基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法研究

报道了一种基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法,用于提高可调谐外腔半导体激光器(TECDL)的频率稳定度和准确度。自行研制的光学锁相环电路采用数字鉴相与差分运算相结合的方式获得高灵敏度的鉴频鉴相误差信号,并通过高速模拟PID实现整个系统的闭环锁定。利用该光学锁相环系统进行了TECDL偏频锁定至光学频率梳(OFC)的实验,实验结果表明环路锁定后拍频频率波动在±0.3Hz范围内,偏置频率为50MHz时,光学锁相环系统在1s和1000s积分时间的相对阿伦方差分别为1.5×10^-9和8.5×10^-13。系统锁定后,拍频线宽由500kHz压缩至2kHz。该研究表明采用基于光学锁相环的激光稳频方法可以实现亚Hz级的激光频差控制,通过将TECDL偏频锁定至高稳定度的参考激光源可显著提高其频率稳定度,使其能够满足超精密测量、冷原子/离子干涉测量等领域对激光频率稳定度和准确度的要求。     

第三代激光干涉仪

微片激光自混合干涉仪原理上与迈克尔荪干涉仪不同。主要差别是：激光自混合干涉仪的光束照射在被测物上并被反射回激光器被激光器内放大介质放大。作者课题组研究的的激光自混合干涉仪的测量速度达到了1 m/s以上,10 m空程的环境误差小到了40 nm。它具有全固态,可测“黑”目标的位移等性能,又达到了传统激光干涉仪的技术指标。如果第一代光学干涉仪是以光谱灯做光源,第二代光学干涉仪是以HeNe气体激光器做光源的话,固体激光自混合干涉仪因其激光“自混合”原理可看成是第三代激光干涉仪。     

第三代激光干涉仪——固体微片激光自混合测量技术的突破

微片激光自混合干涉仪原理上与迈克尔逊干涉仪不同。主要差别是:激光自混合干涉仪的光束照射在被测物上并被反射回激光器被激光器内放大介质放大。作者课题组研究的的激光自混合干涉仪的测量速度达到了1 m/s以上,10 m空程的环境误差小到了40 nm。它具有全固态、可测"黑"目标的位移等性能,又达到了传统激光干涉仪的技术指标。如果第一代光学干涉仪是以光谱灯做光源,第二代光学干涉仪是以He Ne气体激光器做光源的话,固体激光自混合干涉仪因其激光"自混合"原理可看成是第三代激光干涉仪。     

数学摆台法的超低频加速度校准

建立了基于数学摆台法的超低频加速度校准装置,解决了线振动台超低频加速度信噪比低的问题,对相关校准具有参考价值和借鉴作用。根据低频噪声理论,在建立激光测振仪的功率谱密度模型基础上,提出了位移噪声的定量评价方法,通过实验验证了所提方法的正确性。对数学摆台的虚拟摆臂、激励传递系数进行了实验测量,对校准装置的测量不确定度进行了评定。该装置实现了加速度计在频率范围0.001～0.1Hz、加速度范围5×10^-7 ～1×10^-2m/s² 的绝对法校准。     

超导稳频振荡器的研究

基于理论分析和计算机仿真,得到了超导稳频振荡器的设计方案,主要包括高Q超导腔、低温环境及锁相环电路等组件的设计。通过实验验证,超导腔的Q值达到2×10⁹,低温环境温度达到1.8 K,温度的稳定度优于0.001K。根据实验结果优化设计后进行系统联调,得到了初步实验结果,超导稳频振荡器的1s频率稳定度达到10^-13量级     

Ta2NiSe5/GaN范德华异质结用于具有超高响应性和耐恶劣环境的紫外光电探测器(英文)

氮化镓由于其直接带隙、固有的紫外吸收和高击穿电压引起了人们对其在紫外光电探测领域的极大研究兴趣.在本工作中,我们成功地将新型三元硫族化合物Ta₂NiSe₅与非故意掺杂的GaN堆叠,形成了具有典型I型能带排列的混合维度的Ta₂NiSe₅/GaN (2D/3D)范德瓦尔斯异质结构.该异质结构表现出优异的紫外探测性能(光开关比为10⁷,响应度为1.22×10⁴A W^-1).此外,在365 nm的光照和4 V的偏压下,探测度提高至1.3×10¹⁶Jones,并表现出1.22/31.6 ms的快速响应速率.值得注意的是,该器件还具有优异的稳定性、可重复性和抗恶劣环境条件(包括高温和酸性条件)的耐受性.得益于光电探测器的高响应度、探测度和光开关比,我们成功地将该异质结构器件集成到紫外光通信中,证明了Ta₂NiSe₅/GaN光电探测器在信息传输中有着优异的应用前景.     

可见光波段稀土激光晶体的研究进展

可见光激光在数据存储、光通讯、激光显示、激光医疗、激光打印以及科学研究等领域具有非常重要的应用价值。随着蓝光LD泵浦源的商用化, 直接泵浦稀土离子掺杂激光晶体实现可见光激光输出吸引了人们极大的研究兴趣。目前, 可见光稀土离子主要集中在Pr ³⁺、Dy ³⁺、Tb ³⁺和Sm ³⁺等。其中, Pr ³⁺的研究较多, 发光波长涵盖面较广, 发射波段覆盖蓝光、绿光、红光、橙光; Dy ³⁺和Tb ³⁺因为能够发射黄光以填补Pr ³⁺的不足也吸引了广泛的研究; 此外, Sm ³⁺和Eu ³⁺也是典型的可见波段稀土发光离子。本文综述了近几年可见波段稀土离子掺杂激光晶体的研究现状, 主要以Pr ³⁺、Dy ³⁺、Tb ³⁺和Sm ³⁺掺杂YAlO₃ (YAP)、Mg : SrAl₁₂O₁₉ (SRA)等晶体为研究对象, 总结了一套适合Pr ³⁺掺杂材料的判据, 对晶体生长、结构、热学性能、偏振光谱性能和激光性能进行了系统的研究。     

富集10B的Ce:Li6Lu(10BO3)3晶体生长及其闪烁性能

为了提高中子探测效率, 以富集¹⁰B的H₃¹⁰BO₃为原料, 通过提拉法生长了富集¹⁰B的Ce:Li₆Lu(¹⁰BO₃)₃晶体。X射线激发发射光谱测试表明: 其发光峰位于360~480 nm, 属于Ce³⁺离子典型的5d - 4f跃迁发光, 其闪烁发光效率为BGO晶体的3.9倍。在350 nm紫外光和¹³⁷Cs所发出的662 keV的γ射线激发下测得的衰减时间分别为21.0 ns 和31.7 ns, 在¹³⁷Cs辐射源激发下所测得的相对光输出是CsI(Tl)晶体的20%, 能量分辨率为9.7%。在慢化²⁵²Cf中子源激发下可以观测到明显的中子全能峰, 其能量分辨率为33%。上述研究结果表明, Ce:Li₆Lu(¹⁰BO₃)₃晶体具有较高的闪烁效率、快的衰减时间和良好的中子探测效率, 是一种具有应用前景的中子探测用闪烁晶体。     

汽车内腔防腐涂层的加速老化性能评价

针对汽车内腔实际服役环境的特点,采用湿热试验、盐雾试验和电化学交流阻抗技术对涂层进行评价并建立老化动力学方程。在加速老化试验下,涂层湿热试验600 h内、盐雾试验达360 h内涂层完好。内腔涂层在3.5%（质量分数）NaCl溶液中25℃下失效老化可以分为老化初期,中期及后期3个阶段;老化初期（第0～2个周期）抗腐蚀性能完好,低频电化学阻抗|Z|_{0.01 Hz}为10⁹Ω·cm²量级以上;中期（第4～6个周期）,|Z|_{0.01 Hz}为10⁵～10⁸Ω·cm²量级,内部微孔增大增多,抗腐蚀性能明显衰减;后期（第8个周期）,表面出现局部鼓包,|Z|_{0.01 Hz}为10⁵Ω·cm²量级及以下,涂层失效。据此建立老化动力学方程,可对内腔防腐涂层的服役寿命和防护性能进行预测和评估。     

汽车内腔防腐涂层的加速老化性能评价

针对汽车内腔实际服役环境的特点,采用湿热试验、盐雾试验和电化学交流阻抗技术对涂层进行评价并建立老化动力学方程。在加速老化试验下,涂层湿热试验600 h内、盐雾试验达360 h内涂层完好。内腔涂层在3.5%（质量分数）NaCl溶液中25℃下失效老化可以分为老化初期,中期及后期3个阶段;老化初期（第0～2个周期）抗腐蚀性能完好,低频电化学阻抗|Z|_{0.01 Hz}为10⁹Ω·cm²量级以上;中期（第4～6个周期）,|Z|_{0.01 Hz}为10⁵～10⁸Ω·cm²量级,内部微孔增大增多,抗腐蚀性能明显衰减;后期（第8个周期）,表面出现局部鼓包,|Z|_{0.01 Hz}为10⁵Ω·cm²量级及以下,涂层失效。据此建立老化动力学方程,可对内腔防腐涂层的服役寿命和防护性能进行预测和评估。     

环氧耐磨绝缘防腐涂料制备及应用研究

以双酚A树脂和腰果酚改性胺树脂为基料,添加氧化铝微粉、碳化硅、氧化铁红等耐磨防腐填料,通过试验室模拟加速试验测试,获得环氧耐磨绝缘防腐涂料。该涂料在碳钢表面附着力大于6 MPa; 750 g/1 000 r条件下涂层表面磨蚀失重低于30 mg;涂层表面电阻率高于8.04×10¹⁰ Ω,绝缘性好;耐盐雾测试1 000 h后,3个样板涂层表面都未起泡、未锈蚀、未脱落;在0.01 Hz低频阻抗(|Z|_{0.01 Hz})条件下进行电化学交流阻抗值测试,经过1 000 h的耐盐雾性能测试后,其化学交流阻抗值由测试前的1.38×10⁹ Ω·cm²下降为测试后的8.11×10⁷ Ω·cm²以上,涂层具有较高的阻抗值和较好的保护性能,防腐性能良好。同时该涂料应用于嘉兴轻轨试验段轨道防腐绝缘防护,经测试该产品可使轨道电阻由裸轨的15Ω·km增加到26.25Ω·km,证明该产品绝缘性能优异。     

DFB光纤激光器声致弯曲振动研究

对利用DFB（分布反馈式）光纤激光器进行水声探测时的弯曲振动问题进行了分析与实验研究。总结了采用非平衡干涉仪解调系统解调的DFB光纤激光水听器的声压灵敏度计算公式;基于梁的弯曲理论,通过数值方法计算了两端固定的DFB光纤激光器在50Hz～2000Hz频率范围内的声压灵敏度,绘制了该频率范围内的频响曲线：采用振动液枉法对一支DFB光纤激光器在该频率范围内进行了实验研究,实验数据具有良好的可重复性,实验结果与理论分析吻合。表明了细长型结构的DFB光纤激光器在水声场中很容易由于弯曲振动而引入较大的非声压振动的干扰信号,影响其水声探测性能,有必要在DFB光纤激光水听器探头的设计中考虑这一因素。     

自适应系统在单频激光干涉仪上的应用研究

通过对单频激光干涉仪焦平面上等倾干涉条纹的能量分析和环境因素带来的随机噪声分析,研制一种自适应系统。该系统采用了四阶累积量计算法、信号滤波和信号直流分量提取算法。实验结果表明,可有效处理噪声信号,提取信号直流分量,从而提高直流分量跟踪精度。将该系统安装在单频激光干涉仪上,在非实验室环境条件下其线性测长准确度可达0.9×10^-6 L,测量重复性为0.09 μm。     

海水-富盐空气对BaTiO3及Ni-BaTiO3 MLCC介电性能的影响

将BaTiO₃陶瓷和82 nF的Ni-BaTiO₃ MLCC放置在海水及富盐空气两种恶劣环境下,利用阻抗分析仪、SEM及EDS探究处理0、24、48、72 h后性能的变化规律及腐蚀机理。结果表明,放置在海水中,BaTiO₃陶瓷在不同时间低频(10²～10³Hz)相对介电常数与介电损耗增加,且增加幅度巨大,在24 h陶瓷表面产生明显的保护膜,而在富盐空气下的陶瓷,72 h内介电性能变化范围小,表面没有明显的保护膜产生,但具有一定的腐蚀痕迹。82 nF的MLCC放置在海水及富盐空气72 h内高频(10⁵～10⁶Hz)电容值及介电损耗变化明显,这由盐分浸入内部结晶所导致,但其表面同样没有保护膜产生,这可能与电容器表面的氧化物涂层有关。     

漆酚钛涂层在模拟高温、高CO2环境中的防护性能研究

为提升碳钢在高温、含CO₂环境盐水介质中的耐蚀性,采用钛酸四丁酯在丙二醇甲醚醋酸酯的增容条件下与漆酚交联形成漆酚钛涂料,并涂覆于碳钢基材表面制备高耐温涂层。通过热重分析明确了漆酚钛涂层的耐温性能;利用高温、高压且含CO₂介质浸泡试验,通过形貌与傅里叶变换红外光谱分析评价了涂层在模拟盐水中对碳钢的防护性能;使用电化学阻抗谱（EIS）评价了浸泡前后涂层在腐蚀介质中的阻抗变化。结果表明：漆酚钛涂层的热分解温度高达275.19℃;在140℃与155℃的模拟盐水溶液（CO₂分压2 MPa）中浸泡30 d后,涂层的低频阻抗值分别达到10¹¹ Ω·cm²与10¹⁰ Ω·cm²数量级;涂层的价键特征未发生改变,表面形貌完整且与基材结合紧密,表现出优异的耐高温防护性能。     

用于原子干涉仪的光学锁相环系统

研制了一种用于原子干涉仪的外差式光学锁相环系统，实现了两台外腔半导体激光器频率和相位的同步，锁相后的激光拍频线宽低于1 Hz，10 MHz积分带宽内的残余相位噪音为0.002 rad2，频偏1~100 kHz范围内的相位噪音达到-100 dBc/Hz。研究了闭环相位噪音对原子干涉仪的影响，当自由演化时间为200 ms、拉曼π脉冲时间为30 μs、单次循环时间为1 s时，锁相后相位噪音对重力测量灵敏度的贡献为10μGal?Hz-1/2     

用于大范围纳米测量的法布里—珀罗干涉仪

本在中国计量科学研究院研究的差拍法－珀干涉仪基础上，分析了其测量范围过小的本质原因，提出扩大差拍法－珀干涉仪测量范围的方法－换精锁定法，将激光频率依次锁定于法－珀腔的各个干涉级次，从而突破了激光器调谐范围的限制拓深了该系统实现大范围纳米测量的能力。     

铈掺杂硼酸钙镧晶体的生长与性能研究（英文）

硼酸钙镧晶体是一种激光基质晶体,以其优秀的物理特性而受到广泛关注。稀土离子掺杂的硼酸钙镧晶体在紫外激光器领域的研究尚不多见。本研究采用顶部籽晶法成功生长出尺寸为40 mm×21 mm×6 mm的铈掺杂硼酸钙镧晶体。研究了铈掺杂硼酸钙镧晶体室温光谱性质,测量了室温下其透过光谱以及紫外-吸收光谱,发现铈离子掺杂导致晶体在200～288 nm以及305～330 nm紫外波段吸收较强。测试了室温下铈掺杂硼酸钙镧晶体的激发光谱,并且利用波长260 nm的连续光激发得到发射光谱,发现主要发射带中心波长位于290,304,331和353 nm处,对应于铈离子5d态到²F_5/2和²F_7/2态的跃迁。对铈掺杂硼酸钙镧晶体的热学性质进行了研究,发现其在300 K下具有较高的热导率(6.45 W/(m·K)),且随着温度升高保持良好的热稳定性。358 K条件下,热膨胀系数及c方向的晶格常数分别为2.94×10^–6/K和0.91240 nm,随着温度升高至773 K，线性增加到5.3×10^–...     

常温黑体光谱发射率校准技术研究

为了能够实现常温状态下的黑体光谱发射率的准确测量,基于连续可调激光器,搭建了一套中红外波段黑体光谱发射率测量装置。采用自行设计10mA恒流源对MCT探测器进行驱动,测量结果的动态范围从7.29×10⁴提高到4.32×10⁵,有效提升了探测系统的动态范围。该装置实现了覆盖光谱范围7.5~10.6μm,发射率测量量值范围0.01~0.9999的高精度测量,最优不确定度为4.0×10^-5(k=2)。     

光抽运铯束频标的初步实验结果

本文报告北京大学光抽运铯束频标的初步实验结果,其频率稳定度的阿仑方差已达到1.2×10~(-11)/τ~(1/2),与常规商品铯束频标的频率稳定度相当。实验中采用了偏置-饱和吸收式频率锁定技术,将半导体激光器频率稳定地锁定在适当的铯原子跃迁频率上。这是一种简便、经济而且十分可靠的激光频率锁定方法,实验中用它锁定激光频率达一百多个小时。