超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

光纤法布里-珀罗传感器曲线拟合解调的新方法

在宽带光源条件下对光纤法布里-珀罗传感器的曲线拟合解调方法进行了详细的理论分析,提出了一种新的曲线拟合方法,并通过仿真的办法给出了算法的具体实现.仿真结果表明,该方法满足了光纤法布里-珀罗传感器腔长的绝对测量以及精度高、计算时间短的要求.     

纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的温度特性

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上,综合运用光学薄膜法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)干涉理论,采用MATLAB 编程设计了纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的仿真分析程序,模拟了薄膜型光纤法布里-珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性,分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重,并进行了实验验证。验证结果表明,传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致,纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系,对传感探头的研制具有指导意义。     

注入型法布里-珀罗腔的衬度增强效应、频谱特性和时间特性

就几种典型的情况,计算注入型法布里-珀罗腔的参数与输出光束参数的关系,法布里-珀罗腔的频谱特性及时间弛豫效应,并指出这些特性在激光光谱研究领域中的应用前景.     

基于模式理论的EFPI传感器输出干涉谱分析

运用模式理论研究分析了单模光纤法布里-珀罗传感器(EFPI)在白光条件下的输出干涉谱,理论推导出反射光干涉光谱的归一化函数表达式,分析得到输出干涉谱受法布里-珀罗腔的腔长和耦合系数的相位变化的共同影响,并与传统几何光学的方法相比较。通过计算机仿真,可以清晰看出各参数与输出干涉谱的关系。其研究结论为高精度和高准确度的法布里-珀罗系统的实现提供了更为精确的理论基础。     

飞秒激光加工的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器

介绍了一种利用波长为800 nm的飞秒激光脉冲在普通单模光纤(SMF)上刻蚀出微型光纤法布里-珀罗干涉(MEFPI)传感器的方法。该方法通过计算机控制就可以进行任意腔长的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器的制作。实验研究了光纤法布里-珀罗传感器的应变和温度特性,结果表明,在0~350με的应变范围内,干涉条纹波长相对于应变的灵敏度为0.006 nm/με,线性度达99.69%;在20~100℃的温度范围内,该光纤法布里-珀罗传感器具有较小的负温度特性,干涉条纹往短波方向漂移了0.15 nm。作为全光纤传感器件,该类型传感器重复性高,成本低廉,易于批量加工,在光传感领域具有较大的潜在应用价值。     

基于光纤开放式法布里-珀罗干涉仪的液体折射率测量

法布里-珀罗(F-P)干涉仪结构的光纤传感器因其结构简单、体积小、高灵敏度等优点得到了广泛的应用,开放式法布里-珀罗干涉仪传感器可对待测液体的折射率进行测量。利用机械切割、飞秒激光击穿等方法可以制成开放式法布里-珀罗干涉仪。利用玻璃焊剂将开放的空心毛细管和两段单模光纤焊接在一起,制成开放式法布里-珀罗干涉仪传感器,并采用交叉相关的信号处理技术实现对待测液体折射率的绝对测量。采用不同浓度的氯化钠溶液进行折射率测量实验,折射率测量分辨率可达到10~(-5) RIU量级,传感器的温度灵敏度为39.59nm/℃。     

面向双气室铯光泵磁力仪的VCSEL稳频研究

在地磁场测量领域中,自激振荡式碱金属原子光泵磁力仪因为快速响应与高精度成为一项重要技术。其中自激式双气室光泵磁力仪无需考虑移相电路带来的信号误差,电路简单。使用垂直腔面发射激光器作为泵浦光源有效降低了磁力仪功耗和体积。针对使用垂直腔面发射激光器的便携式双气室铯光泵磁力仪激光稳频方法进行设计,设计方案包括激光器温度控制电路,光泵磁力仪信号反馈电路,激光器电流源调制与控制电路。将注入电流调制的稳频方法用于双气室光泵磁力仪结构,减小稳频代价的同时具有较好稳定性,温度控制精度达到0.002℃,10秒内波长稳定度达到4.36×10^-10,初步探索了自激式双气室光泵磁力仪集成化与小型化的可能性。     

基于原子自由进动的光缩效应实验研究

在一定磁场下,自旋交换碰撞是原子磁力仪保持相干的一个主要限制因素,直接影响磁力仪能够达到的探测灵敏度。光缩效应可以对自旋交换碰撞展宽进行抑制,之前对光缩效应的观测是基于泵浦激光和射频场连续工作的方式,但会对原子共振展宽产生额外的影响。基于脉冲泵浦式原子磁力仪,通过极大限度地减小原子破坏性碰撞和外磁场空间不均匀性对共振展宽的影响,实现了对光缩效应的直接实验观测和验证。脉冲泵浦的方式有利于原子高极化度的实现,研究光缩效应对探索脉冲泵浦原子磁力仪的灵敏度极限具有重要意义。     

Cs原子磁力仪共振谱线宽度的研究

介绍了Cs原子无自旋交换弛豫磁力仪(Cs-SERFM)的工作原理;分析了Cs泡温度105℃条件下,缓冲气体He的压强对Cs原子横向弛豫及线宽的影响,给出了惰性气体He的最佳压强为350×133.3 Pa;讨论了共振谱线的宽度与温度之间的关系,在105℃时Cs-SERFM谱线宽度仅为3.7 Hz。     

SERF原子磁强计用半导体激光器驱动系统

在无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)原子磁强计中,半导体激光器被用于极化碱金属原子和检测原子极化率,激光器出射光稳定与否直接关系到SERF原子磁强计的灵敏度,为了保证半导体激光器稳定工作,需要高性能的电流和温度控制单元。通过对激光器控制原理进行研究,以温度控制模块MTD415T和电流控制模块MLD203CHB为核心,通过"集成芯片+外部保护/降噪电路+上位机"的方式构建了一套半导体激光器驱动系统,实现了半导体激光器高稳定性的温度和电流控制,温度稳定性优于±5.0 m K,电流稳定性优于±2.1μA,同时相比较商用的控制器,体积大幅度缩小,促进了SERF原子磁强计的小型集成化。     

基于光弹调制的原子磁强计中光信号检测方法

在无自旋交换弛豫原子磁强计中,需要检测极小的旋光角度。基于光弹调制器的偏振调制技术由于其较低的噪声和长时间的稳定性在各种检测方法中是优选的。但光弹调制器的输出信号里包含有大量噪声和高次谐波,严重影响了原子磁强计的性能。针对以上问题分析了基于光弹调制器的偏振调制技术的原理和待检测信号的特性,并提出一种基于双通道数字锁相放大器的原子磁强计微弱信号检测方法。该方法简化锁相放大算法,减小电路复杂度,并能准确地同时检测一次谐波和二次谐波的幅值。理论分析和仿真结果表明,该检测系统工作良好,可以准确地检测微弱信号,误差在0.1%以内。     

铷原子磁力仪最佳抽运光强的研究

为了得到铷原子磁力仪的最佳抽运光强,进而优化原子磁力仪的灵敏度,理论分析了抽运光强与磁力仪的极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系,设计了实验装置。采用自由感应衰减法对直径20mm的铷原子球形气室在不同抽运光强下对应的横向弛豫时间进行测量,并对相应的纵向弛豫时间进行测量,计算出了不同光强下的极化率,通过拟合得到了光强与极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系曲线。结果表明,可在10mW/cm2附近得到系统最佳抽运光强。此研究结果为提高光强利用率并进一步优化铷原子磁力仪的灵敏度提供了指导。     

Ultrasensitive response of a CW dye laser to selective extinction

The sensitivity of a broad-band dye laser to selective intracavity absorption is proportional to the number of oscillating modes. This result is obtained from a rate equation model, taking into account the spectral homogeneity, but spatial inhomogeneity of the laser saturation. An increase of absorption sensitivity by a factor of 10⁵, compared to a single-pass measurement, is observed in an experiment with an iodine vapor absorption cell inside the cavity of a CW dye laser. The fluorescence of an external iodine vapor cell provides a convenient selective absorption monitor.     

Experiment Study of LD Pumped Solid State of D ual- Frequency Laser

Dual-frequency laser resulting from fine detuning twisted-mode cavity is discussed in this paper. Two measurement systems, a Fabry-Perot etalon and a confocal spherical interferometer, are adopted. The former reflects directly the interferogram of multimode and single mode. The latter can judge accurately the mode spectrum of single frequency and dual-frequency laser. Moreover, the experimental results provide the relationship between frequency difference and the angle of the relative rotation of the two quarter-wave plates and agree well with the theoretical analyses. The range of difference frequency is from 50 MHz to 1 GHz.     

激光诱导荧光法测量原子束速度分布

采用双束激光诱导荧光法测量钆原子蒸气束的径向速度及其多普勒宽度分布。采用同位素位移特性进行速度定标 ,使测速装置简单 ,方法简便易行。给出原子束径向速度及其多普勒宽度分布。径向速度随 β 角增加而近似线性减小。多普勒宽度随 β 角增加而近似线性增大     

高重频掺钕钒酸钇激光器双程放大理论研究

为了提高高重频掺钕钒酸钇激光器的放大效率,提出了一种针对Nd:YVO₄单轴晶体的新型双程放大方式,采用法拉第隔离器与Nd:YVO₄晶体旋转45°放置的方式,使得种子激光在往返通过晶体时的线偏方向均为π偏振方向。结果表明,在100W抽运功率下,1W种子激光采用该双程放大方式的输出功率能够达到36.2W,放大效果较之偏振片与λ/4波片组成的双程放大结构提高了41.5%。本研究对以Nd:YVO₄单轴晶体为放大级的弱种子激光放大有重要意义。     

具有三级放大结构的铷蒸气激光系统的优化设计

由于半导体激光泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）的饱和增益较大,因此采用主振荡功率放大器（MOPA）结构对其进行定标放大是实现其高功率化的理想选择。基于端面泵浦DPAL-MOPA系统的微观动力学理论模型设计了铷蒸气DPAL的三级放大系统。另外,分别对长度为3、5、7 cm的三种密闭蒸气池在不同温度条件下的增益特性做了详细的计算与分析,最终确定预放大级的密闭蒸气池长度为3 cm,一级主放大级的为5 cm,二级主放大级的为7 cm。基于这种三级MOPA结构可把功率为50 mW的铷蒸气DPAL种子光放大至1 000 W量级。同时,也评估了采用此设计方案时,整个MOPA系统所产生的自发辐射功率和热功率。该研究对将来实现高功率DPAL提供了设计思路和理论依据。     

纳秒脉冲激光抽运下的铯蒸气电离度研究

为了研究碱金属蒸气电离对半导体抽运碱金属激光器(DPAL)定标放大的影响, 采用适宜于短脉冲激光抽运源的光电流法来测量碱金属蒸气电离度, 并开展了铯蒸气电离度同激光抽运功率密度、碱金属池温度、抽运激光器重复频率之间关系的实验研究。结果表明, 在不考虑热效应的情况下, 即使抽运激光的功率密度高达3×108W/cm2、碱金属池温度150℃、氦气缓冲气压力9.33×104Pa条件下, 铯蒸气的电离度也仅仅达到1%左右; 在碱金属池温度从122℃升高至163℃的过程中, 相对于铯蒸气粒子数密度的显著增大, 铯蒸气电离度的变化非常小。该研究结果对于铯DPAL通过增加抽运激光功率密度和提高碱金属池温度进行定标放大具有非常积极的意义。