[2019年IEEE欧洲激光与光电子学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与光电子学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 通过光纤扰动降低散斑噪声以提高机载风激光雷达系统的测量精度

摘要： 多模光纤中相干光的光学引导会在光纤输出端因模式干涉而产生散斑图案。由于该散斑图案对温度、应力等外部扰动以及引导光的偏振和波长变化极为敏感，会引入散斑噪声，从而降低各类光谱与成像应用（如光学相干断层扫描或差分吸收激光雷达）中光纤耦合器件的质量与精度。散斑噪声也被确认为空基直接探测多普勒风激光雷达随机误差的主要来源之一——该仪器是验证首颗星载风激光雷达Aeolus（提供地球垂直风廓线）的关键设备。通过在多模光纤前端集成光纤扰频器，成功大幅降低了内部参考响应波动。该模式扰频器（GiGa Concept Inc.）采用两个反向旋转的步进电机，以毫秒级时间常数对光纤局部进行挤压。光纤在这些运动中产生的压缩与扭转应力会引发局部应力双折射，导致光纤支持的模式去相关化，从而使光纤输出端的光强分布均匀化并减弱散斑噪声。最终内部参考信号的响应波动降至1.1 MHz（米氏散射）和4.2 MHz（瑞利散射），相当于随机风误差分别降低约五倍（0.2 m/s）和两倍（0.8 m/s）。此外，光强波动也减少了55%（米氏散射）和22%（瑞利散射）。因此，散斑图案的平滑化对风激光雷达的测量精度具有重要影响，并证明了光纤扰频器在改善普遍受散斑噪声影响的耦合光纤光谱与成像仪器性能方面的潜力。