浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
基于铌酸锂薄膜提出了一种新型的低损耗切趾光栅设计方案，在线性改变填充因子的同时根据布拉格条件对每个光栅周期进行调控。此方案不仅提高了向上衍射效率，还增加了向上衍射模斑和单模光纤模斑的重叠积分，极大地提高了耦合效率。1550 nm处对于TE模式耦合效率达到81.3%（0.90 dB），是目前已报道的基于无反射层铌酸锂薄膜的光栅耦合器设计方案中耦合效率最高的。考虑到实际工艺下波导存在刻蚀倾角，基于合理推广的布拉格条件同样对光栅周期进行调控，优化了带刻蚀倾角的切趾耦合光栅，耦合效率高达60.0%（2.22 dB）。
铌酸锂薄膜 低损耗 切趾光栅 布拉格条件 刻蚀倾角 光学学报
2023, 43(19): 1913001
浙江大学光电科学与工程学院光学惯性技术工程中心，浙江 杭州 310027
自20世纪70年代以来，伴随着光通信领域中光纤、光源和相位调制器等光学器件的逐渐应用和走向成熟，具有独特优势的基于Sagnac效应的干涉式光纤陀螺（IFOG）技术得到了迅速发展。40多年来，该技术从实验室走向了陆海空天等各个领域。回顾了IFOG技术的发展过程。首先，介绍了自Sagnac效应发现至实用化期间IFOG技术的探索历程。然后，阐述了IFOG经典的最小互易光学结构与信号处理方案。接着，梳理了IFOG技术在高精度、小型化和环境适应性等方面的研究现状。最后，分析了该技术发展、应用的趋势和方向。
光纤光学 光纤陀螺 非互易相位差 灵敏度 标度因数 光学学报
2022, 42(17): 1706004
1 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2 江西省交通高级技工学校, 江西 南昌 330105
激光器是现代光学中一种常用的光源, 分析其谱宽特性对于激光的研究具有重要意义。 由于高性能窄线宽激光的半高全宽通常在几十MHz以内, 难以直接满足宽光谱领域的应用需求, 因而无法发挥其在成本和性能方面的优势, 这在一定程度上限制了激光的发展。 如果在激光内部直接进行调制实现线宽展宽, 又会导致频率的严重漂移, 破坏稳频特性。 为了在激光器波长稳定性不变的前提下得到宽光谱, 提出了一种以高斯白噪声为驱动电信号的外部相位调制方法。 以激光相位噪声和光谱特征之间的关系为基础, 通过理论计算阐明了相位噪声对于光谱的展宽效应, 并基于OptiSystem光仿真软件和数值仿真分析了在不同白噪声参数下的光谱演变过程, 明确了要得到好的展宽和载波抑制效果需要高功率、 大带宽的噪声信号源。 搭建的外部相位调制系统采用10 GHz带宽的信号源, 通过两个前置预放大器以及一个高饱和输出功率放大器将噪声信号由-17 dBm最高提升至28 dBm, 以此驱动半波电压3.7 V的铌酸锂电光相位调制器, 并在放大链路中加入低通滤波器和可调衰减器调节信号参数。 研究对象为初始线宽20 kHz的分布式反馈半导体激光器, 通过光谱分析仪观测和对比调制前后的激光光谱, 得到了与理论及仿真相吻合的结果, 并拟合计算出展宽分量最高可达65 GHz, 且载波也得以明显地抑制; 此外, 基于扫描式法布里-珀罗共焦腔评估了激光频率的漂移情况, 证明外部调制并未对激光的波长稳定性造成影响, 综合论证了高斯白噪声的相位调制方案能够实现优越的光谱展宽效果。 由于调制后的光谱无边带和次峰, 且能实现数倍于调制带宽的展宽, 因此相较于正弦函数和伪随机编码等其他信号而言, 高斯白噪声具有明显的优势。 该调制方法不依赖于激光器的本征线宽, 具有广泛的应用前景, 为相位调制和光谱展宽的相关研究提供了参考依据。
激光器线宽 相位调制 光谱展宽 高斯白噪声 Laser linewidth Phase modulation Spectrum broadening Gaussian white noise
浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
光纤陀螺寻北启动误差是启动过程温度剧烈变化导致的光纤陀螺零偏漂移产生的误差，表现为冷启动时寻北误差较稳定段时明显增大，事实上延长了有效寻北时间。通过对光纤陀螺温度漂移影响因素的分析，利用经验模态分解、ARMA建模与Kalman滤波建立多参量线性模型，实现了一种应用于光纤陀螺寻北的温度漂移补偿方法，实验结果表明，该方法可以将寻北启动误差降低近80%，使得冷启动时寻北精度与稳定段相当并缩短了有效寻北时间。
光纤陀螺 寻北 温度漂移 温度补偿 fiber optic gyroscope (FOG) north-seeking temperature drift temperature compensation
1 浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027
2 之江实验室量子传感研究中心, 杭州 310000
在光阱实际测量中, 过程噪声以及光电测量噪声严重影响微球位移实时探测的灵敏度, 针对这一问题, 提出基于卡尔曼滤波的方法对微球位移进行探测.将光阱中微球运动的谐振子模型改写 成卡尔曼滤波的状态转移矩阵形式, 获得具有高灵敏度和高信噪比的微球位移信号.仿真结果表明: 1 MHz的采样频率下, 101 kPa气压下滤波后的真空光阱微球位移的探测均方根误差从1 nm降到 0.27 nm.实验结果表明, 在293 K、101 kPa气压下对实测的微球位移信号进行滤波, 探测均方根误差从2.8 nm降到1.1 nm; 其他参数不变, 在1 Pa气压下均方根误差从5.2 nm降到2.1 nm.该方法可 应用于高真空下光阱微球质心运动的激光冷却反馈方案.
真空光阱 卡尔曼滤波 位移探测 谐振子 激光冷却 Optical trapping in vacuum Kalman filter Displacement detection Harmonic oscillator Optical cooling
1 浙江大学 光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310027
2 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院, 浙江 杭州 310014
基于光阱技术的精密传感和测量是光力效应应用由微观精确操控向物理量精确测量的创新和深化, 对光阱中微粒位置信息进行高精度测量是实现精密传感和测量的核心; 提出了一种采用数字图像处理和曲线拟合相结合进行光阱微粒位置检测的方法, 通过数字图像相关方法获得表征微粒位置的归一化自相关函数, 并对归一化自相关函数曲线采用最小二乘法进行二次曲线拟合, 由此实现亚像素级的微粒位置检测。实验表明, 所述方法可以有效抑制硬件量化效应, 实现光阱微粒位置的快速高精度检测, 相较于直接相关方法, 检测精度可至少提升一个数量级, 达0.03 pixel。
光学传感 精密测量 光阱技术 数字图像相关 optical sensing precision measuring optical trap technology digital image correlation 红外与激光工程
2019, 48(12): 1213001
浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
为获取光学平台多自由度微振动信息, 设计了一种基于平面镜双频激光干涉的三自由度动态微振动测量系统。该系统利用激光多普勒效应, 采用三个测量轴获得测量反射镜的三点位移信息, 计算出测量镜平动、扭转角、俯仰角信息, 实时检测三自由度的微振动情况, 从而为光学系统的微振动补偿控制提供基础。对微振动测量系统进行了不确定度分析, 建立了不确定度模型, 为进一步提高系统精度提供理论依据, 也为系统在校准和计量领域的应用奠定基础。实验过程中, 采用高精度地震计对待测平台进行同步测量, 与系统平动测量结果进行对比, 验证了系统的测量准确性。该系统的平动分辨率可达到5 nm, 扭转角分辨率为5.05 μrad, 俯仰角分辨率为4.69 μrad, 具有多自由度、非接触、高分辨、可溯源的优点。
微振动测量 双频激光干涉 多自由度 不确定度分析 micro-vibration measurement dual-frequency laser interference multi-degree of freedom uncertainty analysis
1 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 现代光学仪器国家重点实验室(浙江大学)，浙江 杭州 310027
在高精度光纤陀螺系统中，开关电源中的spike 毛刺噪声会串扰光纤陀螺的信号处理电路，造成系统采样误差。本文分析了开关电源spike 噪声的成因及其对光纤陀螺性能的影响机理，并在此基础上提出摆率控制是一种适用于光纤陀螺系统电源的低噪声电源技术。利用摆率控制技术，一种低噪声特性的开关电源模块被开发出来，并应用于光纤陀螺系统。该开关电源模块由DC-DC 电路和LDO 电路两部分组成，并在DC-DC 电路中通过摆率控制电路实现其低噪声性能。完成后的低噪声电源模块能够在200 MHz 的测试带宽下实现1 mV 量级的峰峰值噪声水平。经过对比测试，采用低噪声电源的两支被测光纤陀螺分别表现出了3.1% 和4.4% 的噪声优化特性。
光纤陀螺 开关电源 spike 毛刺噪声 摆率控制 fiber-optic gyroscope DC-DC converter spike noise slew rate control
浙江大学 光电学院现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027
研究了与光纤线圈敏感轴平行的轴向磁场作用下保偏光纤陀螺的漂移特性, 建立了保偏光纤陀螺产生的非互易相位差与入射光偏振态关系的数学模型, 并对该模型进行了实验验证.结果表明: 轴向磁场对保偏光纤陀螺产生的非互易相位差源于光纤线圈内光纤的弯曲, 且与线圈中光纤扭转分布具有密切关系, 即当线圈绕制完毕, 光纤扭转分布固定时, 对应的保偏光纤陀螺轴向磁场灵敏度不变；保偏光纤陀螺轴向磁场灵敏度与射入光纤线圈内光的偏振态密切相关, 通过改变入射偏振光的入射角, 可在0~5°/h/mT范围内改变典型保偏光纤陀螺的轴向磁场灵敏度.
保偏光纤陀螺 轴向磁致非互易相位差 光纤线圈 光纤弯曲 光纤扭转 入射光的偏振态 Polarization maintaining fiber optic gyroscopes Axial magnetic drift Nonreciprocal phase difference Fiber coil Fiber′s bending Fiber′s twist 光子学报
2015, 44(12): 1206003
1 浙江大学 光电系, 杭州 310027
2 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027
设计了一种基于二维光子晶体的偏振滤波分束器.利用平面波展开法计算光子晶体带隙, 确定入射光波1 550 nm下获得单偏振光的微结构参数, 利用时域有限差分法对90°弯折缓冲层和分支冲击壁进行优化.分束器实质为在二维光子晶体阵列中引入缺陷而构成的波导, 利用光子带隙效应和线缺陷90°偏转将入射光中的TM偏振分量(或TE偏振)完全过滤, 得到单偏振光, 最后通过Y型分支实现1∶1的单偏振光分光输出.仿真结果表明总输出/输入功率比达到68%.
二维光子晶体 偏振滤波 分束 光子带隙效应 缓冲层 Two-dimensional photonics crystal Polarizing filter Beam-splitting Photonic bandgap Buffer layer 光子学报
2014, 43(12): 1223002
