶寬和相位擾動的功率譜密度決定，因此主要分析SE和fc這兩項參數。實際調制中可能存在三種情況：相同信號截止頻率下具有不同的功率譜密度，功率譜密度相同但帶寬不同以及信號總功率相同，但具有不同的帶寬和功率譜密度。

首先對fc作歸一化處理，此時隨著SE的增加，光譜的變化與OptiSystem的仿真結果一致，如圖4(a)所示，由具有高載波分量的“寶塔型”最終變?yōu)檩d波被完全抑制后的光滑高斯譜型，展寬分量也逐漸遞加。而在單位信號功率譜密度下提升帶寬，也會在進一步抑制載波的同時增加展寬分量，如圖4(b)所示。

圖4(a) 不同信號功率譜密度下的光譜Fig.4(a) Spectra of laser beams with different signal power spectral densities

圖4(b) 不同信號帶寬下的光譜Fig.4(b) Spectra of laser beams with different signal bandwidths

鈮酸鋰電光相位調制器都存在一定范圍的工作頻率以及電信號最大輸入功率的限制，因此研究最后一種情況有利于研究者選擇合適的器件參數。由圖4(c)可知，在相同的噪聲信號功率下改變帶寬和功率譜密度的配比，此時殘余載波分量始終保持不變，但是高帶寬能夠實現更大的展寬效果。

直線校中法是中小型船舶軸系安裝與校中常用的一種方法，為了提高直線校中法的校中質量，提出以下改進措施：（1）直線校中法雖然工作效率高，但定位精度不是很高，可采取先拉線后望光的施工工藝，提高軸系中心線的定位精度；（2）改進鏜孔工藝，減小各種誤差，提高艉軸管鏜孔精度；（3）選擇合適的校中地點和時間，減少船體變形帶來的影響；（4）準確定位中間軸的臨時支承位置，合理分配軸系負荷，減少中間軸變形對軸系校中產生的影響；（5）提高軸系各部件加工精度，減少部件變形和加工誤差對軸系校中質量的影響。

圖4(c) 相同信號功率下的不同光譜Fig.4)c) Spectra of laser beams with the same signal power

經過以上研究，對在不同SE和fc的高斯白噪聲調制下的光譜展寬線寬和殘余載波分量進行統計分析，結果如圖5所示。

圖5 不同信號功率譜密度及截止頻率下的展寬分量線寬及殘余載波分量Fig.5 Broad spectral component linewidth and residual carrier fraction of different!signal power spectral densities and cutoff frequencies

在對式(11)進行數值仿真研究前，首先通過OptiSystem軟件搭建了相應的激光相位調制展寬系統[14]，具體模型如圖1所示。連續(xù)波激光器所產生的中心波長為1 550 nm的窄線寬激光進入到相位調制器，該相位調制器由噪聲源提供的高斯白噪聲驅動，噪聲信號帶寬由該模塊的采樣率決定，此處設置為2 THz。改變調制深度主要通過調制器對電信號幅值作歸一化處理后改變其自身在單位電壓下對應的相移實現。調制前后的光譜由光譜分析儀模塊采集，其中激光原始光譜如圖2所示。

(12)

Δpc=e-SEfc

(13)

因此對于高斯白噪聲驅動下的相位調制而言，載波抑制由信號總功率決定，而信號帶寬的大小相較于功率譜密度而言對展寬起到更加重要的作用。

3 結果與討論

3.1 外部相位調制系統

搭建的外部相位調制系統如圖6所示，該系統主要涉及光學部分和電學部分。光學部分包括激光與相位調制器。激光采用光迅科技公司生產的1 550 nm分布式反饋半導體激光器，輸出光功率10 mW，線寬20 kHz；調制器為iXblue公司的鈮酸鋰電光相位調制器，工作帶寬10 GHz，半波電壓3.7 V。電學部分主要包括信號源，放大器以及可調衰減器等。高斯白噪聲源采用NoiseWave公司的NW10G-M信號發(fā)生模塊，帶寬為10 GHz，輸出功率-17 dBm，圖6中綠色波形為噪聲的部分時域圖，幅值統計呈高斯型分布，黃色波形為噪聲的頻譜分析圖，其中處在高于10 GHz的高頻信號功率譜密度會迅速衰減。由于噪聲功率過低，直接驅動調制器無法獲得好的展寬效果，因此需要對信號進行預放大，并在放大鏈路中增加可調衰減器來調節(jié)信號功率，在調制器的電學輸入端口前加入濾波器改變信號帶寬。根據可調衰減器的種類不同，放大鏈路的設計方案可以分為兩種：一種為程控式衰減方案，如Mini-Circuits公司的RUDAT-13G-90，它可以通過USB或RS232串行通信接口與上位機進行通信，從而以0.5 dB的步長實時調節(jié)衰減量，這有利于對噪聲信號進一步施加反饋控制。但是該方法也存在不足，主要為自身存在較大的插入損耗，且在不同頻段的插損有所不同，因此會對白噪聲信號的頻譜質量造成影響。故在使用RUDAT-13G-90可調衰減器時，前置放大由Anritsu公司的G3H84(增益28 dB)與Mini-Circuits的ZX60-14012L-S+(增益12 dB)實現，最終經過具有高飽和功率的ZVA-183W+(增益28 dB)放大輸出，最大輸出功率可達28 dBm以上。該值也是調制器安全工作范圍內的最大輸入電功率。此外還可以使用機械式可調衰減器。由于它的插入損耗很小，因此用另一個ZX60-14012L-S+放大器代替G3H84，并將衰減器放置在ZVA-183W+前，這主要是由于放大鏈路中只有該放大器處于飽和狀態(tài)。調制前后的光譜利用Yokogawa AQ6317C光譜分析儀進行觀測，它在C波段的最高分辨率為0.01 nm。

圖6 外部相位調制系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of external phase modulation system

3.2 波長穩(wěn)定性測試

利用外部相位調制技術進行光譜展寬的優(yōu)勢之一是不會劣化激光的光譜質量，防止了對激光波長穩(wěn)定性造成影響。因此在觀測光譜調制效果前，首先基于掃描式法布里—珀羅共焦腔對調制前后的激光頻率漂移進行測試，測試系統如圖7所示[15]。

法律移植嚴禁“拿來主義”，任何國家的法律都植根于該國特殊的人口、政治、環(huán)境等因素。因地制宜，緊緊圍繞我國經濟可持續(xù)發(fā)展的需要、人民群眾生命健康保障的需要、生態(tài)環(huán)境安全保護的需要，樹立適合我國國情的轉基因食品安全管理指導思想，至關重要。在學習歐盟、日本、美國的過程中不適宜“一刀切”，應該根據我國的國情有所揚棄。

圖7 激光波長穩(wěn)定性測試系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of laser wavelength stability test system

光束經準直透鏡進入共焦腔后會發(fā)生多光束干涉增強，通過信號發(fā)生器對壓電陶瓷施加正弦驅動電壓使腔長發(fā)生周期性變化，從而由光電探測器探測出規(guī)律性的諧振峰，諧振峰在時域上的波動即反映了波長的漂移，具體漂移量可由干涉儀的自由光譜范圍計算得到。測試前首先利用NKT Photonics公司生產的超窄線寬可調諧激光器BASIK X15標定，然后將探測信號輸入至鎖相放大器進行解調，最終以標定結果為基準求得當前激光光譜的漂移特性。激光器預熱后，對其在一小時內的穩(wěn)定工作段進行重復性測試，實驗結果表明調制前后的最大頻率漂移量分別為32.7和29.8 MHz，可以證實調制后的激光仍具有良好的波長穩(wěn)定性。

3.3 激光光譜測量結果

如圖8所示，紅色表示激光的原始光譜，以最大功率電信號驅動下的展寬光譜為藍色虛線表示。由于激光的線寬遠遠小于光譜分析儀的分辨率，因此紅色譜線僅表現為對光脈沖的響應，實際線寬由延時自外差系統測得。而對展寬后的光譜進行測量時，考慮到載波可能未完全抑制的緣故，半高全寬處仍保持不變，以及調制使光譜在各個波長的功率分量整體下降，導致光束經自外差所得的差頻電信號峰值功率過低，淹沒于頻譜分析儀的背景噪聲中難以分辨，無法繼續(xù)使用延時自外差對線寬進行簡單的測量。將信號功率28 dBm，fc=10 GHz以及Vπ=3.7V代入式(10)和式(12)，經計算可得此時展寬分量約為60 GHz，已經達到了光譜分析儀的可分辨范圍，能夠直接進行探測。對調制后的光譜展寬部分作高斯擬合，其線寬為65 GHz，而載波也得到很好地抑制，與理論相一致。

圖8 調制前后的光譜圖對比Fig.8 Comparison of spectra of laser beam with and without modulation

進一步，通過三個截止頻率分別為10.5，6.5和1.5 GHz的低通濾波器調整驅動信號的帶寬，所得噪聲信號由Agilent N9030A頻譜分析儀測得，如圖9(a)所示，相應的調制光譜如圖9(b)所示。以未濾波和經過10.5 GHz低通濾波后的測試結果為例，相較于濾波前，頻率在10.5 GHz以上的信號被基本剔除。盡管這部分信號譜密度較低，但是仍然可以作用到光譜的邊翼部分導致展寬，因此雖然主要的白噪聲信號得以保留，但是光譜在低功率部分的譜寬仍然明顯降低，而之后隨著濾波范圍的增加，調制的展寬效果也會逐漸變弱。

圖9(a) 濾波前后的高斯白噪聲信號Fig.9(a) Gaussian white noise signals with and without filtering

圖9(b) 不同信號帶寬下的光譜圖Fig.9(b) Spectra of laser beam with different signal bandwidths

圖10(a)表示采用機械式可調衰減器時，分別將衰減量設置為0，4，8和12 dB的噪聲信號頻域圖，圖10(b)為對應的調制光譜。盡管由于光譜分析儀的分辨率有限，很難得到準確的殘余載波量，但是可以看出，當衰減提升至4 dB時，光譜展寬雖有所減少，然而殘余光載波分量也同樣降低。展寬部分的微弱減小是由于0 dB下的ZVA-183W+放大器處于飽和狀態(tài)，其放大效果已經不再處于線性區(qū)間，因此前置一個4 dB的衰減器并不會導致其輸出功率發(fā)生等量衰減；同時，由于二者的電信號總功率相差不大，但是0 dB時在時域上呈高斯統計分布的信號波形中更多的成分趨于飽和狀態(tài)，使得隨機相位調制對光場瞬時頻率的影響降低，載波抑制效果也同樣如此[9]。而對于8和12 dB及更高的衰減值，此時光譜分析儀已經很難作出更精細地分辨，因此會與未調制時的激光本征光譜接近。

圖10(a) 不同衰減下的高斯白噪聲信號Fig.10(a) Gaussian white noise signals of different attenuations

圖10(b) 不同信號衰減下的光譜圖Fig.10(b) Spectra of modulated laser beam with different signal attenuations

通過調制器向光場的相位中引入高斯白噪聲能夠對激光光譜進行有效展寬。系統應當選擇較大的工作帶寬以提升展寬效果，盡管這意味著更高的成本，而電信號的功率也應盡可能高，否則當噪聲譜密度相對于頻率較小時，展寬只能涉及功率較低的邊翼部分。光譜由光譜分析儀所測得，雖然受分辨率不足的限制難以進一步地對其進行更高精度表征，但是現有測試與分析表明實驗結果與理論和仿真都能夠保持一致。

4 結 論

基于光譜與光場相位噪聲的關系，從原理上論證了通過高斯白噪聲相位調制展寬激光光譜的可行性，結合OptiSystem和數值仿真得到了不同噪聲帶寬和功率譜密度下光譜的演變過程，并計算出展寬線寬和殘余載波分量的理論表達式。最后搭建了10 GHz的相位調制系統對本征線寬20 kHz的半導體激光器進行調制，通過光譜分析儀觀測了不同濾波和衰減下的光譜。實驗結果表明，外部調制對于激光的波長穩(wěn)定性不會產生影響，而基于高斯白噪聲調制的光譜不包含邊帶和次峰，光載波抑制效果好，且在28 dBm的功率下展寬線寬最高可達65 GHz，是一種優(yōu)秀的光譜展寬方案。