基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术研究

中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用,然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源,很难实现中红外精密光谱测量.本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术,分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性,利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考,基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定.经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz,压窄激光线宽的同时稳定了激光频率,将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h.其中,为了获取长时间稳定的光学反馈,基于PDH技术获取了误差信号,用于对反馈相位的实时伺服控制.

利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

可见光脉冲输入下微通道板光电倍增管的动态范围研究

结合理论分析与实验测试,研究了在可见光脉冲输入条件下频率以及第二片微通道板与阳极之间电势差对微通道板光电倍增管动态范围的影响。研究结果表明:随着信号光脉冲频率的增大,微通道板壁面电荷补充不充分致使阳极输出偏离线性,并逐渐趋于饱和。当输入可见光脉冲宽度为50 ns,频率为500 Hz时,阳极的最大线性输出达到2 V(即40 mA);当输入光频率增加到1000 Hz,阳极输出在1 V(即20 mA)时线性偏离程度达到10%以上;当输入光频率增加到5000 Hz,阳极输出在0.3 V(即6 mA)时线性偏离程度达到约15%。随着第二片微通道板与阳极之间电势差的增大,阳极最大线性输出电压呈现波动性变化而非与其呈线性关系。当第二片微通道板与阳极之间的电势差在200 V左右时,阳极线性输出电压达到峰值,随着电势差不断增大,阳极线性输出电压开始出现波动,在电势差为500 V左右时达到第二个峰值,这主要是由于极板间电场强度与空间电荷效应共同作用的结果。该研究可为提升微通道板光电倍增管的动态范围提供指导,便于其应用于强辐射脉冲测量、激光通信等领域。

里德伯原子幻零波长

原子极化率反映其对外场的响应特性,动态极化率等于零的外场波长称为零极化或幻零(tune-out)波长.里德伯原子的tune-out波长计算较为困难,本文设计室温气室里德伯原子测量装置,基于调幅电磁感应透明(amplitude modulation electromagnetically induced transparency,AM-EIT)光谱技术实现tune-out波长测量.实验采用双光子级联激发制备铯原子里德伯态,利用阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现里德伯原子量子态检测;通过微波频率连续扫描测量里德伯原子AM-EIT信号;在tune-out波长处,邻近耦合能级对目标里德伯态的动态极化为零,原子动态Stark效应相消,AM-EIT信号极弱.我们建立简化三能级模型计算tune-out波长,理论与实验结果基本符合.

高重频声光门控自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术分析研究

为了消除激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)中的自吸收效应,提高元素定量分析的精确度,同时满足工业中便捷分析元素的要求,需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术(self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy,SAF-LIBS)的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术,使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度,并将声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)作为门控开关,从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器(intensified charge coupled device,ICCD)和中阶梯型光栅光谱仪,实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积,降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后,对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明,等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1~50 kHz激光重复频率范围内,Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱,确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下,Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小,在45°处信噪比最高,且在一定的积分时间下,最佳光学薄时间t_(ot)为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下,对Al元素进行定量分析和预测结果表明,Al元素定标曲线的线性度R2为0.982,平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽,同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点,有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。

相敏操控对制备低频双模正交压缩真空态光场的影响

本文提出了利用单边带移频光实现非简并光学参量放大器相敏操控的方案,实验研究了在对非简并光学参量放大器相敏操控过程中,单边带移频光注入的方案和信号光注入的方案对产生的低频双模正交压缩真空态光场的影响.实验结果表明,信号光注入非简并光学参量放大器实现相敏操控过程中,压缩真空态的压缩度随着注入信号光场功率的增加不断减小直至消失.而在单边带移频光注入非简并光学参量放大器实现相敏操控过程中,正交振幅和正交位相压缩真空态的压缩度对注入移频光场的功率变化都不敏感,压缩度几乎不变.采用单边带移频光方案实现稳定的相敏操控,非简并光学参量放大器运转于相敏放大状态达30 min,获得了稳定输出的低频双模正交压缩真空态光场,在傅里叶分析频率为200 kHz测量的正交振幅分量的压缩度为(4.1±0.1)dB,正交位相分量的压缩度为(4.0±0.2)dB.

坩埚底角形状对提拉法生长同成分铌酸锂晶体的影响

铌酸锂晶体集压电、非线性、电光、光折变等效应于一身,同时其物理化学性质稳定,在集成光学领域极具应用潜力。然而,大尺寸铌酸锂晶体生长的热场设计难度大,其中坩埚形状作为热场设计的重要因素,对晶体生长的影响显著。坩埚直径和高度受制于装料量和晶体直径等硬性约束,因此通常通过改变坩埚局部的形状以改善热场。针对坩埚底角形状对大尺寸同成分铌酸锂晶体生长的影响,本研究使用两种底角形状的坩埚进行了四英寸同成分铌酸锂晶体生长实验。通过数值模拟,分析了坩埚底角形状对固液界面附近晶体内和熔体内轴向温度梯度的影响,以及对固液界面下方熔体内温度分布的影响,进而结合晶体生长结果分析了坩埚底角形状对晶体生长的影响。研究表明:坩埚底角形状的变化会引起坩埚侧壁上温差的变化和熔体内温度梯度的变化,并改变熔体自然对流的强弱;与底部斜角坩埚相比,使用底部弧角坩埚时,固液界面附近晶体内和熔体内的轴向温度梯度较大,固液界面下方熔体内的轴向温度梯度较大,自然对流更强。这一研究结果有助于解决晶体生长脊展宽和胞状界面生长等问题。

结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统

光场噪声的有效抑制是开展精密测量研究的基础,特别是现代量子信息科学对光场噪声提出了散粒噪声极限的要求。本工作研究了一种结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统,在边带模型和郎之万方程的基础上,分析了噪声抑制系统输出光场的噪声谱,讨论了光电负反馈回路的透射率、反馈增益以及光学模式清洁器的腔线宽对噪声抑制水平的影响。结果表明,该系统不仅可以有效抑制高频的强度噪声,使其达到散粒噪声极限,而且能够减小特定频率处的强度噪声。此外,引入带通滤波器能进一步扩展噪声抑制的水平和带宽。研究结果为实验研究提供了直接参考和必要基础。

利用单分子光学探针测量幂律分布的聚合物动力学

研究聚合物薄膜纳米尺度的动力学特性对于高性能材料的制备具有重要的意义.本文利用尼罗红单分子作为光学探针吸附在聚丙烯酸甲酯(PMA)聚合物链上,研究该聚合物薄膜的动力学特性.通过单分子散焦宽场荧光成像显微镜技术测量了单分子随PMA聚合物链转动弛豫的三维再取向特性,当环境温度高于PMA的玻璃点温度19 K时,发现处于PMA聚合物薄膜中的单分子光学探针的转动态和非转动态的持续时间概率密度服从指数截止的幂律分布.研究结果表明该温度下PMA聚合物薄膜的纳米环境动力学仍存在空间和时间异构性.

光学相位锁定激光在原子玻色-爱因斯坦凝聚中实现拉曼耦合

采用光学相位锁定环路技术将外腔反馈式半导体激光器锁定到与钛宝石激光器输出激光频率上.锁定后两束激光的差频线宽从MHz降低到Hz量级,同时两束激光的频率差可实现几百兆赫兹到7 GHz的精密调节.锁定的两束激光作用在铷原子玻色-爱因斯坦凝聚的两个基态超精细态=2,1,观测到在两个超精细态之间的拉曼跃迁.该技术可用于超冷原子两个超精细态之间自旋轨道耦合.

具有平带的一维十字型晶格中重返局域化现象

数值研究了在具有平带的一维十字型晶格中引入准周期调制所诱导的重返局域化现象.当参数Δ≠0时,此平带系统等价于存在一个双频率调制的行为.通过数值求解分形维度、平均逆参与率、平均归一化参与率等序参量证明了在一维十字型晶格中随着调制强度的增加会经历2次局域转变,即发生第1次局域化转变进入完全局域相后,继续增加调制强度,一些局域态重新恢复成了退局域化态,进一步增加调制强度,系统将再次进入完全局域化相.最后给出了局域化相图.当参数Δ=0时,此系统仅存在单频率调制.通过解析和数值求解证明了,系统存在解析的迁移率边,但不存在重返局域化.该研究结果为平带系统中重返局域化的研究提供了参考,也为重返局域化的研究提供了新的视角.

光学谐振腔的传输特性

量子噪声已成为当前精密测量应用中的一种重要限制因素,与其相关的问题已成为研究热点.光学谐振腔作为操控量子噪声的一种重要光学器件,其传输特性决定了输出信号噪声的演化特性.本文通过理论分析光学谐振腔输出的强度、相位与频率的对应关系,对比了过耦合腔、阻抗匹配腔与欠耦合腔传输函数、能量传输、噪声传递的频谱特性,证明其具有功率分束、频率滤波、噪声转换等特性,为量子噪声的分析与操控等应用研究提供了基础,将推动精密测量领域的发展.

一维非厄米十字晶格中的退局域-局域转变

本文研究了在具有平带的一维非厄米十字晶格中引入准周期调制所诱导的退局域-局域的转变.通过解析推导和数值分析分形维度和能谱的实复转变,发现在非厄米单平带十字晶格中引入对称的准周期调制会引起扩展相到局域相的转变,而反对称准周期调制能够诱导出精确的迁移率边.在非厄米全平带十字晶格中,对称的准周期调制情况下,系统一直处于局域相,当引入反对称的准周期调制时,系统具有从多重分形相到局域相的转变.该研究结果为非厄米平带的局域化性质研究提供了参考.

基于相干反馈的相敏放大器强度差压缩增强研究

基于原子四波混频的光参量放大器是实现强度差压缩态光场的最有效手段之一.然而,受限于原子蒸气对光场的吸收损耗,其输出的压缩度仍有待提升.光参量放大器输出的非经典光场部分反馈回输入端口,可实现其输出光场量子特性的增强.本文对相干反馈的相敏放大器开展理论分析,研究了其输出光场的强度差压缩与反馈强度、强度增益和损耗的依赖关系.研究结果表明,在无损耗的理想情况下,通过调控反馈强度和位相可实现无穷大的压缩输出.在考虑实际的实验参数条件下,此方案也可在一定的反馈强度范围内和特定的位相条件下,实现显著的压缩增强.本研究结果可为实验实现高质量非经典光场提供有益的参考.

基于新奇物理现象的智能光子芯片

近年来,新材料结构、新理论观点、新器件架构等各个前沿方向的通力合作促使了智能光子学的迅猛发展。具有优异非线性特性的光学平台奠定了光子芯片丰富性能的基础,非厄米拓扑光子学等新理论的引入为高性能片上处理方案开辟了新的可能性,各类光学神经网络架构的新器件也为全光计算及全光大规模集成提供了有效的实现途径。基于上述背景,文章介绍了近年来对于智能光子学发展至关重要的非线性材料、非厄米拓扑光子学以及基于光学神经网络的新器件架构等领域的研究进展,并指出相关研究的发展对于未来更大规模、更高集成度、更复杂计算性能的智能光子芯片的实现将产生深远影响,在全光计算、全光信号处理、量子技术等领域有广泛的应用前景。

二维材料可调光电子器件的发展与应用

二维材料在对称性和能带方面灵活可控,其构建的光电子器件具有高度可调性.近些年,二维材料在光电子器件中的应用取得了显著进展.本文介绍了石墨烯、过渡金属硫化物(如MoS_(2),WS_(2))和黑磷等主要二维材料在可调光电子器件中的研究现状及应用潜力.总结探讨了这些材料的独特物理和化学特性,以及其在光探测器、光调制器和光伏电池中的具体应用.介绍了二维材料在电场、应变和光照等外部条件下展现出的高灵敏度、快速响应和优异的可调光电特性,并展示了基于二维材料的光电子器件在信息技术和能源领域的巨大应用潜力.

随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化

本文数值研究了在一维非厄米的硬核玻色模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象.随着无序强度的增强,系统的能谱统计分布从AI■对称类向二维泊松系综过渡,多体本征态的归一化参与率展示了从有限值到接近零的转变,半链纠缠熵服从体积律到面积律的转变,动力学半链纠缠熵表现为从线性增长到对数增长的转变.数值结果表明,在该模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象的鲁棒性.该研究结果为非厄米系统中多体局域化的研究提供了新的视角.

Development and Application of Ultrafast Circular Dichroism Spectroscopy Techniques

Chirality hold broad applications in life sciences,quantum devices,and various other areas.Traditionally,molecular chirality can be characterized by using steady-state circular dichroism spectroscopy.However,the techniques that can characterize excited state chirality are progressively capturing the public interest as it can provide the dynamic information for chirality generation and transfer.In this review,we focus on the theoretical background and the developmental history of femtosecond time-resolved circular dichroism spectroscopy(TRCD)techniques around the world.Additionally,we provide examples to showcase the utility of these techniques in the analysis of the dynamical molecular chemical structures,the investigation of molecular chirality generation,and the detection of electron spin dynamics in semiconductor quantum dots.

基于微型光学偶极阱中单个铯原子俘获与操控的852 nm触发式单光子源

基于单原子操控的单光子源具有窄带宽、可与同类原子吸收线匹配、基本不受外界环境因素的影响等特点,在量子光学基本问题研究及量子信息处理等方面具有重要价值.本文研究了强聚焦1064 nm基模高斯光束形成的光学偶极阱中铯原子6S_(1/2)|F_g=4,mF=+4>-6P_(3/2)|F_e=5,m_F=+5>循环跃迁的光频移,并在实验上进行了测量.基于共振脉冲光激发俘获在远失谐微型光学偶极阱中的单个铯原子,实验演示了10 MHz重复频率的触发式852 nm单光子源.采用基于单光子探测器的Hanbry Brown-Twiss实验系统,对单光子源的二阶相干度进行了测量,零延时处符合计数值为0.09,实验显示单光子源呈现显著的光子反群聚特性.

宽频带压缩态光场光学参量腔的设计

压缩态光场是量子光学研究中的一种重要量子资源.在量子信息应用中,压缩态光场的频谱带宽是限制信息传输容量的重要指标.目前,光学参量振荡器是产生强压缩度非经典光场最有效的方法之一.本文通过分析输出耦合镜透射率、线宽、阈值功率对简并光学参量振荡器频谱带宽的影响,实验完成了低阈值(18 mW)、宽频带(84.2 MHz)、高稳定(锁定基线标准偏差为0.32 MHz)量子压缩器的设计.结果表明,相比单共振光学参量振荡器,双共振腔型具有低阈值、高稳定的特点,更适合于宽频带压缩态光场的制备与实际应用.