功率谱密度法标定光镊的三维光阱刚度

采用四象限探测器和功率谱密度法,搭建了一套快速标定光镊三维光阱刚度的测量系统.实验中,用四象限探测器记录微粒做受限布朗运动时的位置信息,用功率谱密度法标定光阱刚度,测得了直径0.97μm SiO2小球和直径1μm PMMA小球的光阱刚度与激光功率的关系.结果表明:对于SiO2小球,当激光功率为50~120mW时,光阱刚度与激光功率成正比;对于PMMA小球,当激光功率为80~130mW时,光阱刚度与激光功率成正比.该光镊系统可用于生物、物理等微观领域研究的高准确度测力系统.     

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。     

基于自回归模型的光阱中粒子运动模拟

通过分析光阱中颗粒位移信号特性, 建立描述粒子受限布朗运动过程的自回归模型, 进而提出了一种基于自回归模型的光阱中颗粒运动信号模拟的新方法. 对半径为1 μm的粒子处于光阱刚度分别为10, 20, 50 pN/μm 光阱时的位移信号进行了模拟, 得到的模拟位移信号的自相关函数与理论值相一致. 为了进一步阐明自回归模型的有效性, 在相同光阱参数下, 分别采用自回归模型与蒙特卡罗方法模拟光阱中微粒的位移信号, 采用功率谱法分别对两种模拟方法所得的微粒位移标定光阱刚度, 结果表明自回归模型方法能够取得和蒙特卡洛法相同的精度. 因此, 本文为分析光阱中粒子的随机运动提出了一种新的模拟方法, 可以用来对光阱中的噪声及特性进行分析. 关键词： 光阱 布朗运动 信号模拟 自回归模型     

低频响及低采样频率下用布朗运动分析法测量光阱刚度

布朗运动法测量光阱刚度因其简便易行而成为光镊系统参数测量的一种常用的方法，但是由于在低频响或低采样频率时测量结果误差很大，所以主要用在频响及采样频率较高的情况下.将在功率谱分析及实验的基础上，讨论如何在低频响及低采样频率下，用布朗运动法测量光阱刚度. 关键词： 布朗运动 光阱刚度 光镊 功率谱     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

热驱动法测量光阱刚度的蒙特卡罗模拟

在应用光镊测量微米粒子或生物大分子之间力学特性之前,必须对光镊的光阱刚度进行精确标定,选择精确的标定方法对测量的准确性起着决定作用。采用Monte-Carlo方法,模拟了光阱中的一个粒子在5s时间内其位移随时间变化的信号序列,模拟采样频率为105Hz。基于不同程度噪声和光阱偏移量条件下的模拟实验数据,用三种热驱动力分析法对光阱刚度进行标定。结果表明,三种方法的理想误差均小于2.5%;将粒子位移序列的坐标减去其平均值后得到新的位移序列,然后进行刚度标定,可以消除光阱偏移引入的误差;均方位移法比功率谱法和玻尔兹曼分布法具有更好的抗噪声干扰能力。     

激光功率对光镊光阱刚度标定的影响

光阱刚度是描述光镊对粒子进行操控的重要力学指标,实际使用过程中会受到激光功率的影响。采用均方位移法及玻尔兹曼统计法对搭建的光镊系统进行光阱刚度的标定,利用图像采集方法进行微粒位移的测量,并对两种方法的测量结果进行了比较。为了提高光阱刚度的标定结果的准确性,分析了光路放大倍数、温度变化对最后标定结果的精度影响。结果表明,两种方法进行标定的结果基本相同;光阱刚度在低激光功率（1 mW ~20 mW）范围时随功率近似线性增加,在高功率情况下（25 mW~60 mW）随功率增加不再线性增加,而是趋于一个饱和值。此外,光路放大倍数标定的精确性对标定的精度影响较大,10%的相对误差时,标定结果产生23%的变化,温度对标定的精度影响较小,0.1 ℃的温度变化导致标定结果0.034%的变化。     

细胞光阱刚度与折射率关系理论计算

为了探讨用光镊技术进行细胞折射率的测量方法,用几何光线理论对可作为米氏粒子模型的生物细胞(半径a=10μm,折射率n=1.35~1.70),在单光束梯度力光阱[激光波长λ=780 nm,功率P=6 mW,焦斑半径w(0)=0.6μm、0.8μm和1.0μm]中的轴向光阱刚度与细胞折射率关系进行了数值计算。结果表明,光阱刚度随折射率的变化关系与三次多项式曲线拟合得较好;用测量光阱刚度计算细胞的折射率时,需要用折射率已知的四种标准粒子对三次多项式曲线进行标定。     

时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

用短程飞行时间吸收谱对铯磁光阱中冷原子温度的测量

介绍采用短程飞行时间吸收谱测量铯原子磁光阱(MOT) 中冷原子温度的基本原理及实验实现.与通常的飞行时间方法不同，采用短程飞行时间吸收谱来测量MOT 中冷原子云的温度.在MOT 区域正下方若干毫米处入射一束圆柱状共振探测光束(实验中对于h=3mm，5mm，8mm的情况均作了研究)，释放冷原子云，在其膨胀和自由下落过程中穿过探测光束，即可由光电探测器测得飞行时间吸收谱，由此推得MOT中冷原子的温度. 关键词： 磁光阱 冷原子 飞行时间 短程飞行时间 铯原子     

Generation of Circular Optical Vortex Array

We report on a novel optical vortex array named circular optical vortex array, which is generated by the superposition of two concentric perfect optical vortices. The circular optical vortex array has a constant topological charge of +1 or ?1, the number and sign of which are determined by the topological charges of the two perfect optical vortices. Moreover, the radius of the circular optical vortex array is easily adjusted by using the cone angle of an axicon. Furthermore, the circular optical vortex array and multiple circular optical vortex array can be rotated by changing the initial phase difference of the perfect optical vortices on demand. This work demonstrates a complex structured optical field, which is of significance for applications such as optical tweezers, micro‐particle manipulation, and optical imaging.     

等宽圆环光瞳滤波器的超分辨性能研究

设计一种等宽圆环光瞳滤波器 ,并研究了它的超分辨性能。分析了光瞳中心半径和圆环数对斯特耳比、超分辨能力和旁瓣强度的影响 ,讨论了设计等宽圆环光瞳滤波器时中心半径和圆环数的优化问题。表明圆环数为奇数和偶数时 ,光瞳具有不同的超分辨性能 ;圆环数分别取 1和 2时 ,综合考虑超分辨性能较佳     

Comparison Study of Two Mehods for Realizing Real-time High-efficiency JTC

ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎＳｔｕｄｙｏｆＴｗｏＭｅｈｏｄｓｆｏｒＲｅａｌｉｚｉｎｇＲｅａｌ－ｔｉｍｅＨｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＪＴＣＧＥＢａｏｚｈｅｎ；ＱＩＮＹｕｗｅｎ；ＺＨＡＮＧＹｉｍｏ；ＨＵＡＮＧＺｈａｎｈｕａ；ＺＨＡＮＧＨｏｎｇ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔ...     

光纤通信光开关的物理基础

光开关是光交换系统的基本元件，也是一种基本的控光器件，本文综述了目前光纤通信中所研究和开发的光通信开关器件的物理原理，并给出各类光开关的阈值条件和典型参量。     

能够补偿二阶偏振模色散的三阶段偏振模色散补偿器

简要分析了偏振相关色散对光通信系统性能的影响,提出了一种三阶段高阶偏振模色散补偿方案,从理论上分析了它同时补偿偏振相关色散和偏振主态旋转的可能性,并提出了其可能存在的两种工作方式.通过数值模拟与两阶段补偿方案进行了性能比较,其偏振模色散容限比两阶段补偿提高约17%个比特周期 关键词： 光通信 光偏振 光纤色散     

Efficiency improvement of optical pattern recognition in ultra-fast all-optical intensity equalizer

To cope with a larger intensity fluctuation of optical signals in optical communication networks, we have proposed and demonstrated an ultra-fast all-optical intensity equalizer based on an optical pattern recognition technique. To achieve higher transfer efficiency for this equalizer, we designed and fabricated a highly-efficient optical amplitude-phase filter using a diffractive optical element for optical pattern recognition. The fabricated amplitude-phase filter provides a diffraction efficiency of 85%, and the all-optical intensity equalizer is demonstrated to have higher transfer efficiency, when this filter is used.     

基于SBS光限幅和金属酞菁光限幅相结合的复合型光限幅器的研究

为了使受激布里渊散射(SBS)光限幅器的输出能量更"平",提出了一种基于SBS光限幅和金属酞菁光限幅相结合的复合型光限幅器的方案,即SBS光限幅后边放置金属酞菁光限幅,在两种光限幅器的共同限幅作用下,使复合型光限幅器的输出光能量更"平". 数值模拟了该复合型光限幅器的输出光能量随入射光强度的变化曲线,并在Countinuum's Nd: YAG种子注入式激光器中进行了实验验证. 理论和实验结果均表明,复合型光限幅器的输出光能量比单独SBS光限幅器更"平". 关键词： 复合型光限幅器 SBS光限幅 金属酞菁限幅     

一种新型光交叉连接器的设计

由于光交叉连接器(OXC)在密集波分复用(DWDM)网络中起关键作用，文中提出一种采用双向环行器的新型光交叉连接器设计方案。其基本结构由一个双向环行器与一个光纤布拉格光栅(FBG)组成，构成一个2×2光交叉连接器，再根据这一基本结构设计出可满足实际需要的N×N光交叉连接器。此方法具有结构简单、体积小、价格便宜及所需环行器数量少(比传统的少67％) 等优点。最后，把新型光交叉连接器的插入损耗与传统结构连接器的插入损耗进行了比较。仿真结果表明，新结构比传统结构具有更小的插入损耗。     

光耦合理论及其在通信元器件中的应用

运用矩阵光学中变换矩阵的理论,并以重叠面积积分的方法为基础,推导出了普遍适用于计算光在光通信元器件中光耦合效率的理论公式,可通过设置边界条件计算单模光纤、扩束光纤、半导体激光二极管以及光波导等不同光学元器件之间的耦合效率。导出了计算单模光纤之间和单模光纤与扩束光纤之间存在横向偏移、轴向偏移时的耦合效率理论通用公式。阐述了扩束光纤的制作方法及光在扩束光纤中的传播,并根据所推导耦合效率理论公式计算结果与单模光纤间和单模光纤与扩束光纤间的耦合实验数据进行了比较。     

天文光学望远镜的调校与检测

本文扼要叙述了天文光学望远镜的通用调校步骤与方法，适用于诸如卡氏（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）、葛氏（Ｇｒｅｇｏｒｙ）、奈氏（Ｎａｓｍｙｔｈ）、折轴（Ｃｏｕｄé）、施密特（Ｓｃｈｍｉｄｔ）、牛顿（Ｎｅｗｔｏｎ）望远镜、…等的光学元件及系统的调校。对极轴的高度与方位的调整，也给以简要介绍。本文还概述了对成像质量的检测。文中以通光口径２．１６ｍ天文望远镜为例，给出了光路调整图。