光学 精密工程
2022, 30(11): 1337
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084, China
A time-division multiplexing method for computer-generated holograms (CGHs) is proposed to solve the problem of the limited space-bandwidth product. A three-dimensional (3-D) scene is divided into multiple layers at different depths. The CGH corresponding to each layer is calculated by an angular-spectrum algorithm that is effective at a wide range of propagation distances. All of the CGHs are combined into several group-CGHs. These group-CGHs are sequentially uploaded onto one spatial light modulator at a high frame rate. The space-bandwidth product can be benefited by the time-division processing of the CGHs. The proposed method provides a new approach to achieve high quality 3-D display with a fast and accurate CGH computation.
090.0090 Holography 090.1760 Computer holography 090.2870 Holographic display Chinese Optics Letters
2016, 14(1): 010005
量子光学与光量子器件国家重点实验室,激光光谱研究所,山西 太原 030006
基于外部谐振腔可以实现两基频激光的高效和频转换,通常可以采用泵浦不消耗近似(PUA)或小信号近似(SSA)来理论模拟实验结果。然而当基频光功率相近且转换效率较高时,此两种近似的误差就会变得不可接受,然而三波耦合波方程(TWCE)解析解通常需要进行椭圆积分,直接数值求解就变得简单易行。本文首先基于龙格-库塔方法求解准相位匹配下的TWEC,并与PUA和SSA下的解析解进行比较分析,确定了两种近似的适用条件;最后基于该精确数值解结合腔模理论对外腔高效和频对腔模线型的影响进行了研究。
三波耦合波方程 和频转换 数值计算 three waves coupled wave equation sum-frequency generation numerical calculation
山西大学激光光谱研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
腔衰荡光谱技术(CRDS)由于其具有高灵敏度、高精度、装置简单等特点,被广泛应用于痕量 气体检测、镜面反射率测量等领域。建立了一套基于连续波频率的腔衰荡光谱(CW-CRDS)装置,基于Pound-Drever-Hall (PDH)频 率锁定技术将激光器的频率锁定到光学腔的纵模上,从而保证了激光功率到 腔模的高效耦合。通过观测不同的声光调制器(AOM)关断频率对应的透射信号,得到光路最佳 关断频率为60 kHz。使用该系统测量了光学腔腔镜的反射率,通过与非锁定情况下测量得到的结果进行对比,得出锁定后的 结果漂移减小,误差也压缩为非锁定情况下的1/3。
腔衰荡光谱 Pound-Drever-Hall锁频 反射率测量 cavity ring-down spectroscopy Pound-Drever-Hall laser locking technique reflection measurement 大气与环境光学学报
2015, 10(5): 425
山西大学激光光谱实验室， 量子光学与光量子器件国家重点实验室， 山西 太原030006
激光光谱技术由于其高灵敏、 高分辨、 可在线检测等优点被广泛的应用与痕量气体探测领域， 而频率调制光谱（FMS）技术由于其除了探测灵敏度高的优点外且可同时探测气体样品的吸收和色散， 通常还被应用于原子分子物理、 量子光学等领域。 发展全光纤FMS可以在保持气体探测灵敏度的同时有效简化实验装置， 然而FMS是一项偏振态敏感技术， 光纤温度变化等引起不适当的偏振态变化会诱发残余幅度调制（RAM）， 该RAM不仅使FMS线型扭曲， 同时对其色散信号产生直流偏置， 因此研究光纤温度对RAM特性的影响具有非常重要的意义。 研究首先通过理论和实验验证了相位可控波片模型解释保偏光纤特性的可行性， 然后实验测量了进入电光调制器（EOM）前保偏光纤温度对RAM的影响， 发现由RAM引起的色散光谱直流偏置随温度呈正弦变化， 且在24和26.8 ℃时直流偏置为零， 即无RAM的状态， 然而基于温度的直接RAM消除无法替代Wong-Hall提出的伺服反馈控制来实现其长期抑制， 这种温度诱发RAM的变化也是所有FMS色散信号背景漂移的主要原因。
频率调制光谱 残余幅度调制 电光调制器 保偏光纤 温度 Frequency modulation spectroscopy Residual amplitude modulation Electro-optic modulator Polarization maintaining fiber Temperature
量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西大学激光光谱研究所, 山西 太原030006
噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)作为世界上最灵敏的光谱技术可以被应用到痕量气体检测、 频率标准、 原子分子光谱以及超灵敏引力波测量等领域中, 高精细度谐振腔吸收池的使用在增长激光与腔内物质相互作用路径的同时, 极大的提高了腔内激光功率, 这就会饱和低气压下的气态样品吸收线从而获得亚多普勒光谱结构, 因此NICE-OHMS技术不仅具有高灵敏、 还具有超高分辨的优点。该研究基于光与二能级分子相互作用的密度矩阵理论对NICE-OHMS技术中包含亚多普勒的多普勒展宽光谱线型进行了理论推导, 获得了光谱线型的表达式, 同时以该表达式对光谱线型进行了数值模拟, 其中调制频率、 饱和参量、 频率调制系数分别设置为384 MHz, 10和0.2。由模拟结果可见吸收光谱由两个边带的吸收信号构成, 在包络上存在四个亚多普勒饱和结构; 色散光谱由载频以及边带的色散三者决定, 并在包络上存在五个亚多普勒饱和结构, 获得了与已有实验一致的结果。最后重点分析了不同探测相位、 不同饱和参量下的NICE-OHMS光谱线型尤其是亚多普勒结构的变化, 由于饱和参量按照调制系数分配给载频和边带, 因此虽然载频饱和参量很大, 但NICE-OHMS吸收光谱幅度变化不大, 主要是由于该光谱信号只与边带饱和参量有关, 可以看出NICE-OHMS多普勒展宽信号具有饱和效应免疫的特性, 与已有实验结果也符合较好。为更进一步的实验研究提供了必要的理论基础。
频率调制 光谱线型 密度矩阵理论 NICE-OHMS NICE-OHMS Frequency modulation Spectral lineshape Density matrix theory 光谱学与光谱分析
2014, 34(8): 2180
量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西大学激光光谱研究所, 山西 太原030006
腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)是一种高灵敏的激光吸收光谱技术, 被广泛应用于镜片反射率测量、 光谱分析以及痕量气体检测等研究领域。首先从理论上描述了CRDS技术的实验原理, 然后基于555定时器自行设计了一种可应用于CRDS技术的阈值电路, 并通过实验进行了验证。为了优化阈值电路的性能, 研究了不同输入阻抗及容抗下阈值电路对衰荡事件测量的影响。通过直接接入不同值的电容与电阻, 发现输入电容越大, 输入阻抗越小, 对衰荡事件的测量影响越大, 尤其当阈值电路输入电阻小于50 Ω时, 衰荡事件的线型严重扭曲。对不同输入电阻与输入电容时C2H2气体在6 531.780 5 cm-1处的吸收信号进行了采集与分析, 发现输入电容与输入电阻的改变对测量结果有很大的影响, 得到的吸收信号会失真, 甚至无法进行拟合。最终给出了阈值电路的最佳设计方案, 在阈值电路的设计中选取的输入阻抗越大越好, 最小要在100 Ω以上, 选取的容抗越小越好, 最好低于1 nF, 同时要保证阈值电路的时间常数远小于衰荡时间。该研究对于CRDS技术应用过程中阈值电路的设计具有重要的参考价值。
腔衰荡光谱 阈值电路 吸收光谱 定时器 Cavity ring-down spectroscopy Threshold circuit Absorption spectroscopy Timer IC 光谱学与光谱分析
2014, 34(8): 2026
量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西大学激光光谱研究所, 山西 太原030006
频率调制光谱(FMS)技术不仅可以用来同时测量原子和分子的吸收和色散, 还是噪声免疫腔增强光外差分子光谱（NICE-OHMS）的关键技术, 由于光纤器件的引入或光源输出光的偏振态不稳定等因素会诱发残余幅度调制(RAM), RAM的产生使得FMS技术在痕量气体检测中的应用受到极大的限制, 因此研究光纤FMS中RAM的特性具有非常重要的意义。 研究首先通过理论分析了无吸收时的FMS信号的线型及RAM的影响因素, 实验测量无吸收时输入偏振方向和输出偏振方向及电光调制器(EOM)温度对光纤FMS中RAM的影响, 均与RAM存在线型关系, 验证了理论分析结果, 并为RAM的抑制工作以及基于RAM的其他应用提供了依据。
频率调制光谱 残余幅度调制 光纤 电光调制器 Frequency modulation spectroscopy Residual amplitude modulation Fiber Electro-optic modulator 光谱学与光谱分析
2014, 34(6): 1456
山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
光纤器件尤其是光纤电光调制器(EOM)在简化PDH频率锁定装置的同时会诱发残余幅度调制(RAM)，该效应会使PDH误差信号出现一个受环境温度影响的直流偏置，同时线型也出现一定程度的扭曲，这不仅会使频率锁定点发生漂移，同时也会影响频率锁定的时间。对PDH误差信号中存在RAM的线型进行理论和实验分析，并利用Hnsch-Couillaud(HC)技术抑制RAM，在实验上获得了无偏置且信号对称的PDH误差信号。分别利用RAM抑制闭环和开环的误差信号，进行了激光到腔模的频率锁定，验证了RAM抑制方案可以极大地增加基于光纤EOM的PDH频率锁定技术的稳定性。
激光技术 PDH频率锁定 残余幅度调制 Hnsch-Couillaud技术 电光调制器
山西大学 激光光谱实验室，量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
提出了一种基于残余幅度调制确定频率调制光谱探测相位的方法。基于理论分析得出当频率调制光谱系统存在残余幅度调制且无样品气吸收时，光谱信号与探测相位的余弦成正比，可直接确定探测相位。通过采用低频电压控制电光调制器提高了探测相位的测量精度，通过与有吸收时频率调制光谱线型拟合获得的相位进行对比，偏差控制在0.04 rad（2°）以内，证实了该方案的可行性，提高了探测相位的测量速度。
测量 频率调制光谱 探测相位 残余幅度调制 电光调制器
