基于光纤光镊的粒子捕获与操纵

光镊技术利用光的力学特性实现对微纳尺度物体的操纵,是研究自然科学中微观物质的重要技术手段.光纤光镊因其结构紧凑、便于集成、操作灵活、适用范围广等优点,成为广泛应用于光学捕获和光学操纵的工具.本文综述了近年来光纤光镊在微观粒子光学操纵方面的研究进展,以单模光纤、多芯光纤、环形芯光纤、同轴双波导光纤为例介绍了光纤光镊对目标粒子的捕获、旋转、输运、振动等操作,列举了光纤光镊技术在温度传感、染料激光器、粒径测量和粒子输运等领域的应用,并介绍了光纤光镊技术应用于光的波粒二象性演示实验的教学成果.     

脉冲位置调制对脉冲式光纤激光器调制速率的影响

脉冲式光纤激光器受到其重复频率的限制,导致其数据传输速率较低,严重影响了其在通信领域的应用。为了改善其性能并使其能更好地应用到通信领域,针对脉冲式光纤激光器的这种缺点,通过三种脉冲位置调制(PPM)调制方式对其进行调制并对其性能的影响进行了实验研究。通过改变三种PPM调制的调制位数脉冲时隙宽度对脉冲式光纤激光器的调制速率的影响以及三种PPM调制方式对脉冲式光纤激光器的输出功率误码率的影响进行了仿真研究。分析结果表明,单脉冲位置调制(L-PPM)调制方式最适合脉冲式光纤激光器,可以将重复频率为200kHz的脉冲式光纤激光器的调制速率提高到1.387Mbit/s,该结果有利于脉冲式光纤激光器在通信中的应用。     

激光器驱动和激光器之间的高速连接

光纤接入网以其高速度,大容量、低功耗等优点,成为接入网的重要发展方向,低成本的高速光发射机成为光纤接入的一个关键.相对于外调制激光器.直接调制激光器因为调制简单、成本低,成为光发射机的首选方案.激光器和激光器驱动之间高速的连接,是实现直接调制光发射机的关键技术之一.理论分析了激光器驱动器输出的偏置电流和调制电流之间的关系,得出了实现偏置电流和调制电流稳定的条件.分析了激光器和激光器驱动之间高速连接存在的问题,选择电容耦合的方式,利用高速印刷线路板(PCB)布线技术,实现了 2.5 Gb/s的直接调制激光器的研制.     

基于色散调谐宽带扫频光纤激光器及其在光纤光栅解调中的应用

报道了一种基于色散调谐技术的宽带扫频掺铒光纤激光器。通过在主动锁模光纤激光器腔内引入较大色散,利用锯齿波电信号调制电光调制器的调制频率,可以实现激光器扫频输出。应用扫频激光器可将光纤光栅反射中心波长的变化转变为时域上信号间隔变化,适用于光纤光栅传感解调。搭建了扫频光纤激光器,利用掺铒光纤作为增益介质,研究了扫频范围的影响因素。通过优化实验参数,实验得到的扫频带宽达到43 nm,接近增益带宽,扫频速度为50 Hz。利用搭建的扫频激光器进行了光纤光栅传感解调,灵敏度约为0.68 ms/nm,验证了解调原理。     

光纤混沌相位编码保密通信系统理论研究

通过耦合激光混沌相位控制同步系统和光纤信道，提出外部光注入半导体激光器激光混沌相 位控制光纤同步以及混沌相位相移键控外调制光纤保密通信系统理论模型，数值实现了在相 位控制器控制下的远程光纤混沌同步.理论分析了光纤自相位调制对混沌信号以及对同步的 影响，导出了光纤混沌最大传输距离公式.通过连续键控调制相位控制器实现了光纤激光混 沌相位相移键控编码调制发射，设置接收系统相位控制器控制激光相位相移实现了光纤激光 混沌同步解调.数值模拟了具有比特率50Mbit/s远程光纤混沌数字编码通信系统的应用，详 细地进行了在远距离光纤传输中的系统参数失配以及系统抗噪声能力的数值分析. 关键词： 混沌 同步 光纤混沌通信 半导体激光器 相位     

基于石墨烯的全光纤主动锁模激光器

利用光纤倏逝波耦合效应,设计了一种基于石墨烯全光纤结构的主动锁模激光器。该石墨烯全光纤锁模器件基于侧面腐蚀的单模光纤,构建了银/聚二甲基硅氧烷（PDMS）/石墨烯的电容型结构,腐蚀的单模光纤置于PDMS和石墨烯之间。实验结果显示,在电容结构两端施加与激光腔的共振频率一致及其整数倍的周期性方波电压信号,并对腔内光进行调制,可实现1558 nm光纤激光器的主动锁模。所设计的主动锁模激光器获得了基本频率及二次谐波的锁模脉冲,重复频率分别为12.2 MHz和24.4 MHz,实现了电控重复频率的脉冲输出。这种石墨烯全光纤锁模器件具有低成本、低功耗的优势,为实现灵活可控的主动锁模激光器提供了新思路。     

损耗调制型掺铒光纤环形激光器混沌现象的实验研究

报道了损耗调制型掺铒光纤环形激光器中的混沌现象.在单频损耗调制型掺铒光纤环形激光器中,改变调制频率或调制电压,观察到倍周期分岔和阵发两种进入混沌途径的共存现象,与抽运调制型掺铒光纤环形激光器的实验结果相一致.提出了一种采用两个正弦信号驱动的损耗调制型掺铒光纤环形激光器,在调制信号频率比近似等于黄金分割数和白银分割数时,增加调制电压,发现激光器通过准周期途径进入混沌.当调制信号两频率比不同时,发生转变所需的调制电压也不同. 关键词： 掺铒光纤环形激光器 混沌 倍周期分岔 准周期     

高频调制大功率窄线宽分布反馈光纤激光器

研制了一种窄线宽光纤激光器.在有源相移光栅后加一段掺铒光纤,当用980 nm抽运光注入时,首先形成了分布反馈(DFB)光纤激光器,而残余抽运光将铒纤中铒离子从基态抽运到了激发态,对DFB激光实现了有效放大,实现了对残余抽运光的充分利用,节省了功耗、降低了成本;同时利用温控技术克服了DFB光纤激光器的温度敏感问题;将相移光栅黏贴于片状压电陶瓷(PZT)的表面实现了高频调制.实验研制的激光器的最高调制频率为2 kHz、输出功率为15.6 dBm,线宽为300 kHz. 关键词： 分布反馈光纤激光器 窄线宽 大功率 高频调制     

干涉型光纤水听器调制光源的一种实现方法

直接调制光源(多量子阱激光器)的相位载波零差检测方式，在干涉型光纤水听器的信号检测技术中具有明显的优越性。详细描述了采用高频正弦波，对多量子阱分布反馈激光器进行直接驱动调制的一种实现方法。实验表明达到了水听器对光源高频稳定的要求。该调制技术也可应用于光纤通信等领域。     

基于LP01和LP11模式共存的单光纤光镊实现生物细胞多路捕获和操纵

提出了一种用于生物细胞多路捕获与操纵的单光纤光镊。基于两种不同模式的光纤错位拼接，实现了LP₀₁和LP₁₁模式共存。该光镊的输出光场具有多个聚焦光斑，能够在多个支路上同时捕获和操纵多个生物细胞。仿真和实验结果表明，该光镊能够在三个支路上同时捕获和操纵多个小球藻细胞，在光镊移动速度约为14μm/s时仍能保持捕获稳定。该光镊结构简单，为生物传感和直接检测生物信号提供了更多可能。     

啁啾调幅激光雷达对距离和速度的零差探测

构建了一种用线性调频信号去调制激光振幅的激光相干雷达实验系统.系统使用窄线宽激光器、马赫-曾德尔(M-Z)幅度调制器以及光纤零差光路,利用直接数字合成(DDS)技术所生成的啁啾信号对激光振幅进行调制,完成了对目标靶运动速度与距离的同时测量,对速度距离分辨率和误差进行了测试和分析,对信噪比(SNR)与系统探测能力的关系进...     

抽运调制条件下超窄线宽掺铒光纤环形激光器的跳模特性研究

搭建了基于光纤迈克耳孙干涉仪的跳模检测系统,对抽运调制条件下的超窄线宽掺铒光纤环形激光器的跳模特性进行了实验研究,测量了由抽运电流标定的表征跳模规律的跳模数据图。结果表明,随着抽运电流的不断增加,激光器先后经历模式稳定区、模式非稳区以及多纵模区三种状态;存在第二抽运阈值,当抽运强度超过这一阈值时激光器由单纵模跳变为非稳定的多纵模。掺铒光纤环形激光器的谐振腔因抽运热效应或外界扰动而变化时,会引发频率漂移与连续跳模现象。     

近场光镊技术研究新进展

光镊技术,又称光学捕获技术,它是利用光的辐射压力来捕获和操纵包括电介质颗粒、生物细胞及生物大分子在内的微小粒子的。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。追踪了近场光镊技术的最新进展,包括全内反射相干倏逝场、近场光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场用于近场光学捕获,并对其进行了比较,分析了它们存在的主要问题和未来发展方向。     

谐振式光纤陀螺多激光器系统相对频率噪声抑制

设计了用于谐振式光纤陀螺系统中两个半导体激光器相对频率噪声抑制的全光纤光路外差式光学锁相环,建立并分析了陀螺精度需求和外差式光学锁相环关键参数的关系,同时对外差式光学锁相环全数字反馈控制环路进行了设计和仿真.通过实验对设计的系统进行性能验证.结果表明两个主从激光器的中心频率实现了参考频率源频率的锁定,且拍频激光中心频率相对于光纤环形谐振腔谐振频率偏离幅值减小了15dB.     

基于低损光学相变和超透镜的可控多阱光镊

为提升光镊在三维空间中对粒子的捕获性能,本文设计和分析了新型的双阱和多阱超透镜光镊方案.首先基于低损耗相变材料Sb₂S₃设计了可控超透镜双阱光镊,并对两个半径为250 mm的SiO₂粒子所受光力进行了矢量横向分析和轴向分析.仿真实验结果表明,当Sb₂S₃在晶态下时,超透镜捕获的两个粒子的横向光阱刚度k_x分别达到了约25.7 pN/(μm·W)和37.4 pN/(μm·W),轴向光阱刚度k_z均约为10.0 pN/(μm·W);而当Sb₂S₃在非晶态下时,k_x和k_z值均降低到其对应晶态下的1/10,且此时粒子在z方向上不能被稳定捕获,从而实现了在三维空间中对粒子的可控捕获.进一步本文给出了阵列式的可控多阱光镊.通过调控相变材料Sb₂S₃的晶态和非晶态,能形成不同组合粒子的三维捕获方案.这些新型可控光镊可实现多...     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

集磁式光纤电流传感器的研究

设计了一种应用块状磁光材料与集磁环相结合的集磁式光纤电流传感器。介绍了该传感器的结构及工作原理，构建了光纤电流传感器实验系统并进行了测试。实验结果表明，该集磁式光纤电流传感器在30kV工作电压下可准确实现30kA脉冲或连续电流的测量，为电力系统中高压大电流测量提供了一种切实有效的方法。     

基于电控光学采样的飞秒激光距离测量系统

基于电控光学采样原理开展了飞秒激光飞行时间绝对距离测量的实验研究。电控光学采样技术使用两台重复频率锁相的飞秒激光器,分别作为信号激光器和本地振荡器。在本地振荡器的谐振腔内插入电光调制器并施加方波调制,实现了可控、高效的等效时间采样,采样速度由电光调制器的调制频率决定。基于这一采样原理开展脉冲飞行时间绝对距离测量实验。选用一对重复频率约为158 MHz的被动锁模光纤激光器作为光源,对固定目标进行单次测量的最大更新速率可达到200 kHz,经过4100次单次测量平均后,测距精度可达到16.7 nm。在此基础上,测量了硅基微机械器件中深度约为67.6μm的微槽。     

光纤激光器自混合干涉效应研究

针对光纤激光器自混合干涉传感应用,研究了光纤激光器自混合干涉特性,运用四镜法布里-珀罗腔模型对掺铒线形腔光纤激光器自混合干涉效应进行了理论分析,对不同反馈水平下的自混合干涉信号进行了数值模拟,获得了光反馈条件下光纤激光器输出特性.外腔长度的改变会调制激光器的输出强度,外腔长度变化半个波长,对应一个干涉条纹,弱反馈条件下,由反馈引起的激光器的频率变化可以忽略.设计了基于光纤激光器的自混合干涉实验,实验结果和理论分析相符合.此研究结果为进一步开展光纤激光器的自混合干涉传感应用研究奠定了理论与实验基础.     

多量子阱半导体激光器的交叉增益调制波长转换特性

实验利用光注入多量子陆半导体激光器产生的载流子消耗和带间载流子吸收产生的交叉增益调制效,实现波长转换，转换光的光强变化幅度与偏置电流有关。通过调节偏置电流的大小，能使转换光与注入信号光在同向和反向间进行切换。