大芯径光纤整形飞秒激光脉冲空间分布的研究

通过将1 kHz重复频率的飞秒放大激光脉冲耦合到大芯径(100μm)阶跃光纤,在27 mm长的光纤中产生了环形空间光强分布,并在3 160 mm的长光纤中观察到平台型的空间光强分布,通过自聚焦效应对该现象进行了解释.结果表明,通过选择合适的光纤,可以实现对放大飞秒激光脉冲的有效空间整形,从而达到改善光束质量的效果.     

飞秒激光在掺Yb~(3+)磷酸盐玻璃中写入光波导及波导激光器的实验研究

利用重复频率为1kHz,中心波长为800nm,脉冲宽度为120fs的飞秒激光在掺Yb3+磷酸盐玻璃中刻写光波导,测试了不同参数下刻写的波导的导光模式,研究了写入速度和写入脉冲能量对模场直径、波导折射率的影响,给出了波导形成的写入窗口范围,对比测试了激光作用区域和未作用区域的荧光光谱特性。实验结果表明,在采用20×显微物镜,写入速度为20μm/s,写入脉冲能量为1.8μJ时,所得到的光波导在976nm波段模场直径为20μm,波导区域折射率改变为2.7×10-4,飞秒激光作用区域的荧光光谱与基质的荧光光谱几乎完全重合,荧光特性在飞秒激光作用后保持良好。利用双色镜和2%的输出耦合镜构成了法布里-珀罗(F-P)腔掺Yb3+波导激光器,获得了波长为1031nm的连续激光输出,激光功率为2.9mW。     

超短脉冲激光在掺Er3+ 磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究

超短脉冲激光通过非线性吸收调制光学材料折射率提供了一种高效制备集成三维光子器件的途径.掺Er³⁺磷酸盐玻璃由于其优异的特性以及在1.55μm通信波段附近的发射光谱,成为了集成光学主动增益材料中的研究热点.实验采用重复频率1 kHz,中心波长800 nm,脉冲宽度120 fs的钛宝石飞秒激光放大系统作为制备波导的光源,系统研究了加工参数对激光写入形貌、波导形成及光学特性的影响.实验结果表明,在狭缝整形辅助短焦物镜横向刻写条件下,写入脉冲能量为1.8μJ时,光波导可以在写入速度为10μm/s-160μm的较宽范围内形成;写入速度为40μm/s时,光波导写入脉冲能量参数窗口为1.6μJ-2.0μJ;波导写入深度在125μm-200μm范围时,波导横截面对称性较好且折射率修改明显;近场强度测量结果显示所制备波导近场强度分布对称,导光特性良好.通过有限差分法反推波导区域折射率修改分布,结果显示最大折射率修改为Δn=6.6×10^-4.截断传输损耗测量结果显示所制备波导的传输损耗低至0.91 dB/cm.     

角锥棱镜腔Nd:YAG/Cr4+:YAG被动锁模激光器的研究

理论分析并数值模拟了腔内光强随角锥棱镜旋转的变化,实验证明在角锥棱镜腔Nd:YAG/Cr4 :YAG被动锁模激光器中,偏振耦合输出得到了锁模深度和锁模几率近乎100%的线偏振被动锁模脉冲输出.通过旋转角锥棱镜改变偏振耦合输出、调节腔内光强,可以得到被动锁模和被动调Q两种状态的脉冲输出,脉冲能量166.5 mJ/pulse,脉冲动静比高达59.7%.     

超快激光在Yb:YAG内刻写双线型光波导的研究

研究了使用钛宝石放大器输出的重复频率为50kHz、中心波长为775nm、脉冲宽度为160fs的超快激光在掺镱钇铝石榴石(Yb…YAG)中刻写双线型光波导的过程。发现了波导具有偏振导光现象,偏振态平行于双线方向的激光可以导通,偏振态垂直于双线方向的激光不能导通。详细分析了双线间距、刻写速度和激光脉冲能量对波导形成的影响,在双线间距为30μm、刻写速度为400μm/s、脉冲能量为5.0μJ的条件下写入的光波导导光特性良好。利用近场模重建了该波导折射率二维分布,波导区域折射率相对于基质改变量的最大值为1.8×10-4,且该波导在940nm半导体激光抽运激励下,获得了1030.5nm的连续激光输出,激光功率为4.7mW。     

大芯径光纤整形飞秒激光脉冲空间分布的研究

通过将1 kHz重复频率的飞秒放大激光脉冲耦合到大芯径（100 μm）阶跃光纤,在27 mm长的光纤中产生了环形空间光强分布,并在3 160 mm的长光纤中观察到平台型的空间光强分布,通过自聚焦效应对该现象进行了解释.结果表明,通过选择合适的光纤,可以实现对放大飞秒激光脉冲的有效空间整形,从而达到改善光束质量的效果.     

飞秒激光直写长周期光纤光栅及其光谱特性

基于800nm飞秒激光脉冲,设计并搭建了长周期光纤光栅制备系统,该系统通过采用20倍率的显微物镜将飞秒激光脉冲诱导入标准单模光纤纤芯位置,采用水平、垂直双CCD视频监控方式实现对飞秒激光脉冲刻蚀长周期光纤光栅的逐点监测,对未载氢处理的标准单模光纤进行了不同周期、不同周期长度和不同占空比刻写实验.研究结果表明,当选取激光脉冲能量为1.3mW、光栅周期为500μm、光栅占空比为0.6时,该光栅在谐振波长1 300nm处最大谐振峰强度为11.65dB,带外损耗低于2dB,且光栅谐振波长随光栅长度不发生明显漂移;通过光栅占空比的调整,可实现刻写光栅光谱特性的优化设计,使得谐振峰由多峰转为单峰.     

用空间光调制器产生贝塞尔光束的实验研究

贝塞尔光束因其中心光强分布随传播距离不变的性质,被称为无衍射光束.实验上获得贝塞尔光束通常对仪器参量要求很高,且得到的贝塞尔光束一般为非理想贝塞尔光束.本文利用简单的空间光调制器设计了半周期空间光相位调制方案来获得贝塞尔光束,通过模拟和实验验证了此种方案的有效性.     

棱镜波导结构的古斯-汉欣位移模拟（英文）

模拟并分析了波长为633 nm的偏振光通过Kretschmann-Raether微米级棱镜波导结构时的古斯-汉欣位移.在金膜厚度为45 nm的条件下,当入射角为44.1°时,利用稳态相位理论,得到的最大柬位移为+120μm;当入射角为44.1°时,利用COMSOL Multiphysics5.1软件中的波动光学模块,得到的最大束位移为+3.37μm.在共振角附近,COMSOL Multiphysics5.1模拟软件与稳态相位理论均得到正的古斯-汉欣位移,但是COMSOL Multiphysics5.1软件模拟的结果远小于稳态相位理论仿真的结果.该研究对设计基于古斯-汉欣位移测量的高灵敏度传感器具有指导意义.     

基于迈克尔逊干涉仪的光纤微流速传感器

设计了一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤微流速传感器。传感器由单模光纤、双芯光纤、小球、高反膜构成。通过数值计算分析了双芯光纤长度、纤芯间距、小球半径和流体密度对传感器敏感度的影响。仿真结果表明,光纤长度和小球半径的减小均能提高传感器的敏感度,而双芯光纤的纤芯间距对敏感度的影响较小;流体密度越大,传感器的敏感度越小。计算结果显示,传感器可以在较小尺寸的情况下实现超高灵敏度的流速测量。同时,对不同设计参数下传感器输出的自由光谱范围进行理论推导与数值计算,发现传感器各个参数与自由光谱范围成1/x或1/x~(1.5)的关系。     

光波导振荡场传感器

针对消逝场传感器的不足,提出了一种传感介质处于波导芯层,且以超高阶导模为探针的光波导振荡场传感器.由于其波导芯层处于功率密度极高的振荡场区域,而超高阶导模又具有对芯层参数极为灵敏的性质,因此这种新型传感器的灵敏度大大增强.实现了超越消逝场传感器灵敏度极限值几个量级的位移传感器.     

飞秒激光在掺Nd3+光热敏折变玻璃中写入光波导

利用中心波长1 028nm、重复频率50kHz、脉冲宽度220fs的超短脉冲激光在掺Nd~(3+)光热敏折变玻璃中刻写双线型和压低包层管状波导.研究了激光功率、波导双线间距、管状波导直径对近场模式的影响,得到了两组导光模式较优的波导.利用波导的近场模式强度分布重构了其折射率分布图,得到两类波导最大的折射率增加量分别为+7.0×10~(-4)和+5.5×10~(-4).利用散射法测得双线型波导的传输损耗为1.29dB/cm;通过测量插入损耗得到压低包层管状波导的传输损耗小于1.95dB/cm.利用飞秒激光在掺Nd~(3+)光热敏折变玻璃中直接写入光波导,在集成光学器件上具有广阔的应用前景.     

调平聚焦伺服控制系统的优化设计

以提高共焦差动并行激光直写中光束刻写质量为目标,分析设计了调平聚焦伺服控制系统。采用柱面镜作为像散元件,与四象限光电探测器结合,利用差动像散检测方法和比例积分微分(PID)反馈算法减少光源和外部干扰的误差,获得高灵敏度、高精度、高稳定性的探测曲线。通过优化光学设计参数,本系统能获得具有高灵敏性与一致稳定性的探测曲线,探测范围为3μm,静态聚焦误差可达±5.0nm;动态聚焦压电陶瓷(PZT)伸长量可保证在焦深范围内,焦点位置辨别精度可达纳米量级,可探测调平台的倾斜角和俯仰角在0.01mrad左右。利用该系统可实现光栅的刻写,进一步为更大尺寸、更高密度的光栅刻写提供依据。     

飞秒激光刻写铌酸锂光波导的实验研究

研究了飞秒激光加工参量对刻写质量的影响,分析了激光能量吸收的多光子效应,测试了刻写通道的传输特性.实验结果表明,激光刻写的通道具有良好的波导特性：当激光脉冲能量在20 μJ左右,扫描速度在300 μm/s～400 μm/s之间时,刻写通道的传输损耗小于1 dB/cm,低于晶体的传输损耗,其原因是激光诱导锂离子的扩散引起了晶体内部局部折射率的增加.     

棱镜波导结构的古斯-汉欣位移模拟

模拟并分析了波长为633 nm的偏振光通过Kretschmann-Raether微米级棱镜波导结构时的古斯-汉欣位移.在金膜厚度为45 nm的条件下,当入射角为44.1°时,利用稳态相位理论,得到的最大束位移为+120μm;当入射角为44.1°时,利用COMSOL Multiphysics5.1软件中的波动光学模块,得到的最大束位移为+3.37 μm.在共振角附近,COMSOL Multiphysics5.1模拟软件与稳态相位理论均得到正的古斯-汉欣位移,但是COMSOL Multiphysics5.1软件模拟的结果远小于稳态相位理论仿真的结果.该研究对设计基于古斯-汉欣位移测量的高灵敏度传感器具有指导意义.     

光波导技术同步测量棱镜及波导薄膜参数

依据全反射理论和棱镜耦合原理,实现了对棱镜折射率及波导薄膜材料折射率和厚度的同步测量。使用高准直半导体激光器激光入射到棱镜内部与波导膜的分界面上,逐步旋转棱镜或改变棱镜的入射角,得到棱镜耦合M线,曲线前面几组的波谷为波导模激发,在M线左侧收尾处有一个不完整波峰,其反射光强随入射角迅速衰减,为全反射时的临界点,由此可实现棱镜及波导薄膜参数的同步测量;用此法测量了棱镜耦合一体化平面波导棱镜的折射率和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物波导薄膜的折射率和厚度。测量棱镜折射率精度为±1.9×10-4,波导薄膜折射率和厚度的精度分别为±6.2×10-4 μm和±1.6×10-2 μm。     

太赫兹双芯反谐振光纤的设计及其耦合特性

设计了一种新型的太赫兹双芯反谐振光纤,利用有限元分析法对光纤的损耗特性、双芯之间的耦合特性等进行了理论分析.结果表明,单芯反谐振光纤在一定范围内改变内包层管的排列分布,其传输特性并不会受到明显的影响,据此可以改变双芯光纤的内包层管的排列分布,从而利用模式泄漏耦合机制在太赫兹波段实现双芯反谐振光纤的定向耦合.本文通过改变纤芯距离和纤芯间的间隙大小,在2.5 THz的传输频率下实现了耦合长度为0.72 m的定向耦合,这种太赫兹双芯反谐振光纤将在太赫兹光开关、调制器和耦合器等太赫兹光学器件中具有重要的应用价值.     

离子注入石英玻璃光波导的研究

在熔融石英玻璃衬底上,通过注入氮离子和硼离子,制成了低损耗、单模平面光波导.波导的最大折射率和离子浓度分布的半宽度分别是1.48和0.5μm,波导损耗<0.1dB/cm.     

飞秒激光在掺Er~(3+)“无水”氟碲酸盐玻璃中写入光波导

利用重复频率为1 k Hz,中心波长为800 nm,脉冲宽度为120 fs的超短脉冲激光在掺Er3+"无水"氟碲酸盐玻璃中利用狭缝整形技术横向刻写了I类和压低圆包层波导。在对波导刻写参数进行系统研究后,得到了两组导光模式较优的波导。利用波导的近场模式强度分布重构了其折射率分布图,得到两类波导最大的折射率增加量分别为1×10-4和1.9×10-4。用散射法测试了I类波导的传输损耗为1.04 d B/cm;通过测量插入损耗得到压低圆包层波导的传输损耗小于1.88 d B/cm。因此,利用飞秒激光在掺Er3+"无水"氟碲酸盐玻璃中刻写的光波导,在集成激光光源制作方面具有很好的应用前景。     

基于旋转双棱镜的光束复合跟踪控制技术

提出一种基于旋转双棱镜的光束复合跟踪技术,用于取代传统伺服转台实现精密的光学跟踪。首先,建立双棱镜的光束偏转模型,详细推导光束偏转矢量与双棱镜转角间的转换关系,并对跟踪过程中的棱镜旋转非线性问题进行了分析。提出基于快速反射镜进行光轴修正的双棱镜光束复合跟踪方法,通过建立偏转光轴与光学基台间的扰动耦合关系,实现了对双棱镜转速的实时补偿,并改进棱镜控制器以提高光束控制性能。搭建实验系统,对旋转双棱镜复合跟踪技术进行验证。在动态跟踪实验中,采用改进控制器的双棱镜的控制精度明显提高,相较于比例-积分-微分控制器和线性自抗扰控制器,所提出的改进控制器使棱镜的控制精度分别提高58.33%和32.81%,并使跟踪误差由改进前的49.03μrad和38.88μrad降低为31.15μrad。开启视轴补偿后跟踪性能进一步提高,总跟踪误差降至7.49μrad,跟踪精度提高4.16倍。实验结果表明,光束复合控制能有效提高双棱镜的跟踪精度,验证了所提方法的有效性。