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[博士论文] 骆英民
微电子学与固体电子学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:紫外探测器无论在民用还是在国防军事领域都具有重要的作用和价值。新一代紫外探测器要求具备体积小、响应和恢复速度快、灵敏度高和制备成本低等特点。ZnO作为一种重要的Ⅱ-Ⅵ族直接宽带隙半导体,由于具有禁带宽度大、不吸收可见光、光电性能好、化学性质稳定和制备成本低等优点,因而在紫外光探测领域具有广阔的应用前景。特别是ZnO优良的压电性能,更使得在调控和改善基于ZnO材料制备的光电器件性能方面增加了一种可选择的重要途径。但基于单一ZnO材料制作的光电导型紫外光探测器的光响应速度通常较慢,特别是恢复时间很长,从而限制了其实际应用。ZnO同质pn结型紫外光探测器的研究,又由于性能稳定的p型ZnO难以制取而缺乏较大进展。故而,近年来,构造各种基于ZnO的肖特基结和异质pn结型紫外光探测器已成为研究的关注点。
  本论文围绕ZnO纳米棒阵列与连续致密膜的生长制备、p-NiO/nZnO异质结的构造及其紫外光响应性能测量与分析等相关问题,展开了一系列的研究工作。由于各种结型器件的光响应速度通常均很快,故本论文的研究重点是器件的恢复性能。主要内容包括以下几部分:
  (1)采用磁控溅射和水溶液法在蓝宝石衬底上制备了ZnO纳米棒阵列,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和光致发光(PL)谱等表征手段对其形貌、结构、成分及光学特性等进行了测试分析。研究了ZnO纳米棒阵列退火前后的紫外响应特性,结果表明,550℃下退火可以减少ZnO中的缺陷数量,降低紫外探测器暗电流,从而有效增强ZnO紫外探测器的灵敏度。
  (2)采用热蒸发氧化方法,在蓝宝石衬底上制备了NiO薄膜,并对不同氧化温度下制备的NiO薄膜进行了表征分析。结果表明,随着氧化温度的升高,NiO薄膜的缺陷减少,晶体质量提高。在此基础上,通过低温水溶液方法在不同氧化温度下制备的NiO薄膜上分别生长了ZnO纳米棒阵列,并对这些p-NiO/n-ZnO异质结样品的紫外光响应特性进行了研究。结果表明,在所研究的温度范围内,NiO膜的氧化温度越高,晶体质量越好,器件的恢复速度越快。
  (3)在柔性的Ni薄片上通过热氧化工艺制备了NiO薄膜,并通过在传统水溶液中加入柠檬酸三钠的方法,成功地在这种柔性NiO薄膜上生长了致密连续的ZnO薄膜。这种致密的薄膜结构有效减少了ZnO与空气的接触面积,从而大幅度缩短了p-NiO/n-ZnO紫外光探测器的恢复时间。相较于ZnO纳米棒阵列与NiO薄膜构成的器件,致密ZnO薄膜与NiO薄膜构成的紫外探测器的恢复时间从25秒减少到8秒。在此基础上,利用ZnO的压电电子学与压电光电子学效应进一步缩短了该种柔性器件的恢复时间:在-1%、-2%和-4%的压应变情况下,器件的恢复时间分别由无应变时的8秒减少到7秒、3.6秒和2.4秒。
[硕士论文] 宫顺顺
通信与信息系统 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一种优良的光纤器件,自从产生以来,就被广泛应用于光纤传感和光纤通信等领域。由于FBG中的光信号为一种极窄线宽的波长信号,因此,对于该信号的测量可以克服光源波动的干扰,同时兼具光纤器件的低损耗、易于复用和抗电磁干扰等优点。
  石墨烯作为一种由单层碳原子构成的二维蜂窝状结构的晶体,具有独特的能带结构,理论和实验研究,均表明石墨烯有着良好的光学、热学和电学特性。将石墨烯与光纤结合是近年来开展的工作,利用石墨烯优良的特性,结合光纤微纳光传输结构,开发石墨烯光纤器件是目前国内外的研究热点。
  本论文以EFBG(Etched FBG)为研究对象,依据石墨烯材料特殊的光学和热学特性,通过理论和实验相结合的方法对石墨烯膜EFBG器件的温度和光控特性进行了深入的研究。论文工作主要包括:
  1、综述了石墨烯膜光纤光栅器件的研究现状并总结了石墨烯材料的成膜方法。对EFBG和石墨烯膜的性质进行分析,从理论上对FBG和EFBG的理论模型和传感机制进行研究,通过模场仿真软件研究石墨烯对EFBG传输光场的影响,为石墨烯膜EFBG光子器件的研究奠定了理论基础。
  2、石墨烯膜EFBG温度特性研究。以FBG温度特性为基础,对石墨烯膜EFBG的温度特性进行研究,实验获得了不同处理方式下的温度灵敏度,未处理过的FBG的灵敏度为10.3pm/℃,EFBG的温度灵敏度为11pm/℃,石墨烯膜EFBG的温度灵敏度为11.6pm/℃。
  3、对石墨烯膜EFBG光控特性进行研究。以石墨烯膜EFBG为研究对象,对沉积有氧化石墨烯的EFBG器件进行光控特性研究,并对不同厚度石墨烯膜的光控特性进行实验,实验结果表明:当宽带光源的功率从1mw变化到55mw时,EFBG未去掉包层的反射峰的波长保持不变,去掉包层反射峰波长出现红移,共漂移了2.6nm,灵敏度为119.3pm/mw,在石墨膜厚度增大时,光控特性更为明显,当石墨烯膜的厚度为4.8nm时,波长漂移量最大,共漂移了3.433nm,且波长与功率具有良好的线性关系。
  4、对不同波长的激光光源的光控特性进行研究。实验中分别用波长为1500nm、1550nm和1600nm的激光光源进行光控实验。实验结果表明:对于波长分别为1500nm、1550nm和1600nm的激光光源分别调节其功率,得到的光控灵敏度分别为57.6pm/nm、52.7pm/mw、45.8pm/mw,波长越短,光控特性越好,且波长与功率均具有良好的线性关系。
[博士论文] 王鹏飞
光学工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:光纤光栅是一种光纤无源器件,广泛应用于光学均衡、滤波、传感等领域。电弧放电法是一种经济、简便的长周期光纤光栅制作方式,在用于不同类型的光纤、不同折射率调制要求时,使用的电流参数各不相同,但电弧放电对光纤折射率、残余应力的影响并没有系统定量的研究,此外,电弧放电法制作的长周期光纤光栅折射率调制较低,形成的器件往往尺寸偏大,影响实际应用。针对以上问题,本论文建立了基于三维相位显微技术的光纤残余应力和折射率的检测理论和实验方法,通过此技术,对电弧放电过程对光纤折射率、残余应力的影响做了深入研究。提出一种新的不同种光纤熔接成栅的特殊结构长周期光纤光栅理论,在此基础上制作了第一根样品并对其特性进行了检测。
  本论文的主要内容:
  1.基于三维定量相位显微技术,对光纤横截面和纵向的残余应力、折射率分布随放电电流参数的变化进行了研究,得到了系统定量的结果,发现了纵向残余应力的高斯函数分布以及其饱和效应;该研究成果对未来制作高性能的长周期光纤光栅以及优化基于电弧放电法的长周期光纤光栅制作技术具有指导意义;
  2.提出了利用弱电弧放电来制作长周期光纤光栅的理论,提出一种对弱电弧制作的长周期光纤光栅残余应力的调制进行模拟的方法。并利用模式耦合理论,对此长周期光纤光栅的透射谱进行了模拟;
  3.提出不同种光纤熔接成栅的新型长周期光纤光栅理论。该新型光栅通过将不同类型的两种光纤以一定次序熔接而成从而获得折射率的周期性调制。利用此理论,通过使用标准单模光纤和色散补偿光纤熔接成栅,制作了不同种光纤长周期光纤光栅样品,对并其耦合特性进行了检测;
  4.利用不同种光纤长周期光纤光栅制作温度和应力传感器并对此其的温度和应力传感性能进行了研究,测试了其灵敏度。该研究成果对未来制作高性能低成本结构紧凑的新型长周期光纤光栅具有指导意义。
[硕士论文] 王胜涛
光学工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:X射线显微成像技术能够对样品的内部结构实现高分辨率的无损伤观测,有着高分辨率、高穿透性、丰富的衬度机制以及友好的成像环境等特点。此技术在微电子、生命科学、材料科学等领域有着广泛的应用前景。波带片是X射线显微成像技术中实现聚焦和成像的关键元件。波带片环带的几何参数直接影响了成像的分辨率,而当X射线能量较大时,需要足够的波带片厚度(或称为高度),才能获得高衍射效率,因此要求X射线波带片具有大的高宽比。大高宽比X射线波带片的传统制作工艺复杂,价格昂贵。本文的工作,采用原子层沉积和聚焦离子束切割技术相结合的方法,探索了大高宽比X射线波带片的批量制备方法,主要研究结果如下:
  (1)计算了金波带片高度、X射线能量、衍射效率之间的关系。计算了四种材料组合(HfO2/Al2O3、HfO2/SiO2、Ir/Al2O3、Au/air)的波带片,在不同X射线能量下(5keV、8kev、10keV、15keV、20keV、24keV)的衍射效率,结合材料的成膜特点及工艺匹配来分析,进行波带片叠层材料的选择和结构设计工作。
  (2)探究了原子层沉积技术制备氧化铝和氧化铪薄膜的工艺条件,考察了沉积温度100℃-300℃时,在氧化铝和氧化铪薄膜的生长速率,表征了氧化铪和氧化铝薄膜的原子比和表面粗糙度。
  (3)在硅片和钨丝衬底上表征了实验工艺对20nm和10nm氧化铪和氧化铝等厚叠层的控制能力。利用原子层沉积技术,在电化学抛光法制备的直径为30μm的钨丝上沉积氧化铝和氧化铪薄膜叠层。经聚焦离子束切割,最终完成高度为10μm(高度不受限)、最外环宽度为10nm、高宽比为1000的波带片制作。初步实现了超大高宽比X射线波带片的制备。为后期相关工作者提供了一定研究基础和参考价值。
[硕士论文] 丁小哲
电子与通信工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着人类生活水平的不断提高,人们对通信容量和通信服务质量的相关需求也越来越高,加之,近几年光纤到户和三网融合的发展,都对光纤通信系统的相关器件提出了更高的要求。光纤无源器件以其全光纤的结构,已经成为构建光纤通信网络不可或缺的基本器件之一。
  光纤拉锥技术作为一种重要的光纤处理技术,通过改变光纤的形状、性能等制作不同种类的光器件。随着材料技术、计算机技术和微机械加工技术的发展,为以光纤熔锥技术为基础的光纤无源器件的制作工艺带来新的机遇,目前光纤通信技术的发展,需要科技人员对熔锥型光纤器件制作工艺进行研究和改进,来加快光器件的发展,并迫切需要以现有技术为基础,开发新型熔锥型无源光纤器件,来满足更高速和更大容量传感和通信技术发展的需要。
  本论文以熔锥型光纤无源器件制作技术为基础,通过对熔融拉锥光纤技术的理论研究获得了熔锥光纤传光理论模型,学习和掌握了光纤熔锥器件的制作工艺;掌握了熔融拉锥型光纤分路器和CWDM波分复用器的制作技术,并以此为基础,提出并研制了一种全光纤熔锥光控器件,对其性能进行了实验研究,论文内容主要包括:
  1、综述了光纤拉锥技术的发展现状,综述了熔锥型光纤器件应用的发展现状。
  2、对光纤拉锥后,锥形光纤中光通过时的传输模式进行了理论研究。具体分为光从锥形光纤大端到小端的传输模式,以及从锥形光纤小端到大端的传输模式的研究。
  3、研究了CWDM具体的制作工艺。包括了滤波片的封装,反射端的组装,腰鼓和小玻璃管的封装,透射端的组装以及最后的成品各项指标的测试等。
  4、对涂敷石墨烯的单模光纤进行拉锥的制备方法研究,以及对单模双窗分路器的制作工艺的研究。
  5、研究了涂敷石墨烯的拉锥光纤的光控实验。对于不同涂敷石墨烯层数的拉锥光纤做了具体的实验分析,发现随着宽带光源功率的变化可以引起光谱深度的线性变化。
[硕士论文] 王建霞
物理学 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:纤锌矿核多壳层纳米线因其可集成度高,亚阈值摆幅低等优势在光电子器件领域展示出应用前景。光学声子对载流子的散射是影响器件性能的主要机制之一,在室温下常起主要作用。纳米线异质结构的二维量子限制效应使载流子更易局域在某一层,这使得局域光学声子与电子的相互作用更强。当各层材料组分接近时,除局域声子外,传播光学声子也对电子的散射有贡献。
  含混晶的纤锌矿多壳层纳米线因其结构复杂性以及混晶效应,使其局域模和传播光学声子静电势无解析表达式。因而,本文在计入混晶效应的条件下给出这两类光学声子的转移矩阵数值求解法的一般过程。具体过程为:以介电连续模型和Loudon单轴晶体模型为基础,从麦克斯韦方程组出发获得各层材料中局域模和传播光学声子静电势的含未知系数的解析表达式;然后,依据材料界面处静电势连续以及电位移矢量沿界面法线方向连续的条件,将各层声子静电势的系数关系以转移矩阵的形式给出,并根据声子静电势的边界条件,写出局域模和传播光学声子的色散关系;最后,在求解色散关系所得频率基础上进一步获得声子静电势。
  文中以纤锌矿GaN/InxGa1-xN/InyGa1-yN核壳结构纳米线为例验证转移矩阵法求解局域模和传播光学声子的适用性,并详细讨论其存在的材料组分和频率要求,色散关系和静电势的特点及其混晶调制。结果表明,由于纤锌矿材料中光学声子的各向异性,给定组分的纤锌矿GaN/InxGa1-xN/InyGa1-yN核壳结构纳米线中,最多有六类局域光学声子,分别存在于特定的频率区间内,且各区间中同类声子的色散关系和声子静电势表现为不同特点;当三层材料组分接近即x和y都足够小时,体系存在传播光学声子,其静电势在各层材料中均为振荡的形式。
  基于本工作拓展的转移矩阵法,可以数值求解任意纤锌矿柱对称核壳结构纳米线中局域模和传播光学声子的色散关系和声子静电势,并可基于此进一步探讨两类光学声子与电子的相互作用,为纳米线器件中光学声子相关的光电特性分析及优化提供理论依据。
[硕士论文] 梁赛
信息与通信工程 中北大学 2018(学位年度)
摘要:近年来激光告警探测技术已广泛应用到航空、航天、航海等军事领域,尤其星载激光告警受到各国的特别关注。为了应对来袭激光的威胁,各国投入大量的人力研究激光的探测告警技术,因此对激光探测的研究对当今社会具有重要的现实意义。怎样才能够准确的获取外来入射激光的方位角、俯仰角、波长信息是激光探测的重点内容。本文重点研究二维光栅衍射型激光探测告警技术,并对如何获取来袭激光的特征信息作了深入的研究。
  首先论文对二维激光告警的探测原理进行了详细的介绍,并且在透镜组焦距确定的情况下,通过判断近红外焦平面上所成图像的光斑零级、一级的光谱位置,从理论上推导出了激光的方位角、俯仰角、波长等有效信息的计算。其中的近红外焦平面采用的是FPA-320×256型InGaAs探测器,它被用来作为激光探测设备的光学接收器件,其探测的波长范围为900nm-1700nm。然后采用FPGA驱动控制探测器,输出的衍射光斑数据经过模数转换后通过USB2.0传输在用VC++编写的上位机上进行接收处理。硬件部分主要完成对近红外探测器的驱动电路以及数据传输USB2.0的接口电路进行相应的设计。软件部分对FPGA的驱动控制程序、USB2.0的固件程序以及驱动程序进行编写,并且通过设计的VC++上位机进行数据的接收处理并进行反演。
  最后,通过实验进行了背景光干扰下的激光光栅衍射验证分析,利用激光器从多个不同方位角进行入射,用编写的VC++上位机进行数据的接收处理与反演,依据其中的光斑强度确定出零级、一级,推算出来袭激光的方位角、波长,结果表明对来袭激光的判定是可行的。
[博士论文] 杨宇光
通信与信息系统 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着人们对安全、大容量、高速率、低时延通信网络需求的不断增加,全光交换网及其关键器件的研究越来越受到重视。窄线宽光纤激光器便是全光交换网中的关键器件。相比于目前通信网络中所用的半导体激光器,窄线宽光纤激光器具有线宽窄、良好的波长一致性、噪声小、无耦合问题等优势,将成为未来通信网络中的重要器件。与此同时,探索高精度、高灵敏度、快速响应的新型光纤传感系统越来越受到人们的重视。窄线宽光纤激光器应用于光纤传感系统中,将有助于降低传感系统的信号噪声、提高系统的稳定性。同时探索新型光纤传感系统,对于应对未来传感领域的发展具有重要意义。本文首先介绍了本实验室科研团队的集体研究成果全光交换演示系统。在此基础上,对窄线宽光纤激光器进行了深入的研究,并对光纤布拉格光栅、法布里珀罗干涉仪以及二者结合的光纤光栅窄带滤波器的特性进行了深入的分析,将其应用于光电振荡器传感系统中,主要取得了以下几方面的研究成果:
  1、介绍了实验室科研团队的集体研究成果全光交换演示系统。该系统于2016年5月完成了第一代和第二代全光交换演示系统的搭建工作。相比于目前的ROADM技术,本文中介绍的全光交换演示系统具有光纤数目不受波长数目限制、系统更稳定、插损更小等优势。与此同时,该系统具有无阻塞、大容量、可扩展、低成本、低能耗等优点同时该系统所具有的信令系统可以提供无法利用后门进行网络攻击的具有安全性的通信网络。目前全光交换网络系统在实验室科研团队的其他研究人员的努力下正朝着小型化、实用化的方向研究。
  2、利用光纤光栅耦合模理论分别对光纤光栅所组成的法布里珀罗单腔和双腔结构的光谱特性进行了分析。仿真分析了光纤光栅的折射率调制深度对其光谱特性的影响。在前人工作的基础上,对未来全光交换网和光纤传感器的关键器件激光光源进行了实验探索。在光纤光栅非对称双腔结构光纤激光器中引入自注入锁定技术对激光器的性能进行改进,使非对称双腔结构光纤激光器实现了窄线宽激光输出。实验测得输出激光的消光比大于55dB,20dB线宽为12kHz,对应于3dB线宽为0.6KHz。
  3、研究了法布里珀罗光纤干涉仪中光纤端面的弧度对于干涉仪传输特性和光谱特性的影响。通过高斯光束和射线光学理论建立了相关理论模型。分析了不同弧度、不同渐变折射率多模光纤长度对于干涉仪传输特性和光谱特性的影响。探究了光纤端面弧度的制作方法,实验探究了不同光纤端面弧度的法布里珀罗干涉仪光谱特性。在此基础上,探究了空气腔法布里珀罗光纤干涉仪的光纤对准和固定方法。利用该结构实验制作出消光比大于31dB腔长为713μm的空气腔法布里珀罗光纤干涉仪。研究了该干涉仪的气压特性和液体折射率特性。实验测得气压传感的灵敏度为4.943nm/MPa,液体折射率的最大灵敏度为-163.9dB/RIU。
  4、探究了基于光纤光栅法布里珀罗窄带滤波器的光电振荡器传感系统,进行了带有空气间隙的光纤光栅法布里珀罗窄带滤波器的制作和光电振荡器传感系统的搭建,该结构丰富了光电振荡器传感系统在传感领域的应用。对该系统的稳定性和传感特性进行了实验探究。实验测得液体折射率的灵敏度为413.8MHz/0.001RIU,温度灵敏度为2513MHz/℃。
[硕士论文] 杨月
光学工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:近些年来,微型光学元件的研究进展倍受关注。尺寸小、速度高、制造简单、价格低、具有非线性特性和可调谐性是人们所追求的主要特性。如今,大多数用光刻的方法去制造光学微型器件。未来,采用自组装方法则是生产更小、更便宜设备的最佳选择。基于回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)的光学微腔作为一种微型光学元件,近年来受到各国学者们的争先研究。液晶由于具有双折射和分子重构能力的特性已在光学器件中具有重要的地位。将液晶与WGM模式光学微腔相结合,制备成液晶光学微腔,具有液晶和微腔的双重优点,同时在传感器件的应用上具有高的灵敏度。本论文设计了一种染料掺杂液晶包裹二氧化硅光纤微球的液晶微壳激光器件并研究其发光特性,验证了胆甾相液晶和向列相液晶微壳内的谐振特性,同时实现了液晶微壳的温度可调谐。为液晶微腔激光器件的研究提供新思路,解决了以往固态微腔难以调谐和液态微腔结构不稳定的问题。具体的研究内容包括:
  1、选择最优的方法设计和制备液晶微壳。利用熔接机制备二氧化硅光纤微球,作为液晶微壳的支撑物。通过多次测试对比,选择合适的手性剂和染料浓度,配置了三种不同手性剂浓度的胆甾相液晶混合物和一种向列相液晶混合物。将染料掺杂胆甾相液晶(Dye-doped cholesteric liquid crystal,DDCLC)和染料掺杂向列相液晶(Dye-doped nematic liquid crystal,DDNLC)包裹在光纤微球外部,形成液晶微壳结构。利用采用聚酰亚胺(Polyimide,PI)先包裹二氧化硅光纤微球的方法优化微壳结构,使DDCLC包裹更加完整。
  2、首先使用三维时域有限元差分法(Three-dimensional finite-different time-domain,3D-FDTD)方法建立了DDCLC微壳的仿真模型,模拟了DDCLC微壳内WGM谐振行为。利用532nm脉冲激光器泵浦DDCLC微壳,产生了两种激光模式(WGM和PBG模式激光)。通过测量激光阈值和改变手性剂浓度可以控制两种激光的发射。对WGM激光在不同DDCLC微壳直径下发射波长、FSR值、品质因数Q等参数的变化规律进行探究。分析了PBG模式激光的输出波长随微壳尺寸改变的原理。最后,对DDCLC微壳的温度调谐特性进行研究,得到了较高的温度传感灵敏度。
  3、在DDCLC微壳基础下,同样在532nm脉冲激光激发下,研究了DDNLC微壳中的WGM谐振。首先对模式特性和Q值特性进行研究。其次,给出胆甾相液晶和向列相液晶微壳中的激光特性不同。最后,进行了DDNLC微壳WGM腔的温度调谐实验,并研究DDNLC微壳Q值与温度的变化关系,发现Q值随温度升高而减小。
[硕士论文] 李庆玲
光学工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:高功率可调谐掺Tm3+光纤激光器产生的2μm波段激光具有对水分子和高分子材料强吸收、硅材料高透等优点,在激光医疗、材料加工、空间通讯、光电对抗、增材制造等领域具有重要应用。另外,2μm波段激光器还可作为产生3~5μm波段激光的光学参量振荡器的理想光源。因此,2μm波段可调谐掺Tm3+光纤激光器具有重要研究价值。
  本文主要工作概括如下:
  (1)利用掺Tm3+光纤激光器所满足的稳态速率方程组,并借助Matlab软件对掺Tm3+光纤激光器的输出特性进行数值模拟。激光器输出指标主要包含输出功率、阈值功率、峰值波长、斜率效率等。
  (2)基于多模光纤弯曲损耗理论,理论仿真了在大芯径保偏掺Tm3+光纤纤芯中传输的各个模式弯曲损耗量随光纤弯曲半径的关系。并得出LP11模所对应的临界弯曲半径为66.8mm。
  (3)实验主要研究了采用大芯径保偏掺Tm3+光纤长度分别为3m、2.5m、1.2m情况下激光器的输出特性。在注入泵浦功率54W的情况下,这三种激光器的最大平均输出功率分别为10.7W、9.02W、5.35W。相应地阈值功率分别为20W、16W、8W;斜率效率分别为34%、24%、11%;激光峰值波长分别为1999nm、1996nm、1982nm。
  (4)设计了一种低成本的组合式铌酸锂双折射滤光片。其由厚度1mm、2mm和4mm的三片铌酸锂晶片构成。当该双折射滤光片以布儒斯特角65.17°插入激光器腔内后,激光器自由光谱宽度为60nm,透射峰半宽度为6nm,并当调谐角从35°增大到42°时,最大透过率波长将从1.961μm增大到2.002μm,即光滑的波长调谐范围约41nm。
[硕士论文] 高亦飞
光学工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:全固态超短脉冲激光器有着极其重要的研究和应用价值。自锁模是一种实用的超短脉冲产生技术。自锁模技术最先开始应用于实现飞秒(fs)脉冲。近年来,人们发现使用自锁模技术同样可以产生皮秒脉冲,同时随着皮秒激光加工行业的兴起,人们对自锁模技术的研究开始转向实现皮秒(ps)脉冲激光。相比其他常用激光晶体(如Nd∶YVO4,Nd∶GdVO4等),Nd∶YAG晶体具有很高的热导率、超大的荧光线宽、较高的抗损伤阈值、成本较低等优势,是一种技术成熟的激光晶体。并且Nd∶YAG晶体可以适应高强度激光泵浦,便于实现高功率脉冲激光器。因此Nd∶YAG脉冲激光器具有重要的研究价值。本文在国内外尚无对Nd∶YAG1.3μm自锁模激光器的报道情况下,率先对其展开了研究,为以后实现大功率、体积小、产品化的Nd∶YAG1.3μm皮秒脉冲激光器奠定了基础。全文内容主要如下:
  (1)研究了自锁模理论,对自锁模的动力学过程、自启动予以分析和探究。在此基础上探究了有效非线性强度对自锁模稳定输出的影响。
  (2)自行设计并实验研究基于Nd∶YAG1.3μm自锁模激光器。通过优化设计,在Nd∶YAG晶体非线性折射率较低的情况下实现了自锁模脉冲的稳定输出。同时,改变谐振腔腔型、腔镜参数、腔长、耦合系统等腔参数设计,进行了对比实验,探究了腔参数对自锁模脉冲输出稳定性、锁模阈值、光-光转换效率等的影响。当泵浦功率为15W时,锁模脉冲最大平均功率可达3.65W,光-光转换效率为24.3%,单脉冲能量为2.37nJ。
  (3)实现了基于Nd∶YAG/V∶YAG1.3μm调Q锁模脉冲的稳定输出。当泵浦功率为15W时,输出脉冲的最大平均功率为1.01W,调Q锁模脉冲重复频率为4.6KHz,调Q包络脉宽为24.4ns,锁模脉宽小于195ps。
[硕士论文] 谢燕青
光学工程 苏州科技学院;苏州科技大学 2018(学位年度)
摘要:在实际量子通讯和信息处理过程中,量子系统必然会与周边环境产生相互作用。如:在腔QED系统中,光学腔中受控原子与光场环境形成耦合。这样的环境使得承载量子信息的量子比特在动力学演化中会发生量子退相干或量子耗散,从而阻碍了规模化量子信息处理的实现。本文重点讨论光学腔中的受控原子系统,合理考虑结构化光场环境对量子信息处理的影响,研究基于光学技术的弱测量对量子网络通讯和量子参数测量精度的作用。本文的研究工作主要包括以下三个方面:
  首先,为了在结构化光场环境中实现量子网络通讯,本文提出了基于多路数据复用器的量子信息处理方案。它可以实现从任意输出端获取量子信息。此方案考虑了具有退振幅特征的光场环境,研究了一种广义局部测量对量子网络通讯的保护过程。广义局部测量作为一种更加普适的弱测量形式,本文发现它有利于提高量子信息的传输效率和量子参量估计精度。
  然后,本文提出了两种基于弱测量的量子参数测量方案,即平行参数化方案和连续参数化方案。通过对两种测量方案的定量比较,本文得到:在基于弱测量的连续参数化方案中,量子Fisher信息量的理论精度不但可以达到海森堡极限,而且方案可行性也非常高。以具有退振幅特征的光场环境为例,本文给出了这两种基于弱测量参数化方案的优化条件。
  最后,本文讨论了弱测量对加速腔QED系统的影响。在非惯性系下,加速腔QED系统的量子动力学演化可以利用Unruh信道描述,表现出Unruh效应。当一个静止的腔QED系统与这样的加速系统存在量子关联时,本文对静止的腔QED系统合理施加弱测量。弱测量将会抑制由Unruh效应引起的量子测量精度和量子关联的衰减,在一定程度上保护了量子信息。
[硕士论文] 李剑伟
光学 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:掺Tm3+锁模光纤激光器产生的激光位于2μm波段,2μm激光不仅处于透过率良好的“大气窗口”而且位于“人眼安全”波段。因此,它被广泛应用在激光通信、大气检测、激光医疗、激光雷达等众多领域,具有其他波段光纤激光器不可替代的重要作用。此外,2μm波段掺Tm3+锁模光纤激光器逐渐成为人们热衷的新型激光光源,产生中红外波段的宽带超连续谱激光。本文中分别从理论和实验两个方面对2μm波段掺Tm3+锁模光纤激光器进行相关的研究,主要的研究内容总结几点如下:
  1.简述了近年来主被动锁模掺Tm3+光纤激光器国内外的发展状况以及掺Tm3+锁模激光器的重要应用领域。提出目前掺Tm3+锁模激光器面临的问题和基于多模掺Tm3+光纤非线性锁模的最新研究热点。
  2.理论分析掺Tm3+光纤激光器的能级结构和光谱特性,分析比较不同泵浦方式下的机理和面临的问题。利用3H6→3H4泵浦方式下稳态的速率方程,采用离散的数值化算法推导出其时变的速率方程,求解时变的速率方程可以实现对激光振荡的动态特性进行分析。
  3.基于掺Tm3+光纤激光器时变速率方程,SESAM可饱和吸收体的非线性损耗方程以及耦合输出的方程等建立基于SESAM被动锁模掺Tm3+光纤激光器的数值仿真模型,分析泵浦功率、光纤长度以及在一定饱和功率下调至深度对光纤内脉冲的影响。此外,分析了锁模激光起振和循环过程中可饱和吸收体的动力学特性。
  4.新型的端面处理技术,得到高质量的光纤端面,实验对比端面处理前后的激光耦合效率;搭建多模掺Tm3+光纤激光系统,分析光纤弯曲对光纤内模式的影响并进行相关脉冲激光的研究。基于SESAM单模掺Tm3+光纤锁模激光种子系统的方案设计并分析光纤熔接器件的输出耦合特性。
[博士论文] 张甦
光学工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:二极管泵浦的2μm正交偏振与锁模固体激光器输出波长对人眼安全且处于大气透明窗口,在相干多普勒测风雷达、差分吸收雷达、医学成像与诊疗、超精细材料加工、精密光谱学以及非线性频率变换等领域具有重要的应用前景。本文采用Tm,Ho∶LLF晶体作为激光增益介质,从理论和实验两方面开展了对正交偏振以及自锁模Tm,Ho∶LLF激光器的研究工作,并对理论仿真结果以及实验结果进行了详细的分析与讨论。最终通过使用a轴切割和c轴切割两种切割方式的Tm,Ho∶LLF激光晶体分别实现了正交偏振激光输出,采用a轴切割的Tm,Ho∶LLF激光晶体实现了自锁模脉冲激光输出。
  首先,基于对Tm,Ho∶LLF晶体的吸收谱与发射谱的分析,分别计算了不同粒子数反转比率下Tm,Ho∶LLF晶体π(E//c)偏振与σ(E⊥c)偏振的增益谱。通过分析Tm,Ho∶LLF晶体的能级结构以及粒子跃迁过程,建立了Tm,Ho∶LLF正交偏振准三能级速率方程,并数值模拟了a轴切割正交偏振Tm,Ho∶LLF激光器的输出功率以及净增益系数等参数随泵浦功率的变化关系。通过对两正交偏振态净增益系数的分析,揭示了具有偏振共存与切换的光学双稳Tm,Ho∶LLF激光器的形成机理。讨论了腔内非衍射损耗以及输出镜透过率等参数变化对正交偏振Tm,Ho∶LLF激光器输出特性的影响。同时理论仿真了正交偏振、单一π偏振和单一σ偏振单纵模Tm,Ho∶LLF激光器的输出特性。
  其次,采用a轴切割和c轴切割两种切割方式的Tm,Ho∶LLF激光晶体,分别实现了单一偏振以及正交偏振激光输出。在单一偏振运转模式下,分别研究了Tm,Ho∶LLF激光器的多模、单纵模以及被动调Q输出特性,并对实验结果进行了分析与讨论。随后对a轴切割正交偏振Tm,Ho∶LLF激光器进行了详细的实验研究,在输出正交偏振激光的同时,还伴有光学双稳以及偏振切换现象。利用在激光谐振腔内加入F-P标准具选取单纵模的方法,分别实现了正交偏振、单一π偏振和单一σ偏振单纵模激光输出。与此同时,采用c轴切割的Tm,Ho∶LLF激光晶体,同样实现了多模和单纵模的正交偏振激光输出,并对其输出特性进行了详细的实验研究与分析讨论。
  然后,采用两块c轴互相垂直的a轴切割Tm,Ho∶LLF激光晶体进行串接,实现了多模以及单纵模正交偏振激光输出,通过选取三种不同的输出镜透过率,分别对双晶体正交偏振Tm,Ho∶LLF激光器的输出特性进行了详细的实验研究。采用双晶体实现正交偏振激光输出的方法,激光器输出的激光没有出现光学双稳以及偏振切换现象,同时输出功率也较为稳定,没有出现竞争现象以及偏振旋转现象。
  最后,采用一块a轴切割的Tm,Ho∶LLF晶体作为增益介质,无需在激光谐振腔内加入任何调制器件,实现了Tm,Ho∶LLF自锁模脉冲激光输出,并对Tm,Ho∶LLF自锁模激光器输出功率,光谱特性以脉冲宽度等输出特性进行了详细的实验研究与分析。
[硕士论文] 周纤
核科学与技术 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:高品质高亮度的γ光源在各类科学研究及生产生活中有着越来越重要的作用,而基于康普顿背散射的γ光源因其具有高亮度、准单色、高准直性和高能量等一系列特点,成为了高能γ光源的研究及应用方向之一。
  在康普顿背散射γ光源中,要产生高强度光子需要适当的碰撞角度和散射角度、横向尺寸小的高能电子束和激光束。为了获得高功率入射激光,可以将激光馈入激光储能腔中来回反射并进行相干增强,从而对激光进行储能与增强。为了获得更高强度的康普顿γ光源,需要对激光储能腔进行深入的研究与设计。
  在设计激光储能腔时,需要考虑其稳定性以及其与激光的匹配性。我们将运用矩阵光学的方法并通过MatLab进行分析计算,确定激光储能腔的稳定条件。本文给出了适合脉冲重复频率为81.25MHz的锁模激光的激光储能腔的设计方案,并分析了其可行性与可靠性。
  要维持激光储能腔中激光的稳定增益,需要保证激光在储能腔内持续共振,因此构建激光-激光储能腔系统的稳频系统亦尤为重要。鉴于系统对稳频方法的稳定性及有效性要求,我们选用的稳频方法是PDH(Pound-Drever-Hall)技术。
  基于激光与微波的相似特点,我们在微波谐振环上搭建了PDH稳频系统,来验证PDH技术的普适性及可行性。系统通过对入射信号进行调制,再对谐振环的反射信号进行处理得到误差信号,并用LabView程序进行反馈稳频。经过低馈入功率及高馈入功率条件下的实验验证,证明了PDH技术对微波谐振环的适用性,该方法提高了微波谐振环锻炼平台的功率增益,提高了其工作效率。
  在研究激光储能腔的同时,基于合肥光源恒流运行的需要,本文在前序研究的基础上,对合肥光源的辐射防护监测系统进行了完善并进行了剂量分析。
[硕士论文] 马玲丽
材料物理与化学 广西大学 2018(学位年度)
摘要:Sb基Ⅱ类超晶格具有良好的生长质量、灵活精确可调的带隙、优异的光学性能,在红外探测领域有着广阔的发展前景。其中不含Ga的InAs/InAsSbⅡ类超晶格同InAs/Ga(In)Sb相比,有更长的少数载流子寿命,近年来在实验上备受瞩目,即将成为红外探测器首选材料的趋势。
  在对Ⅱ类超晶格进行理论描述时,传统的k·p微扰理论和包络函数近似因为低动量假设的非普适性和界面处包络函数的非确定性而容易引发争议。全原子经验赝势方法可以有效避免上述误差,已成为解决大系统电子结构的有力工具。
  本文采用全原子经验赝势方法,探究了不同生长模式对InAsSb合金体系带边能级的影响;以实验上提出的一个性能优异的Ⅱ类超晶格结构173(A)InAs/72(A)InAs0.72Sb0.28为基础,从载流子空间局域和带边跃迁矩阵元的角度分析了该结构与相关体材料以及Ⅰ类超晶格相比的优越性;探究了合金层的组分和厚度对超晶格带边能级的影响,并证实了量子限制效应的重要性;并把带边跃迁矩阵元作为衡量载流子寿命的品质因子,针对固定波段的超晶格系统进行优化,得到了性能更优的体系163(A)InAs/82(A)InAs0.72Sb0.28。
[硕士论文] 赵翔宇
光纤通信 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:目前,被动锁模光纤激光器已经被广泛使用在工业、医疗、生物和非线性光学等应用领域。可饱和吸收体作为被动锁模激光器中非常重要的器件之一,利用其能够吸收低功率信号、透射高功率信号的特性获得幅度调制特性,以实现锁模。其中,基于光纤的可饱和吸收体包括非线性光纤环路镜、非线性放大环路镜等。目前,双芯光纤由于其特殊的纤芯结构,已被验证能够作为可饱和吸收体。然而,对于双芯光纤可饱和吸收特性的研究大多基于准连续耦合方程,虽然可以满足脉冲宽度较大的情况,但对于飞秒级的超短光脉冲传输并不适用。基于上述研究背景,本文在考虑超短脉冲的情况下,针对基于高非线性双芯光纤实现可饱和吸收特性进行了深入研究。
  首先,本文对双芯光纤进行仿真分析,初步分析耦合系数与纤芯标准化间距、非线性系数与波长的关系。接下来数值求解准连续波耦合方程,从结果可知,在确定入射波长时,为了获得较低的可饱和吸收体饱和功率,可以适当增加标准化间距以减弱相邻纤芯间线性耦合,或者通过适当增加入射光功率来增强非线性作用。基于此结论,为下一步研究超短脉冲在双芯光纤中的特性提供了参数选择依据。
  其次,本文基于超短脉冲传输耦合方程研究了光脉冲通过双芯光纤实现可饱和吸收动态特性。与准连续耦合方程不同之处在于,超短脉冲传输耦合方程除了自相位调制和线性耦合,还考虑的影响因素包括光纤的受激拉曼散射(SRS)、自陡和色散作用,同时,论文还分析了光纤结构和入射脉冲参数对双芯光纤输出脉冲的时域波形、频谱和透射率的影响。本文分别求解只忽略SRS、色散或自陡效应项后的耦合方程,以研究以上因素分别对输出特性的影响。通过与求解完整超短脉冲传输耦合方程结果相对比,在本文选用的纤芯材料和光纤结构下,脉冲宽度小于1ps时,SRS会使饱和功率降低;色散作用会导致脉冲时域展宽以降低脉冲的峰值功率,从而减弱非线性所致饱和作用;自陡效应对此时的透射率的影响可以忽略。
  最后,本文将双芯光纤可饱和吸收体应用于全正常色散被动锁模光纤激光器中,并且进行数值计算分析。结果表明,基于高非线性双芯光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器可以实现自相似抛物脉冲波形的输出。
[博士论文] 王越
光学工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:光电探测器是捕获光信号并转换为相应电信号的一类探测器件。与无机探测器相比,有机探测器有诸多优点,例如:低成本、柔性以及可以大面积的制造等,因此被认为是可以替代无机探测器的一类新型器件。而在报道各种类型的有机探测器中,光电导型探测器由于其光响应高(外量子效率可超过100%)、结构简单等优点,受到了研究人员越来越多的关注。随着近年来各种新型器件的开发,器件效率不断被提升,但同时,这些器件往往存在着暗电流密度较高、线性动态范围较低、制备工艺复杂、材料存在毒性等问题,从而其未来走向应用化的前景受到了限制。因此,如何实现全优参数的有机聚合物光电导探测器,是目前该领域亟待要解决的问题。
  器件暗电流密度高低是影响光电探测器性能的关键。目前,大多数的有机聚合物光电导型探测器通常是基于电子给受体混合的异质结光功能层结构。然而,尽管这种异质结光功能层结构可以显著的提升光生激子的分离效率,但同时也会带来较大的暗电流,从而降低器件的性能。因此,首先,我们通过一步溶液旋涂法并附加低温退火的方式,引入水溶性的聚乙烯亚胺(PEIE)修饰层来修饰ITO电极,将其应用于以P3HT∶PC61BM为光功能层的聚合物光电导型探测器中,在-1V的工作电压下,最高的量子效率达到了3250%,比探测率为1.04×1012Jones,响应速度分别为上升时间78μs,下降时间87μs。器件的光辅助C-V特性、瞬态光电流特性等表征揭示了PEIE在实现聚合物光电导探测器高性能中的作用。同时,我们也注意到在线性动态范围这一参数上,PEIE器件最高仅能达到55dB,相比商用的无机光电探测器的线性动态范围通常可达到100dB以上,还有较大差距。且当改变入射光功率,器件的光响应会急剧衰减,这对于器件应用都是不利的因素。
  为了进一步优化器件性能:尤其是改善线性动态范围这一参数,在之前工作的基础上,我们通过引入锐钛矿相TiO2纳米晶,其可以分散于PEIE的溶剂水中,并作为电荷的“俘获中心”来提高器件性能。首先,我们合成了一种无表面配体的锐钛矿相TiO2纳米晶材料,将其制备成作为器件内部电荷“俘获中心”的修饰层,实现了基于P3HT∶PC61BM的较高性能的聚合物光电导型探测器件。器件在-1V的工作电压下:实现了113%的EQE响应,1.9×1012Jones的比探测率,上升时间34μs和下降时间26μs的响应速度等。接下来,在PEIE中引入优化后的TiO2纳米晶制备混合修饰层,从而提高PEIE器件的性能,在响应速度上,上升时间由78μs降低为42μs,下降时间由87μs降低为32μs,而线性动态范围上从55dB大幅提升为103dB,较PEIE器件提升了将近两倍,但同时,由于TiO2纳米晶的引入,PEIE器件的光响应(EQE)性能上却有所下降。
  为了能够在PEIE器件上同时得到较高性能的响应速度,光响应(EQE),线性动态范围等。我们通过调控ITO/PEIE/PC61BM∶P3HT/Al器件中的PC61BM受体在光功能层中的重量配比,发现调控给受体界面可以全面提高器件性能,尤其在达到高线性动态范围的同时,维持较高的光响应性能。所优化后的器件性能,最高EQE由1024%提高为12000%,同时线性动态范围由55dB提升为79dB,比探测率也从9.17×1011Jones最高达到2.59×1012Jones,响应速度上,上升时间为24μs,下降时间为78μs。通过光功能层的TEM图谱、器件的光辅助C-V特性曲线以及瞬态光电流等测试结果,分析了PC61BM受体含量,对给受体界面的影响以及改善器件性能的原因。
[硕士论文] 符传栋
光学工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:保偏光纤(PMF)是一种高双折射率光纤,根据其性质可以制成可调谐波片。可实现系统相位差的精确匹配,克服了当前各种波片只能提供固定的相位补偿难以精准匹配的缺点,且便于与光纤传输系统的尾纤直接连接。然而,PMF的主轴并不可见,且极易受附加应力的干扰。准确地找到保偏光纤主轴方向,并在主轴方向上施加应力,改变快慢轴的相位差实现对光的两个正交分量相位差的调谐,用于各光学系统的相位补偿就非常重要。本文提出了一种基于挤压保偏光纤的可调谐光纤波片,并设计出一种通光状态下定向挤压PMF的工艺装置,解决附加应力干扰、偏离正挤压等难点,为提高可调谐光纤波片的制作质量提供了的工艺保障;还设计出PMF自聚焦透镜性能测试的系统。
  本论文的研究内容如下:
  (1)设计了保偏光纤自聚焦透镜测试系统,对自聚焦透镜输出光斑的准直性能和模斑形状进行测试,并对光功率计进行改造,挑选出性能优良的自聚焦透镜用于可调谐波片系统中偏振光源的制作。
  (2)对基于PMF模式耦合理论进行了分析,利用MATLAB软件对于耦合强度与PMF受横向应力的大小、方向关系进行了仿真研究。研究表明,出当横向应力的方向与PMF主轴方向一致时,耦合强度最小且在此方向上挤压PMF只改变其相位差不改变光的偏振态的结论。理论分析用斯托克斯参量法测量光偏振消光比,并用MATLAB对挤压前后光传输偏振消光比进行计算,保证了实验的精度。
  (3)对可调谐光纤波片的驱动单元进行了设计,使输出电压在0-150V变化来控制压电陶瓷。对电路原理图进行设计,选择元器件,用Altium Designer软件绘制PCB板并制板。对供电电源进行设计,将家用交流电输出稳定12V直流电作为系统电源,对变压器进行设计,将电源电路与驱动电路集成于同一PCB板中。
  (4)完成了定向挤压装置的设计与制作,包括挤压器旋转平台、光纤连接适配器、光纤拉直固定器等,并解决了附加应力的干扰、偏离正挤压等问题。完成了PMF定向挤压实验,使用偏振分析仪观察实验中输入光偏振度的变化,准确找到PMF主轴方向。记录实验中斯托克斯参量,利用MATLAB计算实验挤压前后光偏振消光比,确保实验精度。设计铝盒结构分别将挤压单元和驱动单元装箱,使用驱动单元控制挤压单元对保偏光纤进行挤压,成功制作出可调谐光纤波片。
[硕士论文] 熊煜
电子与通信工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:光信号处理技术能够在光域直接处理信号,可有效克服“电子瓶颈”,具有超高处理速度及超大工作带宽等诸多优点,是实现全光网络的关键技术之一。光时域微分器可以直接在光域对光信号进行微分处理,与电学微分器相比,具有运算速率高、抗电磁干扰、低功耗、体积小等优点,有着十分重要的研究意义。
  本文在对基于高双折射光纤Sagnac环的透射谱特性进行深入的理论、仿真及实验研究的基础上,提出一种基于高双折射光纤Sagnac环的二阶光时域微分器,结合理论分析和数值仿真研究该微分器的性能。在此基础上,进一步提出了基于高双折射光纤Sagnac环的偶数阶光时域微分器以及应用于波分复用系统的光时域微分器,并分别对两种微分器的性能进行研究。主要工作如下:
  (1)根据Jones矩阵理论对基于高双折射光纤Sagnac环的透射光谱特性进行了理论与仿真研究,重点分析了高双折射光纤的长度和折射率差、偏振控制器状态、耦合器分光比等对透射光谱特性的影响。实验制作了一个基于高双折射光纤的Sagnac环,并研究其透射谱特性,结果表明,实验数据与理论仿真结果相吻合。
  (2)提出一种基于高双折射光纤Sagnac环的二阶光时域微分器,并对微分器的性能进行研究。结果表明,调节高双折射光纤的长度或折射率差,能够实现微分器中心频率的调谐。当输入衰减因子为0.5ps的高斯脉冲时,通过调整高双折射光纤参数,微分器的3dB带宽最大可达30THz,差错因子最小仅为0.0077。研究表明,该微分器可以对高斯脉冲进行大带宽、高精度的二阶微分处理。
  (3)研究了基于高双折射光纤Sagnac环的偶数阶光时域微分器和波分复用系统光时域微分器。从理论分析、数值仿真两方面验证了两种微分器的微分功能,并从差错因子、能量效率、3dB带宽三个方面对其性能进行了分析,结果表明这两种光时域微分器具有很高的精确度和较大的工作带宽。
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