基于Fabry-Perot光学干涉腔的真空计量装置研究进展

随着国际单位制向量子化转变,基于光学方法的真空计量技术成为该领域的研究热点,最具代表性的是基于Fabry-Perot光学干涉腔的真空计量方法。介绍了该方法的测量原理,并对以美国NIST、瑞典Umeå和日本AIST等为代表的计量机构的研究进展进行了简要概述。介绍了本课题组研制的1台基于Fabry-Perot光学腔的真空计量装置的结构组成,给出了干涉腔精细度、温度稳定性和激光频率稳定性测试结果,表明,基于Fabry-Perot光学干涉腔的真空计量方法具有高灵敏度和可靠性,可有效促进我国真空计量技术向量子化转变,具有良好的应用前景。

可移动光学超稳腔的研制及其稳定性测试

可移动超稳腔可以减小环境振动对激光稳定性带来的影响,适合振动强度较大的运输条件。本文展示了一种由低膨胀系数玻璃制作的光学谐振腔,并测试了激光锁定到该可移动超稳腔的频率稳定性。支杆固定于金属热屏蔽罩内的机械设计使其具有良好的稳定性和可移动性。采用短延迟自外差干涉法测量了激光器锁定到超稳腔后的线宽,并且借助振动平台测试其稳定性。实验发现锁定后的激光器线宽和振动频率存在线性关系,激光器线宽会随着振动加速度增大出现饱和效应。去除振动时激光线宽可以恢复到无振动时的数值,证实该超稳腔具有较高稳定性。

基于石墨烯膜的光纤Fabry-Perot腔干涉特性分析

针对以新型材料石墨烯为膜片的光纤法珀压力传感器,应用圆薄膜大挠度弹性理论,利用有限元法分析了均布载荷下石墨烯膜的挠度形变;并基于Fabry-Perot干涉仪原理,建立了光纤Fabry-Perot腔压力传感的数学模型.根据石墨烯膜折射率特性,分析了层数、入射光角度等参数对石墨烯膜反射率的影响,获取了腔长损耗以及薄膜挠度形变导致腔长变化而引起的干涉光谱变化规律.仿真结果表明,增加薄膜层数可提高反射率、改善干涉性能;但随着载荷增加,其对挠度形变的影响表现为反向递减效应.8层石墨烯薄膜可获得0.715%的反射率,且当腔长为40μm时,直径25μm薄膜的理论压力灵敏度约为10 nm/k Pa.这为基于多层石墨烯的膜片式光纤压力传感器的设计提供了理论依据.

测量光纤外腔Fabry-Perot干涉仪的白光干涉术

提出了一种基于白光干涉术测量低锐度光纤外腔Fabry-Perot干涉仪(EFPI)的方法·用宽带光源注入F-P腔,在接收端用一高锐度的可调谐光纤F-P滤波器对EFPI的反射光谱进行扫描,获得了周期性变化的光谱输出·为了测量出EFPI的腔长,对光谱信号进行傅里叶变换,得到光谱的周期,由此求出EFPI的绝对腔长·证明了用低锐度EFPI的测量准确度由腔长决定·F-P腔越长,测量准确度越高·在腔长分别是200μm,400μm和600μm时,测量的腔长与实际腔长相同·

利用光学无源腔理论分析法布里-珀罗干涉仪的透射谱

采用光学无源腔理论得到了法布里-珀罗干涉仪的透射谱,并指出当谐振腔的损耗较小时,干涉仪的透射谱可认为是由一列相互独立的透射峰构成,每个透射峰呈洛伦兹线型.这为理解法布里-珀罗干涉仪的工作原理提供了一个新思路.

基于F-P腔干涉的光学温度传感器研究

提出了一种基于石英玻璃两个反射面构成的F-P(Fabry-Perot)腔干涉的光学温度传感器结构,利用其整体反射率随温度变化的原理进行测量。与其他温度传感器相比,该传感器可以直接嵌入到光路中测量光路温度。在理论分析基础上搭建了实验系统,反射光作为温度传感光,透射光作为空间光学实验的实验用光。对实验结果进行了理论分析,总结出经验公式,计算表明:经验公式的计算值与实际温控系统的测量值之间的均方差为s=0. 055℃,能够满足一般空间光光学实验的需要。本传感器具有结构简单、成本低、检测速度快、不受电磁干扰等优点;与光纤光栅温度传感器相比,无需复杂封装、粘贴等工艺,无需专门的解调装置,为空间光学实验的温度检测提供了便利。

光学驻波腔实验系统的设计与实现

以实现腔单模运转为目的,设计了腔长连续可调的光学驻波腔实验系统.为帮助学生更好地理解纵模共振机制和横模模式匹配方法,掌握驻波腔调节的过程,系统采用开放式设计.通过测量驻波由共焦腔变为近共心腔条件下的腔透射谱,探究分析了驻波腔自由光谱区、腔模线宽和精细度等参量随腔长的变化规律,并分析了腔镜的透射损耗对实验结果的影响.

光学反馈腔增强吸收光谱技术中干涉抑制方法

提出了一种降低光学反馈腔增强吸收光谱(optical feedback-cavity enhanced absorption spectroscopy,OF-CEAS)系统中干涉噪声影响的干涉抑制方法.使用Ariy函数分析了透射腔模信号中存在的干涉噪声,研究发现该系统中的干涉信号源自于光束在前腔镜内的多次反射,并通过更换3种厚度不同的平面反射镜进行验证.提出利用Ariy函数拟合得到的干涉信号作为无吸收情况下的背景信号,与测量气体的吸收信号相减直接获得无背景吸收光谱信号.该方法有效避免了OF-CEAS系统中,由于环境因素导致腔体稳定性改变等原因造成的测量误差.最后,基于该方法测量了1.53μm附近的乙炔气体吸收特性,评估系统的探测灵敏度为7.143×10^(-8)(1σ),实验表明该方法在提高OF-CEAS系统的探测灵敏度方面有着很大的应用前景.

包含光学共振腔的干涉光学装置

光学通信系统在通信网络中随处可见。随着通信量的增加,数据传输速率也在增加,而可用的带宽就成了一种稀缺的资源。为了更有效地利用这一资源,人们在光学通信系统中普遍采用了波分多路传输技术。然而,波分多路传输系统需要准确的波段选择、稳定的可调谐激光器或滤波器以及良好的光谱纯度。这些不仅会增加其成本,而且还会增加其复杂性。

激光锁定Fabry-Perot干涉仪精密测量电容

为了实现pF量级小电容的精密测量,建立了基于激光锁定Fabry-Perot干涉仪的精密电容测量系统。对该系统所采用的计算电容原理、激光锁定干涉仪方法及其整数级次确定方法进行了研究。首先,根据Lampard和Thompson电学基本原理介绍了Fabry-Perot干涉仪的结构与工作方式,采用一种锁定干涉仪测量位移的方法。其次,介绍了Fabry-Perot干涉仪的光路设计,详细分析了干涉仪锁定控制系统的工作状态以及锁定状态下干涉仪腔长的抖动情况。通过分析利用电容值确定干涉仪整数级次变化的可行性,提出了基于1 pF标准电容器确定Fabry-Perot干涉仪整数级次的实验过程。最后,介绍了Fabry-Perot锁定干涉仪的台阶式位移过程以及利用该套系统测量电容的重复性。实验结果表明:Fabry-Perot干涉仪在锁定状态下,腔长抖动峰峰值为0.4 nm,测量1 pF标准电容器重复性达到5.0×10^(-9)。

等倾干涉法测量小孔径圆柱形腔特征长度

激光等倾干涉法是一种准确度较高的测量Fabry-Perot腔形式圆柱腔长的方法。对于一些需要进行小孔径腔体长度测量的情况,采用等倾干涉法受到腔体孔径、激光发散角、入射角等各种条件的限制。基于激光等倾干涉原理,分析了腔体孔径、激光发散角和倾斜角,聚焦透镜等对等倾干涉测量的影响,并计算分析了图像采集感光芯片最小的感光范围。计算和实验验证结果表明:对于长度分别为65 mm、80 mm、130 mm和160 mm的圆柱共鸣腔,腔体光学孔径最小半径为2.13 mm;激光发散角不应小于0.8°;感光芯片的感光范围应大于5 mm;同时得到了激光倾斜角和发散角的对应关系。该分析为了用于定程圆柱声学共鸣法准确测量Boltzmann常数的需要,同时可以为小孔径Fabry-Perot腔测量提供一些参考。

用球面共焦Fabry-Perot干涉仪测量微振动

介绍一种光学非接触测量超微振动的方法 ,利用球面共焦 Fabry- Perot干涉仪设计了微振动测量系统 .与传统的测量方法相比 ,该系统具有非接触、高灵敏度、高频响、高空间分辨率等特点 ,便于实现连续、快速、自动化检测 ;根据实验要求 ,设计了腔长 0 .5 m、带宽5 .9MHz的 Fabry- Perot干涉仪 ,并组成测量系统 ;通过实验 ,检测出 5 MHz脉冲压电换能器产生的微振动波形 ;为了克服环境噪声对测量系统的影响 ,采用自动稳腔长的方法 。

Fabry-Perot干涉仪的新应用

阐述了Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ腔的工作原理以及在精细光谱结构研究、激光技术等领域的应用．结合作者的工作，给出了Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ腔在微机械传感器和高速光电探测仪器研制这两个方面的新应用．

矩形腔的等倾干涉原理

依据波动光学关于光的干涉的原理,具体而详细地分析了一种能产生等倾干涉现象的矩形腔干涉装置,推导并讨论了该结构发生等倾干涉的条件及干涉条纹的分布规律。理论推导与实验结果相互印证,文中讨论了这一等倾干涉原理在光学技术的各领域,尤其是在二维微位移光学传感方面的应用前景,并强调了其对光学干涉理论的教学实践与教研内容的扩充与辅助作用。

一种新型薄腔法-珀干涉测速系统研究

本文所关注的激光干涉测速技术主要用于测试在冲击波或爆轰波作用下各种材料样品的自由面速度随时间变化的过程,介绍了基于光学谐振腔的选频特性利用薄腔法-珀干涉仪直接测量高速飞片所引起的多普勒频移从而获得其速度信息的设想,并根据此设想构建薄腔法-珀干涉测速系统的技术路线。最后描述了利用该项测试技术实际测量金属箔电爆炸驱动的Kapton膜飞片速度的实验并对实验结果进行了分析。与其它激光测速装置相比,该干涉仪具有体积小、结构简单紧凑和成本低的特点。

利用LD自混合干涉的光纤Fabry-Perot传感器

提出了基于半导体激光器(LD)自混合干涉原理的光纤Fabry-Perot(F-P)传感器。采用F-P腔模型推导出了LD输出功率、频率与外部光纤F-P腔长变化的理论关系式,分析讨论了这种传感器的分辨率、测量范围、线性度、灵敏度等特性。实验结果与理论分析基本吻合。与现有的外腔式F-P干涉光纤传感器相比,LD自混合干涉光纤F-P传感器具有结构简单、紧凑、易准直等优点。

采用F-P光学腔的外腔半导体激光器锁相稳频方法

针对外腔半导体激光器出射光频不稳定的问题,提出了一种将Fabry-Perot(F-P)光学腔与锁相放大器相结合的稳频方法,将激光器出射光频稳定在F-P光学腔的平均腔长相对应的谐振频率上。信号发生器驱动F-P光学腔的腔长按照正弦规律变化,光电探测器将透过F-P光学腔的光信号转化为电信号,锁相放大器将这一电信号与信号发生器的驱动信号进行混频经低通滤波后得到光学腔谐振信号相位误差。利用这一相位误差信号,通过PID控制器对激光器内腔电流和外腔PZT驱动电压两种不同的反馈方式进行反馈控制,实现稳定的输出光频。理论推导出光学腔谐振信号相位误差与激光器波长变化关系,选用F-P光学腔透射峰值时间间隔τ的标准偏差作为评价频率稳定度指标。通过实验验证,选用外腔PZT驱动电压的反馈方式,能将外腔半导体激光器的光频稳定性提高约80%,该方法具有简单高效的特点,并且可以实现较长时间的频率稳定,也能够适用于不同波长的激光器稳频。

腔QED中利用超导量子干涉仪实现Toffoli门

基于腔量子电动力学技术,提出了利用三能级超导量子干涉仪实现Toffoli门的理论方案.利用超导量子干涉仪与腔场发生耦合,以及与外加经典脉冲发生共振跃迁来实现量子态的演化控制.该方案可以拓展到N比特Toffoli门的实现.最后,讨论了逻辑门的实验可行性,四比特Toffoli门的作用时间约为30 nm,它远小于腔衰减时间和较高能级的能量驰豫时间,从而足以实现量子态的操控.并且随着比特数的增多,Toffoli门作用时间的增幅较慢.

基于三种不同微腔状态的F-P干涉型高灵敏度温度传感器

设计了一种基于法布里-珀罗干涉结构的温度传感系统。分别利用空气、蒸馏水、5%NaCl溶液、无水乙醇、甲醇以及有机硅橡胶作为传感器的温度敏感材料,以提高温度灵敏度。实验结果表明,当腔内介质为空气时,F-P干涉结构的温度灵敏度与腔长成反比;而当液体材料作为腔内介质或固体材料作为F-P型检测探针时,腔的长度几乎不会影响结构的温度灵敏度,因为此时波长漂移的主要原因是材料热光系数的改变,温度灵敏度与材料的热光系数成正比。实验中,甲醇作为热光系数绝对值最高的液体,充满法布里-珀罗腔时温度灵敏度为-564 pm/℃,而固化后的有机硅橡胶直接作为法布里-珀罗型检测探针时温度灵敏度可高达1.15 nm/℃。该温度传感结构具有体积小、重复性好、灵活可塑性强等优点,在温度传感领域具有潜在的应用价值。

有机电致发光的光学微腔效应

有机电致发光器件的Fabry-Perot光学微腔效应导致在一定波长处的发射峰强度增加、宽度压窄,因而在有机彩色显示中受到人们的重视。阐述了有机电致发光的Fabry-Perot光学微腔的发展、微腔结构和微腔效应的各种表现和理论表征。