1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
悬浮光力传感技术利用真空环境的光阱实现对微纳尺度机械振子的悬浮和囚禁，将待测物理量转换为光悬浮机械振子运动参数的变化，理论上该振子与外部环境热噪声和振动完全隔绝，具有极高的测量分辨率潜力和易于小型化的独特优势。该技术在精密测量、微观热力学研究、暗物质观测、宏观量子态操控等领域具有广阔的应用前景。首先，阐述了悬浮光力系统中光力与光阱的基础概念和力学测量等基本理论；其次，介绍了其中初始起支、光力增强、位移测量、输出信号标定和等效反馈冷却等关键技术的研究进展，对比分析各子技术的特点，随后列举了悬浮光力传感技术在极弱力、加速度、微观质量、电学量、力矩等物理量测量中的典型应用；最后，总结了该技术的发展趋势，并提出相关建议。
悬浮光力学 量子传感 光阱 精密测量 levitated optomechanics quantum sensing optical tweezers precision measurements 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230193
国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
光镊具有非接触、低损伤和适用范围广等特性,被广泛应用于生命科学、纳米科技等领域。光镊系统通过调制束缚光场操控机械振子的运动,借助光动量和角动量的检测获取振子的运动状态,以实现对振子物理参量的精密测量。与传统液体光镊系统不同,真空光镊系统中的机械振子可获得与外界环境近乎完全隔离的状态,具有超高灵敏度的探测能力,是精密测量和基础物理研究的理想平台。首先介绍了真空光镊系统相关的基础理论,然后介绍了真空光镊系统的实验配置方案及其在精密测量中的典型应用,最后总结了真空光镊系统的发展现状,并给出了未来的发展建议。
激光光学 真空光镊系统 精密测量 反馈冷却
国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
针对双光束光阱轴向光阱刚度小、捕获稳定性差的缺点,提出利用四光束光阱捕获和操控微粒。采用射线模型对比分析了双光束光阱与四光束光阱在力学特征上的差异,设计制备了四光束光阱芯片。用其捕获半径为5 μm的聚苯乙烯微球,并采用均方位移法对其轴向光阱刚度进行标定。仿真和实验结果均表明,四光束光阱中轴向光阱的刚度与双光束光阱的横向光阱刚度相当,且远大于双光束光阱的轴向光阱刚度。四光束光阱在保持双光束光阱横向捕获稳定性的同时,提高了轴向捕获稳定性,对微纳颗粒的稳定操控有重要意义。
激光捕获 多光束光阱 光阱刚度 激光与光电子学进展
2020, 57(13): 131401
1 火箭军驻长沙地区军事代表室, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
双光纤光阱利用两相向传输的光纤捕获微粒, 将微粒发射到光阱区域实现捕获是光纤光阱技术中的基本问题。提出一种利用光力实现自动捕获的双光纤光阱芯片, 以实现通光即捕获微粒的功能。通过几何光学模型对光阱芯片中不同物理量进行了分析比较, 选定了能够满足自动捕获要求的芯片参数, 如捕获室尺寸、光束对准精度及束腰半径等。理论与实验结果表明, 在选取最佳化参数的情况下, 芯片能够实现对微粒的自动稳定捕获。该光阱芯片作为光阱技术的一种便捷的工具, 可促进相关技术在生物医学领域提供更广泛的应用。
激光技术 光阱芯片 几何光学 光纤光阱 laser technology optical trap chip geometric optics fiber optical trap
1 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
以超连续谱激光器作为捕获光源, 首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统, 实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置, 采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换, 计算得到功率谱, 与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明, 捕获光束的功率为28 mW时, 光阱刚度达到1.3×10-6 N/m, 高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同, 超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势, 通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。
超连续谱 光纤光阱 光阱刚度 操控 supercontinuum fiber optical trap stiffness of optical trap manipulation
1 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
2 国防科学技术大学 量子信息学科交叉中心, 长沙 410073
为了得到铷原子磁力仪的最佳抽运光强, 进而优化原子磁力仪的灵敏度, 理论分析了抽运光强与磁力仪的极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系, 设计了实验装置。采用自由感应衰减法对直径20mm的铷原子球形气室在不同抽运光强下对应的横向弛豫时间进行测量, 并对相应的纵向弛豫时间进行测量, 计算出了不同光强下的极化率, 通过拟合得到了光强与极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系曲线。结果表明, 可在10mW/cm2附近得到系统最佳抽运光强。此研究结果为提高光强利用率并进一步优化铷原子磁力仪的灵敏度提供了指导。
量子光学 原子磁力仪 极化 横向弛豫时间 纵向弛豫时间 quantum optics atomic magnetometer polarization transverse relaxation time longitudinal relaxation time
国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
为了研究一体化Y型腔正交偏振氦氖激光器腔内温度场分布对其输出频差稳定性的影响, 利用ANSYS有限元软件建立了该激光器的热力学模型。详细介绍了材料热参数的处理、激光器增益区热载荷的施加和换热系数的计算方法, 通过仿真得到了该激光器腔体在稳态和瞬态情况下的温度场分布。采用红外热像仪设备拍摄得到腔体表面的实际温度值, 与仿真结果对比, 表明二者的温度值差异小于1%, 建立的仿真模型准确可靠。激光器启动后, 热量逐步从增益区向非增益区传导。当激光器温度分布稳定时, 腔体存在明显的温度梯度分布, 其中表面区域温度梯度最大;表面温度最高点位于阴极附近, 最低点位于远离增益区的子腔体下表面。两子腔表面温度差值为0.05 ℃, 引起的频差漂移为0.067 MHz。研究表明: 激光器两子腔随时间变化产生的温度差值仍是制约激光器输出频差稳定性的主要因素, 为下一步提高频差稳定性和优化激光器几何结构设计提供了指导。
氦氖激光器 温度场仿真 ANSYS有限元 一体化Y型腔 He-Ne laser temperature field simulation ANSYS finite element integrated Y-shaped cavity 红外与激光工程
2016, 45(5): 0505002
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
利用磁场抑制双频激光器频差闭锁，对激光器增益介质区施加横向交互磁场抑制激光器频差失谐的方法对磁场源提出要求。以方体线圈产生磁场，理论分析其磁场分布及均匀磁场产生的条件。利用Ansoft Maxwell 软件仿真分析方体线圈磁场分布，仿真结果与理论相吻合。方体线圈可在较大范围内产生高均匀度的磁场，满足抑制频差闭锁及失谐中对磁场的要求。较之Helmholtz 线圈，方体线圈产生磁场在均匀度和均匀场区体积两方面具有明显优势。
激光器 闭锁 失谐 方体线圈 均匀磁场 激光与光电子学进展
2016, 53(3): 031407
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
针对自主研制的Y 型腔正交偏振He-Ne 双频激光器，利用Lamb 半经典理论分析抽运电流、工作点和谐振腔损耗等因素对闭锁阈值频差的影响规律。搭建了Y 型腔正交偏振双频激光器闭锁阈值频差测量系统，从实验上开展对双频激光器闭锁阈值频差影响因素研究。通过改变抽运电流值和公共腔镜上压电陶瓷电压研究抽运电流和工作点对激光器闭锁阈值频差影响。实验结果表明，激光器闭锁阈值频差随抽运电流值增加而减小，工作点越靠近增益曲线中心，激光器闭锁阈值频差越小。当激光器抽运电流值大于2.2 mA 时，调节公共腔压电陶瓷电压至最佳工作点处，激光器闭锁阈值频差可降至几兆赫兹甚至更低。
激光器 Y 型腔 闭锁阈值频差 抽运电流 工作点 中国激光
2015, 42(10): 1002001
Author Affiliations
Abstract
College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
We report experimental progress in weakening the frequency difference lock-in phenomenon in a Y-shaped cavity dual-frequency laser. A cube coil pair is chosen to provide a uniform magnetic field for tunability and uniformity of magnetic field strength. When the transverse magnetic field intensity is 9 mT, the frequency difference lock-in phenomenon is evidently weakened and the frequency difference can be continuously tuned in the range of 0.12 MHz to 1.15 GHz. Moreover, the relationship between the minimal frequency difference and magnetic field intensity are investigated and discussed. Then a Y-shaped cavity dual-frequency laser is expected to be utilized as an optimum light source for heterodyne interferometric sensing and precise laser measurement.
140.0140 Lasers and laser optics 140.1340 Atomic gas lasers 140.3460 Lasers Chinese Optics Letters
2015, 13(11): 111405
