基于激光回馈效应的细微单颗粒测量方法

针对其它光学方法对于单颗粒参数测量的不足,提出基于激光回馈效应的细微单颗粒测量方法.该方法利用激光器附加谐振腔内运动的细微颗粒后向散射作用产生的激光回馈效应,通过测量激光器输出光能的变化测量和计算颗粒的尺寸、速度和数量等参数.实验装置采用He-Ne激光器附加凹面全反镜和会聚透镜共焦式设计的附加谐振腔,在共焦测量敏感区首先对于标准尺寸和运动速度的单颗粒测量定标,建立标准对照图谱,再将被测量颗粒的反馈脉冲电压同标准图谱比对得到相关颗粒信息.研究表明,该方法简单易行,重复性好,测量范围为0.2～2000 μm,分辨率达到0.2 μm,测量误差能够达到2%.     

蓝紫光的腔增强空气喇曼光谱

喇曼光谱是一种无损、快速检测物质成分的方法。为了提高监测灵敏度, 对408nm波段半导体激光器的腔增强自发喇曼散射进行了研究。利用输出功率500mW、线宽0.9nm的408nm半导体激光器作激发光, 把激光耦合入共焦球面镜腔, 两面共焦球面镜的反射率分别为96.5%和99.5%, 部分激光返回半导体激光器形成光反馈, 半导体激光器与共焦腔形成共振。对装置的光反馈过程进行了探讨, 并对外腔的模式匹配和频率匹配分别进行了分析。结果表明, 共焦腔内功率达到15W, 功率增强了30倍; 用90°探测构型收集喇曼信号, 完成了空气喇曼信号检测; 1s积分时间, 获得N₂信号900个计数。此共振增强腔大大增强了喇曼散射信号, 有潜力应用于多种气体的在线检测或高灵敏度检测。     

转轴径向运动误差干涉测量的信号处理方法

转轴径向运动误差是转轴的重要误差项之一,严重影响数控机床等转轴相关设备的精度和性能。利用激光干涉配合伺服转轴可以实现转轴径向运动误差的测量,但由于待测转轴和伺服转轴的自身转速不匀、伺服响应延迟、跟踪不稳等原因,干涉测量信号存在持续微幅相位抖动,进而造成非线性误差难以有效修正,相位解算精度不高,测量误差大。针对这一问题,提出一种零值截取-阈值判定的干涉信号处理方法,成功消除了相位抖动的影响。设计并搭建了一套转轴径向运动误差的激光干涉测量装置,针对实测信号的处理结果表明,相比于传统修正方法,文中提出的修正方法使得转轴径向运动误差干涉测量信号解算的重复性由4.8 μm减小到0.2 μm,与标准仪器的对比误差由3.5 μm降为2 μm。     

光腔衰荡法的单波长反射率测量实验研究

分析了反射率光腔衰荡法测量原理的近似条件,讨论了共焦腔的失调特性,计算了腔镜反射率对衰荡信号的影响。在此基础上,为减少OPO激光束的衍射损耗引入的测量误差,选择He-Ne激光作导引光,建立以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置。利用直腔和折叠腔对腔镜和插入镜片的反射率进行了实验测量。直腔方式下测量的均方差小于6×10-6。分析表明,光腔衰荡法只适用于高反镜反射率的测量;在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器,可以提高测量精度。     

大功率外腔半导体激光器的研究

介绍了一种用光栅作为外反馈元件，采用普通大功率半导体激光器管芯作为增益介质的方案。实验中实现了输出功率大于７０ｍＷ，边模抑制比大于３０ｄＢ。并对影响大功率外腔半导体激光器特性的参数进行了分析     

基于激光回馈效应的应力测量系统研究

玻璃材料的内应力直接影响玻璃零件加工质量和光学器件使用寿命,在航空航天、精密光学系统,精密加工等领域受到高度重视,高灵敏度,大测量范围的应力检测技术已经成为当前的研究热点。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法。激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中。由于应力引起的双折射效应,带有应力的样品使外腔分裂为两个“物理长度”,不同的外腔长决定了不同偏振方向的回馈光相位,通过提取相位差信息,可获得应力的大小。从理论上分析了回馈系统中激光器的输出光在正交方向的相位与外腔应力双折射的关系；通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息；最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。该方法具有结构简单、精度高的优势,并且具有应用于玻璃材料生产线、改进制备工艺的潜力。     

LBO倍频1.8 W连续671 nm红光激光器

Nd：YVO4晶体中掺杂的Nd^3 除了1．064μm的受激辐射跃迁外，还可产生1．342μm波段的弱辐射，经腔内倍频，最终可输出671nm的红色激光。报道了一种光纤耦合半导体激光二极管(LD)阵列端面抽运Nd：YVO4晶体，腔内采用Ⅰ类临界相位匹配LBO(LiB3O5)晶体倍频，实现波长为671nm的全固态红光激光器瓦级输出的理论分析和实验结果。采用短三镜折叠腔结构，通过对激光晶体热透镜焦距的估算，用计算机优化设计选取了合适的谐振腔参数，在芯径为400μm的光纤耦合808nm半导体激光二极管阵列抽运下，当注入功率为8W时，获得了波长为671nm的红光基模稳定输出．最高输出功率达1．8W，光-光转换效率达22．5％。     

测量微小粒子高度的显微投影方法研究

在半导体生产过程中,半导体基片在生长制作时表面会存在一些细微突起的结构,这些突起的尺寸通常为微米量级,若突起的尺寸过高,在流水线上被打磨抛光时极易产生不合格的产品,从而影响生产效率。因此,需对平面上单一(或几个稀疏分布的)非球形粒子的高度进行实时在线测量。针对这一问题提出了一种测量微小粒子高度的方法:显微投影法。介绍了基于显微投影法的微小粒子高度测量系统,实现了约100μm高度的单一不规则形状微小粒子的测量。     

分布反馈激光器温度与电流控制研究

为了精密控制分布反馈激光器的温度与电流, 采用数字信号处理芯片, 设计了分布反馈激光器驱动装置。通过该装置设定激光器温度和电流的参考电压, 经数模转换, 再通过温度和电流驱动模块, 馈入并驱动分布反馈激光器, 进行了实验验证。结果表明, 40min内温度变化极差与标准差分别不超过5mK和0.7mK, 电流变化极差与标准差不超过40μA和6μA; 驱动半导体光放大器, 关断时间小于1μs, 具有良好的瞬间响应特性; 该装置具有较高的温度和电流稳定性, 流控模块具有良好的瞬态特性, 能够精密控制分布反馈激光器的温度和电流。该控制装置可用于光腔衰荡光谱研究, 控制分布反馈激光器并驱动光放大器来关断激光。     

电吸收调制激光器集成芯片的高频测试

提出了一种精确测试电吸收调制激光器(EML)集成芯片高频特性的方法。待测芯片制作在带有微带线的热沉上,同时采用光探测器作为光电转换器,二者构成待测双口网络。被测双口网络的一端是共面线,使用微波探针作为测试夹具加载信号,另一端是同轴线,两个测试端口不同,不能采用简单的同轴校准方法校准待测系统。测试过程中采用扩展的开路-短路-负载(OSL)误差校准技术对集成器件的测试夹具微波探针进行校准,扣除了测试中使用的微波探针对集成光源高频特性的影响,同时采用光外差的方法扣除了高速光探测器的频率响应对结果的影响,得到集成光源散射参数的精确测试结果。     

Nd∶YAP/LBO腔内倍频高功率红光激光器

报道了使用三镜折叠腔Nd∶YAlO3 /LBO腔内倍频获得 6 70 7nm激光的研究。通过计算分析光学谐振腔参数 ,设计了较佳的谐振腔参数 ,在平均抽运功率为 1783W时获得了 3 2 6W的 6 70 7nm激光输出     

基于量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量氨气检测

采用基于红外脉冲量子级联激光器的高灵敏光腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy)技术建立了氨气在1027 cm-1(9.7 μm)附近的吸收光谱痕量检测实验装置.使用该装置对人体口腔呼出气体以及超净实验室环境中氨气成份进行了测量和分析,氨气的检测灵敏度达到10 ppb.模拟分析了激光器光谱线宽对测量结果和系统检测灵敏度的影响,随着激光器光谱线宽的增加,测量结果偏低,系统检测灵敏度下降.为了减小光源线宽对测量结果的影响,通过修正曲线对测量数据进行修正,得到了较好的结果.     

A new design approach for fiber DFB lasers with improved efficiency

The standard distributed feedback (DFB) laser optimization method is critically investigated and a new design approach based on the effective cavity length is presented. By applying this method in an erbium-ytterbium co-doped fiber, the pump-to-signal conversion ratio is increased by 40% for the same total device length and pumping conditions. The laser with the proposed design is produced and the theoretical results are verified by the experimental work.     

纳米尺度标准样片光学表征方法的研究

重点研究了纳米尺度标准样片的光学表征方法。采用基于纳米测量机(NMM)的激光聚焦传感器(LFS)和扫描白光干涉传感器(SWLIS)分别对平面尺度的标准样片和台阶标准样片进行了测量、分析与比较。实验结果表明,利用该纳米测量机LFS对标定值为3μm的TGZ1一维栅格样片进行测量,其扩展不确定度为4.2 nm,实现了精确表征。利用SWLIS测量方法对标定值为49.217μm的SHS8-50.0高台阶标准样板进行测量,测量不确定度分析结果为0.065 7μm,实现了采用光学检测技术跨尺度对纳米尺度精密器件和结构进行表征。扩大了基于纳米测量机光学表征方法的应用范围,有利于纳米几何量量值溯源体系的建立。     

SPASER技术的MIM波导放大器特性分析

SPASER是所报道的最小的、第一个在可见光或更宽的波长范围内工作的纳米级的有源器件。采用双稳态方法,将SPASER技术引入到改进的MIM波导结构实现表面等离子波放大器的设计,理论上采用SPASER的激光理论的Bloch方程推导得出:泵浦速率小于阈值时,增益介质反转粒子数保持为0,在泵浦速率大于阈值时,反转粒子数随泵浦速率线性增长;系统的几何特性完全由本征模式函数描述,在给定本征模式下,其性质完全取决于材料参数;选择合适的材料参数,可以使各状态的驰豫特征时间都在亚皮秒量级。模型计算结果表明:改进结构不会改变SPPs的强局域化特性;器件解决了SPASER内反馈造成的表面等离子净增益消除的难题。研究成果可应用到生物传感、波谱检测、显微成像、超快通信等领域。     

1.06 μm激光气溶胶凝聚粒子散射特性

气溶胶是大气电磁环境中的重要组成部分,气溶胶粒子严重影响1.06 m激光的传输特性。单次散射反照率和不对称因子是研究气溶胶中激光传输特性的一个重要参量。基于CCA模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种取向气溶胶凝聚粒子。利用离散偶极子近似方法,数值计算了1.06 m激光入射情况下四种形状气溶胶凝聚粒子的单次散射反照率和不对称因子随入射角变化的值;并分析了尺寸参数对单次散射反照率和不对称因子的影响。结果显示:对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子随尺寸参数的增大而增大,当尺寸参数大于3时,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射。     

基于MOCVD生长的4.6 μm中红外量子级联激光器

中红外量子级联激光器在红外对抗、痕量气体检测、自由空间光通信等领域具有广阔的应用前景,采用MOCVD生长量子级联激光器的方法具有生产效率高、可做再生长、便于多组分生长等优点。报道了可室温连续波工作的中红外量子级联激光器,波长4.6 μm,采用MOCVD生长应变补偿的InGaAs/InAlAs材料。实验探究了不同掺杂对芯片性能的影响,通过优化掺杂浓度提升了器件性能。腔长3 mm,脊宽13 μm的芯片在288 K的温度下,脉冲模式下最大峰值功率达到722 mW,电光转换效率和阈值电流密度分别为6.3%和1.04 kA/cm2,在连续模式下功率输出达到364 mW。文中成功实现了用MOCVD生长中红外量子级联激光器,为中红外波段的激光应用提供了技术支撑。     

主光轴平行于基底的微透镜阵列制作与测试

应用SU-8负性感光胶的独特性能,采用水浴倾斜紫外光刻的方法,优化工艺参数,构造出主光轴平行于基底的球面微透镜阵列,其单个透镜的直径约为200μm。利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)对微透镜的表面形貌及曲率半径进行测量,并搭建光学观测平台,测得透镜焦距并观察成像效果。经观测,所加工球面微透镜具有较好的表面形貌和成像效果。基于此方法加工的微透镜阵列,主光轴平行于基底,因而便于与其他光学系统进行片上集成,完成对光线的聚焦,最终实现光开关、扫描成像等功能。此微透镜阵列也将集成在微流式细胞仪上,用于样本流的荧光检测,可极大提高检测精度。     

基于精密波长计的外腔半导体激光长期稳频系统

为抑制连续激光器的长期频率漂移,以精密波长计为参考频率标准,由计算机控制可实现连续激光无调制稳频.此方法从计算机获取波长计数据,利用数字比例积分微分(PID)计算出输出给激光器的反馈电压值,从而修正激光器腔长、实现激光器频率的锁定.此方法可用于目前商业激光器光谱范围内的任意波长,能在激光器频率可调节范围内任意频率点进行锁定.用此方法实现了对631 nm外腔半导体激光器的锁定,获得了1h频率不确定度为7.4 MHz、长期频率漂移率为±1.1 MHz/h的稳定锁定.     

基于激光位移传感器圆径测量的角度安装误差研究

基于激光位移传感器的工件圆径和圆度测量被广泛应用于工业现场的产品质量检测过程中。文中研究了激光位移传感器的角度安装误差对工件圆径测量结果的影响,并提出校准方法。首先,将定量分析位移传感器的角度安装误差与计算得到的圆径结果的误差之间的关系。其次,提出了一种位移传感器角度安装误差校准方法,该方法可在标准圆圆径未知的情况下,根据不同位置下的3个位移传感器的测量值,精确计算出传感器的角度安装误差。详细说明了该校准方法的建模过程,通过仿真确认角度安装误差校准方法的有效性。最后,利用三坐标测量仪对角度安装误差进行校准。实验结果表明,校准后的圆径测量误差从20 μm提高到1.5 μm。