金属包裹纳米微粒的光学特性研究(英文)

金属包裹纳米粒子是一种纳米量级的介质球核外包裹薄金属层的纳米粒子.在本文中,Au包裹Au₂S纳米粒子被抽象成微型电磁谐振腔,其谐振波长决定于Au₂S介质球核的半径.运用经典电磁理论可以得到谐振波长和谐振能量.由于Au包层很薄(2nm),这种微型谐振腔的耦合方式是有别于传统方式的透射耦合,因此Au包层的厚度决定了谐振的能量以及谐振腔品质因子Q.此外,本文还讨论了吸收峰的线宽.     

金属-介质-金属多层结构可调谐Fabry-Perot共振及高灵敏折射率传感

顶层透光、底层不透光的金属-介质-金属多层结构可以产生窄带完美吸收共振,用于测量介质层待测液体的折射率变化.本文通过构建Fabry-Perot共振解析模型,准确复现了该结构的响应光谱,给出了其共振波长、品质因子、半高全宽和灵敏度的解析表达式,并分析了介质层厚度对光谱的谐振波长和线宽的调谐机制,明确了其物理机理.基于8阶Fabry-Perot共振的金属-介质-金属多层结构,用于折射率传感时的品质因子及优值分别达到2162.8和1648.1 RIU–1.针对极小的折射率扰动,通过在奇异点状态叠加Fabry-Perot共振的调谐机制,提出了通过测量奇异点波长处反射系数的增加量或散射矩阵本征值的分裂量,实现对待测液体折射率的可调谐式传感的方案. Fabry-Perot模型解析结果显示,当待测液体的折射率变化为10–4 RIU时,基于8阶FabryPerot共振的金属-介质-金属多层结构的前向反射系数增加量和本征值分裂量分别达到0.319和1.1279.     

宽带可调谐单频窄线宽光纤激光器

设计出一种集可调谐带通滤波器、高精度环形滤波器和光纤环形镜于一体的全光纤复合腔结构可调谐单频窄线宽光纤激光器。采用980 nm半导体激光器作为抽运源,掺镱光纤在谐振腔内分别作为增益介质和可饱和吸收体,成功实现波长为1030～1090 nm稳定的宽谱可调谐单频窄线宽激光输出。当抽运光的抽运功率为300 mW时,在波长为1070 nm处得到的输出功率最大,为18.5 mW,斜率效率达到7.95%,持续1 h内没有出现跳模现象,功率不稳定性小于1%;当抽运功率为200 mW时,利用延迟自外差法测量线宽,得到波长调谐范围内的平均线宽为8.7 kHz,弛豫振荡频率为64 kHz。     

组合短腔单频Cr∶LiSAF激光器的理论与实验研究

分析了一种特殊设计的组合短腔Cr∶LiSAF激光器实现单频运转的工作原理,并在此基础上与实验进行详细的比较.当两个掺杂浓度及所镀介质膜都完全相同的薄片Cr∶LiSAF晶体谐振腔长分别取为500μm和1000μm,中间夹的石英厚度为130μm时,实验得到了线宽＜0.12nm的单频激光,理论线宽为0.02nm.     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.     

对称金属包覆波导受温度影响的特性分析

基于对称金属包覆波导,研究了温度对金属层介电常量及导波层折射率的影响.通过改变金属介电常量和导波层折射率,共振角和衰减全反射吸收峰受到影响.理论和仿真表明:在入射光波长为760nm,覆盖层银膜厚度为35nm,衬底银膜厚度为300nm,导波层为纯水的条件下,温度由10℃升高到70℃时,衰减全反射吸收峰反射率随温度的升高而降低,吸收率提高;共振角随温度的升高,先增加后减小.当金属介电常量对整体的影响大于纯水时,共振角增加,反之,共振角减小.因此,对称金属包覆波导受温度的影响是不可忽略的.     

吸收谱线Doppler展宽对原子多步光电离的影响

原子法激光同位素分离的核心之一是如何高效地将原子激发电离.本文从原子法激光同位素分离的实际情况出发,研究了原子吸收谱线的Doppler展宽对原子电离率的影响.研究中使用的理论工具是原子激发电离的密度矩阵方程,并利用数值计算方法对方程进行求解.研究结果表明:当吸收谱线有Doppler展宽时,在激光参数不变的条件下原子电离率会降低;且当激光功率固定时,存在使原子电离率为最大的线宽值.这与已发表文献中无Doppler展宽时的计算结果有很大不同.为了追求最佳的原子电离效果,在原子法激光同位素分离系统中激光应该尽可能地工作在最佳线宽条件下.如果激光线宽有不可控的随机波动,在技术上让激光线宽略大于最佳线宽更为有利.无论如何控制激光线宽,尽可能地降低原子吸收谱线的Doppler展宽都有利于原子电离率的提高.     

非局域颗粒复合介质的相干完美吸收效应

研究了两束相干光以相同的入射角从左、右两侧分别入射到Au-SiO_2复合介质板时,在不同的体系参数下该复合材料体系发生相干完美吸收的情形.运用有效媒质理论推导出了复合介质的有效介电常数以及有效磁导率;在得到有效电磁参数的基础上进一步推导得到平面波入射复合介质板时的反/透射系数.通过比较分析非局域和局域情况下颗粒复合介质的相干完美吸收现象,发现当颗粒尺寸很小时非局域效应的影响会导致复合介质产生相干完美吸收的入射光的频率范围显著变宽.在进一步的解析计算中,通过调节复合介质板的厚度、入射光波长、金属颗粒体积分数等参数得到了不同情况下产生的相干完美吸收现象,并由此分析非局域情形下对于相干完美吸收现象的调控.     

3.4μm处NO2吸收光谱特性及在差分吸收激光雷达中的应用

为使中红外差分吸收激光雷达能够精确测量NO_2气体浓度,对NO_2在中红外波段的吸收光谱特性进行测量分析.采用光参量放大激光器的λon和光参量振荡激光器λoff两路激光分别进行吸收谱线测量实验.用谱线宽小于0.05nm的λon激光测量了NO_2气体在3 410～3 433nm的吸收光谱,计算得到其吸收截面,采集分析了NO_2在291K、308K、363K三个温度下的光谱特性,用谱线宽约为10nm的λoff激光采集了3 400～3 435nm的吸收谱线.测量结果表明,在3 410～3 433nm波段,温度和吸收截面值呈负相关,测量的谱线与HITRAN数据库相关系数达到0.92以上;针对λoff激光下的吸收谱线,采用了改进的卷积修正方法,测量结果和拟合结果相关系数为0.97.将实测的on和off波长处的吸收截面应用于使用该波长对的中红外差分吸收激光雷达仿真上,拟合差分吸收激光雷达系统浓度测量误差,验证了基于该波长对的差分吸收激光雷达方案的可行性.     

含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构的传感特性研究

结合光子晶体的缺陷模式和表面模式特性,提出了一种含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构。该结构由周期性光子晶体、待测样本和外部空气层共同组成,将待测样本直接作为表面缺陷腔。基于光学谐振原理和表面波理论,分析了所提结构的折射率传感机理。讨论了不同吸收介质对所提结构光谱特性的影响。将石墨烯作为吸收介质时,传感结构的品质因子(Q值)明显高于将硫化锌、氧化铝和金属银作为吸收介质的情况;将样本层作为表面缺陷腔,通过光学Tamm态谐振,可实现多次全反射衰荡,使谐振光信号和待测样本充分作用,从而提高了该结构的传感灵敏度。所提结构的Q值为2097.18,灵敏度为1017.98nm/RIU。研究结果对实现待测物的高Q值和高灵敏度检测具有一定的理论参考价值。     

基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围.宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件.利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体,搭建了宽带调谐的窄线宽2μm光纤激光器.利用掺铥光纤的再吸收特性,通过合理设计增益光纤长度,得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出,且激光器静态线宽小于0.1 nm,能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求.利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2μm波段的宽带吸收光谱进行了测量.在常温空气中,该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线;在酒精火焰中,该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线.通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06nm,与静态测试结...     

高数值孔径光学光刻成像中的体效应

为有效控制成像线宽,研究了高数值孔径光学光刻中的体效应并提出一种光刻胶膜层优化方法,利用成像中的摇摆效应平衡体效应对成像线宽的影响.首先根据系统数值孔径和照明相干因子确定成像光入射角分布,相对所有入射光求出光刻胶底面单位体积吸收的能量平均值.然后用最小二乘法拟合得到能量平均值随光刻胶厚度变化的解析式并求能量平均值的导数.最后通过优化光刻胶膜层,使能量平均值的导数绝对值最小.按优化结果设计光刻胶膜层,利用商业光刻软件Prolith9.0得到成像线宽随光刻胶厚度的变化.结果表明,该方法能在30～40nm的光刻胶厚度范围,有效地减小由体效应引起的成像线宽的变化.     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

不同产地翡翠的紫外-可见吸收光谱特征研究

翡翠为一种珍贵的玉石。不同产地的翡翠价值差异较大,有些不法商人以某些产地的翡翠冒充缅甸翡翠以获取高价。迫切需要一种可靠方法来确定宝石地理起源,翡翠的产地研究具有重要的宝石学意义,目前主要在翡翠生成时代、矿物组合、硬玉组分含量等方面探讨不同产地翡翠,缺乏快速有效鉴别产地的方法,以缅甸、俄罗斯、危地马拉翡翠为研究对象,对不同产地相同厚度翡翠样品的谱学研究发现：不同产地翡翠紫外-可见吸收光谱中都存在两个明显的吸收峰,紫区437 nm的吸收峰为Fe3+的吸收,430 nm处的吸收峰为Ｍn２＋的自旋禁阻跃迁所致,但是三个产地翡翠紫外-可见吸收光谱的吸收系数范围不同,430 nm处吸收系数峰值范围小于0.62,437 nm处吸收系数峰值小于0.66时,为缅甸翡翠,430 nm处吸收系数峰值范围大于1.1,437 nm处吸收系数峰值大于1.1,为危地马拉翡翠,430 nm处吸收系数峰值范围0.62~1.14,437 nm处吸收系数峰值范围0.66~1.1时,俄罗斯、危地马拉及缅甸翡翠紫外吸收波段重合,为三个产地翡翠共同区域。采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)确定MnO和FeO元素含量,发现不同翡翠产地紫外-可见430和437 nm吸收峰值与MnO和FeO元素含量呈正相关关系,该研究为紫外-可见吸收光谱技术应用于翡翠产地快速鉴别,有一定的实用性和可行性。     

非线性一维光子晶体反射谱的多值特征研究

以含有一层kerr非线性介质的一维光子晶体为对象,基于子层逆向递推算法,给出了非线性反射谱一种简单有效的数值计算方法.基于此方法得到了该结构在1 535~1 565nm范围内的非线性反射谱.当输入光强高于阈值时,缺陷模缓慢移动并出现弯曲倾斜的多值特征.分析了上跳波长、下跳波长随输入光强的变化趋势.研究了线性周期介质和非线性介质结构参数对反射谱的影响.研究表明:增加周期介质的周期、高低折射率比和非线性层厚度都能使缺陷模变窄,输入光强阈值和上跳波长、下跳波长的阈值波长降低;而非线性介质的三阶非线性系数增大时,输入光强阈值降低,但缺陷模宽度、上跳波长和下跳波长的阈值波长没有明显改变.这种多值特征对于设计光学开关、光学滤波器等有着重要的指导作用.     

开放V型无反转激光系统相位涨落的影响

通过对从开放的V型双泵浦系统的定态解析解得到的数值计算结果的分析表明:1)驱动场相位将涨落导致一个有限线宽;一般说来,被探测场耦合的上下两能级间的粒子数差随线宽的增加而减小,当线宽增加到一定值时,系统将发生从传统的反转激光到无反转激光的转化;线宽的增加将使无反转激光增益降低;当线宽不为零时,仍可产生无吸收高色散(折射率)2)线宽变化对增益、色散和粒子数差影响的性质和大小与系统其它参量的取值密切相关,只有适当选择线宽和系统其它参量的值才能获得最大的无反转激光增益和无吸收高色散(折射率).     

两类介质对单色激光的吸收系数的测量与比较

实验测量并比较了铯原子气室和吸收型中性衰减片对852.356 nm单色激光的吸收系数,以及两种介质吸收系数随入射光强变化的行为.对选择吸收和普遍吸收作了分析.采用单色光场与二能级原子系统相互作用的模型,就铯原子气室对852.356 nm共振光的吸收系数随入射光强的变化规律做了分析和拟合.     

椭圆柱微腔光子晶体耦合腔波导的慢光特性研究

采用大介质柱和椭圆介质柱环绕微腔结构构成光子晶体耦合腔光波导(PC-CROW),在获得慢光的同时,其缓存特性也获得了提高。当普通介质柱半径为0.25a(a为光子晶体晶格常数),环绕微腔圆形大介质柱半径为0.35a时,得到小于2.37×10-4c(c为真空中的光速)的导模群速度,这比均匀介质柱微腔波导的最大群速度减小了一个数量级,存储容量也有所下降;考虑到缓存性能,为了进一步改善PC-CROW的慢光性能和缓存特性,将环绕微腔大介质柱椭圆化,在椭圆长轴为0.42a,短轴为0.20a时,获得导模群速度小于2.3053×10-4c,存储容量达到9.8214 bit,品质因子Q也达到了最大值3575.1。     

一维光子晶体微谐振腔的调谐特性与品质因子

利用传输矩阵法研究了对称结构和非对称结构一维光子晶体微谐振腔的调谐特性和品质因子.研究发现:当缺陷层光学厚度增加时,缺陷模中心波长也会随着增加即向长波方向移动,微谐振腔的调谐特性与缺陷层两边介质的折射率有关;相比于对称结构,非对称结构能在较小的缺陷层光学厚度变化范围内实现较大波长范围的线性调谐;品质因子随缺陷层厚度的增加先增大后减小,在缺陷模中心波长为λ0时可达最大值;高低折射率介质层的排布对微谐振腔品质因子有影响.     

一维光子晶体微谐振腔的调谐特性与品质因子

利用传输矩阵法研究了对称结构和非对称结构一维光子晶体微谐振腔的调谐特性和品质因子.研究发现：当缺陷层光学厚度增加时,缺陷模中心波长也会随着增加即向长波方向移动,微谐振腔的调谐特性与缺陷层两边介质的折射率有关;相比于对称结构,非对称结构能在较小的缺陷层光学厚度变化范围内实现较大波长范围的线性调谐;品质因子随缺陷层厚度的增加先增大后减小,在缺陷模中心波长为λ0时可达最大值;高低折射率介质层的排布对微谐振腔品质因子有影响.