液晶空间光调制器及其在自适应光学中的应用

液晶空间光调制器(LC-SLM)通过对液晶折射率的调制来实现对光程的控制,在自适应光学中起着重要的作用。文章梳理了国内外LC-SLM的发展现状,对LC-SLM的工作原理和相位标定原理进行了详细介绍,针对LC-SLM在自适应光学中的应用,对国内外LC-SLM关键技术研究状况进行了讨论,分析总结了西安理工大学在该领域的实验研究。最后展望了LC-SLM的应用前景。

基于空间光调制器的艾里光束能量调制方法

艾里光束由于具有无衍射、自加速和自愈合等特性,具有重要的应用前景。本文基于空间光调制器可编程特性,提出了一种可调谐的艾里光束能量调制新方法。从理论上深入分析通过在相位图中引入一个可控的调制相位而实现了艾里光束能量调控的方法,并且量化了调制参数与能量调制范围的关系。仿真和实验结果表明通过改变调制相位可以灵活地调节光束能量分布,本文的研究有助于进一步推动艾里光束的应用。

100 kHz弹光调制器多功能调制仿真

针对弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)在超高速全偏振领域的测量问题,研究一种目标频率在100 kHz附近的圆型PEM,由弹光晶体和2个方位角相差45°的压电驱动器组成。通过理论计算弹光晶体谐振频率和压电驱动器振动频率,当二者频率达到一致时,PEM工作在谐振状态,此时PEM的调制效率达到最高。当PEM达到谐振状态并趋于稳定后,调节两压电驱动器驱动电压的幅值与相位,实现纯驻波模式和纯行波模式两种特殊调制,纯驻波模式可实现纯电控制下调制快轴的延迟量和方位角;纯行波模式可实现纯电控制下调制快轴以PEM谐振频率的半频速度高速旋转。最后,利用COMSOL有限元仿真模拟两种调制模式下PEM,验证两种调制状态下的PEM振型及其快轴方向,表明PEM可实现多功能弹光调制,为后续偏振测量提供理论支撑。

弹光调制器动态参数测量与高效驱动匹配研究

为了提高弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)的驱动效率,提出了一种基于PEM动态参数测量的阻抗匹配参数计算方法。理论分析了PEM调制幅度与驱动电压大小的关系,建立了PEM及其谐振匹配网络的等效电路模型,在此基础上推导了PEM谐振驱动电压与各个参数的关系,并设计了针对PEM动态测试的测量系统与验证方法。对谐振频率为44.822 kHz的PEM进行各项特性曲线的理论仿真与试验比较,验证了动态测量系统的可靠性,并通过数值仿真得到PEM最优匹配参数。在最优匹配参数附近选取不同匹配参数,测量实际谐振驱动电压,测量结果与仿真曲线相关性达0.996 4,变化趋势在10μF前基本吻合,且在理论最优匹配参数下,实际谐振驱动电压峰值达510 V,优于其他驱动匹配方法,接近理论最大值,相对误差小于1.16%。通过PEM等效动态参数推算的最优匹配参数,可使PEM达到最大驱动效率。

弹光调制器相频特性分析与稳定控制技术

针对弹光调制器(Photoelastic Modulator,PEM)在高压驱动下的谐振频率漂移问题,研究了一种基于PEM谐振相位跟踪的稳定控制技术。建立了PEM与其谐振匹配回路的等效电路模型,推导了PEM驱动电压的幅频、相频关系,以及PEM谐振频率与驱动电压谐振相位的关系。搭建了PEM控制系统,以初始谐振频率的反馈电压相位为零相位基准,调节驱动电压将反馈电压相位稳定在相位基准值附近,并随谐振频率的变化修正相位基准值,从而使驱动电压频率始终稳定于PEM谐振频率附近。以1/4波、半波的PEM的相位延迟幅值为例,分别进行了时长60 min稳定控制测试,实验结果表明:(1)PEM工作在1/4波状态时,相位延迟幅值δ0标准偏差σδq=0.0014 rad,最大相对偏差为0.58%;(2)PEM工作在半波状态时,标准偏差σδh=0.0013 rad,最大相对偏差为0.32%。

基于FPGA的光弹调制器驱动控制模块设计

随着技术发展,光学检测对检测范围有了更大的需求,利用光弹调制器取代传统的偏振调制器件,具有着光谱范围广、调制频率高等优势。根据在椭偏测量仪中所应用的光弹调制器结构,设计了一种基于FPGA的光弹调制器控制模块,主要包含驱动模块和反馈调节模块两部分,利用DDS技术和数字锁相技术实现了对光弹调制器的稳定驱动控制。经过测试验证该模块可以稳定产生60kHz及450V_(PP)以上的驱动信号,所设计的驱动模块可以满足光弹调制器的控制需求。

基于空间光调制器的激光光束宽度调节装置

为了满足激光产业对光束宽度测量装置的溯源要求,提升激光光束宽度校准能力,针对400~700 nm波段的激光器不同光束宽度校准的需求,设计了一套基于空间光调制器的激光光束宽度可调节装置,用于光束质量分析仪或激光光斑测量仪的校准。实验结果表明该装置在0.1~5.0 mm的宽度范围连续可调;利用部分相干光束抗环境扰动能力强的特点,其短期稳定性达99.5%,长期稳定性达99.1%,优于参考激光器96.8%的短期稳定性和96.3%的长期稳定性。此外,基于空间光调制器优越的光束整形能力,该装置可将输入的非规则光束输出为高斯光束。

基于液晶空间光调制器的附面层效应模拟

为了给航空动平台激光通信的附面层效应校正系统提供验证条件,设计了一种基于液晶空间光调制器来模拟附面层效应的模拟器。首先,从几何光学的角度分析附面层效应,将其等效为负透镜。然后,利用计算机对不同飞行条件下附面层效应与等效负透镜焦距之间的关系进行数值分析仿真。之后在液晶空间光调制器上导入不同焦距透镜的相位灰度图以实现变焦透镜的功能,通过改变变焦透镜的焦距来模拟航空平台不同飞行条件下的附面层效应。最后通过实验验证模拟的准确性,在环境温度下,模拟附面层效应的液晶空间光调制器得到的光斑图像由红外相机拍摄,之后进行图像处理分析实际光斑大小,并与理论计算光斑大小比较,得出误差曲线图。研究结果显示,基于液晶空间光调制器模拟附面层效应引起散斑效应的理论光斑大小与实际光斑大小的均方根误差为0.04375,验证了所提出的方法的可行性和有效性。

一种新颖的基于偏振调制器的无码元走离效应的倍频毫米波光载无线系统

为了克服基于马赫-曾德尔调制器(MZM)的倍频毫米波光载无线系统(Radio Over Fiber,ROF)中的MZM存在的直流偏置漂移问题和ROF中的码元走离效应,本文提出了一种基于偏振调制器(Polarization Modulator,PolM)的无码元走离效应的倍频ROF系统。在中心站,利用PolM产生±1阶边带信号,利用复合射频(Radio Frequency,RF)信号来驱动PolM,实现将下行数据信号仅调制在+1阶边带上。复合RF驱动信号由两路信号合成,其中一路信号由数据信号通过相位调制器调制RF驱动信号形成,另一路信号是由数据信号经电放大器进行放大形成。在基站,利用光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)反射出部分-1阶边带做上行链路的光载波,实现载波重用;利用透过FBG的±1阶边带在光检测器(Photo Detector,PD)中的拍频产生倍频毫米波信号。在误码率为10-9情况下,经20、40和60公里的传输后,下行链路功率代价分别为1dB、1.2dB和1.22dB,上行链路的功率代价分别为0.5 dB、0.8 dB和1 dB。本文设计的方案能有效地克服光纤色散导致的码元走离效应,极大地提高了系统的传输距离,在ROF系统中具有重要的应用前景。

基于HTCC的200 Gbit/s光调制器外壳的研制

研制了一款基于高温共烧陶瓷(HTCC)工艺的光调制器外壳,通过高速端口实现信号的传输。端口的设计采用共面波导结构的水平传输和类同轴结构的垂直传输,通过分析高速信号传输通道的等效电路和在频域上的仿真,实现端口的阻抗匹配,在保证信号完整性的前提下端口可以实现单通道28 Gbit/s的高速信号传输。将相同条件下的差分过孔结构与类同轴结构在频域和时域下展开分析,验证了类同轴结构可以更有效地保证信号完整性。利用探针测试与背靠背结构相结合的方式对样品进行测试,验证了高速端口可以在保证信号完整性的前提下实现单通道28 Gbit/s的高速信号传输速率。将该结构应用在8通道的光调制器外壳上,可以支持200 Gbit/s以上的高速信号传输。

45°双驱动弹光调制高速椭偏测量方法

为解决传统机械旋转补偿器型椭偏仪测量速度较慢问题,提出一种电驱动的双弹光调制的高速椭偏测量方法。通过理论分析并仿真研究45°双驱动弹光调制器工作在纯行波模式下的调制方式。结果发现,当双驱动弹光调制器工作在纯行波模式可实现快轴方向的高速周期性旋转,且相位延迟量为常量。结合椭偏原理,详细研究一种基于双驱动弹光调制的高速椭偏测量理论模型,结果表明,该模型光学周期<10μs,用于实际可真正实现超高速偏光调制。通过研究,有望解决半导体集成电路,微电子和光伏电池等生产过程中薄膜超高速检测难题,对薄膜在线检测、瞬态变化测量具有重要意义和学术价值。

外调制倍频光生毫米波技术的研究进展

目前,随着光电子芯片技术的高速发展,高频毫米波通信已成为目前宽带接入网络中的重要发展技术;因为采用外调制倍频方案的光生毫米波系统兼具收发毫米波信号的高效性和稳定性,且能充分利用现有电信网络中的光纤资源,因此,在实际中具备潜在应用价值。综述了光生毫米波倍频基本原理、典型倍频仿真或实验方案及其相关测试结果的研究进展;考虑到马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)作为倍频光生毫米波的关键电光器件,因此,分析了其中的关键工作参数;最后,对光载无线通信(Radio over Fiber,RoF)系统中光生毫米波技术的应用前景进行了展望。

基于空间光调制器构建二维任意形状的87Rb原子阵列

超冷原子系统是一个纯净的、高度可控的量子体系,可对凝聚态物理、高能物理、天体物理和化学反应等领域的重要物理问题进行量子模拟.构造不同构型的光晶格是模拟多样化的复杂量子系统的一个重要前提.本文采用权重Gerchberg-Saxton算法生成多种形状的光晶格全息图,利用液晶型空间光调制器和高分辨率光学系统,把全息图(动量空间)变换到实空间构造出多种形状的二维晶格阵列,包括简单的三角、六角、正方晶格和更为复杂的蜂巢晶格等,并实现对87Rb超冷原子二维晶格阵列的装载,晶格的最小间距为3μm.这种方法具有通用性强、操控灵活的优势,将有助于拓展光晶格中超冷原子量子模拟的应用.

向列相液晶器件光调制性能研究

液晶的折射率易受外加电压和温度的影响,据此可获得电场和温度可调制器件。为改善液晶器件对光的调制性能,制备了向列相液晶器件,并对其调制性能进行理论模拟和实验研究。首先研究液晶器件的透过光强和相位延迟随电压变化关系,结果显示,相同电压下,增大器件厚度,光强调制曲线的峰谷数增多,相位调制量增大,其中电压在0.8~3 V范围内,相位延迟曲线变化较明显,厚度为4、6和10μm的器件可分别获得约1.21π、1.87π和3.19πrad的相位调制量。其次对厚度为4μm的器件进行温度可调制性能的研究,结果显示,温度从20℃升至45℃时,获得的温度可调制量约为0.29πrad。改变电场或温度均能引起液晶的折射率变化,从而实现对光的调控,适当增加液晶器件厚度可获得较大的相位调制量。研究结果对液晶光调制器件的性能改善及应用具有重要参考意义。

弹光调制器谐振特性研究及其谐振频率自跟踪

弹光调制器是一种由各向同性的弹光晶体和压电晶体组成的高品质因数热机电耦合器件,广泛用于偏振测量、光谱测量等诸多领域。但是在高压谐振状态下,其谐振频率会随着温度变化出现漂移,导致弹光调制器的相位调制幅值不稳定以及驱动效率降低。针对该问题,首先对弹光调制器谐振频率特性进行分析,建立了弹光调制器及其高压谐振驱动电路的复合谐振网络模型,提出了利用谐振网络的幅频特性进行频率跟踪的实现方法,并设计了基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的控制测试系统,实现了谐振频率跟踪以及调制幅度的测量。通过测试验证了该方案可有效进行谐振频率跟踪,提高了弹光调制器的稳定性以及驱动效率,测试时长大于90 min,相位调制幅度的标准偏差为0.83%rad。

二维材料复合光纤调制器件研究进展

随着通信技术的快速发展和广泛应用,光纤通信以其高容量和低损耗的优势,已成为现代信息通信的基础。在光纤通信系统中,光调制器是实现光信号调制的关键器件之一,通常基于块状晶体的电学和光电子学器件。然而,这类器件会影响光在高密度传输过程中的质量,限制了光纤通信实现高速和高容量性能的潜力。为了解决这个问题,研究人员一直致力于开发全光纤器件,可以在不中断光纤传输过程的情况下对光信号进行调制、放大和检测。近年来,设计和制造了许多具有不同结构的新型光纤。其中,二维材料在光调制领域引起了人们的广泛关注,因为它们具有可以增强光与物质之间相互作用的独特性质。基于二维材料复合光纤的光纤型调制器有望为光纤通信带来新的机遇。在本文中,我们将介绍将二维材料与不同结构的光纤进行复合的各种方法,例如光纤端面复合、孔内壁复合、拉锥复合和侧剖复合。这些方法可以有效地整合二维材料和光纤的优势,创造出具有高性能和功能性的新型光调制器。我们还将举例介绍一些基于二维材料复合光纤的光调制器,例如基于MoS_(2)的全光波长调制器、基于石墨烯的电光吸收调制器和基于MXene的热光相位调制器。这些器件可以通过利用二维材料的光学、电学或热学性质来调制光信号的波长、强度或相位。这些器件可以通过改变二维材料折射率的实部和虚部来实现对光信号的调制。此外,我们还将总结二维材料复合光纤调制器在不同领域(如全光、电光和热光)的调制原理、过程和应用。我们将与基于块状晶体器件的传统光调制器进行优缺点比较,并讨论它们在提高光纤通信系统性能和效率方面的潜力。最后,我们将讨论二维材料复合光纤领域所面临的机遇和挑战,并提出未来研究方向和发展前景。

超高速快轴旋转圆形弹光调制技术研究

针对目前广义椭偏测量速度受限问题,提出利用对称性更优的圆形弹光调制器代替机械旋转补偿器实现超高速测量。对弹光调制器内部受力进行理论研究,得到纯行波模式调制条件并利用COMSOL仿真验证。仿真结果表明,当弹光调制器处于纯行波调制模式时可视为一种快轴方向高速旋转的相位调制器。通过建立阻尼弦振动模型分析不同快轴方向下弹光晶体表面振动位移分布,提出一种弹光调制器在纯行波调制模式下的中心支撑方式用于实验。实验结果表明弹光调制器的快轴以f/2的角速率做圆周运动。同时验证了中心支撑方式可确保弹光调制器谐振后所受阻力均匀且最小,达到最佳支撑效果。研究结果可用于后续广义椭偏测量及各类高速偏振调制领域。

空间光调制器模拟光栅产生高阶和分数阶涡旋光束

用空间光调制器模拟叉形光栅的方式产生高阶和分数阶涡旋光束,分离各阶涡旋光束并探究单级特性,探测其拓扑荷数以验证实验方法的正确性。设计了涡旋光束生成光路,编写了产生叉形光栅全息图的计算机程序,利用透射式空间光调制器模拟叉形光栅,以全息图的方式加载到空间光调制器上。调节参数改变全息光栅图样,得到拓扑荷数从1.0到100.0的整数阶与间隔为0.1的分数阶涡旋光束。利用孔径光阑分离出一级衍射,分析其特性并利用干涉法测量其拓扑荷数。实验发现,整数与分数阶光场分布与拓扑荷数为单调关系,拓扑荷数接近100时光束质量显著下降的特性,利用干涉法测得的拓扑荷数与计算全息图设置的参数完全相同。干涉测量结果验证了计算全息方法的正确性。该方法装置简易、参数可调,可为高阶和分数阶涡旋光的产生和应用提供一定的参考。

基于MEMS光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法

基于单片机控制的动态图像显示控制方法主要通过配置单片机参数实现对图像的显示控制,由于数据读写能力较弱,导致电压负荷较大。对此,提出基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法。将PC端输入的文字指令编码转换为光栅光调制器阵列的图像编码,采用异步读写的方式,对USB数据控制器的读写模式进行设计,构建出动态图像显示控制电路模块。在实验中,对提出的方法进行电压负荷的验证,经实验分析证明,利用提出的方法对动态图像进行显示控制,所需的工作电压和吸合电压值较低,对显示器的电压负荷较小。

一种基于薄膜铌酸锂调制器芯片的新型电光调制器

针对传统铌酸锂电光调制器体积大、带宽小等技术问题,提出了一种基于薄膜铌酸锂调制器芯片的新型电光调制器的设计方法,给出了薄膜铌酸锂电光调制器高频传输仿真模型,详细介绍了薄膜铌酸锂电光调制器的高频信号馈入设计、过渡薄膜基板高频阻抗匹配设计,并测试了40 GHz小尺寸薄膜铌酸锂电光调制器的核心指标。测试结果表明:设计的薄膜铌酸锂电光调制器插入损耗、半波电压、3 dB带宽、产品尺寸分别为4.1 dB、3.9 V、40 GHz、30 mm×10 mm×5 mm,比传统铌酸锂电光调制器性能优越。