高速空间相干光平衡探测器结构优化

分析了高速空间相干光平衡探测器的电路结构和噪声性能,明确了平衡探测器的关键技术参数与电路结构之间的关系。采用电阻取样型和双跨阻放大器(TIA)合成型结构设计了两种高速空间平衡光电探测器,并对其性能参数进行了实验验证。实验显示:两种高速空间相干光电探测器均可用于高速空间相干探测,且双TIA型电压合成型平衡探测器比电阻取样型平衡探测器具有更高的探测灵敏度和更好的抗噪声性能。在通信速率为5Gbps,误码率10~(-8)条件下电阻取样型平衡探测器实测最优探测灵敏度为-33.51dBm,双TIA型电压合成型平衡探测器实测最优灵敏度为-43.4dBm。对比Discovery公司通信速率为5Gbps的平衡探测器产品,双TIA型电压合成型探测灵敏度提高了近8dB。结果表明高速空间相干光电探测器的结构研究为创建高灵敏的高速空间相干光通信系统提供了理论基础。     

空间光混频器分光性能的分析与优化

为了进一步提高零差相干光通信系统的接收灵敏度,对空间光混频器的信号光分光比进行了优化。根据零差相干通信系统数学模型,推导了信号光分光比和环路相位误差、通信误码率的数学表达式,经过计算分析可知当光混频器Q支路的信号光满足锁相环要求时,可通过提高I支路信号光分光比来降低误码率和提高接收灵敏度。在分光比优化后光混频效率提高了53.5%,通信探测灵敏度提高了3dB。利用VPI软件进行建模仿真,得到不同分光比下系统的眼图和相位噪声功率。仿真结果显示,探测灵敏度提高了2.83dB。最后,搭建了零差相干光通信桌面实验系统,研究了空间光混频器分光比和系统误码率、锁相环工作的影响规律,当分光比由0.5减小至0.2时,系统误码率由3.53×10~(-9)下降至4.25×10~(-10),当分光比为0.1时,锁相环失锁,误码率为1。实验结果基本符合理论和仿真结果,所得分光比的影响规律和优化结果将为空间零差相干通信系统的研制提供技术参考。     

基于大气光通信偏振PPM的误码率研究

大气光通信误码特性的研究是激光通信系统开发和应用中的关键问题。为了减小在大气光通信PPM调制过程中引起的误码率,提出了一种基于空间光偏振的PPM调制方式。在该调制方式中,信道噪声和探测器噪声是影响误码率的主要因素。利用信道噪声和探测器噪声的特点,本文讨论了探测门限判决和信道偏振角度解调对自由空间光通信系统性能的影响,建立了系统误码率的数学模型,并进行数值仿真。仿真结果表明,当信噪比为0～20 dB时,探测门限判决引起的系统误码率随着信噪比的增大由10°下降到10~(-7),门限阈值为1/2时误码率最低;当探测器噪声功率为10～-20 dBm时,偏振角度解调引起的系统误码率随着探测器噪声功率的降低而降低;在相同噪声功率下,偏振角0°时误码率最高,偏振角90°时误码率最低。     

面向CPT铷原子钟频率合成器优化

采用锁相环频率合成技术产生3.417GHz微波频率并对其优化,相位噪声为-104.75dBc/Hz@100kHz,将优化后的锁相环频率合成器加载到VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser垂直腔面发射激光器)上对驱动电流进行幅度调制,使VCSEL产生具有特定光频差的高度相干双色光,测试原子对±1级边带的多普勒吸收峰,通过改变微波信号的功率从-10dBm到+8dBm,测试在不同温度下改变微波功率对多普勒吸收峰的影响,找到对应工作温度下最佳的微波功率使得铷原子对±1级边带吸收峰最大,测得温度在64℃、65℃、66℃时,最佳微波功率分别为-3dBm、-1dBm、3dBm,为后续CPT(Coherent Population Trapping相干布局囚禁)信号测试奠定基础。     

柔性浅埋物的声-振智能探测

提出一种基于目标检测算法的柔性浅埋物的声-振智能探测方法,将声波激励、激光散斑干涉测振和目标检测算法有机结合,用以柔性浅埋物的大范围快速探测。在论述YOLO系列目标检测算法原理的基础上,选择并优化柔性浅埋物的智能探测网络模型;然后,搭建声-光融合智能探测系统,构建不同柔性浅埋物的激光散斑干涉条纹图数据集;最后,对数据集进行训练和测试,验证该算法用于干涉条纹图识别的可行性。实验结果表明：在给定实验条件下,柔性浅埋物智能探测网络模型的精确率为98.39%,召回率为84.72%,平均识别精度为99.66%。该声-振智能探测方法可以在给定实验环境下对多种柔性浅埋物的激光散斑干涉条纹图进行智能识别,适用于浅层地下柔性掩埋物的大面积快速探测。     

压缩传感用于极弱光计数成像

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题,研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论,利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制,通过单光子点探测器收集光子,以计数形式记录下光强值。然后,利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验,研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后,引入了图像质量评价标准和系统信噪比,分析对比了实验数据。结果表明,当测量数高于信号总维度的19.5%时,系统能完美成像,信噪比可低至2.843 8dB,DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106count/s,成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。     

用于点源透射比测试的光电探测装置设计及检测

采用点源透射比法可以对空间光学仪器的杂散光抑制能力进行测试。设计了一套光电探测装置来解决点源透射比测试中宽动态探测范围和微弱信号探测的难题,并搭建一套检测设备对该探测装置的探测动态范围、微弱信号探测能力进行了检测。光电探测装置采用硅光二极管作为光电转换器件,采用增益分级可调的前置放大电路将硅光二极管的光电流转为电压信号并放大输出。使用单色功率为1 W的RGB三光合一激光器作为光源,选择大量程减光片进行减光,搭建检测设备对光电探测装置相关指标进行检测。分别采用蓝、绿、红光激光器作为光源进行了探测实验,实验结果表明,光电探测装置探测动态范围达到10~(10),弱光探测辐照度为1.74×10~(-7)W/m~2,满足探测动态范围1010,弱光探测阈值10~(-7)W/m~2要求。该套光电探测装置能够满足星敏感器等空间光学仪器的点源透射比法杂散光系数测试要求。     

四象限探测器的特性测试

研究了用四象限探测器检测光斑中心位置时,入射光斑的各种特性和外部环境对象限探测器输出产生的影响。通过理论推导得出了入射椭圆高斯光斑时光斑中心位置与探测器输出的关系公式及检测灵敏度公式;搭建实验系统完成了室内及野外测试实验。实验结果表明,室内环境下探测器具有较高的检测精度与细分能力;在极限灵敏度下通过数字滤波可以使器件具有36细分的能力;测量了象限探测器的电压特性,完成了背景光特性、光斑大小特性、信噪比特性测试实验。野外实验表明,光强闪烁对探测器影响很大,当大气折射率结构常数为10-16时,距离在830 m时器件仅具有7细分能力,距离在12.5 km时基本没有细分能力,已经无法进行光斑检测。     

LiNbO3外调制器的10 Gbit/s光纤传输系统

建立了一个10 Gbit/s光纤传输系统平台,实现了10 G光信号无中继、无误码传输,系统采用了NRZ码、高性能的GaInAsP 多量子阱DFB激光器、LiNbO₃电光调制器。进行了系统的传输实验,得到了系统的各项指标参数,分析了影响系统传输质量的因素,研究了传输系统中的一些关键问题。无中继距离为84 km,采用了CWDM技术对信号进行复用。在误码率为10^-12时,接收机的最小接收光功率可达到-26.76 dBm。系统的功率代价为0.49 dB,没有出现误码率平台。实验还对发送光信号的消光比与接收机灵敏度之间的关系进行了研究,连续观察24 h无误码。     

面向空间引力波探测的弱光探测器性能检测与分析

为了研制出满足未来空间引力波探测需求的弱光探测器,初步进行了弱光探测器性能检测,分析了探测器的响应度、响应带宽、本底噪声等性能指标,以筛选出能满足未来空间引力波探测要求的探测器研制途径和解决方案。首先,根据空间引力波探测太极计划的激光器功率、轨道、星间距等设计方案,推算出太极计划所需探测器的性能指标;然后,与中国电子科技集团公司第四十四研究所、西南技术物理研究所和中国科学院上海技术物理研究所等单位合作研制了3款弱光探测器;最后,利用本课题组研制的低噪外差激光干涉系统对其响应度、响应带宽及本底噪声等指标进行检测,并分析了影响探测器性能指标的因素。实验结果表明:其中两款探测器的响应度优于1.8×105 V/W,响应带宽大于10MHz;3款探测器的本底噪声均低于10pm/Hz@10mHz(0.1mHz～1Hz),信噪比高于20dB。这3款探测器在响应度、响应带宽和信噪比等方面具有满足未来太极计划实验星要求的潜力。     

Note: Coherent detection of terahertz radiation employing a continuous wave optical parametric source

The combination of an all-optical terahertz source with a photoconductive antenna to achieve coherent detection is presented. This approach aims to overcome the frequency limits introduced by optoelectronic terahertz sources commonly used. Here the Gaussian-shaped and linearly polarized terahertz waves are generated by a continuous wave optical parametric oscillator with a power of 3 μW at 1.4 THz. The infrared signal light of the optical parametric oscillator can be used to coherently detect the generated terahertz wave with a photoconductive antenna. As a proof-of-principle experiment we determine the thickness profile of a plastic lens using phase shifting interferometry.     

Measurement of probe displacement to the thermal resolution limit in photonic force microscopy using a miniature quadrant photodetector

A photonic force microscope comprises of an optically trapped micro-probe and a position detection system to track the motion of the probe. Signal collection for motion detection is often carried out using the backscattered light off the probe-however, this mode has problems of low S/N due to the small backscattering cross sections of the micro-probes typically used. The position sensors often used in these cases are quadrant photodetectors. To ensure maximum sensitivity of such detectors, it would help if the detector size matched with the detection beam radius after the condenser lens (which for backscattered detection would be the trapping objective itself). To suit this condition, we have used a miniature displacement sensor whose dimensions makes it ideal to work with 1:1 images of micrometer-sized trapped probes in the backscattering detection mode. The detector is based on the quadrant photo-integrated chip in the optical pick-up head of a compact disc player. Using this detector, we measured absolute displacements of an optically trapped 1.1 μm probe with a resolution of ～10 nm for a bandwidth of 10 Hz at 95% significance without any sample or laser stabilization. We characterized our optical trap for different sized probes by measuring the power spectrum for each probe to 1% accuracy, and found that for 1.1 μm diameter probes, the noise in our position measurement matched the thermal resolution limit for averaging times up to 10 ms. We also achieved a linear response range of around 385 nm with cross talk between axes ?4% for 1.1 μm diameter probes. The detector has extremely high bandwidth (few MHz) and low optical power threshold-other factors that can lead to its widespread use in photonic force microscopy.     

Demonstration of a room temperature 2.48-2.75 THz coherent spectroscopy source

We report the first demonstration of a continuous wave coherent source covering 2.48-2.75 THz, with greater than 10% instantaneous tuning bandwidth and having 1-14 μW of output power at room temperature. This source is based on a 91.8-101.8 GHz synthesizer followed by a power amplifier and three cascaded frequency triplers. It demonstrates for the first time that purely electronic solid-state sources can generate a useful amount of power in a region of the electromagnetic spectrum where lasers (solid state or gas) were previously the only available coherent sources. The bandwidth, agility, and operability of this THz source have enabled wideband, high resolution spectroscopic measurements of water, methanol, and carbon monoxide with a resolution and signal-to-noise ratio unmatched by any other existing system, providing new insight in the physics of these molecules. Furthermore, the power and optical beam quality are high enough to observe the Lamb-dip effect in water. The source frequency has an absolute accuracy better than 1 part in 10(12) and the spectrometer achieves sub-Doppler frequency resolution better than 1 part in 10(8). The harmonic purity is better than 25 dB. This source can serve as a coherent signal for absorption spectroscopy, a local oscillator for a variety of heterodyne systems and can be used as a method for precision control of more powerful but much less frequency agile quantum mechanical terahertz sources.     

A Computer-Based Laser System for the Diagnostics of Hydrogen in Gas Mixtures

A computer-based laser system for the selective diagnostics of hydrogen in gas mixtures based on the coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) method using biharmonic pumping on the basis of stimulated Raman scattering (SRS) is developed. The system includes a generator of single-mode and single-frequency laser radiation with one Nd³⁺:YAG active element, a frequency converter on a KTP crystal, an SRS oscillator on compressed hydrogen, measurement and reference CARS cells, and an optical and electronic system for recording the CARS signal. The system operates under the control of an IBM-compatible computer through a data input/output card based on a PCI bus. The system ensures the selective detection of hydrogen in gas mixtures at a total pressure of 1 kPa with a repetition rate of up to 10 Hz at a sensitivity of 10^–11mol/cm³, which at this pressure approximately corresponds to 20 ppm.     

光学系统探测器上的辐照度的偏振分析

推导出了光学系统探测器上的辐照度误差与入射光以及光学系统的偏振特性之间关系的公式,分析了入射光以及光学系统的线偏振灵敏度对光学系统的探测器上的辐照度的影响,并计算了卡氏望远镜的探测器上的辐照度误差。     

微弱光电信号检测电路设计

光电信号检测与采集电路的性能优劣,直接关系到粉尘浓度测量系统的准确度和精确度。在分析研究了光电检测基本原理和微弱信号检测影响因素的基础上,针对粉尘浓度测量系统中光信号的特点,通过采用差分式测量结构,提高光电探测器供电电源的稳定度,选用低噪声、响应快的运算放大器等措施,设计了一种噪声低、反应快、简单实用的微弱光信号检测电路,成功应用到了某粉尘浓度测量系统上。     

大口径空间光学望远镜重力卸载点布局优化方法

伴随空间光学载荷口径增大,"天地力学环境不一致"导致光学系统在轨像质严重下降,需要地面装调测试过程卸载重力。但定量的卸载点布局分析、优化方法有待完善。首先研究了大口径光学载荷1 g重力下变形机理,分别基于位置闭环和受力闭环,建立优化卸载点布局的数学模型,并通过协同仿真获得卸载点布局优化结果。利用仿真卸载实验验证不同卸载参数下,光学载荷的实际卸载效果。基于位置闭环的卸载方法将高敏感光学组件的位恣平均变化量由370μm、36″改善至72.9μm、0.3″,而基于受力闭环卸载方法的最大相对偏差约为7.4%。基于位置闭环的卸载分析方法可获得更接近0g的卸载效果,但误差敏度极高,不易工程实现。基于受力闭环的卸载方法总卸载率约75%,对卸载残差的敏感度相对较低,可满足半物理仿真实验对力学环境的模拟需求。