弹光调制器准单色光波偏振测量与仿真

弹光调制器(Photoelastic Modulator,PEM)互差频调制的新型偏振测量方法,能够同时实现三个斯托克斯光谱偏振参数测量,克服了现有方法的无法用阵列探测器有效采集,调制频率高的缺点,保留了原有弹光调制器偏振测量的优点。文章以光学系统的准单色光的偏振特性以及常用的偏振分析方法为基础,引入了Stokes矢量来表示入射光波的偏振特性。分析了弹光调制器实现偏振测量新方法的原理,利用三个弹光调制器工作在互相差异的频率上,对偏振光进行差频调制,产生载有偏振信息的低频分量,再通过锁相放大即可得到偏振信息,并给出利用MATLAB模拟仿真实现Stokes参量复原的过程。理论分析及仿真结果证明了该方法在理论上的可行性。     

基于光注入下电流调制1550nm垂直腔面发射激光器获取宽带光学频率梳

数值研究了一种获取宽带光学频率梳的方案。在该方案中,首先采用调制频率f_m=f_0/n(f_0为1 550nm垂直腔面发射激光器中两正交偏振分量频率间隔,n为整数)的大调制信号电流调制一个1 550nm垂直腔面发射激光器,使该1 550nm垂直腔面发射激光器中的主振荡模式—Y偏振分量输出光学频率梳,而X偏振分量处于被抑制状态;进一步地,引入线偏振光注入,使激光器中两个偏振分量(光谱主峰比小于15dB)均实现光学频率梳输出;再借助一个偏振片,将这两个偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,从而获取宽带光学频率梳。基于自旋反转模型,数值研究了由该方案产生的光学频率梳特性。仿真结果表明:在给定的参数条件下,一个自由运行1 550nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6mA)偏置在11.5mA时,Y偏振分量占主导而X偏振分量被抑制(光谱主峰比大于30dB);在受到调制深度较大的电流调制作用下,该激光器只在Y偏振分量输出光学频率梳;引入线性偏振光注入后,通过调整线性偏振光的偏振方向,可使X、Y偏振分量同时实现光学频率梳输出;最后,利用一偏振片将X、Y偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,最终可获得一个带宽超过80GHz的光学频率梳。     

旋光-电光晶体的电光调制特性及π-电压

分析旋光-电光晶体的电光相位以及强度调制特性,并定义晶体的π-电压。对于具有旋光性的电光晶体,以往半波电压的概念不能准确描述其电光偏振、强度调制的周期性,因而引入π-电压这一概念,并将其定义为此类晶体的椭圆双折射相位延迟变化量等于π时所需要的调制电压。对于置于两个偏振器之间的旋光-电光晶体强度调制器,旋光性可以为电光强度调制提供光学偏置,但调制光强度是调制电压的偶函数,只有当检偏器的主透光方向平行或垂直于晶体出射线偏振光波的偏振方向时,才能实现完全的电光开关。当将此类晶体用于电光开关时,可定义能够实现完全开关状态转换所需要的最大调制电压为开关电压。通过实验测量了一块尺寸为6 mm×4 mm×2.9 mm的硅酸铋(Bi_(12)SiO_(20))晶体的π/4-电压,对于635 nm的光波长,π/4-电压约为3 kV。对于具有旋光性的弹光调制器,可以引入π-应力和π-应变的概念。     

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器(photoelastic-modulator, PEM)的调制频率高(几十kHz以上),调制干涉信号频率更高,普通阵列探测器无法有效采集,提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔(Fourier-Bessel)变换的光谱测量方法,并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术(dual-photoelastic-modulator-based imaging spectrometer, Dual-PEM-IS)。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上,以对光进行拍频调制,并产生载有被测光的低频调制分量(比驱动频率小2～3个数量级,普通CCD可实现探测),通过对调制信号中的低频成分进行Fourier-Bessel变换可得到目标光谱,使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式,并通过仿真和实验验证其可行性,分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响,为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。     

HT-7超导托卡马克调制电流改善等离子体约束

 在HT-7超导托卡马克上进行了电流调制改善等离子体约束物理实验，获得了初步的实验结果。对电流调制时的径向电场进行了数值计算和讨论。当等离子体环向电流以适当的频率和幅值周期性调制时，低模数的磁流体不稳定性得到明显的抑制，等离子体中心电子温度增加了33%，等离子体电子密度分布明显陡化，能量约束时间增加了27%~45%。杂质辐射周期性减少,粒子约束时间增加了2倍。在等离子体边界产生更强的径向负电场。     

一种弹光调制器精确定标微系统设计

弹光调制器利用各向同性晶体受迫振动后产生的双折射效应,对入射的偏振光进行相位调制,在偏振调制及测量方面具有重要应用.弹光调制器的相位延迟是其关键指标参数,实际应用时需对驱动电压与相位延迟进行标定.但传统的弹光调制器定标系统中的元件体积较大,且在使用前完成标定,误差大.为了使弹光调制系统能够实现实时定标,达到精确定标的目...     

基于弹光调制的红外光谱吸收法在室内VOC检测中的研究

为了保证静态干涉系统在气体定性定最分析方面稳定性高、抗干扰能力强的特点,设计了基于弹光调制实现光程静态扫描的干涉检测系统.系统由红外激光器、起偏器、弹光调制器、检偏器及CCD组成.通过弹光调制器使弹光晶体的主折射率随调制信号周期性的变化,从而产生周期性变化的光程差.通过对调制相位变化的计算,可知得到调制度随晶体长度、调...     

弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究

提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据. 关键词： 偏振调制 三弹光调制器 差频 成像光谱偏振仪     

弹光调制干涉图最大光程差的稳定性及检测技术研究

为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究。弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关。因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿。经试验验证,采用670.8 nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471 μm的检测,其测量误差小于0.167 nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2 nm。     

偏振调制光学乘法器的设计与实验

设计了一种偏振调制光学乘法器,以2个空间光调制器分别表示2个二进制乘数,让准直的偏振激光束依次通过2个空间光调制器进行各位求积,使得出射的线偏振光通过不同偏振方向的偏振片,对二进制各位的光强进行不同程度的衰减,对衰减后的光功率进行累加得到乘法结果.以2个3位二进制数乘法运算为例进行实验,验证了系统的可行性.     

Analysis of the Zeeman effect on D_α spectra on the EAST tokamak

Based on the passive spectroscopy,the D_α atomic emission spectra in the boundary region of the plasma have been measured by a high resolution optical spectroscopic multichannel analysis(OSMA) system in EAST tokamak.The Zeeman splitting of the D_α spectral lines has been observed.A fitting procedure by using a nonlinear least squares method was applied to fit and analyze all polarization π and ±σ components of the D_α atomic spectra to acquire the information of the local plasma.The spectral line shape was investigated according to emission spectra from different regions(e.g.,low-field side and high-field side) along the viewing chords.Each polarization component was fitted and classified into three energy categories(the cold,warm,and hot components) based on different atomic production processes,in consistent with the transition energy distribution by calculating the gradient of the D_α spectral profile.The emission position,magnetic field intensity,and flow velocity of a deuterium atom were also discussed in the context.     

Polarimetric Measurement of Plasma Poloidal Magnetic Field via Heterodyne Phase Shift Methods

The rotation of the plane of polarization of radiation propagating through a magnetized plasma (Faraday effect) yields the line integral of the electron density times the longitudinal magnetic field component. A commonly used technique for this measurement senses the change in intensity of a laser beam after passing through a linear polarizer. Two methods often employed to facilitate detection are 1) to mix the transmitted beam with a frequency-offset reference beam to allow heterodyne detection and 2) to oscillate the polarization direction of the laser beam. In addition to being sensitive to spurious amplitude variations, such amplitude measurements are sensitive to small polarization ellipticities introduced by optical components as well as by transverse magnetic fields within the plasma. By the addition of a quarter wave plate, the Faraday rotation can alternatively be sensed as a phase shift of the heterodyne beat of two frequency-offset input beams relative to the case of no plasma. This scheme has the advantage of phase modulation over amplitude modulation, i.e., independence of absolute amplitude and weak dependence on amplitude change. We demonstrate with Jones matrix algebra how the measured phase shift depends only weakly on imperfections and angular alignments of the optical components. Moreover, the phase shifts can be increased more than an order of magnitude by deliberate modifications in the basic optical configuration at a sacrifice of comparable amounts of the amplitude modulation of the carrier from which the phase shift is determined.     

相位角对容性耦合电非对称放电特性的影响

电非对称效应作为一种新兴技术,被广泛用于对离子能量和离子通量的独立调控.此外,在改善等离子体的径向均匀性方面,电非对称效应也发挥了重要作用.本文采用二维流体力学模型,并耦合麦克斯韦方程组,系统地研究了容性耦合氢等离子体中当放电由多谐波叠加驱动时,不同谐波阶数k下的电非对称效应,重点观察了相位角θ_n对自偏压以及等离子体径向均匀性的影响.模拟结果表明：在同一谐波阶数下,自偏压随相位角θ_n的变化趋势不尽相同,且当k增大（k>3）时,自偏压随最高频相位角θ_k的变化范围逐渐减小.此外,通过调节相位角θ_n,可以改变轴向功率密度和径向功率密度的相对关系,进而实现对等离子体径向均匀性的调节.研究结果对于利用电非对称效应优化等离子体工艺过程具有一定的指导意义.     

共振线极化光实现原子矢量磁力仪的理论研究

共振线偏振光激发原子张量磁矩,本文理论研究在矢量磁场和射频场的共同作用下,张量磁矩进动的模型,求解刘维尔方程获得透射光时域完整解析解,包括直流、一次和二次谐波分量.研究发现:当进动的拉比频率Ω1/(22~(1/2))时,两谐波间的干涉效应使直流分量和一次谐波对称成分的单吸收峰劈裂成双峰,裂距((Ω~2+Ω~4-Ω~2-1)~(3/2))~(1/2),一次谐波反对称成分在共振处产生干涉条纹.研究结果显示,谐波间的干涉也可导致直流分量和二次谐波线宽仅为一次谐波线宽的38%,且存在磁场取向临界点,在不同的取向区间分别利用直流及两谐波共振信号辨析磁场变化,可获得最佳测磁灵敏度;同时还可通过共振时直流分量及两谐波对称成分振幅来确定磁场与激光极化方向的夹角,利用两谐波反对称成分相移的差值来确定待测磁场在垂直光极化方向投影与射频场方向的夹角,进而实现结构简单的张量磁矩进动型矢量磁力仪.这种磁力仪适合构成磁力仪阵列,可用于磁定位、水下磁异常源的检测和地磁导航等领域.     

像素偏振片阵列制备及其在偏振图像增强中的应用

像素偏振片阵列在实时测量光的斯托克斯参量方面具有重要的应用.本文设计和制作了基于金属铝纳米光栅的像素偏振片阵列,制作工艺基于电子束曝光技术.偏振片阵列单元尺寸为7.4μm,每相邻2×2单元的透偏振方向分别为0,7π/4,π/2和3π/4.光栅周期为140 nm,占空比为0.5,深度100 nm,光栅面型为矩形.像素偏振片阵列的扫描电子显微镜照片显示,制备的偏振片阵列的金属纳米光栅栅线无断线、无交叉、无杂物污染,光栅栅线结构平直,厚度均匀,满足理想矩形面型.采用偏振光作为照明光的光学显微镜拍摄图片显示,像素偏振片阵列整体形状规则,具有很好的偏振特性,最大偏振透射率可达到79.3%,消光比可达到454.将像素偏振片阵列与CCD(charge coupled device)集成在一起,采集单帧图像即可计算图像的斯托克斯参量,从而得到拍摄物体线偏振度图像和线偏振角图像,实现了偏振增强,可应用于目标反隐和识别.     

EAST多道运动斯塔克效应诊断光谱分析

通过对多道运动斯塔克(MSE)系统测得的EAST等离子体中Dα谱线的拟合，获得了Stark分裂谱分量的间距，从而得到等离子体的磁场强度分布，并与线圈电流产生的磁场进行了比较，偏差约为5%。     

Tuning the energy gap of bilayer α-graphyne by applying strain and electric field

Our density functional theory calculations show that the energy gap of bilayer α-graphyne can be modulated by a vertically applied electric field and interlayer strain. Like bilayer graphene, the bilayer α-graphyne has electronic properties that are hardly changed under purely mechanical strain, while an external electric field can open the gap up to 120 meV. It is of special interest that compressive strain can further enlarge the field induced gap up to 160 meV, while tensile strain reduces the gap. We attribute the gap variation to the novel interlayer charge redistribution between bilayer α-graphynes.These findings shed light on the modulation of Dirac cone structures and potential applications of graphyne in mechanicalelectric devices.     

颗粒溶液颗粒尺寸及浓度的差分偏振弹性散射光谱在线分析方法

偏振弹性散射光谱技术的基本原理为在偏振光入射条件下,根据出射光的偏振特性不同可以筛选出浅表层组织的单次散射光信息和深层组织的漫散射光信息。该研究的创新点在于将这种方法应用于颗粒溶液检测,目的是在颗粒溶液原始状态下实现对颗粒尺寸及浓度的同时检测。设计了一个共轴笼式光学系统,测量了聚苯乙烯微球颗粒溶液某一角度的背向散射信号,通过控制入射端和收集端偏振片的偏振方向获得了颗粒溶液的偏振平行光谱与偏振垂直光谱,两者之差即偏振差分光谱对应颗粒的单次散射信息,将该单次散射信息与Mie散射数据库进行比对获得颗粒的尺寸,然后在颗粒尺寸作为已知的条件下进一步分析偏振垂直光谱,将该垂直光谱对应的颗粒溶液的漫散射信息代入光漫散射下的近似表达式拟合得到颗粒的浓度信息。将实验结果与样品提供值进行了比对,并进一步分析了在获取颗粒数浓度时,颗粒直径的方差分布对结果的影响,最终验证了该实验方法的可行性。该方法的潜在应用包括对标准颗粒制造厂商的产品在线检测以及对牛奶制品中脂肪和蛋白质的浓度检测研究。     

4pi聚焦系统中振幅和相位调制的径向偏振涡旋光束聚焦特性的研究

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式, 研究了径向偏振涡旋光束在振幅和相位调制下的4pi聚焦特性.振幅调制是通过振幅滤波实现, 即改变入射光束起始积分值达到调节,相位调制是通过添加相位延迟角δ 的液晶相位延迟器来改变入射光束的偏振态.模拟结果显示,随着振幅的减小, 4pi聚焦系统焦点附近的光轴上呈现出多光球结构; 而相位调制对焦点附近的光强分布产生拉伸作用, 即调节入射光束的拓扑核m和相位延迟器的延迟角δ,可以得到特殊的光强分布. 随着相位δ增大, m=0产生的多光球结构慢慢向光链结构转变,最终变成暗通道;而m=1产生的光链结构慢慢变成光球结构; m=2产生的暗通道变成光球和光链叠加的结构, 这种特殊聚焦光束在光学微操纵领域具有潜在的应用价值. 关键词： 物理光学 偏振 光链 4pi聚焦系统     

Mutual rectification of alternating currents in graphene in the field of two electromagnetic waves

For graphene placed in a dc magnetic field and exposed to two electromagnetic waves of the same polarization but different frequencies, an expression for the direct current density in a direction perpendicular to the polarization plane of the waves is derived. The direct current component is nonzero for the wave frequency ratio equal to two; it is proportional to the magnetic field strength, the electric field strength of the higher-frequency wave, and the squared electric field strength of the lower-frequency wave. The physical mechanism of the current generation is similar to the Hall effect.