Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China
2 School of Information & Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China
3 School of Instrument & Electronics, North University of China, Taiyuan 030051, China
Sensors based on optical resonators often have their measurement range limited by their cavity linewidth, particularly in the measurement of time-varying signals. This paper introduces a method for optical frequency shift detection using multiple harmonics to expand the dynamic range of sensors based on optical resonators. The proposed method expands the measurement range of optical frequency shift beyond the cavity linewidth while maintaining measurement accuracy. The theoretical derivation of this method is carried out based on the equation of motion for an optical resonator and the recursive relationship of the Bessel function. Experimental results show that the dynamic range is expanded to 4 times greater than the conventional first harmonic method while still maintaining accuracy. Furthermore, we present an objective analysis of the correlation between the expansion factor of the method and the linewidth and free spectrum of the optical resonator.
optical resonator optical frequency shift multiple harmonics dynamic range expansion Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 041201
1 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 中北大学半导体与物理学院，山西 太原 030051
3 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051
光功率分配器作为光子集成电路中分束并束的关键器件，要求结构紧凑、宽带、低损耗。基于亚波长光栅（SWG）结构，提出一种分束区域长5 µm、分光比为50∶50的超大带宽低损耗3 dB光功率分配器。仿真结果表明，该光功率分配器在±15 nm的大工艺容差下，TE模式在1.26~2.02 μm波段内（即760 nm带宽）损耗低于0.54 dB。通过电子束曝光、干法刻蚀等工艺在绝缘体上硅（SOI）晶圆上加工制备该光功率分配器，在扫描电子显微镜（SEM）下观察SWG结构的加工误差不超过±10 nm。此外，搭建垂直耦合测试平台，利用可调谐激光器在1496.8~1600 nm波段，对TE模式的损耗与分光比进行测试。结果表明，该波段损耗约为0.3 dB，与仿真结果吻合，分光比误差在5%以内。该功率分配器适用于高速、大容量通信、波分复用（WDM）系统等互联应用场合。
紧凑 宽带 低损耗 光功率分配器 光学学报
2023, 43(22): 2223001
1 中北大学量子传感与精密测量仪器山西省重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
基于二维材料的纳机电谐振器具有体积小、频率高、品质因数高等优势,在传感领域具有很大的应用潜力。其中,黑磷由于其波纹状的平面结构和各向异性的机械特性,为平面内矢量传感提供了可能。利用黑磷设计了一种光学激发光学读出的新型纳光机电磁矢量传感器。利用有限元分析法,探究了黑磷层数和长宽比对矢量性的影响,确定了黑磷谐振器的尺寸为0.6 μm×0.134 μm×0.5 nm;分别探索了高杨氏模量和低杨氏模量方向对磁场响应的各向异性。通过谐振模式的空间分布,解释了角度和长宽比对器件灵敏度和矢量性的影响机理。结果表明,将磁场旋转90°,灵敏度可从-4.048 MHz/mT变化为5.796 MHz/mT。与精度相近的洛伦兹力的微机电磁传感器相比,所设计传感器的频率可提高6个数量级,尺寸可缩小6个数量级。该设计为新型纳光机电矢量传感器的制备提供了一种方法。
测量 纳光机电谐振器 黑磷 光驱动 磁矢量
中北大学 仪器与电子学院, 山西 太原 030051
采用简单、绿色、低成本的方法合成石墨烯量子点（GQDs）一直是研究者们不断追求和探究的热点。本文首先采用简单、低成本的激光诱导聚二甲基硅氧烷（PDMS）方法成功制备出有缺陷的少层石墨烯, 然后再以所制备的石墨烯为碳源, 采用一步水热法成功制备出了分散性良好、横向平均尺寸约为6.67 nm、发稳定蓝色荧光的GQDs溶液。分别采用透射电镜（TEM）、拉曼光谱、紫外吸收光谱和荧光光谱对GQDs的形貌和荧光特性进行了表征。以硫酸奎宁为标准参考物, 计算所得GQDs的荧光量子产率约为6.3%。本研究提出的制备GQDs的方法具有简单、低成本、低污染的优势, 为石墨烯量子点的制备提供了一种新途径、新参考, 也为石墨烯量子点大规模商业化制备提供了潜力。
激光诱导 石墨烯 石墨烯量子点 水热法 荧光特性 laser induced graphene graphene quantum dots hydrothermal method fluorescence properties
强激光与粒子束
2021, 33(9): 091004
1 中北大学仪器与电子学院,太原０３００５１
2 中北大学仪器与电子学院,太原０３００５１)
室温条件下高浓度的NV－ 色心系综的相干时间受到较高浓度顺磁杂质和杂质自旋的影响,限制着其高灵敏磁传感的实现. 为了增加NV－ 色心系综的相干时间,本文对系综的动力学解耦(DD)过程进行研究. 在外部磁场为４０ G 的条件下,通过连续光学磁共振光谱技术(CWＧODMR),首先确定电子自旋态|ms＝０＞→|ms＝±１＞共振跃迁对应的微波频率;构建脉冲控制序列,观测不同微波功率条件下系综NV－色心自旋电子态|ms＝０＞→|ms＝ ＋１＞ 的相干Rabi振荡,获得最优功率的π脉冲作用时间;基于典型的CPMGＧn 控制序列,研究最优脉冲作用下不同π脉冲个数的DD过程. 在最大输入微波功率为１??３０mW 的条件下,获得的π 脉冲长度为２８??８ns;结合CPMGＧ３２控制脉冲序列,系综的典型相干时间由３７２(３)ns提升至８??７(１)μs. 该研究结果为后续高灵敏量子磁检测的实现奠定了实验基础.
金刚石NVＧ色心系综 Rabi振荡 动力学解耦 NV- color center ensemble in diamond Rabi oscillations dynamic decoupling
1 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
利用损伤点之间的位置关系, 根据光学元件损伤暗场图像的特点设计了一种基于连接向量特征匹配的配准方法。该方法首先对基准图像及待配准图像分别进行图像预处理, 提取损伤点轮廓的中心坐标作为损伤点的位置值。然后构建损伤点连接向量, 求出主方向并计算主方向下的连接向量特征, 使用连接向量匹配获得匹配点对, 最后利用RANSAC算法对匹配点对进行仿射变换参数计算。该方法具有旋转不变性, 尺度不变性以及较高的配准准确度。实验对比分析了该方法与SIFT算法的计算效率及配准精度, 结果表明在暗场图像条件下文中方法更有效且为背景单一, 灰度信息较少同时要求较高的配准速度的场景下的图像配准问题提供了解决方案。
图像配准 随机抽样一致性检验 仿射变换 暗场成像 image registration random sample and consensus affine transformation dark-field image 红外与激光工程
2018, 47(11): 1126005
中北大学 电子测试技术国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
为了更简单地制备出可用于应力测量的光栅褶皱结构, 采用基于刚性薄膜/柔性衬底的自组装工艺制备了可调谐光栅。首先在聚乙烯对苯二酸脂(PET)薄膜上旋涂一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜, 将双层薄膜弯曲并用氧气等离子体处理, 在其表面生成一层刚性氧化层, 借助柔性PET对刚性层施加均匀应力, 当应力超过临界值时, 在PDMS基底上自组装形成光栅褶皱结构。然后根据光栅分光原理, 将这种可调谐的光栅结构应用于应力测试。实验结果表明: 当光栅的曲率半径为1.4 mm时, 制备的可调谐光栅褶皱在0%~10%的应变范围得到的波长变化为452~507 nm; 当光栅的曲率半径为5.6 mm时, 制备的可调谐光栅褶皱在0%~15%的应变范围得到的波长变化为498~572 nm。本文提出的可调谐光栅制备方法是一种成本低、工艺简单、可批量化生产的工艺方法, 也是一种制备变间距光栅的潜在方法, 未来有望应用于光谱仪、光通讯等领域。
光栅制作 聚二甲基硅氧烷 氧气等离子体 衍射 光谱学 grating fabrication PDMS oxygen plasma diffraction spectroscopy
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China
The resonator integrated optic gyros (RIOGs) based on the Sagnac effect have gained extensive attention in navigation and guidance systems due to their predominant advantages: high theoretical accuracy and simple integration. However, the problems of losing lock and low lock-in accuracy are the bottlenecks, which restrict the development of digital RIOGs. Therefore, a multilevel laser frequency lock-in technique has been proposed in this Letter to address these problems. The experimental results show that lock-in accuracy can be improved one order higher and without losing lock in a variable temperature environment. Then, a digital miniaturized RIOG prototype (18 cm × 18 cm × 20 cm) has been produced, and long-term (1 h) bias stability of 26.6 deg/h is successfully demonstrated.
060.2800 Gyroscopes 120.5790 Sagnac effect 140.5960 Semiconductor lasers Chinese Optics Letters
2018, 16(4): 040601
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 哈尔滨工业大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001
提出了高斯差分滤波的多尺度损伤提取方法和流程, 对大口径光学元件的损伤图像进行了处理, 结果表明, 该方法对微弱信号与强信号混杂有很好适应性, 且能有效解决低信噪比光学元件损伤图像中的损伤提取难题, 对于分辨率125 μm、口径400 mm×400 mm的光学元件损伤图像, 该方法可以100％提取损伤图像中尺寸在50 μm以上的所有损伤的种子, 满足了大型激光装置安全运行的需要。
损伤检测 高斯差分滤波 损伤提取 inspection of laser optics damage Gaussian differential filter extraction of damage 强激光与粒子束
2017, 29(9): 091003
