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
1 福建师范大学光电与信息工程学院, 医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建省光电传感 应用工程技术研究中心, 福建省光子技术重点实验室, 福建 福州 350007
2 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
3 福建师范大学医院, 福建 福州 350007
4 中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110016
5 辽宁省科学技术情报研究所, 辽宁 沈阳 110168
TeO2非共线声光可调滤波器（AOTF）是一种优良的电调谐分光器件, 具有体积小巧、 稳定性高、 调谐快速、 可实现便携等优点, 在超光谱成像领域具有很高的应用价值。 通过非共线AOTF与光学倒置显微镜有机结合, 建立了声光滤波超光谱显微成像系统； 在可见光范围内, 开展了人体皮肤鳞状细胞癌组织的超光谱显微成像实验研究, 获得了一系列不同衍射光中心波长下的皮肤鳞状细胞癌组织的光谱和对应的显微图像。 系统性能检测实验结果显示, 在超声频率为110～180 MHz范围内的衍射光带宽仅为1.28～2.84 nm, 表明本研究中的AOTF具有很高的光谱分辨率, 达到102个光谱通道量级, 完全可以满足超光谱显微成像对生物组织结构进行精确识别的需要。 本系统采用高质量的TeO2晶体、 双胶合透镜以及优化的射频驱动源, 有效地抑制了衍射光光谱的旁瓣。 分析了超声频率与衍射光中心波长的调谐关系, 以及超声频率与对应衍射光谱带宽的关系曲线, 实验结果与理论计算结果有着较好的一致性。 系统实验获得的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像随光波长漂移不显著, 表明超光谱成像系统的图像稳定性高。 通过对比, 分析了不同中心衍射光下的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像的清晰度随光波长的变化规律, 在522.52 nm时, 皮肤鳞状细胞癌组织内部各精细结构区分明显, 图像最为清晰。 通过定义透射差异系数, 分析了图像整体亮度曲线和透射差异系数随光波长变化曲线, 其变化规律与直观观察结果相符合； 对皮肤鳞状细胞癌组织图像进行了边缘提取分析, 得出在497.87～551.29 nm内, 可在整体视野较为明亮的情况下对皮肤鳞状细胞癌组织进行观察和研究, 在509.69～527.59 nm范围内, 组织边缘明亮清晰且完整, 是进行皮肤鳞状细胞癌组织结构精确识别与分析的最佳窗口。 该研究为人体皮肤鳞状细胞癌组织结构简便、 灵活、 快速地检测与识别提供了一种新方法。
声光可调滤波器 超光谱成像 皮肤鳞状细胞癌 图像处理 Acousto-optic tunable filter Hyperspectral imaging Skin squamous cell carcinoma Image processing
中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
提出了一种基于平面光波导谐振腔的可调谐光电振荡器.该振荡器中, 相位调制器串联光波导谐振腔, 取代了传统系统中的强度调制器、长光纤和滤波器.由于光学谐振腔对光子频率和相位敏感, 调节激光器改变输出光的波长, 不仅可以调制光的强度, 还可以对微波光子进行选频输出.当光子在波导腔中发生谐振时, 产生很强的延时特性, 可以取代传统系统中的长光纤.整个光电振荡器系统体积为长29.5 cm、宽21 cm、高7 cm.实验中, 改变0.1 pm的光子波长, 能够产生步长为12.5~35.5 MHz的调谐, 调谐范围达2 GHz, 且系统能够产生10 GHz的微波信号, 在中心频率为10 GHz处其相位噪声为－109.7 dBc/Hz@10 kHz.该研究为光电振荡器的小型化和实用化提供了一种新的思路.
光电振荡器 平面光波导谐振腔 可调谐 微波光子 相位噪声 Optoelectronics oscillator OEO Optical resonator The tunable Microwave photons Phase noise
中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
为了满足偏振光天文导航定位对高精度太阳空间位置信息的需求, 提出一种基于瑞利大气偏振模式的太阳自主定位方法。实验结果表明, 该定位方法能够获取太阳相对可靠的地理位置信息, 且经、纬度误差均值分别为0.251°和0.171°。虽然该方法的定位精度有待于进一步提高, 但其作为其他定位方式的补充有着重要应用价值。
散射 太阳位置 偏振光定位 最小二乘法 Rayleigh散射 激光与光电子学进展
2017, 54(2): 022901
天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津300072
现有图像清晰度评价函数在对ICF微靶装配体图像的评价过程中, 由于不同零件图像对比度的变化, 评价函数极易失去其理想曲线特性, 导致聚焦精度降低甚至调焦过程失败。针对这一问题, 在分析离焦图像模糊原因的基础上, 得出离焦图像究其本质为图像结构变化失真。利用Zernike矩具有描述图像结构特征这一特性, 提出一种新的针对微靶装配体图像的清晰度评价函数。评价函数由图像不同阶Zernike矩的线性组合构成, 通过调节权重系数来实现微靶装配体不同零件图像的清晰度评价。实验结果表明: 相较于现有的评价函数, 新的评价函数在对微靶装配体图像评价过程中保持了函数的理想曲线特性, 尤其是针对低对比度图像, 其在灵敏度和抗噪性方面具有明显优势。
ICF微靶装配体 图像清晰度评价函数 对比度 Zernike矩 ICF micro-target image definition evaluation function contrast Zernike moment
天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
电子错位散斑检测系统中，错位量对测量精度、灵敏度以及条纹对比度有很大影响。本文介绍了电子错位散斑干涉原理，研究了错位量与测量精度、灵敏度和条纹对比度之间的对应关系，并利用MATLAB 模拟出不同错位量下干涉条纹图，将错位散斑模拟条纹图与理论分析有效结合，总结出选取错位量的方法，并将其应用于轮胎变形检测实验，取得了良好的实验效果。本文研究工作对无损检测中错位量定量选取具有实际指导意义。
电子错位散斑干涉 错位量 无损检测 electronic shearography speckle pattern interferom shear non-destructive detection
天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
针对目前各大行业对钢管直径在线测量精度的需求，设计提出了一种基于亚像素的双 CCD测量钢管直径的系统方法。该系统利用双 CCD横向拍摄钢管，利用摄像机标定确定钢管、相机及其他相关设备的相对坐标，以及测量系统的内、外参数，对两相机采集到的图像利用差分法确定大致边缘区域，利用边缘区域亚像素边缘检测方法确定精确钢管边缘。根据得到的坐标值做外接四边形，采用最小二乘法求其内切圆的圆心坐标 (即钢管的圆心坐标)，最终确定钢管的直径。实验结果表明：本文直径测量方法抗振性能强、精度高，钢管直径的精度误差 ≤0.2%。利用亚像素方法的钢管直径测量技术，测量精度高，抗振性能强，适用于工业高速在线测量。
亚像素 大致边缘区域 角点坐标 sub-pixel roughly edge areas corner coordinates
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术科学教育部重点实验室,天津 300072
提出了一种基于二次曝光数字全息干涉术的子午线轮胎内部气泡缺陷无损检测方法。该方法利用数字全息记录系统记录下轮胎初始状态和受热膨胀变形状态的数字全息图,在计算机中对这些数字全息图分别再现后,将代表轮胎变形状态的再现波前与其初始状态的再现波前进行干涉,获得携带轮胎变化信息的干涉条纹和相位分布;分析了存在气泡缺陷区域的轮胎和无缺陷轮胎两种情况下的干涉条纹及其相位分布的特点和区别。分析结果表明:在轮胎内部存在缺陷的位置,其二次曝光数字全息干涉条纹具有与质量正常位置处干涉条纹相对独立的特征,该方法可以检测出轮胎气泡缺陷,记录系统的横向分辨率为16.4 μm。
数字全息术 子午线轮胎 缺陷检测 digital holograpy radial tire defect inspection
