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 太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室， 山西 太原 030024
2 太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024
3 山西浙大新材料与化工研究院， 山西 太原 030032
4 陕西科技大学 材料原子⁃分子科学研究所， 陕西 西安 710021
微型激光器具有体型小、光束质量高、激光亮度强和响应速度快等优点，在**、医疗和通信等领域展现出极大的应用潜力。增益介质作为微型激光器的核心部分，是一类具有放大自发辐射特性的材料。其本身的放大自发辐射特性对激光器性能起着至关重要的作用，直接影响微型激光器的阈值、激光能量、稳定性和波长调谐性等性能。近年来，各种新型具有放大自发辐射性能的材料被相继开发，并在各类微型激光器中崭露头角。本文首先介绍激光器中增益介质的放大自发辐射工作原理；然后系统综述微型激光器用各类光学增益介质的特性及不同模式谐振腔产生激光的研究现状，指出目前这些材料所存在的问题，并提出解决策略；最后对其未来发展进行展望，以期对微型激光器的研发有所裨益。
微型激光器 放大自发辐射 增益介质 谐振腔 microlasers amplified spontaneous emission gain medium optical resonator 强激光与粒子束
2022, 34(3): 031013
1 南昌航空大学无损检测教育部重点实验室, 江西 南昌 330063
2 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230026
氟化钙晶体微腔相比玻璃材料微腔,具有吸收系数小、缺陷少、纯度高、对周围环境湿度不敏感的优势,在微波光子学、陀螺仪和非线性光学等领域具有潜在的应用价值。通过超精密加工技术制备了回转椭球体氟化钙毫米晶体微腔。研发了一套精密加工系统来制备这种微腔,所制得的微腔形状为回转椭球体,微腔结构边缘表面粗糙度低至1.97 nm。使用光纤锥波导与氟化钙微腔实现了高效耦合,此耦合系统展现了高达~10 8的超高品质因子Q值和低至约0.03 nm的自由光谱范围。这些结果证明了针对氟化钙微腔的加工手段具有重要意义,将大大促进其应用。氟化钙微腔的特性也证明了它在光学滤波器、腔量子动力学、非线性光学和陀螺仪等应用中的潜力。
光学器件 光学微腔 超精密加工 光学谐振器 回音壁模式
电子科技大学信息与通信工程学院, 四川 成都 621000
利用二氧化碳激光器在熔融石英棒上加工出具有超高品质因子的微棒腔,并研究了微腔的曲率、耦合位置以及耦合位置处锥形光纤的半径对激发的模式数量、品质因子以及耦合效率的影响。通过优化加工和耦合过程中的参数,在保证超高品质因子的同时激发出少量模式,有效避免了模式重叠,从而在不同波长下产生了具有频谱光滑包络的孤子光频梳。
非线性光学 回音壁模式 光学微腔 孤子光频梳 光学学报
2020, 40(19): 1919001
1 福建师范大学 物理与能源学院 福建省量子调控与新能源材料重点实验室，福州 350117
2 福建省半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心，福建 厦门 361005
实验研究了香肠状回音壁光学微腔，测量了单个微腔的光学传输谱线.实验结果表明，当从两端拉伸香肠状微腔的时候，观测到的光学模式的共振波长会随着拉伸量的增加而减小，而且不同模式的共振波长减小的速度存在差异.通过拉伸香肠状微腔的方法，实验观察到了单个香肠状微腔中的Fano共振现象.另外，实验上也观测到了与Fano共振现象相关的类电磁诱导透明现象。实验所涉及到的回音壁模式的品质因子高达108.
回音壁模式 Fano共振 电磁诱导透明 光学谐振器 传输谱线 光纤 香肠型微腔 Whispering-gallery mode Fano resonance Electromagnetically induced transparency Optical resonator Transmission spectrum Optical fiber Sausage-like microresonator 光子学报
2019, 48(11): 1148021
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621999
针对中物院高功率太赫兹自由电子激光(THz FEL)装置, 结合目前FEL实验的实际情况, 完成了THz波段波导光腔对光腔品质影响的理论分析和模拟计算, 确定了不同频段实验所需合适的波导间隙。理论分析与数值模拟表明, 光腔加入波导管后减少了腔损耗, 使腔内增益提高约30%。完成了不同波导间隙在不同频段的影响计算, 并确定了不同频段合适的波导间隙。进一步考察了波导间隙在14 mm和22 mm时对光腔质量及品质的影响。
自由电子激光 太赫兹 光腔 波导 数值模拟 Free Electron Laser Terahertz optical resonator waveguide numerical simulations 太赫兹科学与电子信息学报
2017, 15(5): 702
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
提出了一种新型MIM(金属-介质-金属)等离子光波导与二维介质平板波导耦合器结构, 该结构通过利用波导接口处的谐振效应来增大波导之间的耦合效率, 降低传输损耗。采用FDTD(有限时域差分)法进行了数值计算, 结果表明, 在波长1.55 μm处,谐振腔距离接口230 nm、深度为420 nm时耦合效率得到大幅度提高, 耦合效率比传统的耦合结构模型能够提高20%~30%。
金属-介质-金属结构 波导接口 耦合效率 光学谐振腔 metal-insulator-metal waveguide junction power coupling optical resonator
1 东北林业大学 理学院, 黑龙江 哈尔滨 150040
2 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所与可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
3 东北林业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040
基于光学谐振器结构的感应透明现象通常是利用双光学谐振器产生的, 但由于谐振器间易失谐, 因此感应透明现象难以稳定。本文研究利用单光学谐振器实现稳定的感应透明现象, 并获得透过率大、带宽窄的透射峰。首先建立单光学谐振器自干涉结构, 利用传输矩阵理论讨论该结构的透射谱, 研究结构参数对透射谱的影响, 实验上, 基于理论结果选择适当的结构参数, 利用单模光纤制作单光学谐振器自干涉结构, 建立实验系统测量结构的透射谱, 最后讨论了该结构的应用。实验结果表明: 利用基于单光学谐振器感应透明现象可获得带宽很窄的透射峰, 峰值透过率为0.62, 透射峰带宽为0.54 MHz, 透射峰带宽与波导长度乘积为6.48 MHz·m。基于单光学谐振器感应透明现象的窄带透射峰可用于窄带滤波、光学信息处理、高精度光学参量测量及检测等。
光学谐振器 感应透明 窄带透射峰 光学测量 滤波 optical resonator induced-transparency transmission peak with narrow bandwidth optical measurement filtering
