正交线偏振激光器原理与应用(Ⅱ)--物理现象研究

系统介绍了作者实验室发现的正交线偏振激光的物理现象及对若干问题的理论分析.包括:强烈与中度模竞争之间的转换,即竞争中两个频率之一由振荡到熄灭或从熄灭到振荡的过程;强烈模竞争的频差范围的确定(0～40 MHz左右);双折射双频激光器腔调谐中出现的4种偏振态组合(o光振荡、e光不振荡,o光、e光同时振荡,o光不振荡、e光振荡,o光、e光都不振荡,循环重复);双折射双频激光器频差调谐现象;双折射Zeeman双频激光器的功率调谐、频差调谐特性;正交线偏振激光回馈自混合干涉中两个频率的相互抑制,强度的转移;双折射外腔回馈引入的条纹倍频现象;石英晶体旋光性造成的激光两端偏振方向的差异及随晶片旋转的改变,频率分裂畸变等.     

正交线偏振激光器原理与应用(Ⅰ)--正交线偏振激光的产生机理和器件研究

激光诞生后,出现了两种正交偏振激光器:Zeeman双频激光和四频环形激光陀螺. 而由两个反射镜构成谐振腔的激光器、即驻波激光器,其内放入双折射元件时的物理效应和应用却成为空白. 综述了过去十几年国内外,特别是研究了正交偏振驻波激光原理和器件方面取得的进展. 首先,导出激光频率分裂的公式,并利用了几乎全部的量子光学现象(各种双折射元件及其物理效应)实现了驻波激光器正交线偏振激光振荡. 这些量子光学现象有:晶体石英双折射效应、方解石双折射效应、应力(光弹)双折射效应、光电双折射效应等. 其次,实验中观察发现了若干激光物理现象,如晶体石英旋光性造成的频率分裂畸变,强模竞争发生时的两频率间隔,频率分裂的越级等. 再次,由于原理的限制,传统的Zeeman双频激光器输出的频差不可能大于3?MHz. 为了解决这一问题,实验室制成了几种原理的正交偏振双频激光器件:可输出40?MHz到几百MHz频差的双折射双频激光器;可输出从1?MHz到几百MHz频差的双折射-Zeeman双频激光器和双双折射双频激光器;输出巨大频差(几个GHz)的LD泵浦YAG双折射双频激光器;纵模间隔约为c/4L(普通激光器为c/2L)的激光器等.     

正交线偏振激光器原理与应用（I）——正交线偏振激光的产生机理和器件研究

激光诞生后，出现了两种正交偏振激光器：Zeeman双频激光和四频环形激光陀螺．而由两个反射镜构成谐振腔的激光器、即驻波激光器，其内放入双折射元件时的物理效应和应用却成为空白．综述了过去十几年国内外，特别是研究了正交偏振驻波激光原理和器件方面取得的进展．首先，导出激光频率分裂的公式，并利用了几乎全部的量子光学现象(各种双折射元件及其物理效应)实现了驻波激光器正交线偏振激光振荡．这些量子光学现象有：晶体石英双折射效应、方解石双折射效应、应力(光弹)双折射效应、光电双折射效应等．其次，实验中观察发现了若干激光物理现象，如晶体石英旋光性造成的频率分裂畸变，强模竞争发生时的两频率问隔，频率分裂的越级等．再次，由于原理的限制，传统的Zeeman双频激光器输出的频差不可能大于3MHz．为了解决这一问题，实验室制成了几种原理的正交偏振双频激光器件：可输出40MHz到几百MHz频差的双折射双频激光器；可输出从1MHz到几百MHz频差的双折射-Zeeman双频激光器和双双折射双频激光器；输出巨大频差(几个GHz)的LD泵浦YAG双折射双频激光器；纵模问隔约为c／4L(普通激光器为c／2L)的激光器等．     

中频差Zeeman双折射双频激光干涉系统的实验研究

Zeeman双折射双频激光器能够输出3~40 MHz频差的双频激光,可用作高测速双频激光干涉仪的光源。针对这种激光器的特点,以频差约7 MHz的Zeeman双折射双频激光器为干涉仪的光源,建立了中频差双频激光干涉仪测量系统。经过与商用HP5528A双频激光干涉仪的比对测量实验得出,中频差双频激光干涉仪实验测量系统测量线性度小于0.002%,测量的标准不确定度小于0.1μm,证明了中频差双频激光干涉系统的可行性和针对这种光源采用的设计方案的正确性。     

Pound-Drever-Hall激光稳频系统线性化复频域建模及分析研究

Pound-Drever-Hall(PDH)稳频系统利用了调制光谱技术和外差探测技术,将激光频率锁定在F-P参考腔的中心频率上以实现稳频。鉴频曲线的线性区为PDH系统的频率快速捕获区。在此区域内,PDH误差信号与激光频率差成正比。本文建立了该频率快速捕获区的PDH稳频系统线性化复频域模型,研究了系统的稳定性和稳态误差。F-P参考腔作为稳频基准,其干扰对系统稳频性能影响极大。将F-P参考腔干扰作为噪声源,分析了系统的扰动误差。分析了系统动态性能,研究了频率锁定的暂态响应过程,给出了系统参数设计依据。     

基于乙醇填充的光子晶体光纤温度传感器

提出一种具有独立探头的反射式高双折射光子晶体光纤环镜结构,此结构利用乙醇的热光效应对光子晶体光纤双折射线性调制,双折射的改变引起Sagnac干涉系统光程差的变化,并导致光谱强度在某一温度区间随温度线性变化,实现了温度的高灵敏度测量.此结构克服了传统的环内结构易受外界扰动的缺点,并且使其在实际应用中搭建分布式传感系统成为可能.实验验证了乙醇的折射率随温度的线性变化规律,灵敏度为4.45e-4/℃;验证了填充乙醇后光子晶体光纤双折射与温度的变化规律,灵敏度为0.015 625/℃;验证了在20~40℃之间,输出光强随温度的变化规律,灵敏度为0.003 1 m W/℃.利用琼斯矩阵理论论证了干涉光谱的形成机理,得到干涉谱方程.     

磁流体光子晶体微腔的磁场响应特性

提出了基于磁流体光子晶体的微腔,并对其形成过程进行了理论解释,进而研究了该微腔的传感特性,计算了其光透射特性.分析了薄膜厚度分别为6μm和0.94μm时磁流体光子晶体微腔的磁场响应特性.研究结果表明,随着外加磁场增加,这两种结构的光子晶体谐振峰中心波长分别蓝移了4.130μm和0.076μm;磁场响应的最大灵敏度分别为243 nm/m T和3.8 nm/m T.这种基于微腔的传感系统具有易调谐、制备简单,且灵敏度高等优点,为胶体光子晶体在传感领域的应用提供了新的思路.     

LD泵浦超大频差双频Nd:YAG激光器设计

在分析双折射滤光片选频原理的基础上,设计了一种新型双频绿光激光器并验证了其可行性。在LD泵浦Nd:YAG绿光激光器的驻波腔中插入一块偏振分光棱镜(PBS),使其与倍频晶体KTP共同构成双折射滤光器以实现单纵模运转;同时使p分量和s分量的1 064 nm基频光分别在直线腔和直角腔中以单纵模振荡,经KTP倍频后输出两路正交偏振的532 nm绿光,再由另一块PBS合光即可实现双频绿光输出,其频差范围约为0~180 GHz。     

基于微结构光纤的新型功能器件、异质兼容结构与光电子集成2013年度进展报告

该年度的主要研究内容和预期目标,开展了大量的理论和实验研究工作,该报告中包含的主要研究成果如下:(1)研究了一种简化空芯微结构光纤的传导机制和模式特性,揭示了其传导机理。将荧光(激光)染料填充并复合到了空芯光纤的中心孔中,并结合光纤侧面探测技术提出了一种高灵敏度的、空间分辨的荧光探测技术,实现的浓度探测极限达1p M,较传统方法提高一个数量级以上,为目前报道的光纤基同类技术中的最好值。成果详见Applied Physics Letters 102,011136(2013)。(2)理论分析了选择性填充不同折射率的高折射率功能材料以及不同的选择性填充结构的微结构光纤的模式耦合特性及模式双折射特性,揭示了纤芯模式与高折射率柱模式的耦合特性对光纤双折射特性的调控,实现了具有独特双折射特性的微结构光纤。实现了不同选择性填充结构的高折射率功能材料填充的微结构光纤,实验研究了其Sagnac干涉仪传输光谱和传感特性,揭示了具有不同群双折射特性的微结构光纤Sagnac干涉仪不同的光谱和传感特性,以及传感灵敏度对波长和温度的强烈依赖性,实现了在56.5°C时高达-45.8 nm/°C(112,531 nm/RIU)的温度(折射率)灵敏度,以及19.6 nm/N轴向拉力灵敏度。     

对双折射不敏感的光纤电流传感器系统研究

讨论了双折射对光纤电流传感器稳定性影响，并介绍了一种采用光学偏振控制器、块状玻璃传感头和单光路检测的光纤电流传感器。理论分析和实验结果表明，这种结构的光纤电流传感器能够有效地消除输入、输出光纤及传感头的双折射对系统测量灵敏度的影响，使系统工作稳定可靠。