高相干度中红外超连续谱光源的研究

选用全波段正常色散As_2S_3光子晶体光纤作为非线性介质来消除反常色散区中孤子分裂引起的调制不稳定性所造成的超连续谱相干特性的恶化问题.利用分步傅里叶法数值模拟超短激光脉冲在全波段正常色散As_2S_3光子晶体光纤中的非线性传输和中红外超连续谱的产生.分析脉宽、传输距离、入射峰值功率和初始啁啾对中红外超连续谱光源的带宽、相干特性和平坦度的影响.通过优化泵浦激光参数和光纤参量,在最佳负啁啾C_p=-4、脉宽为50 fs、中心波长为2 800 nm、入射峰值功率为100 W和光纤长度为20 cm时,获得3 dB带宽高达2 484 nm的中红外超连续谱,且具有良好相干度和平坦度.

超连续谱光源对CMOS图像传感器的干扰实验研究

首先介绍了CMOS图像传感器工作的基本原理。以自研的超连续谱光源为干扰源搭建了实验装置,对CMOS器件在强光下的受干扰现象进行了实验研究。获得了不同功率密度水平下CMOS器件输出的光斑饱和图像。以入射到CMOS器件靶面的功率密度3.14×10-3W/cm2为例,对得到的图像数据进行了分析,得到了干扰效果图和像元灰度表,并对产生的原因作出了分析。

基于类噪声脉冲抽运的平坦超连续谱光源

设计了一种由类噪声脉冲抽运的全光纤结构平坦超连续谱光源。在色散管理掺铒光纤激光器中通过调节腔内偏振态,在泵浦功率为450 mW时,实现了稳定的类噪声脉冲锁模,锁模脉冲的中心波长为1600 nm,脉冲宽度为303 fs。在最大泵浦功率为1 W时,谐振腔直接输出功率为8.6 mW。较低的功率无法有效拓展超连续谱宽度,为此设计一种掺铒光纤放大器进行功率放大,放大器最大输出功率为338 mW,将功率放大后的类噪声脉冲耦合进高非线性光纤以产生超连续谱,超连续谱的20 dB光谱范围为1530 nm~2300 nm,在1736 nm~2134 nm范围内,光谱的平坦度优于0.5 dB。

420～750 nm超连续谱光源和532 nm激光致兔视网膜损伤修复

超连续谱(SC)光源是一种宽光谱、高亮度、眼睛危害大的新光源,有关它致视网膜损伤研究却未见报道。为了观察SC光源致视网膜损伤特点和修复过程,试验将波长420～750 nm的SC光源与532 nm激光进行比较,采用两者平行光入射,在0. 1 s照射时间,3 mm角膜光斑直径条件下,用略高于视网膜损伤阈值的功率照射青紫蓝灰兔视网膜;通过检眼镜和HE染色观察视网膜照后4 h,1、3、7、14 d损伤修复过程。SC光源和532 nm激光致视网膜的损伤在检眼镜下为灰色小圆斑。照后4 h出现视网膜外核层固缩深染,感光细胞外节与视网膜色素上皮层(RPE)粘连;随后RPE层色素增生、损伤的外核层细胞丢失,损伤进行性加重; 3 d后色素细胞开始向外核层和内核层迁移,胶质细胞填充损伤区域。由此可见,波长420～750 nm的SC光源主要损伤视网膜外核层和RPE层,后期色素颗粒和胶质细胞填充损伤区域。其视网膜损伤特点和修复过程与532 nm激光类似。

使用超连续谱M^2因子评价超连续谱光源光束质量

由于超连续谱(SC)光源具有宽谱特性,针对传统方法无法对其光束质量进行全局评价的缺陷,提出SC-M2因子这一参数。使用分步傅里叶法求解广义非线性薛定谔方程,获得超连续谱光源的光谱分布,根据光谱二阶矩方法可得到光谱重心。应用有限元方法获得超连续谱光源的近场空间分布,经自由空间传输之后获得其远场分布。由超连续谱光源的近场、远场分布以及光谱重心,定义SC-M2因子对其光束质量进行全局评价。使用这一方法可对超连续谱光源的光束质量进行全面分析,并且适用于不同超连续谱光源之间的比较。

基于类噪声脉冲抽运的高功率全光纤中红外超连续谱光源

报道了一个基于类噪声脉冲抽运的高功率全光纤结构的中红外超连续谱光源。利用非线性环镜锁模技术,在1966 nm处实现类噪声脉冲激光输出,3 d B光谱宽度为11 nm,脉冲包络宽度为1.4 ns,重复频率为3.36 MHz。将该纳秒类噪声脉冲作为两级单模掺铥光纤放大器的种子源进行功率放大。在此过程中,类噪声脉冲的最大输出功率可达28.5 W,相应的光谱范围为1.9~2.4μm。最后将放大的类噪声脉冲耦合到一段10 m长的氟锆酸盐ZBLAN光纤中,实现光谱的进一步展宽。此时,ZBLAN光纤的最大输出功率为14.3 W,相应的光谱范围为1.9~3.62μm。

非科尔莫哥罗夫湍流下超连续谱光源的传输特性

研究了在非科尔莫哥罗夫湍流下,超连续谱光源的水平传输特性。将超连续谱视为多个窄带光谱分量的叠加。利用互谱密度方法,考虑大气衰减的影响,计算了在不同的湍流内外尺度下,光源的束宽和传输效率随非科尔莫哥罗夫谱α参数的变化关系;以及在不同湍流强度下,束宽和传输效率随光束质量的变化关系。分析结果表明:α参数和湍流的内外尺度会对超连续谱光源的传输特性产生影响。湍流会影响光束束宽,并降低光传输效率;当超连续谱光源的光谱分量为高斯基模时,湍流对其传输特性的影响尤为强烈;而当光谱分量为高阶模时,湍流带来的影响变弱,衍射成为影响传输效率的主要因素。

770～2500 nm超连续谱光源致兔角膜损伤研究

目的研究超连续谱(supercontinuum spectrum,SC)光源角膜损伤病理特点,确定损伤阈值。方法采用波长770~2 500 nm的SC光源,角膜光斑直径0.56 mm,照射新西兰白兔13只的角膜。按照射时间不同分为两个大组:A组,照射时间2 s;B组,照射时间10 s。A、B组再根据照射功率不同再分为4个小组:A1~A4组照射功率分别为1.24 W、1.15 W、1.07 W和1.00 W;B1~B4组照射功率分别为0.93 W、0.86 W、0.80 W和0.75 W。照光后1 h用裂隙灯观察统计角膜损伤斑,计算损伤发生率,采用加权概率单位法统计分析损伤阈值ED50。照光后1 h,用裂隙灯和光学相干断层成像(optical coherence tomography,OCT)观察10 s,0.93 W照射的角膜损伤斑;照光后1 d,角膜取材HE染色观察10 s,0.93 W和1.24 W照射角膜损伤特点。结果SC光源2 s和10 s兔角膜损伤阈值为926 J/cm^2(95%置信区间845~1 137 J/cm^2)和3 330 J/cm^2(95%置信区间2 761~3776 J/cm^2)。照光后1 h,裂隙灯观察阈值水平(0.93 W)角膜损伤斑为均匀的凹坑样小圆斑;OCT观察角膜损伤累及上皮层和浅层基质。照光后1 d,HE染色观察,阈值水平(0.93 W)角膜上皮层增厚和浅层基质细胞核深染;1.5倍阈值(1.24 W)导致角膜上皮层紊乱空泡化,基质细胞核消失,内皮细胞丢失。结论SC光源2 s和10 s兔角膜损伤阈值为926 J/cm^2和3 330 J/cm^2。阈值水平损伤角膜上皮层和浅层基质,略高阈值水平导致角膜全层损伤。

420～750 nm超连续谱光源和532 nm激光致视网膜损伤效应比较研究

目的研究超连续谱(supercontinuum,SC)光源视网膜损伤效应,确定损伤阈值,并与532 nm激光视网膜损伤效应进行比较。方法波长420～750 nm的SC光源和532 nm激光,在0.1 s照射时间,角膜光斑直径3 mm和平行光入射条件下,用损伤阈值附近4个不同功率照射青紫蓝灰兔视网膜。于照射后1 d检眼镜观察视网膜损伤情况,统计损伤发生率,采用加权概率单位法计算损伤阈值ED_(50)。在照射后1 d病理取材进行HE染色,观察SC光源和532 nm激光损伤病理特点。结果 SC光源和532 nm激光视网膜损伤阈值功率分别是15.7 mW(95%置信区间14.7～16.9 mW),13.9 mW(95%置信区间13.0～14.7 mW)。视网膜损伤斑在检眼镜下观察为浅灰色小圆斑,照射后1 d的损伤斑周围有色素沉着。损伤病理特点均表现为外核层细胞核固缩深染,感光细胞内外节膨大空泡化,色素上皮层(retinal pigment epithelium,RPE)色素增加。结论 SC光源(420～750 nm)视网膜损伤阈值为15.7 mW,略高于相同条件下532 nm激光的视网膜损伤阈值(13.9 mW)。

一种超短腔结构的近红外超连续谱光源

超连续谱光源具有光谱宽、亮度高、空间相干性好等优点,在光谱学、生物医学、环境科学以及光电对抗等领域都有着广泛的应用前景。目前产生近红外超连续谱光源的方案主要有两种:一种是利用非线性光纤放大器产生,另外一种是利用脉冲或连续光纤激光器泵浦光子晶体光纤产生。但是,两种方案都存在一定的不足,利用非线性光纤放大器产生超连续谱方案中产生超连续谱的阈值相对较大,且光谱平坦度相对较差;利用脉冲或连续光纤激光器泵浦光子晶体光纤方案中系统结构一般比较复杂,且高峰值功率或高平均功率的光纤激光器价格昂贵,所用光子晶体光纤的长度也相对较长。

基于皮秒脉冲泵浦的5W全光纤超连续谱光源

基于三级MOPA结构皮秒光纤激光器泵浦一段30 m长的国产光子晶体光纤(PCF),实现了全光纤化结构的超连续谱(SC)光源。在PCF与单模光纤(SMF)模场不匹配条件下,通过仔细调节熔接参数,在19 W入射功率条件下实现了最大功率为5 W的稳定超连续输出,系统光-光转换效率为24%。输出能量被很好地限制在纤芯,纤芯光斑为六边形的基模光斑。研究了光谱的演变过程,在最高功率时,对应的光谱短波展宽至600 nm,长波超过1 700 nm。

基于不同宽带非相干光源的甲烷浓度测量研究

目的:研究非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)技术中所应用的不同类型宽带光源的性能差异对系统输出信号的影响。方法:搭建了直径2.54 cm,长30 cm的气池,通入体积分数为99.99%的甲烷气体,分别采用非相干宽带卤素光源和超连续谱光源入射气池,通过光纤准直器耦合出射光进入近红外多模光纤,光纤接入近红外光谱仪测量吸收光谱。结果:两种光源的光学密度谱线对比显示超连续谱光源的光学噪声远大于卤素光源,其主要原因为超连续谱光源内部温度控制欠稳定导致输出功率在频域上出现较大波动造成的基线偏移。结论:相较于卤素光源,超连续谱光源具有光功率高,空间相干性好等诸多优点,但由于温度控制原因所导致的光功率输出不够稳定,导致该光源在IBBCEAS系统中的应用受到一定限制。

基于掺磷光纤的光谱平坦超连续谱输出

超连续谱光源具有光谱覆盖范围宽、空间相干性好等特性,在光学测量、化学检测、生物医疗等领域中有着重要应用。光谱平坦度作为超连续谱光源的关键参数之一,对应用效果具有重要影响。例如,在光学测量等领域,超连续谱光源的光谱平坦度越好,测量结果越准确。为实现光谱平坦的超连续谱输出,研究人员以光纤作为非线性介质开展了大量工作。

超高分辨光学相干层析成像技术与材料检测应用

本文报道了一种超高分辨率谱域光学相干层析成像(SD-OCT)系统.该系统基于超连续谱激光光源并截取部分光谱作为宽带光源,其中心波长为665 nm,光谱半高全宽(FWHM)230 nm.系统轴向分辨率0.9μm,轴向扫描速率28600行/秒,横向分辨率3.9μm,横向视场1 mm,最大成像深度0.6 mm(空气中).利用研制的超高分辨率SD-OCT系统,对不同型号的工业砂纸精细结构进行了成像,并与普通SD-OCT的成像结果进行对比,充分展示了研制系统在材料无损检测中优势.

细胞内分子检测及成像技术研究

针对复杂生物学系统的研究和观测,指出对活体细胞内的分子及其相关事件,以高时空分辨率实现可视化、跟踪和定量处理,采用远场荧光成像是目前细胞内分子检测及成像的主要工具.在述评的基础上,介绍该课题组在活体细胞内分子检测及成像中的荧光显微成像和非标记检测技术的研究进展.围绕提高荧光显微成像分辨率,研究图像信息获取速率高的宽场成像方法,包括结构光照明和单分子定位显微.在结构光照明显微研究中,采用可编程的数字微镜器件代替需要精确移动的光栅对生物样品进行显微成像,获得了超分辨显微成像;在单分子定位显微成像研究中,搭建单分子定位显微成像系统,实测分辨率达到48nm,并获得了HeLa细胞突起中微丝束结构的纳米分辨图像;针对厚样品成像时存在的荧光串扰难题,提出利用双波长空间非相干光干涉照明,理论分析证明,其可实现厚度为35nm半高全宽的单一薄层的轴向选择性激发.在非标记检测成像技术方面,围绕相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti-Stokes Ramanscattering,CARS)方法中存在的问题展开研究.为获得完整的物质分子CARS光谱,利用飞秒激光脉冲泵浦PCF获得超连续谱激光输出同时作为泵浦光和斯托克斯光,实现超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术;通过数值模拟获得优化超连续谱激光输出的时谱结构的实验条件,初步实现了满足实验所需的SC激光光源;通过调节探测光脉冲与SC激光脉冲之间的时间延迟实现时间分辨CARS,达到有效抑制非共振背景噪声,提高系统探测灵敏度的目的.利用超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术,获得多种有机溶液在387～4092cm-1范围内,光谱分辨率达14cm-1的不同分子的CARS光谱信号;通过分析探讨实现超分辨CARS显微成像技术的途径,提出利用双探测光实现纳米分辨的方案.未来研究方向,在荧光显微方面,将结合双波长空间非相干光干涉照明和轴向纳米定位,实现完整细胞三维纳米分辨荧光成像,通过发展高量子效率的小分子荧光开关材料及高灵敏度高帧频的探测器,将单分子定位显微应用到活细胞三维纳米成像和分子追踪上;在非标记成像方面,将重点发展基于CARS原理的单分子检测和纳米成像方法,尤其是基于改进后的超连续谱的超宽带CARS光谱技术和纳米分辨的CARS显微技术.

基于ROF技术60GHz微蜂窝系统的实现

为了实现高速大容量的宽带传输,满足人们对多媒体业务的需求,文中设计了一种改进的60GHz毫米波段的ROF系统。该系统克服了现有ROF系统存在的问题,采用超连续谱光源以及副载波调制技术优化了传统ROF系统的性能。最后介绍了ROF技术在微蜂窝系统中的应用前景。

光子晶体光纤研究与应用

光子晶体光纤是由光子晶体的概念发展而来的一类多孔微结构光纤,是近20年来新型光纤研究的热点。由于具有独特的结构和光学特性,光子晶体光纤在非通讯领域的应用受到广泛关注。对光子晶体光纤的分类、导光机制、制备工艺、光纤特性和研究进展作了综述,介绍了光子晶体光纤在超连续谱光源、光纤激光器、光纤传感器等方面的应用。

3×1宽谱功率合束器数值仿真分析

功率合束器能获得高功率的激光输出,而选择超连续谱激光作为输入光源能获得宽光谱,两者结合的宽谱功率合束器是目前的一个研究热点。文中数值模拟分析了基于超连续谱光源非相干功率合束的3×1宽谱功率合束器。对比分析不同波长合束后传输效率、光束质量的变化。通过对比分析不同波长的仿真结果,评价该种结构的3×1宽谱功率合束器对宽谱光源的合束效果,以期对光纤宽谱功率合束器的制作和使用提供参考。

国防科大侯静:如磐信念点亮“强军之光”

新学期伊始,国防科大光电科学与工程学院研究员侯静,又一头扎入到她钟情的激光世界里,课题攻关、学术研讨、申报国家自然科学基金……10多年心无旁骛地不懈探索与创新,她率领课题组在'超连续谱光源'领域取得一系列重大突破,使我国在该领域一跃进入国际领先行列,相关成果连续两年入选中国光学重要成果。高挑的个头,齐耳的短发,和蔼的脸庞上洋溢着自信的微笑。刚进入不惑之年的侯静,先后主持承担国家自然科学重点基金项目、国家国际科技合作专项和'863'计划等10多个项目研究。作为我国'超连续谱光源'研究领域的知名专家,侯静感到自己的一切已经与'光'紧紧地联系在了一起,科学研究与人才培养似乎成了她生活的全部。