微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究

为满足加速度传感器微型化、低成本的需求,提出了一种带有单微环谐振腔的悬臂梁式光学加速度传感器结构,采用耦合模和传输矩阵理论求取了微环谐振器的传递函数,利用检测同一波长处光强度变化的新测量方法实现了对加速度的探测,从而得到了加速度传感器的灵敏度和探测极限,深入研究了不同结构参数对系统灵敏度的影响,数值仿真并分析了输出端口的光谱特性。结果表明：加速度传感器在外界加速度作用时,悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲,使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变,即微环谐振器的长度和折射率都发生了变化,从而光在微环谐振器中的传输特性发生变化,因此可以通过探测微环输出端光场强度的变化来测定加速度值;悬臂梁的长度、厚度以及微环谐振腔的固定位置都是影响加速度传感器性能的直接因素,并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度。经过数值仿真,对于信噪比为30 dB系统,波长在1.515 μm处,悬臂梁的长度、厚度分别为180和3 μm时,系统的灵敏度可达到2.112 g-1,探测极限为1.421×10-3 g,因此在悬臂梁可承受的范围内,选取长度较长的悬臂梁结构能够有效地改善系统的灵敏度和探测极限。该结构为制备高灵敏度、低成本、易于加工的加速度传感器及可嵌入式微型光学器件提供理论基础。     

基于功率流方法的连续参数系统动力吸振器的优化设计

针对附加动力吸振器的连续参数系统,采用两端固支梁模拟连续参数主振系,利用结构导纳理论,引入振动系统的结构导纳修正矩阵和等价结构导纳矩阵,简化了系统的动态特性分析过程。在此基础上,推导系统各环节功率流的矩阵表达式。提出了以注入主阵系的净功率流为控制目标的动力吸阵器优化设计策略,并通过计算数值仿真验证了该方法的有效性。最后,探讨了振源位置对连续参数系统功率流传递特性、吸振器优化参数及其控制效果的影响。     

槽型相移布拉格光栅微环谐振器及其传感特性

为实现高灵敏度及高品质因数的折射率传感特性,设计了一种基于槽型相移布拉格光栅的微环谐振器结构。该结构由槽型直波导内嵌相移布拉格光栅耦合单实波导微环构成。结构中离散态光模式与连续态光模式相互干涉产生了Fano共振。利用传输矩阵法量化谐振器中各部分的光场分布,分析系统的传输原理。采用时域有限差分法对提出的器件结构进行仿真模拟,并对结构物理参数进行优化。模拟结果表明该结构的品质因数达到25 729,比传统微环谐振器提高了3倍以上,消光比为18.65 dB,高出传统微环谐振器6.46 dB,折射率灵敏度达到122 nm/RIU,且该谐振器结构简单。所提出的结构在传感应用中具有一定的优势。     

基于NbN,AlN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性,随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究,而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能. 我们以单晶MgO作为器件衬底,MgO/NbN多层结构作为AlN薄膜体声波器件的反射器,NbN/AlN/NbN三层结构为谐振器.在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小,可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AlN薄膜.通过控制AlN薄膜和NbN薄膜的不同厚度,可以获得不同频段范围的谐振器. 压电薄膜的质量,以及体声波在多层结构界面上的能量损耗,直接影响到谐振器电学性能.基于AlN材料的压电性能,设计了NbN/AlN/NbN三层结构的谐振器,并进行了数值模拟.     

多阶游程长度受限编码的光盘读出信号

多阶游程长度受限(ML-RLL)编码可以在保持原有记录符尺寸和记录单元数量的情况下将CD光盘存储容量提高2.4倍。借助标量衍射理论建立了多阶游程长度受限记录符的计算模型,对采用多阶游程长度受限编码的CD光盘的读出信号进行了仿真分析。结果表明,记录坑长度的变化对读出信号幅值影响较小,有利于将记录坑长度和记录坑的宽度两个参数进行分离检测,但在3T长度、不同宽度的记录坑相连的情况下,从读出信号中很难分辨出记录符的分界位置。     

基于L形刚性梁与弹性膜片结构的低频光纤光栅加速度传感器

为满足低频振动信号精确测量的实际需要,设计了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。进行了结构理论分析,并通过Matlab仿真讨论了各结构参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响,进行了参量优化设计。根据理论分析结果制作了加速度传感器并对其加速度灵敏度的幅频特性、线性响应和抗横向干扰特性进行了测试。实验结果表明,L形刚性梁的传动结构有效增强了结构稳定性,消除了传统悬臂梁结构带来的光纤光栅啁啾或反射谱多峰现象。加速度传感器在20~70 Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,加速度灵敏度可达220 pm/g,线性响应的相关度为99.98%;金属膜片使得该传感器具有较强的抗横向干扰能力,在工作频段内横向串扰为-32.73 d B。     

基于双十字架型宽带低耗小单元左手材料的设计与实验验证

提出了一种利用电谐振器与磁谐振器集成于一体的单面左手介质结构设计方案, 该方案采用两个十字架型金属结构镜像并列放置在介质基板的同一侧形成一个左手单元, 并将其排列成周期结构. 软件仿真和优化提取了一系列有效电磁参数, 结果表明, 该结构在9.4–16 GHz的频率范围内等效介电常数和等效磁导率同时为负, 其相对带宽达到了52%, 并且单元电长度和损耗都小于同类型的结构. 对该结构进行了加工、制作并通过波导法测试再次证明了其优良左手特性的存在性. 为左手材料的广泛应用打下了基础.     

耦合谐振器光波导旋转传感的相位灵敏度

利用光学谐振器结构的色散可提高旋转传感的灵敏度, 耦合谐振器光波导可实现强色散, 本文利用传输矩阵理论, 研究耦合谐振器光波导旋转传感的相位灵敏度, 讨论谐振器布局和波导参数对相位灵敏度的影响, 结果表明波导的相位曲线和相位灵敏度依赖于波导中谐振器的布局, 谐振器数量和耦合系数不仅会影响波导旋转传感相位灵敏度曲线峰值的数量和带宽, 还会影响相位灵敏度的大小, 而损耗会降低波导的相位灵敏度, 本文的结果可用于利用谐振器布局和波导参数设计耦合谐振器光波导的相位灵敏度, 对其在旋转传感方面的应用有重要意义. 关键词： 谐振器 旋转传感 光波导     

基于开口椭圆环的高效超宽带极化旋转超表面

电磁波的极化态在信号传输和灵敏度测量中有非常重要的应用价值. 本文设计、仿真并实验验证了微波频段基于开口椭圆环谐振器的极化旋转超表面. 理论上, 将多阶表面等离子谐振和高阻抗表面相结合, 解释了多谐振点、高效率极化旋转的物理机理. 数值上, 通过对结构参数的仿真分析, 给出了运用开口椭圆环结构设计多频段、超宽带高效极化旋转超表面的方法. 所设计和制作的超表面能够在相对带宽104.5%的频率范围内实现大于85%的极化旋转效率. 这些工作将为极化操控超表面的设计和应用提供重要帮助.     

S+C+L波段色散斜率补偿光子准晶体光纤

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249 pm/N、330 pm/N和1.1 pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.     

MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400, 80, 50, 1000和80 m 时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

高重复率电光调Q的高光束质量Nd∶YVO_4板条激光器

部分端面抽运混合腔板条激光器可以在紧凑的空间内实现大功率高光束质量的激光输出。利用这一技术并结合具有增益高、荧光寿命短等特点的Nd∶YVO4晶体 ,配合新型高重复率的电光Q开关 ,易于实现高频窄脉冲高光束质量的激光输出。在德国EdgeWaveGmbH进行了混合腔电光调Q激光器的合作研究中 ,实现了高重复率近衍射极限的输出 ;在以 5kHz的高重复率运转时 ,获得了单脉冲能量 7 2mJ ,脉宽 5 7ns,平均功率约 36W的脉冲 ;当重复率高达 5 0kHz时 ,输出的激光脉冲的参量是单脉冲能量 1.6mJ,脉宽 9 5ns,平均功率超过 80W。实验所测的光束质量因子M2 小于 2。     

Short pulse eye-safe laser with a stimulated Raman scattering self-conversion based on a Nd:KGW crystal

We present the results of a solid self-Raman laser based on a Nd:KGW crystal that is transversely pumped by laser diode bars. A beam of an eye-safe laser with a 31.8 mJ output energy and a 2.0 ns pulse width was obtained by applying a special s-polarized reflective resonator configuration in which the length of the Raman resonator was shorter than that of the fundamental radiation resonator. The eye-safe laser has the highest output energy and the shortest pulse width among the Nd:KGW lasers ever reported.     

光纤环形谐振腔的频率锁定及其特性

基于可调分束比的光纤分束器,制作了光纤环形谐振腔并通过调节分束比实现了对光纤环形谐振腔的欠耦合、临界耦合和过耦合的状态控制.实验测量了腔最小反射率与腔损耗之间的关系,获得光纤环形谐振腔的腔内衰减率为κ_0=2π×(1.60±0.03) MHz ,品质因子为Q=(1.10±0.02)×10.8.在此基础上,结合了压电陶瓷拉伸光纤以控制腔长和Pound-Drever-Hall锁频两大技术优势,克服了之前温度反馈控制等方法的反馈带宽窄、噪声大和稳定性差等问题,实现了对光纤环形谐振腔共振频率的快速、灵敏的控制和锁定.结果表明,锁频过程中相位调制功率与相位调制引起腔反射光的强度调制之间的关系为线性关系,进而通过降低相位调制信号的功率以减小相位调制对腔反射光强度调制的影响.当调制功率设定最低为–9 dBm时,光纤环形谐振腔仍能被稳定锁定.该光纤环形谐振腔为其与原子、金刚石色心等发光粒子相互作用的腔量子电动力学实验研究奠定了坚实的基础.     

Silica waveguide ring resonators with multi-turn structure

Optical waveguide ring resonator is the basic element of resonator integrated optic gyro (RIOG). In this paper, we report a novel configuration of optical waveguide ring resonator using a multi-turn structure. The characteristic of the light propagating across the crossed waveguides is analyzed using the finite difference beam propagation method. The relationship between the propagation loss and the intersection angle for arbitrary intersecting angles has been analyzed. Some crossed waveguides are fabricated in silica waveguides to verify the theoretical results. On this basis, the influences of the loop numbers and the excess loss of the crossed waveguide on the limited sensitivity of the RIOG have been analyzed. There is a critical intersection angle for certain resonator, only when the intersection angle is bigger than the critical angle, the gyro sensitivity can be improved by increasing the loop numbers. This will be helpful to how to determine the optimum length in resonator for its application in RIOG.     

聚丙烯酸酯泡沫密度均匀性的射线检测技术

低密度泡沫材料大多存在一定程度的密度不均匀性，这对其后续使用性能将带来不良影响。文中简述了ICF靶用聚丙烯酸酯泡沫的制备方法，并利用β射线和X射线检测技术，对直径为mm量级的低密度聚丙烯酸酯泡沫柱进行密度分布表征。研究结果表明:泡沫柱沿轴向的密度分布比较均匀，而沿径向呈内低外高分布，形成了明显的密度梯度。实验表明:射线检测技术测量靶用低密度泡沫的方法可基本满足目前的实验要求，但密度分辨率和空间分辨率还有待进一步提高。     

全固态激光器的热近半球面腔

理论与实验研究了激光二极管侧泵平-平非对称腔.理论分析表明,当谐振腔运行于热稳区边缘时,激光棒内基模半径随泵浦功率迅速增加,使光束质量快速提高并保持较高的输出功率.由于该谐振腔运行于热稳区边缘的特性与近半球面腔相近,所以将此设计称为热近半球面腔.与运行于稳区边缘的平-平对称腔相比,热近半球面腔设计有助于缩短谐振腔腔长.在对热近半球面腔实验研究中,光束质量随泵浦功率迅速增加以及输出功率饱和现象被观察,实验研究与理论分析吻合较好.     

Verfahren zur hochgenauen Bestimmung des Reflexionsvermögens von Laserspiegeln in einer Resonatoranordnung

Method for Accurate Determination of the Reflectivity of Laser Mirrors in an Optical Cavity If a high frequency intensity chopped laser beam is passing a passive optical resonator a phase lag between its output and input signal results. Due to the limited photon lifetime inside the resonator the measurable phase lag is determined by resonator length and mirror reflectivities. Changing the resonator length in a time-proportional regime a time dependent phase lag results from which the product of mirror reflectivities is calculable unambiquously.     

Thermal lens determination of LD end-pumped solid-state laser with stable resonator by slit scanning method

A simple method to determine the thermal focal length of LD end-pumped solid-state laser with stable resonator is presented. The M² factor describing the quality of the beam can be obtained by scanning a slit through the multi-mode Gaussian beam field. The waist width of the beam and the corresponding TEM₀₀ under the same parameters of laser are then deduced through the law of multi-mode Gaussian beam propagation. Based on the standard matrix theory of stable resonator, the thermal focal length of the gain medium can be easily achieved. To show the application of this approach, the thermal focal length of an LD pumped Nd:YVO₄ laser is measured and the experimental results are in agreement with the theoretical prediction.     

Design of SMMW Laser Resonators with On-Axis Signal and Pump Beam Guiding in a Mirror Ring

A ring resonator design for optically pumped submillimeter wave (SMMW) lasers using the same set of four mirrors (including one focussing mirror) for pump beam and SMMW beam guiding is introduced.The optimum design is discussed on the example of a 2.523 THz methanol laser. It turns out that the focal length of the focussing mirror has to be adapted to the resonator perimeter. Eleven well suited focal length - resonator perimeter ratios, defining eleven standard resonator configurations, can be distinguished.The setup of an experimental laser with the optimized resonator and the experimental setup to measure laser performance are described, and results concerning laser output power, beam quality and efficiency are discussed.This paper is the extended version of the paper presented on the 23rd International Conference in Colchester [1] and continues a former article presented in this journal [2].