全光高灵敏度Bell-Bloom磁力仪的实现和优化

为了克服利用交流磁场激发基态塞曼磁子能级跃 迁的传统光泵磁力仪信号串扰问题,本文报道了一种 基于Bell-Bloom结构的全光铯(Cs)原子磁力仪。利用共振圆偏振光极化基态Cs原子使之产 生磁偶极矩,在 外磁场条件下,磁矩围绕外场进行拉莫尔进动,通过测量线偏振检测光偏振椭圆长轴的变 化周期,可以 实现对外磁场的高灵敏度测量。理论分析了强度调制的Bell-Bloom磁力仪工作原理, 搭建了试验系统, 通过磁力仪参数(抽运激光频率和光强)的优化,在100nT外磁场附近 ,获得了线宽(半高全宽)为22Hz、 每单位带宽信噪比(SNR)达到3.2×10⁴的拉莫尔进动光谱,进而评价该磁力仪物理系统具有100fT/Hz 1/2的本征灵 敏度;闭环测试结果为120fT/Hz1/2,空间分辨率达到1.2cm,且随外界磁场变化的响应时间为300ms。     

一种60GHz毫米波全双工光纤无线通信系统

为了实现有线信号和无线信号的同时传输,采用将有线信号和无线信号分别在两个正交的偏振态中构造混合网络的方法,用非对称输入的双臂马赫-曾德尔调制器来产生无线信号中的毫米波;利用相位调制器实现差分相位键控调制格式,以便在上行链路中实现载波重用有线信号,分别将调制后两个正交偏振态信号耦合到同一光波长上经过光纤传输至基站。在基站处将两个正交偏振态的信号分离,携带无线信号光载波经光电检测放大后由天线传输出去,而携带有线信号光载波分为两路,一路经过平衡检测器检测得到有线信号,另外一路应用到上行链路中实现载波重用。通过OPTICSYSTEM软件进行了理论分析和实验验证,得到了10Gbit/s有线信号和60GHz无线信号通过光纤传输50km后的眼图。结果表明,该方案传输效果很好。     

双平衡式外差探测中的偏振混合误差理论分析

将双平衡式探测方法应用到激光雷达等微弱信号检测领域.首先采用矩阵光学的方法推导了数学理论模型.该数学理论模型不仅可以得出待测信号的频率、强度信息,而且还可以提取出相位和偏振态的信息,弥补了传统单元探测器的不足.分析了偏振分束棱镜等光学元件内部存在的固有缺陷对正交解调信号精度的影响,最后讨论了入射光的偏振度因子所引起的双平衡式探测系统的偏振混合误差.数值仿真结果表明:当偏振光照射在偏振分束器上时,形成的椭圆偏振度在(0,0.02)范围内,所产生的垂直正交因子为0.523.     

偏振正交外差光信噪比监测技术研究

传统偏振方法监测光信噪比的准确性易受偏振模色散和非线性双折射影响,提出了一种新的偏振正交外差监测方法以克服传统偏振监测方法的缺点.该方法通过将信号分成两个支路并控制偏振态达到相对偏振态正交,用偏振正交的两支路信号外差混频消去信号,通过测量保留下来的差拍噪声实现对光信噪比的监测.仿真试验证实,该方法对偏振模色散和非线性双折射引起的信号偏振态变化不敏感.     

偏振无关光纤迈克耳孙干涉型磁场传感器研究

采用琼斯矩阵法分析了法拉第旋转镜消除偏振诱导信号衰落的原理,阐述了基于磁致伸缩的光纤迈克耳孙干涉型磁场传感器基本原理。利用闭环控制工作点的方法,稳定了磁场传感器系统的工作点,然后对该系统进行了检测。结果表明,磁场传感器系统具有良好的稳定性,当外界磁场较小时,输出与外界磁场大小呈线性关系,在幅度为4000nT的交流磁场调制下,相位灵敏度可达1．4×10-3rad／nT,最小可测磁场达0．57nT。     

光载波频率对光纤探测传感系统性能的影响分析

光载波频率对光纤探测传感系统性能有重要影响,为了获得更优的光纤探测传感系统性能,对光载波频率与光纤探测传感系统性能之间的关系进行研究,分析光载波频率解调原理发现频率发生变化导致偏振态退化问题实,然后对比光载波最佳干涉信号与实际干涉信号,得到偏振态退化导致系统输出信号可见度降低结论,利用琼斯矩阵法得到两个探测器的干涉信号相位误差,相位误差引入信号时延时,将严重影响传感系统定位性能,最后通过具体实验验证了结论的正确性。     

线偏光全息的正交再现

报道了正交线偏光全息中的正交再现现象.所谓的正交再现,指的是衍射光的偏振态与记录信号光的偏振态是正交的.基于新发展的张量偏光全息理论,分析了正交再现的条件;搭建实验平台,在实验上观察到正交再现现象.通过定量分析与多组实验,可以得出当衍射光实现正交再现时,其功率大小与记录过程中信号光和参考光的干涉夹角有关.实验结果和理论...     

磁致伸缩材料被覆保偏光纤磁场传感研究

通过直流磁控溅射镀膜,将磁致伸缩材料———铽镝铁被覆在一段去掉保护层的保偏光纤上,得到铽镝铁被覆保偏光纤结构的磁传感单元。采用保偏光纤及保偏光纤器件,建立马赫-曾德尔光纤干涉仪,将铽镝铁被覆保偏光纤结构的磁传感部分接在干涉仪的一臂中间,另一臂中接入保偏光纤绕制的压电陶瓷调制器进行光纤干涉系统的相位控制。该系统通过压电陶瓷调制器将相位控制在正交工作点上,解决了系统的相位衰落;全保偏光纤结构有效控制了系统偏振诱导的信号衰落,实现了系统对信号的稳定检测。实验得到了系统在不同大小直流偏置磁场作用下的磁场响应特性,结果表明,较大直流偏置磁场可使系统响应灵敏度提高约20倍,最小可测的交流磁场信号达到2.2×10-8T。     

双Mach-Zehnder光纤干涉仪中的模拟退火偏振控制算法

基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的分布式光纤油气管道安全检测及预警系统运行时,由于光纤等效双折射和输入偏振态扰动的影响,常出现相位偏移而导致用于报警定位的两路检测信号相关性下降而产生定位误差。本文提出基于双臂检测信号相关系数的模拟退火算法对输入偏振态进行实时控制,在系统信号相关性恶化时,通过反馈控制改变输入偏振态以恢复信号的良好相关性。现场实验表明,基于双臂检测信号相关系数的模拟退火偏振控制算法,可快速寻找到偏振态最优点,使检测信号维持良好的相关性;相较采用偏振控制之前,系统的工作稳定性得到了明显提高。     

空间光调制器像素尺寸对非球面检测误差影响分析

空间光调制器(SLM)可以在电驱动等信号控制下,实时调节振幅、相位、偏振态等信息,近年来已被尝试用于代替计算全息(CGH)板实现非球面检测。SLM像素尺寸在3.5~20μm,远大于CGH板刻蚀分辨率,使得SLM的相位调制量在像素尺度离散化,与理想的连续相位存在误差,带来检测精度的降低。因此,有必要评估SLM像素尺寸对检测精度的影响,从而选择合适像素尺寸的SLM。基于菲涅耳衍射原理以及快速傅里叶变换算法,仿真波面经SLM调制并传播到待测表面的过程,并探究待测面处生成波面精度与SLM像素尺寸大小之间的关系。对多组波面进行仿真并分析波面误差分布发现,SLM生成补偿波面误差与SLM像素尺寸所能表示的最大频率相关,检测时需保证SLM像素尺寸所能表示的最大频率大于补偿波面频率最大值。     

基于Sagnac干涉仪的光纤直流磁场传感研究

将磁致伸缩材料粘贴单模光纤构成的光纤磁传感探头接入Sagnac光纤环的一端,外加交流磁场将探头周围的直流磁场加载到4.9kHz的高频信号上,建立了基于Sagnac干涉仪的光纤直流磁场传感实验系统.采用锯齿波相位调制的方法,将干涉仪系统相位偏置在π/2附近,通过测量所加高频信号的幅度,实现了对直流磁场的测量.实验得到系统信号稳定性为0.4%,磁场分辨率为4.3nT,并给出36.75g铁块经过磁传感探头时系统的响应信号.     

Characterization of dynamics and power handling of RF MEMS using vector measurement techniques

This paper proposes a new method to measure dynamics and power handling of RF microelectromechanical systems (MEMS) devices based on a mobile membrane. The method uses in-phase/quadrature demodulation of an RF signal proportional to the reflection coefficient of the measured device, which contains information of its mechanical properties, such as actuation and release times and instantaneous position of the mobile membrane. Both one-port (capacitors) and two-port devices (switches and extended tuning-range capacitors) can be measured. Its main advantage is the capability of obtaining information from both magnitude and phase variations of the device reflection coefficient to characterize its dynamics and power handling. It is shown that detecting phase is advantageous in high quality factor capacitors, where the magnitude of the reflection coefficient is nearly constant for any position of the mobile membrane. Open-short-load calibration of the system is provided in order to obtain absolute measurements, which are necessary for power-handling characterization. The performances of the proposed method are demonstrated by comparison to systems based on detection of the magnitude of the reflection coefficient. A MEMS capacitor is characterized in terms of dynamics-actuation and release times, and mechanical resonance frequency and in terms of power handling-membrane instantaneous position and phase and tuning range variation.     

线激光散斑检测弹幕武器炮口振动测量方法

为了解决在弹幕武器射击时的恶劣环境下,频域分布复杂的炮口振动信号测试难题,采用线激光散斑场光电检测方法,研究了振动信号与输出电流数学关系,分析了基于雪崩光电二极管的光电检测电路噪声与幅频特性,提出了一种基于身管表面线激光散斑效应的炮口振动测量的方法,并进行了25m远处的振幅在微米级、频率为50Hz~16kHz振动信号的检测实验。结果表明,线激光散斑检测炮口振动振幅在微米量级。该测量方法具有频率响应范围宽、测量距离远、灵敏度高等优点,实现了远距离、宽频域振动信号的检测。     

波长调制光谱检测下限计算方法的研究

在基于波长调制光谱技术的大气痕量气体检测下限计算方法的研究中,全面准确地描述吸收信号及噪声的大小极为重要。为了探讨半导体二极管激光器在进行波长直接调制时伴随产生的残余振幅调制噪声对检测下限的影响,在理论推导中采用了一种同时考虑波长和振幅调制的二次谐波信号分析及提取方法,以二次谐波信号峰谷差值作为系统的检测信号,对可调谐二极管激光器吸收光谱检测系统的信噪比和检测下限进行了理论分析,取得了洛伦兹吸收线型条件下残余振幅调制噪声对系统信噪比和检测下限的影响的精确计算数据。结果表明,在吸收线的线宽较大的检测条件下,残余振幅调制噪声是影响检测下限的重要因素。     

Homodyne detection in magnetic resonance imaging

Magnetic detection of complex images in magnetic resonance imaging (MRI) is immune to the effects of incidental phase variations, although in some applications information is lost or images are degraded. It is suggested that synchronous detection or demodulation can be used in MRI systems in place of magnitude detection to provide complete suppression of undesired quadrature components, to preserve polarity and phase information, and to eliminate the biases and reduction in signal-to-noise ratio (SNR) and contrast in low SNR images. The incidental phase variations in an image are removed through the use of a homodyne demodulation reference, which is derived from the image or the object itself. Synchronous homodyne detection has been applied to the detection of low SNR images, the reconstruction of partial k-space images, the simultaneous detection of water and lipid signals in quadrature, and the preservation of polarity in inversion-recovery images.     

Magnetic resonance driven electrical impedance tomography: a simulation study

Magnetic resonance electrical impedance tomography (MREIT) is a method for reconstructing a three-dimensional image of the conductivity distribution in a target volume using magnetic resonance (MR). In MREIT, currents are applied to the volume through surface electrodes and their effects on the MR induced magnetic fields are analyzed to produce the conductance image. However, current injection through surface electrodes poses technical problems such as the limitation on the safely applicable currents. In this paper, we present a new method called magnetic resonance driven electrical impedance tomography (MRDEIT), where the magnetic resonance in each voxel is used as the applied magnetic field source, and the resultant electromagnetic field is measured through surface electrodes or radio-frequency (RF) detectors placed near the surface. Because the applied magnetic field is at the RF frequency and eddy currents are the integral components in the method, a vector wave equation for the electric field is used as the basis of the analysis instead of a quasi-static approximation. Using computer simulations, it is shown that complex permittivity images can be reconstructed using MRDEIT, but that improvements in signal detection are necessary for detecting moderate complex permittivity changes.     

基于金刚石NV色心的带状线芯片微波场成像

为了满足集成微波器件进行高分辨率微波近场测量的需求,本论文提出了一种基于金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy,NV）色心的微波近场成像技术.该技术可用于查找芯片等集成微波器件的干扰源和信号串扰.此微波近场成像方法采用金刚石NV色心颗粒作为场传感器,其中金刚石颗粒固定在锥形光纤的末端.由于塞曼效应,NV色心的光探测磁共振（Optical Detection Magnetic Resonance,ODMR）谱在外部静磁场环境中会分裂成为8个峰,通过测量共振峰频点的Rabi振荡谱,能够得到Rabi频率,接着通过2.8MHz/Gauss换算得出该处的微波场强度,最后通过将所测得所有数据点进行二维图像处理即可得到所测芯片和集成微波器件的表面微波场近场图像.     

面向大振幅、长周期振动校准的零差正交激光干涉测振方法

针对零差正交干涉测量应用于超低频超大振幅标准振动台性能测试时非正交相移误差补偿困难、所需采样率极高的问题,提出了一种欠采样零差正交激光干涉测振方法。在设计消偏振分光测量光路的基础上,提出波片偏航调整方法,进行非正交相移误差的硬件实时补偿;提出基于运动状态预估的卡尔曼正交信号解调算法,对深度欠采样的干涉条纹进行相位信号解调,以大幅降低所需的采样率及产生的数据量。实验和仿真结果表明,文中方法可大幅降低零差正交干涉的非正交相移误差及其对波片角度偏差的灵敏度,且在测量超低频振动时,卡尔曼正交信号解调算法所需的采样率和每通道数据采集点数降低至奈奎斯特采样定理的0.056%。文中提出的欠采样零差正交激光干涉测振方法较好地满足超低频超大振幅标准振动测试的需求。     

Effects of combined RF and optical fields on a laser medium

Modulation of a laser signal at radio frequencies ranging from 28 to 347 MHz is experimentally investigated by subjecting coherently emitting atoms of a Xe-He laser amplifier to simultaneous dc and RF magnetic fields. The sidebands are generated by a coherent nonlinear process that exhibits resonances when the Zeeman splitting of the laser levels equals the frequency of the magnetic field. A perturbational theory that is based on a simplified(j = 1 right arrow j = 0)atomic model adequately describes the dependence of the modulation efficiency on the dc magnetic field, the signal frequency, and atomic parameters. A presently unexplained phenomenon is the absence of the upper sideband.     

用于正交发生器RC多相网络特性研究

正交信号发生器广泛应用于正交调制解调器、镜像抑制变频器等,RC 多相网络因其结构简单,良好的线性性能而被作为常用的正交发生器。该文基于复信号性质及矩阵理论,推导了RC 多相网络传输函数的详细表达式,构建了相关参数,分析了RC 多相网络输出信号I/Q 的平衡特性,为设计高平衡度的正交发生器提供了理论依据。