期刊基本信息
创刊：
1974年 • 半月刊
名称：
中国激光
英文：
Chinese Journal of Lasers
主管单位：
中国科学院
主办单位：
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
李儒新
执行主编：
罗毅
副主编：
骆清铭 张镇西 李学春 陈岐岱 顾冬冬 周朴
ISSN：
0258-7025
刊号：
CN 31-1339/TN
电话：
021-69917051
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
155元/期
中国激光 第48卷 第7期
报道了一套基于棒状光子晶体光纤放大器的高脉冲质量飞秒啁啾脉冲放大激光系统。该系统主要由锁模光纤振荡器、脉冲展宽器、脉冲选单单元、脉冲延时单元、掺镱光纤预放大器、棒状光子晶体光纤主放大器以及光栅压缩器组成。通过精细调节展宽器和压缩器中的光栅位置及入射角度优化系统的色散,当输出脉冲的重复频率为500 kHz时,获得了平均功率为51.5 W、单脉冲能量为103 μJ、脉冲宽度为251.7 fs的高脉冲质量高稳定性的飞秒激光输出。在1 MHz的重复频率下,获得了平均功率为61.5 W、脉冲宽度为273 fs的高脉冲质量飞秒激光输出;使用偏硼酸钡(BBO)晶体进行非线性频率变换,获得了平均功率超过20 W的517 nm绿光激光输出。
在光泵浦外腔面发射激光器中,分别用Cr 4+∶YAG晶体和半导体可饱和吸收镜SESAM作为可饱和吸收介质,获得了稳定的调Q脉冲输出。使用Cr 4+∶YAG晶体时,调Q脉冲的宽度为10 μs,脉冲重复频率为26.3 kHz。在相同的脉冲重复频率下,用半导体可饱和吸收镜所获得的调Q脉冲宽度为8 μs。基于外腔面发射激光器中增益芯片的量子结构,以及Cr 4+∶YAG晶体和半导体可饱和吸收镜各自的时间特性,分析讨论了两种不同的可饱和吸收介质作用下,外腔面发射激光器中调Q脉冲的形成过程,初步清晰了外腔面发射激光器这一特殊种类的激光器中与调Q过程相关的物理图像。
激光器 调Q 外腔面发射激光器 可饱和吸收 Cr
4+∶YAG晶体; 半导体可饱和吸收镜 为了获得高功率的单频可调谐1342 nm激光,研究了一种注入锁频Nd∶YVO4环形激光器。以1.0 W可调谐单频连续1342 nm激光为种子光,“8”字环形谐振腔为从激光器功率腔,基于PDH(Pound-Drever-Hall)锁频技术实现了环形功率腔的锁定,获得了8.3 W的单频连续可调谐1342 nm的激光输出。
激光器 可调谐单频激光器 注入锁频技术 PDH锁频 研究了高功率光谱组束系统内光路的气体热效应对激光远场光束质量的影响。通过同等功率密度传输的子光束与合成光束的远场光斑分布对比研究,明确了子光束中的受激拉曼散射是造成组束光路气体热效应的主要因素。当拉曼光功率密度仅为180 W/cm 2时,远场光斑即出现了中心强度明显下降、能量分散等劣化状态。研究了激光传输路径长度对气体热效应的影响,当光程从100 mm增加至450 mm时,远场光斑的峰值强度逐渐下降,光斑逐渐变散。通过向密封的组束装置中充入氮气,基本可以消除气体热效应对远场光束质量的影响,可作为一种有效的气体热效应抑制手段。研究成果为光谱组束激光器的光束质量优化提供了有效支撑。
激光器 高功率光纤激光 光谱组束 受激拉曼散射 大气热效应 光束质量 近年来光泵浦惰性气体亚稳态激光在高能激光领域逐渐得到人们的关注。搭建了一台高压纳秒脉冲放电产生惰性气体亚稳态粒子的装置,该装置增益尺寸较长,便于后续开展激光增益和放大实验。利用窄线宽可调谐连续光源探测了该装置放电生成的Kr亚稳态(5s[3/2]2)粒子数浓度,达1.3×10 12 cm -3,该状态持续时间约为3 μs,满足后续激光体系运行条件。测量过程中出现了吸收饱和现象,给粒子数浓度拟合带来了不确定性,设计的复合拟合方法解决了这一问题。
铒镱(Er 3+/Yb 3+)共掺光纤是实现波长为1.5 μm激光的重要增益介质之一。但是石英基Er 3+/Yb 3+共掺光纤很容易产生波长为1 μm的放大的自发辐射(ASE)光,不仅降低1.5 μm激光的泵浦转换效率,而且是限制1.5 μm激光功率提升的“瓶颈”。研究结果表明,提升纤芯磷的掺杂量,能够增大纤芯基质的最大声子能量,有利于抑制Yb 3+的ASE光和Er 3+→Yb 3+的反向能量传递,从而提高Er 3+/Yb 3+共掺光纤的泵浦转换效率。通过改良的化学气相沉积制备工艺可以减少磷元素在高温条件下的挥发,从而成功制备出高掺磷的10/130 μm双包层Er 3+/Yb 3+共掺光纤。测试光纤后向的1 μm ASE光谱随泵浦功率的变化,并且搭建两级激光测试平台,测得Er 3+/Yb 3+共掺光纤激光的斜率效率为35.5%。
激光光学 铒镱共掺光纤 1.5 μm激光; 光纤激光器 改良的化学气相沉积 报道一种自主设计研制的面向Rb原子精密测量应用的780 nm高功率激光源样机。该样机采用线偏振、窄线宽且频率可宽带调谐的单个1560 nm光纤激光器作为种子源,通过有效提升光纤放大器的输出功率,经PPLN倍频产生的780 nm激光功率高达2.25 W。采用边带锁定的饱和吸收稳频技术,高功率780 nm激光中心频率可长期稳定在±150 kHz以内,且可精确调谐1.2 GHz,线偏振度高达23 dB。该样机操作方便、可搬运,非常适合于Rb原子的精密测量应用。
激光器 光纤激光器 超冷铷原子 边带锁定 频率调谐 管棒法加工的氟锆酸盐玻璃光纤预制棒表面和亚表面存在缺陷,这会增加氟锆酸盐玻璃光纤的界面损耗并降低光纤强度。研究了一种非水有机溶液体系的表面处理剂,其中溶剂是乙醇和戊醇的混合物,酸是盐酸和草酸的混合物,添加剂是二氯氧化锆和乙二胺四乙酸的混合物。相比于常规的水溶液体系的表面处理剂,该处理剂能更有效去除光纤预制棒的表面和亚表面缺陷,并且不存在水侵蚀表面引起的水化层和沉积杂质,降低了光纤拉制过程中的析晶和失透风险,可大幅增大光纤强度并降低光纤的损耗。光电子能谱(XPS)显示,利用该处理剂处理过的氟锆酸盐玻璃表面和本体的组分含量更接近。原子力显微镜(AFM)观测结果显示,利用该处理剂处理过的氟锆酸盐玻璃的表面粗糙度更低。实验结果表明,由该表面处理剂处理过的光纤预制棒拉制的光纤损耗更低且抗拉强度更强。说明对于氟锆酸盐玻璃光纤预制棒而言,非水有机溶液体系的表面处理剂比传统的水溶液体系表面处理剂更为合适。
强激光驱动的衰减冲击波作用下的界面不稳定性增长与混合是冲击压缩科学与工程研究领域的前沿和热点问题。在锡-泡沫界面(Atwood数A为-0.87)预制单模正弦扰动(kAη0=0.82,其中η0为初始扰动振幅,k为波数),采用高时空分辨的X光侧向透视照相技术研究激光加载产生的衰减冲击波作用下的界面不稳定性增长与混合。通过改变加载压强,研究材料强度对界面不稳定性增长与混合的影响。实验获得了不同时刻高对比度的界面不稳定性增长与混合面密度图像,冲击熔化压强点和卸载熔化压强点附近的尖钉形态和演化过程有明显差异,这表明锡材料强度对扰动增长速率及混合形态有重要影响。
材料 成像系统 X光成像 界面不稳定性 混合 微喷射 在基于马赫-曾德尔剪切散斑的干涉双成像系统中,剪切量的大小方向与空间载波大小方向可独立调节。系统在一个较小剪切量下有较大空间载波,检测质量较高。在传统马赫-曾德尔双成像系统中,相机的成像透镜放置在剪切系统后部,测量视场受剪切系统中第一块分光棱镜尺寸的限制,视场较小,效率较低。针对该问题,介绍了一种改进的空间相移马赫-曾德尔双成像系统。该系统将成像透镜放置在马赫-曾德尔剪切系统的前部,保留了双成像系统原有的剪切量与载波独立调节的优势,同时扩大了视场,提高了检测效率。对内含缺陷的被测物进行测量,证明了系统可用于缺陷检测。实验证明了可以通过更换成像透镜来改变该系统的视场,并与传统马赫-曾德尔双成像系统进行了对比,结果显示所提系统的视场较大。
提出一种标定超短脉冲测量装置时间分辨率的新方法。设计制作可产生特定时间延迟的平面平晶,标定时将其放置在自相关仪前的光路中;待测光脉冲经过平面平晶后会产生时间延迟为T的双脉冲,该双脉冲到达自相关晶体发生相互作用,产生自相关信号,此时信号的主峰两端会出现较为明显的次峰信号,该次峰信号之间的时间间隔为2T,这样双脉冲的时间延迟就转换为次峰信号峰值的空间距离,经CCD接收后可计算得到自相关仪的时间分辨率。采用此方法对自相关仪时间分辨率标定的结果为217.88 fs/pixel,与移动光程延迟器法得到的标定结果214.27 fs/pixel相比,相对误差仅为1.68%;与可单次标定的鉴别率板法相比,采用此方法标定结果的相对扩展不确定度为1.50%,优于鉴别率板法的6.96%。
为了提升多普勒信号的有效性,增加激光多普勒测速仪的工作距离和可测量范围,提出了一种基于液体透镜的品质因子增强技术。对多普勒信号的品质因子分布进行了理论分析,然后以高斯光学为理论基础,对基于液体透镜的激光多普勒测速仪出射高斯光束的腰斑位置和大小进行了仿真分析。最后搭建了基于液体透镜的激光多普勒测速系统,对不同驱动电流下的品质因子进行了测量。理论分析和实验结果表明:通过改变液体透镜的驱动电流,多普勒信号的品质因子显著增加,大幅提升激光多普勒测速仪的工作距离和可测量范围。
测量 激光多普勒测速仪 品质因子 液体透镜 驱动电流 工作距离 可测量范围 在充分考虑测量仪器特点的基础上设计非方形迹图,具体对原方形迹图进行如下三种操作:频率轴的低通滤波,降低非线性过程中相位匹配带宽的要求;频率轴的上采样,充分利用光谱仪的高分辨率;延时轴的下采样,明显减少测量耗时并提高精度。由此基于层叠成像算法对二次谐波、偏振门和交叉相位调制三种构型的频率分辨光学开关(FROG)使用非方形迹图进行脉冲重建并对重建能力进行比较,发现在频率轴“1/3×”低通滤波和“4×”上采样的情况下,交叉相位调制构型能够在仅使用8个延时(原方形迹图需128个)的情况下成功实现脉冲的重建。因延时操作为FROG技术中最耗时的环节之一,减少其次数可有效促进FROG用于超短激光脉冲的实时测量。
测量 超短脉冲表征 频率分辨光学开关 光束构型 非方形迹图 利用有限元方法研究了八边形包层结构的光子晶体光纤的光学特性,并结合填充技术具体分析了光流体折射率对数值孔径、有效模场面积等参数的影响。通过在直波导中填充光学流体,可明显降低限制损耗,且在波长1.56 μm处的限制损耗为0.00172 dB·m -1,色散参数为0.00018 ps·THz -1·cm -2,相对灵敏度达66%。该八边形包层结构在宽波长范围内能够实现低色散的光信号传输,同时为高灵敏度的气体传感检测提供了新方案。
光子晶体 相对灵敏度 色散 气体检测 星间可见光通信(VLC)凭借其优势逐渐成为小卫星领域的研究热点。通过功率复用,非正交多址接入(NOMA)技术可有效解决因LED调制带宽较窄而导致的VLC系统容量和通信速率受限的问题。结合星间VLC和NOMA技术,构建了星间NOMA-VLC系统,并对信道模型和噪声模型进行了分析。针对系统通信速率优化问题,建立了基于和速率(Sum-Rate)最大化的优化模型,在将非凸的目标函数转换成凸函数的基础上,通过凸分析给出了目标问题的显式最优解。仿真结果表明,和已有功率分配算法相比,所提功率分配策略在保证最低数据速率的约束下,可显著提升系统的和速率。
光通信 可见光通信 星间通信 非正交多址接入 功率分配 在可燃冰开采钻井气体环境监测中,受制于开采井的尺寸和深度条件,传统的怀特池、赫里奥特池等长光程气室难以下井,因此难以通过增加光程的方式降低仪器最低探测体积分数。从信噪比角度出发,将变分模态分解(VMD)算法与Savitsky-Gorai(S-G)滤波算法相结合,对研制的甲烷-二氧化碳混合气体探测仪器中电子器件产生的高斯白噪声和光学器件产生的标准具噪声进行降噪处理,降低仪器最低探测体积分数。以甲烷气体为例,首先进行二次谐波仿真实验,与传统的经验模态分解(EMD)算法相比,基于VMD的滤波算法在信噪比提升和信号自适应等方面具有优势,在仪器最低探测体积分数方面有了较高的改善。在40 cm吸收光程下,系统的信噪比为21.7 dB,线性相关系数为0.9940,最低探测体积分数可达6.7×10 -6,为实现可燃冰海上开采气体环境实时精确监测打下了坚实的基础。
光纤光学 可调谐二极管激光吸收光谱 变分模态分解 二次谐波 降噪 现行可见光定位技术很难克服背景噪声和室内反射噪声的干扰,导致系统的定位精度不稳定。鉴于此,提出一种结合多次反射信道模型与神经网络的可见光室内三维定位算法。首先利用BP(Back Propagation)神经网络拟合真实室内无线信道的参数值,用于待测目标位置的粗定位。然后通过基于定位方差与欧氏距离相结合的定位误差约束模型,逐步确定待测目标的具体位置。最后通过模拟仿真与实测定位实验验证所提算法的定位有效性。结果表明,模拟定位阶段,在4 m×4 m×3 m的立体定位模型中,0.5,1.0,1.5 m三个高度平面的三维定位平均误差为1.67 cm。实测定位阶段,在搭建0.8 m×0.8 m×0.8 m的立体室内空间中平均误差为3.65 cm。
光通信 可见光通信 室内定位 BP神经网络 指纹数据 将传统阶跃型光纤与光子晶体光纤结构相结合,提出并研究了复合型7芯光子晶体光纤。该光纤可在有效降低芯间串扰的同时增大光纤的纤芯密度,为实现大容量、长距离的光纤空分复用技术提供了新思路。通过理论分析了掺锗纤芯以及纤芯周围空气孔的参数,结果表明,在1550 nm波长处中间纤芯与外围6个纤芯间的串扰低于-60 dB/km,有效模场面积大于90 μm 2,芯间距最小为31.7 μm。以31芯光纤为例,其相对纤芯复用因子可达到8.78,可用于低串扰、大容量、长距离传输的网络系统,对用于空分复用的多芯光纤设计具有指导意义。
光纤光学 多芯光纤 空分复用 串扰 为克服生物发光断层成像(BLT)的不适定性,获得稳定的光源重建结果,本文提出了一种基于连续化原对偶有效集(PDASC)的多光谱BLT重建算法,该算法将原对偶有效集算法(PDAS)与连续化技术相结合,可以自动调节正则化参数,从而获得全局最优解。多组数字鼠仿真实验验证了该算法的有效性和稳定性,且与原对偶有效集算法、硬阈值追踪法(HTP)相比,所提PDASC重建算法在不同光源设置下的各量化指标均表现更优,在体小鼠实验结果进一步证明了该算法在实际应用中的潜力。
医用光学 生物发光断层成像 连续化原对偶有效集算法 光源重建 稀疏重建 逆问题 为了实现微生物粒子在线监测,基于荧光探测原理设计了微生物粒子计数仪光学系统。对微生物粒子含有的核黄素、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸等物质的荧光特性进行测试和分析,确定了以405 nm波长的半导体激光器作为激发光源,提出了荧光检测系统的整体结构。设计了基于组合光阑和透镜组的光源整形光路以及荧光探测光路,以降低光噪声。完成了系统结构的制作和组装。采用荧光微球对检测系统的性能进行了测试,结果表明:系统的输出噪声约为20 mV,可以实现对粒径为1,2,5,10 μm荧光微球的分级检测,具有信噪比高、检测灵敏度高等特点,对进一步开展气溶胶微生物粒子计数仪的研制具有重要意义。
生物光学 荧光 微生物粒子 光学系统 光噪声 为了解决数字全息中子孔径相位拼接的效率和精度问题,提出了数字全息中基于多算法融合优化的相位拼接方法来实现相位的双方向拼接。首先,在相位拼接中选用相位相关法确定重叠区域,以限定特征点检测和提取范围,从而提升特征点检测的速率和有效特征点检测的占比;然后,对重叠区域进行Harris角点检测和角点匹配,并根据角点匹配点对来缩小块匹配算法的搜索范围;最后,采用全匹配搜索算法对最佳角点匹配点对进行精确匹配,并通过加权融合实现三维形貌的再现相位拼接。实验结果表明,本文算法能够在保证较高的拼接精度的情况下,极大地提高相位拼接的效率。
I型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱是1.8~3 μm波段锑化物半导体激光器的首选材料,为进一步提升分子束外延生长的InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱材料的光学性能,本文对其进行了快速热退火处理,通过光致发光光谱研究了快速热退火对量子阱材料光致发光特性的影响。光致发光光谱测试结果表明,快速热退火会使量子阱结构中垒层、阱层异质界面处的原子互扩散,改善量子阱材料的晶体质量,促使结构释放应力,进而提高了量子阱材料的光学性能。随着退火温度升高,量子阱材料的室温光致发光谱峰位逐渐蓝移,在500,550,600 ℃退火后,量子阱材料光致发光谱的峰位分别蓝移了7,8,9 meV。通过变温及变功率光致发光光谱测试,确认了样品发光峰的来源,位于0.687 eV的发光峰为局域载流子的复合,位于0.701 eV的发光峰为自由激子的复合。对不同退火温度的样品进一步研究后发现,退火温度的升高降低了材料中局域态载流子复合的比例,在600 ℃退火温度下局域载流子与自由激子的强度比值降为500 ℃退火温度下的22.6%,这表明合适温度的快速热退火处理可以有效改善量子阱材料的光致发光特性。
光谱学 光致发光 InGaAsSb/AlGaAsSb 量子阱 快速热退火 局域态 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是进行燃烧流场关键参数测量的有效有段。采用近红外水蒸汽的两条吸收线(7168.44 cm -1与7185.60 cm -1),分别利用直接吸收法与波长调制法对不同噪声干扰下的高斯峰流场进行了温度重建的数值仿真。将波长调制法和直接吸收法的二维重建结果进行对比,结果显示基于波长调制法的二维重建有更强的抗噪声能力。以McKenna平面燃烧炉产生的甲烷-空气预混火焰为测量对象,进行了二维温度重建。实验结果显示基于直接吸收法和波长调制法的二维重建的最大偏差分别为8.5%和5.9%,均方相对误差分别为0.0469和0.0268。弱吸收下基于波长调制法的二维重建技术显示了更好的重建效果。
激光技术 光谱学 波长调制 二维重建 燃烧诊断 研究了相干度高且光谱平坦的近红外超连续谱(SC)光梳的产生以及超宽带光梳光谱的测量问题。利用掺铒光纤光梳脉冲抽运高非线性色散位移光纤,获得光谱覆盖范围为1250~1900 nm的平坦SC,并通过理论模拟和实验验证了SC的高相干性。同时,在该SC光梳源的基础上,利用傅里叶变换光谱技术,对包含HF、 12C2H2、 12CO、H2O的混合气体样品进行超宽带高分辨分子光谱测量。实验得到的数据与HITRAN2012数据库模拟的结果一致,误差小于1.6%,验证了基于平坦SC光梳光谱测量多组分气体的可行性。
非线性光学 超连续谱 相干特性 光纤光学 报道了一种采用改进化学气相沉积(Modified Chemical Vapor Deposition,MCVD)技术制备的L-band扩展掺铒光纤。实验测试了该掺铒光纤的基本光学参数及其宽带放大性能,其数值孔径为0.2,在980 nm处的吸收系数为11.04 dB/m,在1535 nm处的吸收系数为38.8 dB/m,在1200 nm处的背景损耗为15 dB/km。采用两级放大结构测试该掺铒光纤的L-band放大性能,其中第一级铒纤长度为11 m,第二级铒纤长度为25 m。当输入信号范围为1570~1622 nm,输入信号的功率为-1 dBm时,在980 nm半导体激光器泵浦下20 dB增益带宽长波段可扩展到1622 nm,最大噪声指数为5.3 dB,饱和输出功率为24.5 dBm。
光纤光学 掺铒光纤 L-band扩展掺铒光纤 宽带放大 MCVD 