色散吸收一维光学系统中光场量子起伏的功率谱

利用格林函数方法量子化色散吸收介质中的电磁场,针对由三层色散吸收介质组成的一维光学系统,研究其中光场的量子理论,借助起伏一耗散定理给出色散吸收介质光腔中光场量子起伏的功率谱,并通过数值计算结果分析和讨论介质的色散吸收性质对光学器件工作性能的影响。结果表明,系统的工作状态与所选光场频率密切相关,并且每一区域中介质的色散吸收性不但影响自身区域的电场起伏功率谱,而且明显地连带另一侧介质中电场起伏功率谱的变化行为。此结果对于研究复杂的介质分布与结构体系在光通信、现代光学工程、微波技术等领域中的实际应用有着重要的指导意义。     

等离子体/色散吸收介质界面系统中光场量子起伏功率谱

利用格林函数方法量子化色散吸收介质中的电磁场,研究了等离子体/色散吸收介质系统光场的量子性质.理论和数值计算表明,系统的工作状态与所选光场频率密切相关,等离子体介质的阻尼性明显地影响自身区域电场量子起伏功率谱,并且对另一侧介质中电场量子起伏功率谱的变化有连带作用.     

等离子体加载色散吸收对称介质光腔的量子理论

利用色散吸收介质中电磁场的正则量子化方法，研究等离子体加载对色散吸收介质光腔系统量子性质的影响。结果表明，介质加载使系统真空场起伏功率谐的空间分布发生明显变化。     

在V型系统中原子相干对吸收—色散关系的影响

在V型能级系统原子介质中,若利用外场产生相干,则弱光场在该介质中的吸收-色散关系将展现出新的特性.特别是当弱场具有某一特定频率时,介质对光的吸收为零但光折射率大于1.     

色散吸收非对称介质光腔中光场的量子理论

利用格林函数方法对色散吸收介质中的电磁场量子化,研究了由色散吸收介质构成的非对称介质光腔中光场的量子理论,并分析了非对称性对光腔量子性质、工作性能等的影响.     

光学微腔中倍频光场演化和光谱特性

在考虑光学微腔中二阶和三阶非线性效应的情况下,引入了可同时描述腔内基频和倍频光场的演化过程的Lugiato-Lefeve方程,分析了SiN微腔中二次谐波的产生,并讨论了各参数对腔内基频和倍频光场的影响.理论分析结果表明,失谐参量为0时,稳定后的基频光场为平顶脉冲的形式,而倍频光场呈正弦分布;失谐参量增加,将导致腔内基频和倍频光功率在演化过程中出现振荡,且最终稳定的光功率变弱,稳定后的光场分布为周期性变化;失谐参量的值过大,会使得微腔光场处于混沌状态.抽运光强较弱时,腔内可形成稳定的光场分布;抽运光强较强时,会导致腔内色散以及非线性效应过强,最终稳定的光场仍然呈周期性变化,且抽运光功率越强,光功率的演化曲线振荡越强.此外,选取特定的微腔尺寸,微腔可工作于"图灵环"状态.理论分析结果对研究光学微腔中二次谐波的产生有重要意义.     

Kerr介质腔中非线性J-C模型的腔场谱

研究了Kerr介质腔中非线性J-C模型的腔场谱.导出了初始光场处于任意量子态时腔场谱的计算公式,给出了光场处于数态、相干态和压缩真空态时的数值结果,讨论了Kerr效应和初始场强对腔场谱的影响.发现在光子数态的情况下,n≠1时均为2峰结构,Kerr介质使得中心频率按x(2n-1)的规律向高频方向移动,并破坏谱结构的双峰对称性;在相干态和压缩真空态情况下,当Kerr效应较弱时,非线性J-C模型中腔场谱的非经典特性较为突出,Kerr效应较强时,呈现多峰结构,谱的结构特征主要由Kerr效应决定,由于原子与腔场的耦合被抑制,腔场谱的非线性特征趋于消失.     

耗散腔中多光子J-C模型中的密度算符间距

研究了腔场存在相位耗散时多光子J-C模型中光场、原子和系统的密度算符间距;讨论了原子初始态、光场强度以及腔场耗散系数对密度算符间距的影响;且比较了不同跃迁光子数下体系的密度算符间距.结果发现:①密度算符间距与原子的初始态密切相关.②光场和系统的密度算符间距在耗散腔中作减幅周期振荡最终达到稳定,达到稳定所需时间随腔的耗散系数增大而缩短;而原子的密度算符间距与腔的耗散无关.③随着光场初始强度的增加,光场和系统与各自初始态的偏离程度增大.④对于双光子跃迁,当腔场存在相位损耗时光场和系统的密度算符间距仍作减幅周期振荡,原子仍周期性的回到纯态.但由于光场与原子的纠缠和退纠缠速率加快,密度算符间距在每个周期内振荡加剧.     

线性色散理论描述内腔EIT介质的正交模式分裂

正交模分裂(或真空Rabi分裂)是原子与光学腔构成的复合系统实现强相互作用的一个典型现象.本文理论研究了三能级原子介质与腔构成的复合系统,利用线性色散理论将腔内三能级原子自感应透明(EIT)介质的吸收和色散引入光学腔透射公式,非常直观清晰得到腔透射谱的三个分裂峰,它是由腔内EIT介质的吸收和色散特性使一个共振腔模分裂为三个腔模.该方法可以推广到腔内含有任意色散和吸收的介质.     

高功率超短脉冲在增益介质中的传输特性

在考虑了增益介质的群速度色散、克尔非线性效应、增益饱和和增益谱后,推导出了光脉冲在介质中的传输方程.采用分步傅里叶变换法数值模拟了高功率线性啁啾脉冲在增益介质中的传输状态,并着重讨论了增益色散对光脉冲形状和功率谱的影响.计算结果表明:当高功率超高斯光脉冲在增益介质中传输放大时,脉冲形状变得尖锐,峰值向脉冲前沿移动;功率谱峰值向低频方向移动,并且在功率谱边缘形成非对称振荡结构;当介质的增益色散增大时,光脉冲光谱宽度变窄,峰值功率减小,因此对于宽光谱脉冲,增益色散将会导致损耗.     

基于太赫兹时域光谱技术的红木分类识别

提出了一种利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）进行红木分类识别方法。红木价格昂贵,同时由于种类繁多难以识别,导致红木市场以次充好,以假乱真的现象层出不穷,严重扰乱了市场秩序,给生产者和消费者造成巨大的经济损失,传统的红木分类识别方法难以兼顾准确性和快速性,因此需要研究一种新的方法对现有木材分类识别方法进行补充和发展。相比于传统方法,太赫兹波对红木具有良好的穿透性及指纹特性,在红木的分类识别中有较大的应用潜力。选用5种红木（巴里黄檀、奥氏黄檀、大叶紫檀、小叶紫檀、交趾黄檀）作为试验样品木材。利用THz-TDS系统得到木材的太赫兹时域光谱,通过对五种木材的太赫兹时域光谱进行快速傅里叶变换,得到木材太赫兹频域光谱,并对太赫兹时域光谱提取光学参数,分别得到木材的太赫兹折射率谱和吸收系数谱,结果表明不同种类的木材在时域光谱上具有时间延迟线与振幅的差异,在频域光谱上显示衰减趋势及幅值各不相同,在吸收系数谱中各种类红木吸收峰出现的频段不同,能够直观地展示出各种类木材之间的区别,表明THz-TDS进行红木分类识别具有一定的可行性。利用连续投影算法（SPA）提取吸收系数谱和折射率谱的特征频率,对吸收系数谱260个频率点筛选出28个特征频率点,频段占比10.77%;对折射率谱260个频率点筛选出12个特征频率点,频段占比4.62%。分别建立基于吸收系数谱和折射率谱的随机森林分类模型和支持向量机（SVM）红木分类模型,并对各模型分类结果进行对比。实验结果表明,THz-TDS具有良好的木材识别效果,基于木材太赫兹吸收系数谱和折射率谱建立的随机森林分类模型对红木种类有着较好的分类性能,总体分类准确率分别达到了94%和96%,能够准确对红木种类进行分类识别。利用太赫兹时域光谱技术实现了红木的分类识别,为红木的分类识别提供了一个新的思路和技术方案,能够作为近红外光谱木材检测方法的补充,同时为太赫兹技术在木材分类识别领域的应用提供了理论基础。     

太赫兹时域光谱技术的变压器油低水含量检测

变压器的维护至关重要。变压器油中水含量的检测是变压器维护中很重要的一部分。水在太赫兹频段独特的分子键振动模式使其对太赫兹波具有强烈的吸收性。利用太赫兹时域光谱技术对变压器油进行水含量检测,获得了不同水含量变压器油的吸收系数和折射率,结合相关理论模型对获得的参数进行了分析验证。试验结果表明,变压器油的吸收系数和折射率与水含量呈线性关系。     

Stabilization and Shift of Frequency in an External Cavity Diode Laser with Solenoid-Assisted Saturated Absorption

A simple method to realize both stabilization and shift of the frequency in an external cavity diode laser （ECDL） is reported. Due to the Zeeman effect, the saturated absorption spectrum of Rb atoms in a magnetic field is shifted. This shift can be used to detune the frequency of the ECDL, which is locked to the saturated absorption spectrum. The frequency shift amount can be controlled by changing the magnetic field for a specific polarization state of the laser beam. The advantages of this tunable frequency lock include low laser power requirement, without additional power loss, cheapness, and so on.     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式（DFB）光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器（ECDL）线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔（F-P腔）结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%）的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷（PZT）和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。     

动态应力场作用下线性啁啾光栅光谱特性研究

目前柔性结构损伤检测需多个传感器,且需要探测器具有极高的采集频率。光纤光栅具有动态响应快、易实现分布式测量等特点,为解决上述问题提供了有效的途径,提出采用线性啁啾光栅(LCFBG)实现动态应力场探测。首先,用传输矩阵理论建立了LCFBG反射光谱应变传感模型,用衰减正弦函数模拟沿LCFBG分布的动态应力场。通过仿真实验,详细研究了LCFBG反射光谱对不同振幅、不同衰减系数与不同传播速度动态应力场的响应特性。实验结果表明,LCFBG反射光谱的反射率、波长变化与光谱形状均与动态应力场上述参数有关,但是LCFBG反射光谱对动态应力场不同参数的响应规律不同。在一定范围内,LCFBG反射光谱的最大反射率随动态应力场幅值与速度的增大而增大,最终趋于一稳定值,但其随阻尼系数增大而减小。最后,研制了以LCFBG为敏感元件的传感器,并构建了动态应力场实验平台,实验结果与仿真实验数据基本一致。提供了一种通过实时采集LCFBG全光谱信息探测动态应力场的新方法。     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标，前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs，束流流强的直流偏差不能超过0.9%，并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。     

Magnetic field control of absorption coefficient and group index in an impurity doped quantum disc

The electronic properties and optical characteristics – absorption coefficient, refractive index and group index – in an impurity doped pseudo-harmonic quantum disc subjected to an applied magnetic field are investigated. Numerical calculations are performed using the exact diagonalization technique and the compact density-matrix formalism. It is found that the chosen structure could be switched between a lambda-type and a ladder-type configuration by a proper tailoring of the magnetic field strength. Furthermore, the absorption profile and the associated slow light frequency range can be controlled not only by varying the control field amplitude and its detuning but also by changing the impurity position and the magnetic field strength.     

Three-mode regime of generation in the aspect of intracavity laser spectroscopy with frequency detection

A variant of intracavity dispersion-frequency spectroscopy based on the generation of three equi-distant modes by a broadband tunable laser in the regime of their locking is considered. If the modes are asymmetrically tuned relative to the central frequency of the absorption line, an induced nonequidistance appears because of a difference in their dispersion shifts. Components of low frequencies proportional to the density of absorbing particles appear in the spectrum of intermode beats with a sensitivity of ～10 GHz/cm^?1. They are filtered out from gigahertz components by the detection band, and technical frequency fluctuations associated with a limited vibration resistance of the cavity are canceled out in them.     

谱分析法测量叶尖小翼对风轮旋转时固有频率的影响

风力机叶尖加小翼,在一定范围内可以增加风力发电机的输出功率,提高功率系数.本文通过应用谱分析法测量风力机风轮旋转时机头的振动谱,通过分析得到了风轮动频,应用动频曲线研究了风力机叶尖小翼对风轮固有频率的影响.实验表明,叶尖小翼虽然降低了风轮静频但通过增大离心力和气动力提高了动频.叶尖小翼可以改善旋转风轮的结构动态特性.