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关键词： 四波混频   关联光子对   纯态   三光子纠缠   频率多模高维纠缠  

摘要： 量子信息技术基于量子力学机理实现信息的获取、传输和处理,具备极高安全性和算力,给未来信息通信、数字经济和国防安全等领域带来革命性变革。光量子信息技术以光子作为信息载体,光子以光速传输,抗干扰能力强,易于操控,系统具有优异的扩展性和稳定性。高品质量子光源是光量子信息技术的核心资源。光纤是一种高效的非线性光学介质,近年来,光纤自发四波混频效应被证实是制备高品质量子光源的一种有效途径。优化光纤结构可获得较高非线性系数,实现高的纠缠光子产率;所产生的光量子态以光纤导模传输,易于与光纤网络兼容;光纤体积小,便于小型化集成。此外,光纤色散包括材料色散、波导色散、偏振模色散和非线性色散,多种色散效应为四波混频联合频谱调控提供有力支撑。基于联合频谱调控技术,光纤量子光源将展现出波长大范围可调、纯态、三光子纠缠和频率多模高维纠缠等卓越特性,这些特性将显著增强光量子信息技术的功能性与实用性。本文基于光纤量子光源频谱调控开展研究,具体工作如下: (1)波长可调使得量子光源能满足各种不同应用场景的需求。研究增强光纤非线性系数,通过调控光纤色散,形成满足四波混频相位匹配条件的不同方式,实现波长大范围可调的关联光子对。仿真分析了光纤非线性系数随纤芯直径以及纤芯-包层折射率差的变化关系,提高非线性系数能够显著增强四波混频强度,核心是缩小芯径、增加纤芯-包层折射率差,从而减小光模场有效面积,提高传输光场能量密度。仿真分析了微纳光纤、光子晶体光纤和保偏光纤的相位匹配频率失谐曲线,通过改变光纤直径、包层折射率以及引入偏振模间色散补偿等方式,能够调控光纤内四波混频相位匹配,从而实现波长大范围可调的关联光子对。 (2)纯态能大幅提高光子干涉的干涉可见度,从而实现高保真度的量子比特操作。研究微纳光纤非线性量子干涉仪,实现波长大范围可调纯态单光子。光纤自发四波混频产生纯态单光子需满足群速度匹配条件,关键是相位匹配轮廓方向斜率为正。仿真了单根微纳光纤相位匹配函数二维图像,其轮廓闭合,会在部分波长产生纯态单光子。利用光纤非线性量子干涉仪引入额外色散调制,将使相位匹配轮廓方向发生旋转,斜率由负变正,从而满足群速度匹配。理论上,利用微纳光纤和常规单模光纤组合非线性量子干涉仪,可在微纳光纤任意相位匹配波长组合处实现无关联联合频谱,产生纯态单光子,显著拓展了纯态单光子的波长范围,单光子纯度可达0.97。 (3)三光子或多光子纠缠态称为多组分纠缠,将携带更多的信息比特,同时并行进行多个纠缠态量子位操作。研究微纳光纤中三阶参量下转换过程,实现高信噪比、频率分离以及波长可调三光子纠缠态。基于微纳光纤强非线性效应和多模传输特性,可实现三阶参量下转换过程模间相位匹配,直接产生三光子纠缠态。将相位匹配方程展开至二阶色散,发现三光子态的联合频谱轮廓为椭圆,且离心率固定为6 3,利用该特性,设计出三光子频率分离方案,将三光子高效地分离至不同通道。另外,分析了椭圆大小随泵浦波长偏移以及微纳光纤直径偏差的变化关系,通过选择合适泵浦波长可补偿微纳光纤拉制直径误差,降低收集到的噪声光子数量,减小三光子态产生难度。利用长周期微纳光纤光栅的色散振荡特性,引入新的色散调控自由度,单一相位匹配条件弱化为准相位匹配,通过选择不同的准相位匹配阶数,可改变三光子波长。 (4)高维度纠缠具有更强的非定域违背特性,更高的信道容量,更强的抗干扰能力,以及更出色的量子并行计算能力。研究色散振荡光纤环形腔内四波混频准相位匹配,实现频率多模高维纠缠态。色散振荡光纤环形腔中,光脉冲循环传输,经历周期性色散调制。建立经典模式耦合方程,利用平均场近似计算光纤环形腔内泵浦功率,表现出双稳态响应。将耦合振幅方程转换为半经典算符方程,建立循环演化矩阵法,求解得到参量增益解析式,从中提炼准相位匹配方程。色散振荡光纤环形腔中的参量增益频谱表现为多个边带,对称共轭边带对应准相位匹配相同阶数,代表一个频率模式,各频率模纠缠态叠加输出形成频率多模高维纠缠态。

关键词： 光干涉传感   微机电系统   相位生成载波   信号解调  

摘要： 随着精密制造技术的快速发展,微纳尺度的光干涉测量技术因其高灵敏度、高分辨率和非接触性等特点,逐渐成为精密传感领域的研究热点。其中,以光栅衍射原理的测量技术是光干涉测量技术的一个重要发展方向。目前主要研究的是将微结构引入光栅干涉测量系统,但仍存在对工作点敏感、非线性以及量程限制问题,因此研究高性能的光栅干涉测量传感器对微纳精密制造具有重要意义。本文基于光栅干涉式传感器的传感机理及特性研究,将相位生成载波技术(PGC)引入光栅干涉式传感器,开展基于光栅驱动外调制的传感信号解调处理方法研究和实验工作。 为了设计光栅干涉式传感器和对传感测量原理进行理论分析,本文首先针对核心反射面-光栅干涉结构,利用标量理论建立了基于双光栅衍射的光学模型;通过对模型的工作原理分析,得到了不同衍射级次干涉光强变化的参数映射关系,明确了初始相位和敏感相位对干涉光强信号的影响。其次,为解决工作点偏离和量程限制问题,结合相位生成载波技术,分析阐述了调制解调方法原理并且指出了方法模型的关键影响因素;从原理上解决了工作点偏离和量程限制造成的信号失真问题,对开展光栅调制传感元件优化和传感信号解调建立提供理论基础。 进一步,为了实现干涉光强信号的相位调制,本文提出了一种压电陶瓷-光栅-振膜垂直方向紧凑集成的高灵敏相位调制型的光学声传感结构,并结合MEMS工艺和激光加工技术,完成了直径30mm、厚度0.77mm的传感元件制备。同时设计了匹配光栅干涉测量光路的光电检测模块并制作了检测电路,以提供激光光源和实现光栅衍射一级干涉光信号的检测输出。另外设计并制作了集成传感器元件和光电检测模块的封装管壳,完成了声传感器样机的组装,实现了附加光栅调制的干涉信号检测输出。 最后,对研制的声传感器样机进行了传感信号解调性能测试。首先对传感器的关键结构进行了表征测试,测试了光栅的衍射效率,并对压电陶瓷驱动位移以及激光器输出光波长进行了标定。搭建了面向声信号检测的传感器样机标定测试平台,基于建立的PGC-DCM传感信号解调算法程序,对附加设定驱动光栅相位调制的输出传感信号进行解调,成功解决了工作点偏移造成的信号失真问题,实现了声传感信号的线性解调。并进行了500Hz频率下不同声压信号的传感器样机标定测试,通过比较不进行相位调制处理的声信号检测结果和施加光栅调制并进行PGC-DCM解算的声信号检测结果,将原先4.28Pa以下的线性声压范围扩展到9.23Pa以上,线性度达到了0.9785,验证了本课题建立的针对光栅干涉传感器的传感信号解调方法,实现了线性量程的拓展。

关键词： 全固态脉冲激光   LD泵浦   单晶光纤   调Q激光   锁模激光  

摘要： 激光二极管（Laser Diode,LD）泵浦的全固态激光器具有激光效率高、光束质量好、成本低等优势,是激光技术领域的重要研究方向。作为固体激光器的三大组成部分之一,具有优异光学性能的激光增益介质一直是激光研究者重点关注的研究对象。单晶光纤是一种结合了传统块状晶体和玻璃光纤优势的新型材料,是晶体一维化的代表,它的出现符合固体激光器向着小型化、低成本、高能量发展的趋势,在实现高功率激光输出方面有着重要的应用前景。本文将激光技术和晶体物理相结合,对基于LD泵浦Nd:YAG、Yb:YAG、Tm:SrF三种单晶光纤的激光性能进行挖掘,对三种材料的连续和脉冲激光特性进行了系统的理论和实验研究,具有重要的实用价值,相关结果还为单晶光纤的进一步优化生长提供了参考依据。主要研究内容如下: 1.调研了1μm和2μm波段激光器的应用;综述了单晶光纤作为新型激光增益介质的优势与研究意义;调研了Nd:YAG、Yb:YAG、Tm:SrF三种单晶光纤激光器的研究进展;介绍了调Q技术和锁模技术的基本理论。 2.高能量LD泵浦Nd:YAG单晶光纤短脉冲激光特性研究:分别使用了主动调制、被动调制和主被动双调制,成功实现了不同模式下的Nd:YAG单晶光纤脉冲激光运转。主动调制和被动调制的同时使用,在重复频率为10 k Hz时,将脉宽成功压缩到39.03 ns,并使得脉冲波形的对称性得到优化。单脉冲能量和峰值功率分别为16μJ和409.9 W。 3.低热效应Nd梯度掺杂YAG单晶光纤实验验证:分别从低浓度端面和高浓度端面对梯度掺杂的Nd:YAG单晶光纤进行LD泵浦,获得最高激光输出功率分别为6.46 W和4.83 W。同时,将实验结果与均匀掺杂的单晶光纤对比,证实了梯度掺杂方式可以有效减小热效应。通过在V型谐振腔中加入声光调制器件,实现了单脉冲能量和峰值功率分别为83.4μJ和659.8 W的Nd:YAG单晶光纤短脉冲激光运转。 ***泵浦Yb:YAG单晶光纤调谐激光和超短脉冲激光特性研究:最高连续输出功率为3.72 W,对应的斜效率为44.3%。研究了Yb:YAG单晶光纤的调谐性能,获得的调谐谱线宽度为22 nm。通过Mathcad软件设计了W型谐振腔,首次用半导体可饱和吸收镜（SESAM）作为可饱和吸收体实现了Yb:YAG单晶光纤的连续锁模运转,脉宽和重复频率分别为1.6 ps和54.5 MHz。研究结果表明Yb:YAG单晶光纤具有产生超短脉冲激光的潜力。 ***泵浦Tm:SrF单晶光纤2μm超短脉冲激光特性研究:通过Mathcad软件设计了X型激光谐振腔。以SESAM为可饱和吸收体,首次实现了Tm:SrF单晶光纤的2μm连续锁模激光运转,脉冲重复频率为94.6 MHz。结果证实了Tm:SrF单晶光纤在产生2μm超短脉冲激光领域的应用价值。

关键词： 被动锁模光纤激光器   机器学习   长短期记忆神经网络   麻雀搜索算法  

摘要： 在光源和光子技术领域的发展中,超短脉冲在光纤中的传播方面发挥着核心且不可或缺的作用。这一技术不仅广泛应用于探究光与物质相互作用的基础研究,还涉足高分辨率成像、遥感探测等多个领域。被动锁模光纤激光器（Passively Mode-locked Fiber Laser,PMFL）作为一种有效产生超短脉冲的方法,因其脉冲宽度窄、峰值功率高和结构简单等优点而受到人们广泛关注和研究。PMFL中超短脉冲的动力学过程具有极高的非线性特性,需要进行大量的数值模拟,这在计算上要求较高,并且数值模拟方法在实验设计或优化时造成了严重的瓶颈。本论文基于机器学习对PMFL的腔内动力学过程进行了研究。着重对PMFL的脉冲特性沿腔内位置演化过程,以及在不同泵浦功率条件下PMFL的动态演化过程进行了预测研究。本文主要研究内容如下: （1）通过采用长短期记忆（Long Short-term Memory,LSTM）神经网络的方法,成功预测了PMFL中传统孤子、色散管理孤子和耗散孤子的脉冲宽度、峰值功率和光谱宽度在腔内不同位置的演化趋势。首先,通过有效地管理激光器腔内的色散,分别实现传统孤子、色散管理孤子和耗散孤子的生成。随后,针对这三种孤子类型,进行大量的数值模拟,生成了13375、9975和8375组数据,其中每组数据的85%用于训练,15%用于测试。最后,为了进一步优化LSTM神经网络的性能,引入了基于麻雀搜索算法（Sparrow Search Algorithm,SSA）的时间序列预测方法。通过使用SSA对LSTM神经网络的超参数进行精心调整,找到了最佳的超参数组合,从而提高了神经网络在脉冲特性预测方面的准确性。与LSTM模型相比,SSA-LSTM模型更好地拟合了实际数据。 （2）通过采用LSTM神经网络模型,预测了在不同泵浦功率条件下PMFL的动态演化过程。首先,通过仔细选择依赖于泵浦功率的增益饱和能量E的范围（从73p J到248.5 p J）,进行了数值模拟的数据生成。该范围覆盖了单脉冲的形成、单脉冲形成前的过渡双脉冲态以及随后的脉冲分裂等动态演化过程。接着,针对每种情景,生成了6个具有不同E的动态演化过程。其中5个用作训练集,1个用作测试集。最后,将LSTM模型预测的结果与数值模拟的结果进行了比较,结果显示LSTM模型的预测结果与数值模拟结果高度一致,且均方根误差均低于0.15。

关键词： 光纤   线性建构   软材料   雕塑空间  

摘要： 在当代材料雕塑中,软材料的迭新和高端技术的出现丰富了雕塑的材料语言。例如,塑料光纤的出现使雕塑在情感传达的多样性、雕塑对线性空间的建构和材料语言的突破上都有了更多创作手法,突破了传统的硬质材料用于创作的手段,延伸了雕塑与其他艺术领域的合作,丰富了雕塑的创作维度。通过分析国内外使用新兴软材料在当代雕塑以及其他艺术类别中的应用案例,总结出塑料光纤材料在雕塑创作中的创作思路,更好的体现艺术家的情感思维,建构更为立体的空间关系,给观者带来独树一帜的视觉感受。在雕塑创作中探索塑料光纤自身的艺术特色,并且和线性建构思维相结合,系统的整理和研究了包括但不限于塑料纤维的线性材料在雕塑艺术中的应用案例,通过理论结合实践的探索研究,陈述自身的思考和总结。 本文从雕塑材料和雕塑空间两个方面探讨了线性思维在当代雕塑中的应用,通过分析线性思维的定义、特点以及在雕塑中的表现形式,揭示线性建构对雕塑艺术的深刻影响。第一章对背景和意义等进行了概述。第二章分别对线性材料与线性建构在雕塑中的体现进行基本概述,加入了环境对艺术家的影响,将空间作为雕塑的一部分通过案例进行分析总结。第三章主要论述塑料光纤独特的线性材料语言,通过当代雕塑案例分析研究塑料光纤在雕塑中的线性建构思维,以及光在不同艺术作品中的作用,在当代艺术的角度进行分析总结。第四章以自身的创作实践为主,思考新兴的软材料在当代雕塑中的建构理念和艺术特点,通过实践总结塑料光纤等线性材料在雕塑创作中的线性构建思维。文中的作品案例,打破原有的艺术分类,在雕塑艺术、纤维艺术等领域进行综合的分析论述,探讨新兴材料与线性建构的关系。

关键词： 光电材料   光栅耦合器   铌酸锂晶体   波导  

摘要： 提出了一种基于铌酸锂平台的大带宽二维光栅耦合器，通过引入光电材料制成的铌酸锂晶体作为平台，采用硅三角形结构，以有效介质理论为基础沿着光传播的方向改变每个三角形的横向宽度，并在硅光栅耦合器与底部铌酸锂薄膜（LNTF）波导之间引入了低折射率氧化物缓冲层，在波长1550 nm处获得一个具有60.8%耦合效率以及102 nm的1 dB大带宽的垂直光栅耦合器。