基于三矩形谐振腔非通MIM波导的四重法诺传感

为了得到高灵敏度的生物传感器,设计了一种可以激发出四重法诺共振的非通金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导传感器.采用了上下对称结构,由一个竖放矩形谐振腔和两个横放矩形谐振腔与总线波导共同作用而得到了四重法诺共振.采用了有限时域差分方法计算了此结构的传输特性与Z方向的归一化磁场,并详细分析了其法诺共振的产生机理.通过计算结构几何参数调节后的透射光谱,从而得出了四处法诺共振峰透射率和共振位置可以通过改变结构几何参数而获得独立调节.此外还发现在结构中添加不同浓度的葡萄糖溶液可以实现高折射率传感灵敏度(S),获得最高灵敏度2736.98nm/RIU,可以看出此结构对于折射率变化有很高的灵敏度,这为设计和优化纳米级别的折射率传感器提供了新的思路,还可以应用于电路构建前进行性能测试.

高光束质量平-凸谐振腔Nd∶YVO_(4)激光器

采用一种由878.6 nm激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO_(4)晶体,获得高光束质量的1064 nm脉冲激光输出。使用Matlab软件对晶体热透镜焦距进行模拟分析,并通过软件计算选取合适的平-凸谐振腔腔型,缓解热效应的同时获得最佳输出状态。泵浦功率为48 W时获得平均输出功率15.03 W的1064 nm连续光输出。通过磷酸钛氧铷(RTP)电光调Q的方式,在重复频率为10 kHz时获得了稳定的1064 nm脉冲激光输出,最大输出平均功率为8.78 W,动-静转化比为72.9%,脉宽为8.70 ns,光束质量因子为1.2。实验结果表明:利用波长878.6 nm作为泵浦源并采用平-凸谐振腔的方式,有利于缓解晶体的热效应、提高光束质量、获得基模脉冲激光输出。

谐振腔状态对高功率Nd:YAG脉冲固体激光器光束指向稳定性的影响

针对评估高功率固体激光器光束指向角不稳定性的需求,构建了考虑热分布和增益分布的激光光场数值计算模型,分析了谐振腔输出镜和反射镜失谐程度对光束指向稳定性的影响。定义了腔镜转动微扰因子和腔镜移动微扰因子,分别描述腔镜平行失谐和共轴失谐的程度,并在谐振腔光场计算中引入了微扰因子、热效应调制和增益调制。利用该方法研究了高功率Nd:YAG固体激光器在腔镜失谐状态下,谐振腔参数对光束指向稳定性的影响。抽运功率为10000 W,腔镜转动微扰因子和腔镜移动微扰因子分别在1×10^(−4)~50×10^(−4)和1×10^(-7)~50×10^(-7)范围内变化时,激光束指向偏移角均方根值在抽运脉冲时间内的波动范围为1×10^(-6)rad~5×10^(-3)rad。

具有尖锐吸收截面和显著增强电场的等离激元-光子混合谐振腔

研究了由二维光子晶体微腔和金纳米天线组成的等离激元-光子混合谐振腔中光学谐振腔对等离激元谐振腔的额外贡献。研究结果表明:与纯等离激元谐振腔相比,混合体系的吸收截面和电场强度均明显增强。特别地,混合谐振腔的吸收截面谱呈现出类Fano线形和尖峰,可以通过改变金纳米天线的数量或金纳米天线与光子晶体微腔之间的共振波长失谐进行调制。此外,混合谐振腔的电场增强因子比金纳米天线高出3个数量级。可为光热探测和光谱增强研究提供新的平台。

电磁损耗介质对谐振腔TM_(0)模谐振频率和品质因数的影响研究

微波谐振腔作为现代工业微波器件的基本组成部分,在决定器件性能方面起着重要作用。在实际应用中,通常在谐振腔壁涂敷电磁损耗介质以满足设计需求,因此分析这类谐振腔的电磁特性具有一定的理论意义和应用价值。本文基于一个加载电磁损耗介质谐振腔的基本模型,依据模式匹配方法在介质不连续处建立起的匹配关系,得到了计算TM_(0)模谐振频率和品质因数的一般表达式,通过计算第一个谐振模式TM_(01)模分析了损耗介质厚度、种类对其电磁特性的影响规律。计算结果与电磁场仿真软件微波工作室(Computer Simulation Technology Microwave Studio,CST-MWS)仿真结果吻合良好,证明了该算法对于电磁损耗介质加载的谐振腔特性计算与分析是有效的。

双组分织物含水率的微波谐振腔法测量技术

针对染整过程中多组分织物含水率准确检测问题,提出了一套基于微波谐振腔法的织物含水率检测系统。首先,基于Bruggeman-Hanai介电混合模型,结合织物结构特征建立了单组分织物含水率与介电常数的关系模型;通过考虑织物厚度与多组分织物组分配比的影响,建立了双组分织物含水率介电常数模型。接着,开展湿度均匀的纯棉、涤纶、混纺织物的介电常数测量实验,采用贝塞尔拟合方法,得到双组分织物介电常数模型的系数,从而获得了不同材质、厚度、组分配比下织物含水率与介电常数的关系模型。通过比较实验织物样品含水率与理论模型预测结果发现,二者吻合较好,均方根误差小于5%,从而验证了双组分织物含水率介电模型的可行性,为后续纺织品含水率检测提供技术支撑。

微波谐振腔点火装置快速时域有限差分法仿真

在火炮点火或汽车发动机点火中,微波点火装置已成为热门研究方向之一,其中微波谐振腔点火装置是最基本的点火装置。基于谐振腔这一简单电子器件结构,在传统时域有限差分法(fi⁃nite difference time domain,FDTD)基础上提出一种快速时域有限差分法用来对谐振腔进行电磁仿真。新方法将麦克斯韦旋度方程的差分形式写作矩阵形式,将谐振腔的结构、入射波的频率等信息包含在矩阵中。该方法可以通过求解矩阵幂快速求解从而得到目标时间的瞬时电场值,相较传统FDTD,新方法在长时间仿真谐振腔电场分布具有巨大时间优势。仿真实验表明,对于相同的谐振腔,在仿真时间长度大于100000个时间步长时,该方法的时间效率可提高数倍甚至百倍,仿真结果仍然保持与传统方法的一致性。

异质微环谐振腔双稳态及全光存储器应用

提出了一种基于异质集成波导的微环谐振腔,对其双稳态现象进行了研究分析,并将其应用于全光存储功能的实现。异质集成波导具有超高的克尔非线性效应,不受热光效应和载流子响应的限制,在超快克尔非线性效应的支持下,该结构具有快速全光切换的能力。设计了一个高品质因子Q=77565的微环谐振腔,用耦合模式理论模拟了其双稳态现象。在峰值功率为474 fJ,宽度为20 ps的脉冲激励下,该微环谐振腔很好地实现了全光存储功能,并通过波分复用的串联微环结构展示了波长可寻址的四位光存储器。研究了基于超高克尔非线性效应的双稳态现象,为实现超快切换速度提供了可能性,在光存储、光开关、人工智能研究等方面具有一定的参考价值。

基于深度学习的微环谐振腔法诺效应调控

在微腔耦合波导上设计空气孔阵列,结合深度学习调控微腔的法诺线型,实现对微腔传感性能的优化。建立了正向预测网络模型,在24 ms内实现从空气孔阵列结构到微腔透射谱线的预测。结合卷积神经网络与逆向设计实现了对微腔透射谱线的定向调控,预测了不同指标下空气孔阵列的趋势,验证了空气孔阵列结构与微腔透射特性的关系。

基于微纳光纤结型谐振腔的低频水声传感器

通过将谐振腔置入有利于将声压变化有效传导到谐振腔的材料中,可以实现基于光学微纳结型谐振腔的水声传感器。提出了一种基于微纳光纤技术的结型谐振腔水声传感器,其尺寸更小,对于低频信号有出色的探测能力。将直径为3.5μm的光学微纳纤维制备成曲率半径为550μm的结型谐振腔,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜将其以上、下包裹的形式封装到镂空玻璃基底上,完成水声传感器的制备。PDMS具有比SiO_(2)低的折射率,并表现出良好的传输性能。采用PDMS封装谐振腔提高了传感器的品质因数(1.45×10^(4)),也有利于在水下更好地保护谐振腔。采用滤波放大技术来解调接收到的声信号,测试结果表明,该传感器在12.5~100 Hz内的灵敏度均值为-148.6 dB,信噪比均值为40 dB。

基于光注入电流调制弱谐振腔法布里珀罗激光器获取光学频率梳

提出了一种基于电流调制弱谐振腔法布里珀罗激光器在外部光注入下产生光学频率梳的方案,实验研究了关键参量对所产生的光学频率梳性能的影响。在该方案中,首先采用频率为1.6 GHz(激光器弛豫振荡频率)、功率为19 dBm的正弦信号直接电流调制弱谐振腔法布里珀罗激光器,使其进入增益开关状态;进一步引入单光注入以及双光注入以获取高性能光学频率梳。实验研究结果表明:采用单光注入时,在合适的注入光功率条件下,连续变化注入光波长可使产生的光学频率梳的中心波长在1525~1560 nm内实现连续调谐。光学频率梳的梳线数目呈现周期性变化,变化周期为激光器的纵模间距0.28 nm(35 GHz);在给定注入光波长条件下,逐渐增加注入光功率,光学频率梳的梳线数目先在一个较高水平附近振荡,然后急剧下降,最后趋于平缓,而光学频率梳的载噪比呈现先增加后饱和的趋势;在优化单光注入参数条件下,获得了梳线功率在10 dB变化范围内包含49根梳线的光学频率梳。引入额外的注入光构建双光注入,在优化的参数条件下,获得了梳线功率在10 dB变化范围内包含92根梳线的光学频率梳。最后,对单光注入和双光注入以及不同注入波长间距的双光注入所产生的光学频率梳各梳齿之间的相干性进行了分析,发现各种光注入方式下所产生的光学频率梳各梳齿之间均具有强的相干性,其拍频信号中基频的单边带相位噪声均处于−125.0 dBc/Hz@10 kHz左右的水平。

实时双环谐振腔光谱包络拟合

双环级联谐振腔(Cascaded Microring Resonators,CMRR)传感器作为一种新型的光学传感器,因具有高灵敏度、易于集成、功耗小等优点被广泛应用于生物、医学等领域。为了实现CMRR传感器输出光谱的实时数据分析处理,提出了一种基于Python的实时CMRR传感器输出光谱包络拟合方法。首先,利用不同的拟合模型对CMRR传感器输出光谱进行拟合;然后,通过灵敏度误差百分比对不同拟合模型的拟合误差进行比较,结果显示平滑样条拟合法在实时处理CMRR传感器输出光谱过程中表现最佳;最后对不同浓度的NaCl溶液进行实时输出光谱采集处理,验证了CMRR传感器输出光谱实时采集处理程序的可靠性。实验结果表明CMRR传感器的波长漂移量与溶液浓度呈线性关系。通过计算可知CMRR传感器对于盐水的灵敏度约为671.03529 nm/RIU。

基于铝镓砷微环谐振腔的集成量子频率梳

南京电子器件研究所基于自主工艺平台设计并成功研制了铝镓砷(AlGaAs)微环谐振腔量子频率梳芯片(如图1所示),得益于高非线性系数的AlGaAs微环谐振腔结构可实现高亮度的量子光源。该器件最高品质因子(Q)为1.3×10^(5),平均自由光谱范围(Free spectral range,FSR)为201 GHz(如图2所示),覆盖在C波段100 nm光谱范围,可提供大于25对量子关联光子对输出,测量1553.97 nm关联光子单计数(如图3所示)和符合计数,得到光谱亮度为2.1×10^(7)Hz/(mW^(2)·nm),符合偶然比(Coincidence to accidental ratio,CAR)为262(如图4所示),该研究为实现可扩展、全集成的低成本光量子网络及光量子精密测量提供了高亮度的集成量子频率梳光源。

基于谐振腔的超级陶粲装置注入器束团长度与电荷量监测器设计

超级陶粲装置(Super Tau Charm Facility,STCF)是前沿的新一代正负电子对撞机,其对高精度、高亮度的要求对加速器技术提出了重大挑战。由于该装置储存环束流寿命极短且动力学孔径较小,为了保证注入效率,需要精确测量注入束团长度及电荷量等参数,从而监测注入过程,这对束流诊断方法及设备提出了更高的要求。基于谐振腔特征模式信号提取直线加速器束流信息的监测技术具备较高的信噪比,且属于非拦截测量,有潜力满足高品质直线加速器的在线高分辨测量需求。本文针对STCF注入器束流参数及测量需求,进行了谐振腔束团长度和电荷量监测器的物理设计与仿真。利用电磁仿真软件CST(Computer Simulation Technology)建模设计了两个Pill-Box型谐振腔,并对其结构进行优化。仿真结果表明,对于束团长度与电荷量的仿真测量误差分别达到3.3%和0.02%,依据同类型谐振腔式探头的在线测试结果,推算该监测器束团长度测量分辨率有望达到100 fs@1.5 nC,电荷量测量相对分辨率好于0.07%,能够满足STCF的束团长度及电荷量的诊断需求,后续将制作实物以进行在线测试。

全反射棱镜式谐振腔中高斯光束角度误差对本征模式偏振损耗的影响

本文引导学生将“激光原理与技术”课程中所学的高斯光束特性与布儒斯特定律相结合,以全反射棱镜式(TRP:Total Reflection Prism)谐振腔为例,研究了高斯光束在TRP面传输过程中入射角度误差对腔内本征模式偏振损耗的影响,并讨论了腔内本征模式入射角度误差、束腰位置(即束腰到棱镜面的距离)z_(0)和焦参数f等对偏振损耗的影响。结果表明:在一定范围内,随着角度误差的增加,s、p分量偏振损耗增大,最后趋于稳定。同时,对于同一角度误差而言,随着z_(0)和f的增大,s、p分量的偏振损耗减少,且相同的z_(0)和f的增量会引起更小的s、p分量偏振损耗。本文研究结果可对TRP腔内本征模式偏振损耗的降低、腔体结构设计及优化提供一定的理论依据。

加装谐振腔的巴哈赛车进气系统设计

为了提高赛车发动机的充气效率,进而提高发动机的性能,同时兼顾安全性,对小型越野巴哈赛车的进气系统进行了设计。首先依据波动效应计算进气管直径和长度;再依据发动机原机参数在GT-Power仿真软件中建立发动机原机模型,增设谐振腔,依据谐振腔对发动机有效功率的影响,选择出最佳谐振腔直径;最后设计进气口防水部件,使赛车具备较好的防水性能,以面对越野赛道恶劣的环境。

激光陀螺实验中谐振腔调节的分析与讨论

本文在非傍轴近似条件下利用几何光学理论推导了激光陀螺实验中谐振腔大小、反射镜曲率及偏转角度等因素与腔内自再现谐振激光空间位置关系的公式,比较了其与通常傍轴近似下矩阵光学结果的差异,讨论了实验时调节反射镜偏转角度对谐振腔有效腔长、光路面积、陀螺比例因子及激光出光位置的影响规律,对激光陀螺实验中谐振腔的调节有指导意义.

全固态连续拉曼激光器谐振腔结构的设计分析

谐振腔结构参数的选择对激光器性能提升尤为重要。采用ABCD传输矩阵法对连续波全固态拉曼激光器谐振腔的结构设计进行理论分析,详细研究了直线腔和折叠腔两种腔结构中晶体热透镜效应以及腔镜曲率半径、腔长等参数对腔内振荡激光腔模参数的影响。在研究实现振荡基频激光与抽运光斑良好模式匹配的同时,减小拉曼介质中基频激光光斑尺寸,以获得高效率的拉曼转换,提高拉曼激光的输出功率和光束质量。所得研究结果将为优化设计拉曼激光器谐振腔的结构提供参考。

基于不同谐振腔结构的有机微腔激光器的研究进展(特邀)

有机微腔激光器利用有机增益材料和微腔结构的优点,在先进的光学领域中取得了巨大的发展,具有广泛的应用前景。有机微腔激光器通过对增益材料和谐振腔的调控,实现对激光的频率、横向分布特性及模式选择等进行选择性输出。本文对近年来报道的有机增益材料和光学谐振腔的种类及特性进行了归纳,总结了具有不同谐振腔结构的有机微腔激光的研究进展,为进一步拓展有机微腔激光器提供借鉴和启发。

全金属Fabry-Perot谐振腔天线

为实现远距离微波无线能量传输,发射天线应具有耐受大功率、高增益、低损耗和结构简单等优点。针对以上需求,文章设计了一款全金属结构的Fabry-Perot谐振腔天线。整个天线包含全金属腔体,波导馈口和双层金属栅格覆盖层。覆盖层的尺寸为3λ_(0)×3λ_(0),λ_(0)为对应的工作波长。每一层金属栅格都包含9×9个单元。所设计的双层覆盖层可以看作是一种电磁带隙结构,通过优化双层金属栅格单元的厚度和间距,实现了工作频段的宽带化,仿真结果表明其在9.72GHz~10.3GHz之间实现了插入损耗小于3dB的宽频带传输特性。通过电磁带隙结构对馈源辐射出来的微波进行幅度和相位的修正实现增益的提高,仿真结果表明:不加载双层覆盖层时该天线的增益为9.7dBi,加上覆盖层之后增益提高到了17.76dBi。为了验证上述设计和仿真,加工制作了一款全金属结构Fabry-Perot谐振腔天线,实测结果表明:该谐振腔天线在10GHz实现了17.31dBi的高增益,同时在9.51GHz~11.42GHz之间获得了回波损耗大于10dB的阻抗带宽。