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关键词： 集成光学器件   光纤陀螺   光引擎芯片   混合集成  

摘要： 传统分离式系统架构的干涉式光纤陀螺（IFOG），在综合性能提升上遭遇瓶颈，严重限制了导航系统整体效能的进一步升级，而研发集成了光引擎芯片的IFOG技术，能够有效应对上述难题，展现出巨大的应用潜力。本文回顾了IFOG系统中的集成光引擎芯片技术，概述了基于Sagnac效应的IFOG基本工作机理，并探讨了利用硅、磷化铟、二氧化硅、氮化硅等多种材料平台开发的多功能集成光引擎芯片。随后，详细分析了当前多材料体系混合集成光引擎芯片的技术现状，揭示了其在提高系统集成度与功能多样性方面的最新进展。最后，针对当前研究与应用中遇到的主要挑战进行了剖析，并展望了集成光引擎芯片技术在IFOG领域的未来发展路径。

关键词： 零线   火线   反接检测系统  

摘要： 介绍了一种零火线反接检测系统及方法，旨在解决电路中零火线反接导致的安全隐患问题。首先分析了零火线反接的原理和危害，然后提出了一种基于电路监测和报警机制的解决方案。该系统通过监测电路中的电压和电流，实时检测零火线的接线状态，并通过报警机制及时发出警报。实验结果表明，该系统能准确检测零火线反接情况，有效保障电路的安全运行。

关键词： 光纤表面等离子体共振   生物检测   多通道   实时检测系统  

摘要： 随着生物检测高通量需求的日益提升,传感通道有限和检测效率较低的传统单通道检测系统难以满足高效率的生物检测需求。多通道光纤SPR传感检测系统由于其高效、实时和多分析物同时测定的优势,对生物大分子的实时动态检测具有重要的研究意义。本文利用多路光谱分析和时分复用技术分别设计了多通道光纤SPR实时检测系统,并开展了对刀豆球蛋白(Con A)和流感病毒H1N1生物传感特性研究,实现了对多个检测通道光纤信号的实时动态分析。主要研究内容如下: (1)设计基于多路光谱分析的多通道光纤信号采集系统,实现了对多个检测通道光信号的同时、独立且高效采集。通过对原始光谱采集模块、光谱归一化模块和样条插值寻峰等模块的设计,实现了对光谱数据的高效处理与分析。为实现对光纤SPR光谱的滤波处理,采用巴特沃斯低通滤波器以抑制高频噪声信号的干扰。最后,通过折射率传感特性测试,验证了多通道光纤SPR实时检测系统传感通道的重复性和稳定性。 (2)设计了基于时分复用技术的多通道光纤信号采集系统。利用VISA配置串口模块对光开关进行控制,以实现该系统信号采集的时分复用。通过光开关的快速切换传感通道实现了低成本和高效率的多通道检测。最后,通过折射率性能测试对多通道光纤SPR光谱、共振波长和共振强度数据进行采集,验证了该系统具备多通道数据的实时获取、解析、可视化与存储的功能。 (3)分别对基于多路光谱分析的多通道光纤信号采集系统和基于时分复用技术的多通道光纤信号采集系统进行生物传感特性测试。针对生物检测领域中实时原位检测的需求,研制了反射式光纤SPR生物传感探针,灵敏度达到2373.4 nm/RIU。并对光纤传感探针进行可再生性能测试和特异性检测。基于光纤SPR传感探针完成了不同浓度的Con A和流感病毒H1N1实时原位多通道检测。结果表明,本文设计的多通道光纤SPR实时检测系统能够满足生物检测领域中对实时、原位多通道检测的需求,在生物医学诊断、药物研发和基础科学研究等实际应用场景中具有应用价值。

关键词： 光的自旋霍尔效应   柱矢量涡旋光束   IF位移   拓扑荷   弱测量  

摘要： 光的自旋霍尔效应(spin-Hall effect of light,SHE)是指有限宽度的偏振光束在两种介质分离的界面上发生反射和折射时,由于光束传播过程中自旋-轨道相互作用的影响,光束的左旋和右旋圆偏振分量在垂直于折射率梯度的方向上发生相反的自旋分裂的现象。这种效应类似于电子的自旋霍尔效应,自旋光子类比自旋电子,折射率梯度类比外加电场。一般状况下SHE是一种非常微弱的效应,其自旋分裂的值几乎在亚波长量级,普通的实验室仪器很难直接探测到。因此弱测量技术的产生为解决此难题提供了有效的途径,也为开发新一代光子自旋霍尔器件奠定了基础。由于自旋-轨道相互作用是SHE所具有的物理性质,其在光学、凝聚态物理学及精密测量等领域均有着广泛的研究和潜在应用。SHE最重要的特征之一是它对入射光束偏振的敏感性,以往关于光的SHE的研究大多集中在入射为均匀偏振上,特别是水平和垂直线偏振方面。然而存在着具有复杂的非均匀偏振的结构光,这种结构光中具有基本和实际意义的重要例子是圆柱形矢量涡旋光束(cylindrical vector vortex beams,CVVBs)。CVVBs具有轴对称的偏振分布和相位奇点及拓扑荷为l的螺旋相位因子(l为整数)。CVVBs的空间相位和偏振自由度为在高维希尔伯特空间中处理信息提供了可能性,从而实现了更高的信息容量。由于这些独特的特性,CVVBs的研究在过去几年中引起了巨大的兴趣。 本文分别以径向偏振涡旋光束和角向偏振涡旋光束的SHE为研究点,开展了以下研究工作: (1)以水平和垂直线偏振光束的SHE为基础,将径向、角向偏振光束看作水平和垂直线偏振光束的相干叠加,得出径向和角向偏振涡旋光束经过空气-玻璃界面反射和折射后产生自旋相关的位移。我们发现SHE的位移线性地依赖于入射光束的拓扑电荷。当拓扑荷非零时,SHE位移是不对称的,由此证明反射光和折射光均经历了整体的横向Imbert-Fedorov(IF)位移。入射光的角度一定时,发现SHE位移和IF位移随着拓扑荷数的增加而线性增加或减小,拓扑荷的正、负与入射角的依赖关系表现出不同的特征。在反射和折射情况下,入射角分别大约为43.8和66.5时,两种情况的IF位移达到最大值或最小值。通过斯托克斯参量进行表征,发现明显的自旋分裂现象。入射角的变化对径向偏振涡旋光和角向偏振涡旋光的反射光和折射光的光强和偏振呈现出不同的分布。该结论为研究其他复杂矢量涡旋光束的SHE提供了理论基础。 (2)预测的SHE位移和IF位移是波长的一部分。通过得出的反射光和折射光的SHE位移和IF位移可以分为依赖于拓扑荷的相关项和不依赖于拓扑荷的无关项两部分。基于弱测量,提出了两种不同的前选择和后选择方案来放大位移的拓扑荷相关项和无关项,允许实验研究中能够观测这些微小的变化。在基于SHE的精密测量中利用非均匀偏振光束可以提供更多的自由度来估计要测量的物理量。

关键词： 稀土掺杂半导体材料   CsPbClxBr_((3-x)):Yb3+量子点   增益光纤   光放大特性  

摘要： 随着全光网和光纤网络的不断发展,光纤技术的研究越发重要。增益介质掺杂的有源光纤在光信号放大领域具有广阔的应用前景,受到研究者的广泛关注。其中,镱(Yb3+)离子掺杂增益光纤可以制作光纤放大器和光纤激光器,应用于长距离通信传输、光学传感器、环境监测、医疗诊断中。但Yb3+掺杂增益光纤仍然还存在实现粒子数反转困难、吸收截面低、增益提升受限等问题。针对这个问题,本研究提出了将稀土掺杂半导体量子点作为光纤的增益介质。当CsPbClxBr（3-x）:Yb3+量子点（Quantum dots,QD）增益介质嵌入到光纤中时,可以有效放大980 nm处的光信号,另外CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs还兼具了钙钛矿的大吸收截面和稀土离子的长能级寿命的优点,并且Yb3+掺杂CsPbClxBr（3-x）量子点在近红外范围内具有量子剪裁和高量子效率的优点。对此开展了相关的研究,并得到了一定的研究结果。 （1）研究了CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs的合成方法,对其光学和形貌特性进行表征。研制出基于CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs掺杂的增益光纤,测试了CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs掺杂增益光纤的传输特性,其中包括分析了溶剂、Cl/Br比、光纤长度以及掺杂溶液的吸光度值（Optical density,OD）对增益光纤输出的影响。通过实验发现四氯乙烯的折射率与二氧化硅毛细管更为匹配,使其作为溶剂时掺杂光纤的输出最强。在泵浦光为20.11 m W、光纤长度为11 cm、溶液吸光度的值为10时,CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs掺杂增益光纤的输出强度是最强的。通过改变进入到光纤中的泵浦光的强度,发现增益光纤具有一个较低的增益阈值,为15μW,并通过理论分析印证了实验结果。 （2）探讨了CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs作为光纤增益介质的潜力,对其光放大特性进行了研究。将CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs掺杂增益光纤与信号光源、泵浦光源、波分复用器和光谱仪相连,测试了光放大能力。其光放大能力在20.11 m W的405 nm泵浦光激发下,信号光在-37 d Bm时可以使增益光纤实现约为29.4 d B的增益值,并且噪声稳定在3～5 d B。另外,还开展了Pb Se QD掺杂增益光纤的制备和研究,与CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs掺杂增益光纤进行了对比,包括最优光纤长度、发光峰位位置以及光放大的能力。证明CsPbClxBr（3-x）:Yb3+QDs掺杂增益光纤在各方面都具有明显的优势。

关键词： 光纤激光器   热分析   热管理   风冷  

摘要： 光纤激光器以其高光束质量、高转换效率和高稳定性等优点备受关注,并在工业加工、科学研究、医疗诊疗和光电对抗等领域得到广泛应用。为满足多样化的激光应用需求,高亮度、便携式、高度集成化的小型光纤激光器成为新的研究热点。然而,随着功率密度的增加和散热空间的减少,光纤激光器的热积累问题日益突出,严重影响了其输出性能和使用寿命。在无法采用水冷散热的便携式应用中,风冷散热成为一种重要的散热手段。基于此,本文围绕风冷光纤激光器的热分析和热管理展开了仿真分析和实验验证,主要研究内容如下: (1)针对光纤激光器的性能优化问题,建立了高功率掺镱双包层光纤激光器的输出特性和温度特性仿真模型并进行仿真分析。首先,从速率方程出发建立了双包层掺镱光纤激光仿真模型,研究了泵浦吸收系数、光纤长度和光纤光栅反射率对激光器输出性能的影响。通过仿真发现,选择合适的参数可以提升输出功率。随后,在求解光纤中功率分布的基础上建立了增益光纤温度理论模型,仿真分析了泵浦吸收系数、芯包比和对流换热系数等参量对光纤温度分布的影响。仿真结果表明,对流换热系数是影响光纤温度的关键因素。 (2)针对风冷光纤激光器中增益光纤和光学模块的传热问题,分别建立了相应的理论模型并进行实验验证。首先,建立了增益光纤在封装状态下的热分析理论模型,并将仿真结果与实验数据相互对比,验证了模型的有效性。此外,通过简化处理建立了风冷光纤激光器光学模块的有限元仿真模型。对实验室现有的300 W风冷光纤激光器进行了温度测量,实验数据与仿真结果整体趋势一致,证明了有限元模型的合理性和有效性。最后,长时间运行的稳态分析结果显示,光学模块的温度分布符合要求,能够支持长期稳定运行。 (3)针对千瓦级光纤激光器的热管理问题,设计了一种适用于便携式1000W级别风冷光纤激光器的解决方案。首先,优化系统参数,通过调整泵浦波长、泵浦方式、泵浦吸收系数和光纤长度等系统参量将激光器的转换效率提升至83.16%,有效减少废热的产生。其次,分散管理废热,采用光纤分散盘绕的方式实现对废热的分散处理。最后,减少系统总体热阻,基于有限元仿真模型发现翅片热沉可以有效降低系统工作温度,并在此基础上引入热管辅助散热,进一步降低系统整体热阻。